隨著新能源汽車新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，更具優(yōu)勢的第三代碳化硅(SiC)功率芯片熱度正持續(xù)飆升，備受關(guān)注。

前不久，配裝臻驅(qū)科技車規(guī)級碳化硅功率芯片模塊的全新一代雙電機控制器正式量產(chǎn)上車，應(yīng)用于上汽通用五菱凱捷混動版及星辰SUV混動版車型上。同期，理想汽車與三安光電合作的碳化硅功率芯片研發(fā)及生產(chǎn)基地項目落戶蘇州高新區(qū)，將在2024年形成量產(chǎn)能力……

截至目前，比亞迪、吉利、廣汽埃安、小鵬、蔚來等車企發(fā)布的搭載800V高電壓平臺車型，都使用了碳化硅功率芯片模塊。不少行業(yè)人士判斷，2022年或是碳化硅功率芯片應(yīng)用的新元年。

從電機到800V平臺的新需求

新能源汽車?yán)m(xù)駛焦慮、充電焦慮、安全焦慮，都與三電系統(tǒng)密切相關(guān)。800V高電壓平臺的應(yīng)用，可為破解這些難題提供新的解決方案，而其“頂梁柱”之一就是碳化硅功率芯片。

“功率芯片是新能源汽車有別于傳統(tǒng)燃油車的重要零部件，每輛電動汽車大約需配備90～100個，如果車輛采用四驅(qū)系統(tǒng)，需求量還要再增加50%，功率芯片在整車芯片中的價值占比約60%。”在廣汽埃安新能源汽車有限公司技術(shù)中心經(jīng)理湛紹新看來，不僅電動汽車平臺有高壓化的趨勢，其對充電樁的零部件性能也提出了重新適配的要求，功率芯片在充電樁成本中的占比達80%左右，這都成為碳化硅功率芯片應(yīng)用的重要市場。

華為智能電動領(lǐng)域副總裁彭鵬也認(rèn)為，大功率高壓快充不僅能從技術(shù)層面消減充電焦慮，還將帶來新的商業(yè)模式，幫助充電運營商提升單位時間的盈利能力，從而解決當(dāng)前充電樁投資回報率低的問題，由此也給碳化硅功率芯片的應(yīng)用提供了機遇。

據(jù)了解，隨著新能源汽車市場高速發(fā)展，此前采用較多的硅基材料功率芯片基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、開關(guān)速度等，尤其是在高頻和高功率領(lǐng)域更顯露出局限性。為此，迫切需要碳化硅等新材料實現(xiàn)替代。

“當(dāng)前，新能源汽車動力系統(tǒng)正在發(fā)生三大顯著變化，即動力系統(tǒng)從內(nèi)燃機演變?yōu)殡妱訖C，電壓平臺從400V左右升級到800V，功率芯片材料從硅轉(zhuǎn)向碳化硅。”清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院副研究員高大威在接受《中國汽車報》記者采訪時表示，碳化硅是優(yōu)勢明顯的第三代芯片材料，作為寬禁帶(即適應(yīng)大電流大功率)半導(dǎo)體材料的一種，與此前使用的硅材料主要有三方面的升級。一是耐高壓、耐高溫，溫度特性好，響應(yīng)快，效率高。傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的耐高溫上限為175℃，而碳化硅功率芯片在200℃環(huán)境下也能正常工作，對冷卻系統(tǒng)要求也更低，不僅性能更好，而且更安全。二是同樣性能的碳化硅芯片，尺寸可以縮小到硅基的約10%～20%，體積小、重量輕的優(yōu)勢，為減輕車重、優(yōu)化設(shè)計等提供了更多可能性;三是能量損失減少約75%，相當(dāng)于大幅降低了電能消耗和使用成本。

“新能源汽車的800V主驅(qū)動逆變器、直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)、車載充電器(OBC)等應(yīng)用碳化硅功率芯片將是大勢所趨。”西安工業(yè)大學(xué)微電子技術(shù)實驗室工程師魏冬在接受記者采訪時介紹道，主驅(qū)動逆變器的能量轉(zhuǎn)換效率是衡量電動汽車?yán)m(xù)駛能力的關(guān)鍵;車載充電器是決定電動汽車充電效率的關(guān)鍵，從技術(shù)上看，如果有碳化硅功率芯片的支持，有車企聲稱的車輛“充電5分鐘續(xù)駛200公里”可以實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為5.41億美元(約合人民幣36億元)，預(yù)計2025年將增長至25.62億美元(約合人民幣172億元)，年復(fù)合增速約30%。“碳化硅功率芯片不僅將帶來技術(shù)新變化、市場新需求，而且在很大程度上將使新能源汽車整體邁上一個新臺階。”國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心副總經(jīng)理、中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長鄒廣才指出。

產(chǎn)業(yè)鏈投資布局密集多樣

在新能源汽車市場競爭中，誰能在動力系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用上領(lǐng)先一步，就會擁有更大的發(fā)展優(yōu)勢，之于碳化硅功率芯片也是同樣如此。如今，新能源車企、芯片供應(yīng)商密集布局碳化硅功率芯片，已成為新的產(chǎn)業(yè)投資熱點。

前文提及的臻驅(qū)科技，2017年就完成了車規(guī)級碳化硅功率芯片模塊的初級開發(fā)，此次推出的新一代DrivePack產(chǎn)品具有超低功耗、高輸出功率、平臺化封裝設(shè)計等優(yōu)點，據(jù)稱是當(dāng)前國內(nèi)已量產(chǎn)的先進車規(guī)級功率芯片模塊之一。此次落戶蘇州高新區(qū)的理想汽車功率半導(dǎo)體研發(fā)及生產(chǎn)基地，是該公司自研核心零部件的重點布局之一。為此，理想汽車與國內(nèi)芯片龍頭企業(yè)三安光電共同出資組建了蘇州斯科半導(dǎo)體有限公司，主要專注于第三代碳化硅芯片模組的研發(fā)及生產(chǎn)。

2018年12月，比亞迪成功研發(fā)出碳化硅MOSFET芯片模塊。2020年，比亞迪漢EV成為公司旗下啟用碳化硅功率芯片模塊首款車型，可實現(xiàn)200kW的輸出功率，提升一倍的功率密度，百公里加速度僅為3.9秒。比亞迪還宣布，預(yù)計到2023年，旗下電動汽車將實現(xiàn)碳化硅芯片模塊對硅基IGBT的全面替換。

2021年正式亮相的蔚來旗艦轎車ET7，也采用了搭載碳化硅功率芯片模塊的第二代高效電驅(qū)動平臺。在新技術(shù)的支持下，該款車的續(xù)駛里程超過1000公里。

2021年廣州車展上，小鵬汽車對外發(fā)布SUV新車型G9，是該公司首款基于碳化硅功率芯片的800V平臺量產(chǎn)車。值得注意的是，今年2月，小鵬汽車獨家戰(zhàn)略投資了國內(nèi)碳化硅功率芯片供應(yīng)商上海瞻芯電子科技有限公司。

2018年3月，上汽和英飛凌成立合資企業(yè)上汽英飛凌汽車功率半導(dǎo)體(上海)有限公司，據(jù)透露，其中包括碳化硅芯片項目。2021年11月，上汽集團攜旗下私募股權(quán)投資平臺尚頎資本，共同出資5億元，完成對國內(nèi)車規(guī)級芯片及碳化硅功率芯片供應(yīng)商積塔半導(dǎo)體的A輪投資。此外，尚頎資本還參與投資研發(fā)碳化硅芯片的上海瀚薪科技。

在芯片產(chǎn)業(yè)鏈上，剛上市不久的天岳先進募資20億元，投建碳化硅襯底項目;時代電氣、斯達半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體、華潤微、士蘭微等均已布局碳化硅功率芯片。

在相關(guān)零部件方面，欣銳科技已布局“小三電”中的車載充電器，產(chǎn)品主要配套吉利汽車、小鵬汽車、東風(fēng)本田、廣汽本田、現(xiàn)代汽車等國內(nèi)外知名整車廠商，目前絕大多數(shù)產(chǎn)品已應(yīng)用碳化硅功率芯片模塊;高壓連接器廠商瑞可達也在布局碳化硅相關(guān)技術(shù);精進電動去年9月推出了250kW碳化硅復(fù)合冷卻“三合一”電驅(qū)動總成，已獲得大眾商用車集團碳化硅功率控制器的定點供應(yīng)商資格，預(yù)計將于2024年初量產(chǎn)。

高大威認(rèn)為：“目前，在碳化硅功率芯片的投資及布局上，從整車企業(yè)到芯片供應(yīng)商等呈現(xiàn)出多樣化且步伐加快的趨勢，這也是其市場應(yīng)用提速的驅(qū)動力之一。”

技術(shù)、工藝、產(chǎn)能與成本制約

隨著碳化硅功率芯片需求日盛，其在市場應(yīng)用道路上面臨的各項挑戰(zhàn)，成為行業(yè)關(guān)注的焦點。

“目前在國內(nèi)市場上，由于碳化硅屬于新材料，碳化硅功率芯片的生產(chǎn)工藝、設(shè)備等方面仍在完善之中，技術(shù)瓶頸亟待突破，由此也帶來一些產(chǎn)能上的制約，導(dǎo)致產(chǎn)品成本較高等問題。”魏冬表示，目前的技術(shù)瓶頸主要包括，一是受限于襯底的晶體生長技術(shù)等工藝，良品率不夠高，而產(chǎn)品成本較高;二是外延工藝效率較低，碳化硅的外延制備一般要在1500℃～1800℃環(huán)境下進行，由于工藝有待完善，造成產(chǎn)量較低;三是在材料工藝上需要用離子注入法，從材料選擇到退火溫度等一系列工藝還需優(yōu)化;四是在電極引出工藝上也存在一定難題;五是配套材料的選擇，包括電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了碳化硅芯片的工作溫度。

在國際市場上，意法半導(dǎo)體和英飛凌等行業(yè)巨頭已基本掌握水平較高的碳化硅功率芯片制備工藝，車企的聯(lián)合研發(fā)也在加速。2021年3月，豐田汽車宣布與日本關(guān)西學(xué)院開發(fā)出零缺陷的6英寸碳化硅襯底，聲稱可以讓任何尺寸、任意供應(yīng)商的BPD(基底面位錯數(shù)值)降至1以下，達到世界先進水平。豐田汽車將碳化硅功率芯片模塊應(yīng)用于第二代氫燃料電池車型上。

“在技術(shù)、工藝、產(chǎn)能等方面，國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)相比還存在一定的差距。”鄒廣才介紹說，碳化硅功率芯片技術(shù)涉及諸多環(huán)節(jié)，包括晶圓、襯底、外延、芯片封裝、測試應(yīng)用等。其中，芯片封裝方面，不同廠家有不同的封裝結(jié)構(gòu)，適應(yīng)的電流、尺寸、功率等也不一樣。目前，國內(nèi)企業(yè)的碳化硅封裝材料大多來自進口，且對封裝的結(jié)構(gòu)形式也還沒有形成定論。此外，由于碳化硅功率芯片適配產(chǎn)品的開關(guān)速度非?？?，傳統(tǒng)的測試儀器、方法和標(biāo)準(zhǔn)都有待進行相應(yīng)的調(diào)整。“從目前國內(nèi)市場發(fā)展現(xiàn)狀來看，技術(shù)、工藝、測試等領(lǐng)域的水平限制了產(chǎn)能。”鄒廣才直言。

“碳化硅功率芯片的應(yīng)用普及，還面臨諸多困難。”中信證券分析師路海波向記者表示，一是晶圓方面，科銳占據(jù)了全球45%的市場份額，羅姆子公司Si-Crystal占據(jù)20%市場份額，高意市占率為13%;中國企業(yè)的市場份額較低，其中天科合達占有5.3%，山東天岳則為2.6%。二是工藝水平亟待提升。碳化硅芯片產(chǎn)業(yè)鏈上，襯底、外延片、器件、模組等環(huán)節(jié)的先進技術(shù)基本被國外企業(yè)壟斷。其中，襯底成本約占芯片總成本的47%，外延片的成本占比為23%。而襯底制備受限于碳化硅晶體生長速度慢、過程難以調(diào)控、切割難度大等多種問題，國內(nèi)外企業(yè)產(chǎn)能均不高，國內(nèi)更少。尤其是襯底方面，國際主流廠商已從4英寸向6英寸過渡，科銳已開發(fā)出先進的8英寸襯底。國內(nèi)主要供應(yīng)商天科合達、山東天岳、同光晶體等，基本能夠供應(yīng)3～6英寸的單晶襯底，且以4英寸為主，6英寸襯底技術(shù)上還有待進一步突破。外延片方面，國內(nèi)供應(yīng)商廈門瀚天天成、東莞天域、世紀(jì)金光能提供4英寸及6英寸外延片，可以實現(xiàn)本土供應(yīng)。三是全球范圍內(nèi)供需關(guān)系的失衡，目前全球碳化硅晶圓年產(chǎn)能約為60萬片。理論上，每張6英寸的碳化硅晶圓僅能滿足兩輛特斯拉Model 3的需求。如果特斯拉按照自身規(guī)劃，在2022年完成交付100萬輛新車的目標(biāo)，則意味著僅這一家車企就足以耗盡目前全球的碳化硅功率芯片產(chǎn)能。

“由于國內(nèi)外企業(yè)的技術(shù)水平存在差距，導(dǎo)致產(chǎn)能落后，即使國內(nèi)車企應(yīng)用碳化硅功率芯片的積極性很高，但現(xiàn)在產(chǎn)能依然跟不上。”高大威談道，在這種情況下甚至出現(xiàn)了一些國內(nèi)芯片廠商用4英寸晶圓設(shè)備生產(chǎn)6英寸碳化硅襯底的情況，導(dǎo)致良品率更低，成本居高不下。

是新“風(fēng)口”更是制勝新機遇

盡管在技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品量產(chǎn)方面仍存在一定的挑戰(zhàn)，但不可否認(rèn)的是，從車企的積極意愿到政府的政策支持，都在為構(gòu)建碳化硅功率芯片產(chǎn)業(yè)鏈提供利好。

為了降低成本和應(yīng)對碳化硅功率芯片產(chǎn)能緊張，比亞迪、小鵬、蔚來的部分車型，都采用了“碳化硅芯片+IGBT”的技術(shù)路線，在一定程度上提升了車輛的性能，同時控制了成本。

近年來，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》、《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》、《關(guān)于做好2022年享受稅收優(yōu)惠政策的集成電路企業(yè)或項目、軟件企業(yè)清單制定工作有關(guān)要求的通知》等政策陸續(xù)出臺，從頂層設(shè)計、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新、投融資、稅收優(yōu)惠等方面均對芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予支持和鼓勵。其中，在投融資方面，國家大力支持符合條件的集成電路企業(yè)和軟件企業(yè)在境內(nèi)外上市融資，加快境內(nèi)上市審核流程，符合企業(yè)會計準(zhǔn)則相關(guān)條件的研發(fā)支出可做資本化處理;鼓勵支持符合條件的企業(yè)在科創(chuàng)板、創(chuàng)業(yè)板上市融資等。而在稅收方面，對于按照芯片設(shè)計、裝備、材料、封裝、測試企業(yè)和軟件企業(yè)享受稅收優(yōu)惠政策的，優(yōu)惠期自獲利年度起計算。自獲利年度起，第一年至第二年免征企業(yè)所得稅，第三年至第五年按照25%的法定稅率減半征收企業(yè)所得稅等。

“目前，國內(nèi)企業(yè)投融資、獨立研發(fā)或合作開發(fā)等多措并舉的局面，將為碳化硅功率芯片技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)鏈的完善帶來更好的保障。”路海波認(rèn)為，一方面，相關(guān)企業(yè)要積極用好國家的支持政策，從各方面強化技術(shù)研發(fā)能力，學(xué)習(xí)借鑒先進經(jīng)驗，強化自主創(chuàng)新，力爭在碳化硅功率芯片技術(shù)、工藝、產(chǎn)能等方面盡快形成突破;另一方面，有關(guān)部門、機構(gòu)、行業(yè)組織也要針對產(chǎn)業(yè)鏈上的缺失和測試等短板，盡快組織協(xié)調(diào)，健全完善，為碳化硅功率芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力的支撐。

“碳化硅芯片不僅是一個新‘風(fēng)口’，也是自主汽車產(chǎn)業(yè)鏈崛起的一個新機遇。”鄒廣才表示，目前國內(nèi)有越來越多的企業(yè)正加入碳化硅芯片產(chǎn)業(yè)版圖，有助于形成技術(shù)突破，解決一些共性難題。在此基礎(chǔ)上，企業(yè)有望擴大產(chǎn)能，提升品質(zhì)，降低成本，推動碳化硅功率芯片盡快走向大規(guī)模應(yīng)用。

“碳化硅功率芯片是新能源汽車的新技術(shù)方向。在這一領(lǐng)域加快自主創(chuàng)新并實現(xiàn)突破，有利于我國新能源汽車行業(yè)全面站上新的制高點。”高大威說道。

關(guān)鍵詞： 新能源汽車 新能源汽車下鄉(xiāng) 新能源汽車市場 市場分析