缺芯催促國(guó)產(chǎn)碳化硅半導(dǎo)體加速“上車”

“功率半導(dǎo)體要‘大火’?！敝袊?guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟近日在湖南長(zhǎng)沙成立汽車功率半導(dǎo)體分會(huì)，并舉行了發(fā)展研討會(huì)，聯(lián)盟理事長(zhǎng)、分會(huì)首任理事長(zhǎng)董揚(yáng)表示，功率半導(dǎo)體的發(fā)展前景廣闊，重要原因就是駛上了高速發(fā)展的新能源汽車賽道。

汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)向上發(fā)展的重要機(jī)遇期。湖南三安等龍頭企業(yè)的國(guó)產(chǎn)碳化硅功率芯片正在大規(guī)模搭上新能源汽車的快車，并且即將應(yīng)用在主驅(qū)這一新能源汽車的“心臟”上。為了滿足新能源整車企業(yè)的需要，企業(yè)正在通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模生產(chǎn)不斷提升“中國(guó)芯”的品質(zhì)，同時(shí)降低成本。

與此同時(shí)，無(wú)論是半導(dǎo)體企業(yè)，還是整車企業(yè)，都意識(shí)到當(dāng)前迫在眉睫的事情是加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作，通過(guò)建立良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)來(lái)讓彼此受益。

缺芯：碳化硅功率芯片項(xiàng)目耗錢耗時(shí)耗人“功率芯片是新能源汽車整車成功的關(guān)鍵因素?！敝袊?guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)原誠(chéng)寅在研討會(huì)上表示。

汽車正在從汽油等化石能源驅(qū)動(dòng)向電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化轉(zhuǎn)換。在這個(gè)重大變化中，汽車功率半導(dǎo)體作為新能源汽車離不開(kāi)的器件，重要性與日俱增。在整車企業(yè)看來(lái)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已然進(jìn)入了“半導(dǎo)體定義汽車”的階段。

原誠(chéng)寅認(rèn)為，汽車芯片是一個(gè)足夠有想象力的市場(chǎng)，汽車產(chǎn)業(yè)變革趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生新機(jī)遇和新增長(zhǎng)點(diǎn)，汽車產(chǎn)業(yè)的核心價(jià)值鏈將會(huì)逐步從傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)到高新技術(shù)行業(yè)。

2022 年是全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有標(biāo)志性意義的一年。中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭正勁，全年新能源汽車銷售 688.7 萬(wàn)輛，比 2021 年幾近翻倍；產(chǎn)銷量連續(xù) 8 年保持全球第一；新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的 25.6%。

董揚(yáng)特別看重市場(chǎng)的力量。他以汽車動(dòng)力電池過(guò)去 10 年走過(guò)的歷程為例分析，正是旺盛的需求不斷催生相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步，10 年過(guò)后，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)建立起來(lái)了，人才隊(duì)伍也形成了。他認(rèn)為，如今汽車功率半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)于 10 年前的動(dòng)力電池。

近兩年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)芯片的需求猛增。放眼全球，芯片供不應(yīng)求，缺芯問(wèn)題影響到世界汽車產(chǎn)業(yè)，大眾、豐田、日產(chǎn)等汽車巨頭紛紛遭遇缺芯難題。

功率半導(dǎo)體是汽車芯片幾大類產(chǎn)品中非常重要的一環(huán)，廣泛用于轉(zhuǎn)換器、充電器、逆變器等實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵零部件中。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是第三代半導(dǎo)體的代表。

湖南三安半導(dǎo)體銷售副總經(jīng)理張真榕援引市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu) Yole Group 的報(bào)告向本報(bào)記者分析，碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將由 2021 年的 10.9 億美元增長(zhǎng)至 2027 年的 62.97 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 34%。

TrendForce 集邦咨詢預(yù)計(jì)，2026 年車用碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將攀升至 39.4 億美元。

張真榕分析，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球 2000 萬(wàn)輛新能源汽車中，如果 15%~30%的 B 級(jí)以上轎車采用碳化硅功率芯片，那么缺口將達(dá) 150 萬(wàn)~300 萬(wàn)片。

碳化硅功率芯片的巨大缺口，吸引了國(guó)內(nèi)不少企業(yè)進(jìn)場(chǎng)投資。在此次會(huì)議上，博世中國(guó)執(zhí)行副總裁徐大全提醒，要警惕產(chǎn)業(yè)盲目擴(kuò)張，“如果建太多廠，中間一定會(huì)有重復(fù)浪費(fèi)。大家全面開(kāi)花，未來(lái)會(huì)自己把自己打敗”。

業(yè)內(nèi)也有觀點(diǎn)認(rèn)為，盡管經(jīng)常聽(tīng)到有關(guān)碳化硅功率半導(dǎo)體項(xiàng)目的消息，但從實(shí)際效果看，卻是“雷聲大雨點(diǎn)小”。真正落地并實(shí)現(xiàn)有效產(chǎn)出的并不多，部分項(xiàng)目每月僅達(dá)到兩三千片的產(chǎn)量，而且并非所有碳化硅產(chǎn)品都能達(dá)到車規(guī)級(jí)。

碳化硅芯片項(xiàng)目耗錢耗時(shí)耗人，缺芯問(wèn)題與項(xiàng)目投資巨大、回報(bào)周期長(zhǎng)相關(guān)。據(jù)了解，碳化硅芯片項(xiàng)目投資建設(shè)期約為 18~24 個(gè)月，要經(jīng)歷設(shè)備導(dǎo)入調(diào)試、工藝開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證、產(chǎn)品研發(fā)與驗(yàn)證等一長(zhǎng)串過(guò)程。2022 年投資的項(xiàng)目，到 2025 年才會(huì)釋放產(chǎn)能。

“上車”：碳化硅功率芯片裝入電動(dòng)車的“心臟”

此次會(huì)議在湖南召開(kāi)，而電子信息制造業(yè)正是湖南著力培育壯大的“新三樣”產(chǎn)業(yè)之一。2022年，湖南規(guī)模以上電子信息制造業(yè)營(yíng)業(yè)收入達(dá) 4314 億元，比 2021 年增長(zhǎng) 20.2%。

在長(zhǎng)沙，湖南三安半導(dǎo)體有限責(zé)任公司擁有中國(guó)首條、世界第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈整合研發(fā)與制造平臺(tái)。在湖南湘江新區(qū)占地千畝的湖南三安超級(jí)工廠，總投資達(dá) 160 億元，2021 年 6 月點(diǎn)亮投產(chǎn)，同年 11 月量產(chǎn)下線碳化硅肖特基二極管全系列產(chǎn)品。本報(bào)記者在工廠透過(guò)車間的玻璃窗看到，從“碳化硅晶體生長(zhǎng)”到“器件封測(cè)”的量產(chǎn)線全線貫通。

據(jù)介紹，湖南三安半導(dǎo)體項(xiàng)目一期工程的 6 英寸碳化硅晶圓年產(chǎn)能達(dá)到 20 萬(wàn)片，二期工程預(yù)計(jì) 2023 年年底投產(chǎn)，達(dá)產(chǎn)后 6英寸碳化硅晶圓每年將突破 50 萬(wàn)片。

資料顯示，湖南三安的碳化硅襯底/外延產(chǎn)品已批量交付國(guó)際功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)；2022 年車規(guī)級(jí)和工業(yè)級(jí)碳化硅功率半導(dǎo)體出貨突破 1 億顆；碳化硅車規(guī) MOS 芯片已與知名整車廠和整車廠一級(jí)供應(yīng)商（Tier1）簽署累計(jì)近 70 億元的長(zhǎng)期訂單。

湖南三安國(guó)產(chǎn)碳化硅汽車應(yīng)用的步伐持續(xù)加快。主驅(qū)是電動(dòng)車的“心臟”，本報(bào)記者了解到，湖南三安用于主驅(qū)的碳化硅功率芯片驗(yàn)證進(jìn)度良好，2023 年四季度有望正式“上車”，預(yù)計(jì) 2024年 6 月將在某品牌新能源汽車主驅(qū)上看到湖南三安的身影。

事實(shí)上，湖南三安的碳化硅功率半導(dǎo)體不僅瞄準(zhǔn)新能源汽車，還在光伏儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、5G、軌道交通、電網(wǎng)等多領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用。

有數(shù)據(jù)表明，新能源汽車市場(chǎng)已經(jīng)超過(guò)碳化硅器件總市場(chǎng)的 40%，預(yù)計(jì)將在 2025 年達(dá)到 60%以上。張真榕解釋，車規(guī)級(jí)碳化硅功率半導(dǎo)體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高于工業(yè)級(jí)，對(duì)品控、可靠性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性的要求相當(dāng)嚴(yán)格。

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和碳化硅（SiC）是兩大主流。新能源汽車以往一直使用絕緣柵雙極型晶體管功率芯片，2018 年特斯拉開(kāi)始將碳化硅帶到其 Model3 車型上。緊隨其后，比亞迪、蔚來(lái)、小鵬、吉利等國(guó)內(nèi)車企在自家的新款高端電動(dòng)車?yán)镅b上了碳化硅芯片。2020 年，比亞迪的“漢”在電機(jī)控制器中就使用了碳化硅功率模塊。

在電動(dòng)汽車內(nèi)部，電池提供直流電，電機(jī)需要交流電。因此，電控環(huán)節(jié)的逆變器就要將直流電轉(zhuǎn)換交流電，絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅功率器件恰恰是逆變器的核心。

兩者對(duì)比，碳化硅熱傳遞性好，絕緣能力強(qiáng)，小型化下功率密度也更高。正是憑借高壓場(chǎng)景中的特長(zhǎng)，為了提升加速度、降低系統(tǒng)成本、實(shí)現(xiàn)輕量化，近年來(lái)，新能源整車企業(yè)廣泛引入碳化硅功率芯片，應(yīng)用在逆變器、充電樁、車載充電器等高壓充放電環(huán)節(jié)。

備受關(guān)注的是，碳化硅的能源轉(zhuǎn)換效率出色，自身性能的提升可以成倍地帶來(lái)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的增加，這對(duì)緩解人們對(duì)電動(dòng)車的“續(xù)航焦慮”大有幫助。

中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院功率電子開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)趙永強(qiáng)在此次會(huì)議上表示，新能源汽車行業(yè)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求飛速提升，電驅(qū)集成化趨勢(shì)明確，以碳化硅為代表的材料迭代成為重要突破方向。對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和 800 伏應(yīng)用的迫切需求可以通過(guò)碳化硅得以滿足。

降本：在汽車上更大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵

前進(jìn)之路上，成本成為碳化硅進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍的主要制約。

有研究顯示，特斯拉 Model3 的主驅(qū)動(dòng)逆變器采用 48 個(gè)碳化硅 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），總成本是傳統(tǒng)方案絕緣柵雙極型晶體管的 3~5 倍。據(jù)此推算，平均 2 輛特斯拉的純電動(dòng)車就需要用一片 6 英寸碳化硅晶圓。

盡管市場(chǎng)上還沒(méi)有看到在大電流領(lǐng)域比碳化硅更好的接近量產(chǎn)的替代品，但是馬斯克不久前宣布特斯拉汽車將減少碳化硅使用量，這也被認(rèn)為是“價(jià)格屠夫”向零部件傳導(dǎo)成本壓力的無(wú)奈之舉。

目前國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)的通常做法是，售價(jià) 20 萬(wàn)元以內(nèi)的電動(dòng)車用絕緣柵雙極型晶體管，20 萬(wàn)元以上的高端車型用碳化硅功率芯片。

業(yè)內(nèi)形成共識(shí)，降低成本是國(guó)產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體在汽車上大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵，未來(lái)一定要想辦法把成本降下來(lái)。

張真榕告訴本報(bào)記者，車用碳化硅的成本受制于多方面因素，包括晶體質(zhì)量、晶體生長(zhǎng)速度、晶體切磨拋光帶來(lái)的損耗等，這些是企業(yè)界和科研機(jī)構(gòu)需要共同攻克的課題。其中，碳化硅襯底占碳化硅芯片成本的一半以上，降低襯底成本是整體降本的重點(diǎn)。

據(jù)了解，碳化硅要在 2300 攝氏度以上高溫的黑箱中制造，溫度和壓力控制出現(xiàn)微小失誤都會(huì)造成失敗。要想擴(kuò)大晶片尺寸，生產(chǎn)難度就會(huì)呈幾何式增長(zhǎng)。

為了降低碳化硅功率半導(dǎo)體的成本，湖南三安采用了多種方法。第一，專注技術(shù)創(chuàng)新，提高生產(chǎn)效率和良率，張真榕認(rèn)為這是降低成本的主要途徑；第二，規(guī)?；a(chǎn)，湖南三安提供從晶體生長(zhǎng)、襯底制備、外延生長(zhǎng)、芯片制程到封裝測(cè)試的全產(chǎn)業(yè)鏈制造服務(wù)，大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)成本下降，集中快速生產(chǎn)單一爆款的優(yōu)勢(shì)也很明顯，企業(yè)二期工程的投產(chǎn)將進(jìn)一步強(qiáng)化規(guī)模效益；第三，生產(chǎn)設(shè)備和材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，湖南三安已經(jīng)開(kāi)始在多個(gè)制造環(huán)節(jié)對(duì)接國(guó)內(nèi)裝備，這不僅是為了降本，也是因?yàn)樵谝咔槠陂g，進(jìn)口設(shè)備運(yùn)輸不暢，國(guó)外工程技術(shù)人員來(lái)往受困，這也堅(jiān)定了企業(yè)尋找國(guó)內(nèi)替代裝備的決心。

張真榕同時(shí)提醒，降本并非所有碳化硅生產(chǎn)的首要任務(wù)，對(duì)高端產(chǎn)品，企業(yè)更將追求極致性能。

三安光電是湖南三安的母公司，也是世界級(jí)的 LED 芯片巨頭企業(yè)。張真榕從三安光電多年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)類比分析，20 年前 LED 芯片的價(jià)格為每片 200 美元，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，現(xiàn)在的成本只是當(dāng)時(shí)的 5%，參照其經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)碳化硅的成本也將逐年降低。

協(xié)同：產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作迫在眉睫

盡管生機(jī)勃勃，但是中國(guó)第三代半導(dǎo)體行業(yè)整體發(fā)展尚未成熟，在襯底材料生產(chǎn)效率、芯片性能效率、封裝水準(zhǔn)和良率等方面仍待提升，國(guó)產(chǎn)碳化硅器件也還要跨過(guò)高可靠性的門檻。

趙永強(qiáng)表示，中國(guó)整車企業(yè)要給國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體提升改進(jìn)的機(jī)會(huì)和空間，引導(dǎo)國(guó)產(chǎn)碳化硅器件大規(guī)?！吧宪嚒?。業(yè)內(nèi)人士分析說(shuō)，這正是源于產(chǎn)業(yè)內(nèi)部“雞生蛋”還是“蛋生雞”的老問(wèn)題——只有大量應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體才能在實(shí)踐中持續(xù)完善，但是車企也希望國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝達(dá)到極高水準(zhǔn)后再“上車”。

汽車產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)供應(yīng)模式正在發(fā)生改變。汽油車開(kāi)發(fā)周期是 5 年，電動(dòng)車縮短至兩年一代。

而且，車規(guī)級(jí)芯片在“上車”前的送樣驗(yàn)證大約需要兩年時(shí)間。因此，無(wú)論整車企業(yè)還是芯片企業(yè)，都面臨產(chǎn)品的快速迭代，承受時(shí)間緊迫的壓力，這要求上下游相互配合，整條產(chǎn)業(yè)鏈共同應(yīng)對(duì)。

事實(shí)上，新能源整車企業(yè)擔(dān)心全球碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)張低于市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，也都在各自尋求與上游企業(yè)的深度合作。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)品還以標(biāo)準(zhǔn)品應(yīng)用為主，但定制開(kāi)發(fā)已經(jīng)開(kāi)始。

盡管如此，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)觀察，國(guó)內(nèi)上中下游尚未形成協(xié)同發(fā)展的局面?！疤蓟钁?yīng)用于車輛屬于系統(tǒng)工程?！壁w永強(qiáng)認(rèn)為，只有整車、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，中國(guó)新能源汽車方能領(lǐng)跑國(guó)際。

比亞迪汽車副總工程師劉源建議，盡快建立對(duì)汽車功率芯片檢測(cè)、驗(yàn)證的完整體系。

據(jù)悉，此次成立的汽車功率半導(dǎo)體分會(huì)就是為了促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的快速突破，打通標(biāo)準(zhǔn)制訂等各個(gè)環(huán)節(jié)。分會(huì)成員涵蓋了境內(nèi)從事功率半導(dǎo)體襯底、外延、晶圓、器件、模塊、封測(cè)等業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)，汽車整車企業(yè)，零部件供應(yīng)商，科研院所，高校及行業(yè)組織。

“產(chǎn)業(yè)需要建立朋友圈?！倍瓝P(yáng)表示，要加快構(gòu)建有競(jìng)爭(zhēng)力的車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，努力讓中國(guó)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在世界上占有一席之地乃至領(lǐng)先位置。

審核編輯 ：李倩