新能源汽車時代的半導(dǎo)體材料寵兒——SiC（碳化硅）

前 言

1824年，一種全新的材料被瑞典科學(xué)家，貝采里烏斯合成出來，這是一種名為碳化硅的黑色粉末，平平無奇的樣子，仿佛是隨處可見的灰燼，也許誰也沒能想到，就是這一小撮雜質(zhì)般的黑色顆粒，將會在近200年后，在其之上長出絢爛的花朵，幫助人類突破半導(dǎo)體的瓶頸。

在人類半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的起步初期，基于硅（Si）芯片的技術(shù)發(fā)展速度卓越，無論是成本還是性能都達(dá)到了完美的平衡，自然對于碳化硅（SiC）沒有過多的注意。直到20世紀(jì)90年代，Si基電力電子裝置出現(xiàn)了性能瓶頸，再次激發(fā)了相關(guān)機(jī)構(gòu)對SiC材料的研究興趣。

相比于傳統(tǒng)的Si材料，SiC優(yōu)勢主要有以下六點(diǎn)：

1 更高的額定電壓，無論是單極性還是雙極型器件，SiC基器件的額定電壓遠(yuǎn)高于Si基同類型器件；

2 更低的導(dǎo)通電阻，在1kV電壓等級下，SiC基單極性器件的導(dǎo)通電阻是Si基器件的1/60；

3 更高開關(guān)頻率，設(shè)定最大結(jié)溫在175°C、10kV條件下，SiC基器件仍能達(dá)到33kHZ的最大開關(guān)頻率；

4 更低熱阻，SiC基熱導(dǎo)率是Si的3倍，期間內(nèi)部更易散熱，減小器件過溫失效風(fēng)險，提高可靠性；

5 理論上，SiC基器件極限工作結(jié)溫能達(dá)到600°C，遠(yuǎn)高于Si基器件，但是受限于封裝材料；

6 具備極強(qiáng)抗輻射性，過量輻射不會導(dǎo)致SiC器件出現(xiàn)性能衰退，在航空領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

SiC的優(yōu)勢

SiC在新能源汽車領(lǐng)域需求巨大

近年來，新能源汽車的增長速度堪稱恐怖，2021年，全球新能源汽車銷售約675萬輛，同比增長1.08倍，市場滲透率大幅提升到8%左右。而在我國，2021年新能源汽車銷量約為352萬輛，占全球銷量的近一半，而到了2022年上半年，中國新能源汽車銷量達(dá)260萬輛，同比增長1.2倍，同時新能源汽車保有量突破1000萬輛。而在可以遇見的未來，新能源汽車的增長也是勢不可擋的。根據(jù)市場的預(yù)期：全球新能源汽車市場將在未來5年至10年繼續(xù)保持較高15-35%規(guī)模的增速。預(yù)計到2025年中國市場規(guī)模將突破1500萬輛，保持約35%的年均增長率。而對于SiC需求最大的領(lǐng)域，恰恰就是新能源汽車。

新能源汽車相比于傳統(tǒng)燃油汽車，其中所使用的功率半導(dǎo)體器件成倍增加，根據(jù)Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)燃油車的車均半導(dǎo)體用量為338美元，而功率半導(dǎo)體僅占21%，為71美元?；旌蟿恿ζ囆略龅陌雽?dǎo)體中76%是功率半導(dǎo)體，車均增量達(dá)到283美元，功率半導(dǎo)體價值為傳統(tǒng)汽車的4倍，純電動汽車中的功率半導(dǎo)體價值量則比混合動力汽車中更多。

新能源汽車中各類半導(dǎo)體占比

上文提到，SiC擁有更高的熱導(dǎo)性能和電子性能，因此，SiC的化學(xué)特性使其特別擅長處理高頻、高功率和高溫負(fù)載的使用場景。對于新能源汽車來說，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通常要求體積更小、重量更輕，且能忍受惡劣的工況，而SiC恰恰具備高性能尺寸比、耐高溫和耐輻射，可幫助系統(tǒng)減少尺寸、降低重量提高系統(tǒng)可靠性，這是提高電動汽車效率的關(guān)鍵因素。不僅如此，對于車載逆變器，SiC也是目前的最優(yōu)解，以著名新能源汽車廠商特斯拉為例，在2018年，特斯拉將Model 3車型的主驅(qū)動逆變器中已經(jīng)使用了SiC MOSFET，將Si IGBT替換為SiC器件后，新能源汽車逆變器效率可以大幅提升，相同續(xù)航下對電池容量需求降低，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷卻體積和重量的優(yōu)化，有效降低SiC器件本身帶來的成本增加。

Si 模塊，SiC混合模塊和全SiC模塊方案三相逆變器損耗

新能源汽車的爆發(fā)式增長，其配套的充電樁自然也會隨之水漲船高，據(jù)麥肯錫統(tǒng)計及預(yù)測，2020年中美歐新能源汽車充電需求約為180億千瓦時，預(yù)計到2030年，伴隨新能源汽車滲透率的提升，新能源汽車充電需求將高達(dá)2710億千瓦時。

中美歐2020-2030年充電樁數(shù)量（單位：百萬座）

但是，就以目前的形勢來看，充電樁的增長速度遠(yuǎn)沒有新能源汽車來得快。從新能源汽車增量與公共充電樁增量角度看，車樁比在2020年為4.7：1，2021年-2022年連續(xù)兩年車樁比均超過10：1。導(dǎo)致目前這種“車多樁少”的情況。筆者認(rèn)為是充電樁越來越多地建在交通便利，但地段昂貴的商業(yè)城區(qū)，同時還要面對惡劣的工況。因此，充電樁的設(shè)計方向是追求高密度、高電壓、高功率和高可靠。還是作為新能源汽車充電樁的核心零部件，SiC的有關(guān)特性又讓它成了繞不開的材料。三安集團(tuán)北京公司副總經(jīng)理就陳東坡認(rèn)為，SiC憑借耐高壓、耐高溫、更高頻率的優(yōu)勢，性能非常優(yōu)越，前景明朗。雖然現(xiàn)在對于SiC快速充電樁還處于起步階段，但是在未來隨著需求的大幅增加，SiC一定會被大量應(yīng)用。

結(jié) 論

不僅僅是新能源汽車領(lǐng)域，對于5G基站的通信電源，大數(shù)據(jù)中心或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器電源，城際高鐵和城際軌道交通的電力電子裝置都能看到SiC這種材料的應(yīng)用前景。隨著SiC市場前景的逐步明確，已經(jīng)有越來越多的廠商開始投入對于SiC材料的研發(fā)和制造中來。

作為SiC生產(chǎn)的基石，襯底的尺寸直接影響了SiC生產(chǎn)的成本，目前全球SiC市場6英寸量產(chǎn)線正走向成熟，領(lǐng)先公司已進(jìn)軍8英寸市場，包括羅姆、II-VI、Wolfspeed已具備成熟6英寸SiC襯底產(chǎn)線，正在向8英寸市場進(jìn)行開拓，而我國國內(nèi)，包括泰科天潤、華潤微、三安光電等廠商也在積極探索，雖然目前還是以4英寸產(chǎn)線為主，逐步在探索6英寸，但我國獨(dú)有的巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模很可能會加速SiC研發(fā)，逐步追上甚至領(lǐng)跑SiC領(lǐng)域也絕不是癡人說夢。

從4英寸、6英寸到8英寸的芯片數(shù)量

筆者相信，在未來會有越來越多的SiC功率器件出現(xiàn)，讓我們身邊的電子產(chǎn)品功耗更低，體積更小，同時，也會有越來越多的國產(chǎn)SiC材料，來服務(wù)我們未來的科技生活。