第三代碳化硅功率芯片持续飙升 新能源汽车续驶焦虑难解

随着新能源汽车新技术、新材料的不断涌现，更具优势的第三代碳化硅(SiC)功率芯片热度正持续飙升，备受关注。

前不久，配装臻驱科技车规级碳化硅功率芯片模块的全新一代双电机控制器正式量产上车，应用于上汽通用五菱凯捷混动版及星辰SUV混动版车型上。同期，理想汽车与三安光电合作的碳化硅功率芯片研发及生产基地项目落户苏州高新区，将在2024年形成量产能力……

截至目前，比亚迪、吉利、广汽埃安、小鹏、蔚来等车企发布的搭载800V高电压平台车型，都使用了碳化硅功率芯片模块。不少行业人士判断，2022年或是碳化硅功率芯片应用的新元年。

从电机到800V平台的新需求

新能源汽车续驶焦虑、充电焦虑、安全焦虑，都与三电系统密切相关。800V高电压平台的应用，可为破解这些难题提供新的解决方案，而其“顶梁柱”之一就是碳化硅功率芯片。

“功率芯片是新能源汽车有别于传统燃油车的重要零部件，每辆电动汽车大约需配备90～100个，如果车辆采用四驱系统，需求量还要再增加50%，功率芯片在整车芯片中的价值占比约60%。”在广汽埃安新能源汽车有限公司技术中心经理湛绍新看来，不仅电动汽车平台有高压化的趋势，其对充电桩的零部件性能也提出了重新适配的要求，功率芯片在充电桩成本中的占比达80%左右，这都成为碳化硅功率芯片应用的重要市场。

华为智能电动领域副总裁彭鹏也认为，大功率高压快充不仅能从技术层面消减充电焦虑，还将带来新的商业模式，帮助充电运营商提升单位时间的盈利能力，从而解决当前充电桩投资回报率低的问题，由此也给碳化硅功率芯片的应用提供了机遇。

据了解，随着新能源汽车市场高速发展，此前采用较多的硅基材料功率芯片基本已逼近其物理极限，如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、开关速度等，尤其是在高频和高功率领域更显露出局限性。为此，迫切需要碳化硅等新材料实现替代。

“当前，新能源汽车动力系统正在发生三大显著变化，即动力系统从内燃机演变为电动机，电压平台从400V左右升级到800V，功率芯片材料从硅转向碳化硅。”清华大学车辆与运载学院副研究员高大威在接受《中国汽车报》记者采访时表示，碳化硅是优势明显的第三代芯片材料，作为宽禁带(即适应大电流大功率)半导体材料的一种，与此前使用的硅材料主要有三方面的升级。一是耐高压、耐高温，温度特性好，响应快，效率高。传统硅基功率半导体IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的耐高温上限为175℃，而碳化硅功率芯片在200℃环境下也能正常工作，对冷却系统要求也更低，不仅性能更好，而且更安全。二是同样性能的碳化硅芯片，尺寸可以缩小到硅基的约10%～20%，体积小、重量轻的优势，为减轻车重、优化设计等提供了更多可能性;三是能量损失减少约75%，相当于大幅降低了电能消耗和使用成本。

“新能源汽车的800V主驱动逆变器、直流转换器(DC/DC)、车载充电器(OBC)等应用碳化硅功率芯片将是大势所趋。”西安工业大学微电子技术实验室工程师魏冬在接受记者采访时介绍道，主驱动逆变器的能量转换效率是衡量电动汽车续驶能力的关键;车载充电器是决定电动汽车充电效率的关键，从技术上看，如果有碳化硅功率芯片的支持，有车企声称的车辆“充电5分钟续驶200公里”可以实现。

数据显示，2019年，全球碳化硅功率器件市场规模为5.41亿美元(约合人民币36亿元)，预计2025年将增长至25.62亿美元(约合人民币172亿元)，年复合增速约30%。“碳化硅功率芯片不仅将带来技术新变化、市场新需求，而且在很大程度上将使新能源汽车整体迈上一个新台阶。”国家新能源汽车技术创新中心副总经理、中国汽车芯片产业创新战略联盟副秘书长邹广才指出。

产业链投资布局密集多样

在新能源汽车市场竞争中，谁能在动力系统技术及应用上领先一步，就会拥有更大的发展优势，之于碳化硅功率芯片也是同样如此。如今，新能源车企、芯片供应商密集布局碳化硅功率芯片，已成为新的产业投资热点。

前文提及的臻驱科技，2017年就完成了车规级碳化硅功率芯片模块的初级开发，此次推出的新一代DrivePack产品具有超低功耗、高输出功率、平台化封装设计等优点，据称是当前国内已量产的先进车规级功率芯片模块之一。此次落户苏州高新区的理想汽车功率半导体研发及生产基地，是该公司自研核心零部件的重点布局之一。为此，理想汽车与国内芯片龙头企业三安光电共同出资组建了苏州斯科半导体有限公司，主要专注于第三代碳化硅芯片模组的研发及生产。

2018年12月，比亚迪成功研发出碳化硅MOSFET芯片模块。2020年，比亚迪汉EV成为公司旗下启用碳化硅功率芯片模块首款车型，可实现200kW的输出功率，提升一倍的功率密度，百公里加速度仅为3.9秒。比亚迪还宣布，预计到2023年，旗下电动汽车将实现碳化硅芯片模块对硅基IGBT的全面替换。

2021年正式亮相的蔚来旗舰轿车ET7，也采用了搭载碳化硅功率芯片模块的第二代高效电驱动平台。在新技术的支持下，该款车的续驶里程超过1000公里。

2021年广州车展上，小鹏汽车对外发布SUV新车型G9，是该公司首款基于碳化硅功率芯片的800V平台量产车。值得注意的是，今年2月，小鹏汽车独家战略投资了国内碳化硅功率芯片供应商上海瞻芯电子科技有限公司。

2018年3月，上汽和英飞凌成立合资企业上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司，据透露，其中包括碳化硅芯片项目。2021年11月，上汽集团携旗下私募股权投资平台尚颀资本，共同出资5亿元，完成对国内车规级芯片及碳化硅功率芯片供应商积塔半导体的A轮投资。此外，尚颀资本还参与投资研发碳化硅芯片的上海瀚薪科技。

在芯片产业链上，刚上市不久的天岳先进募资20亿元，投建碳化硅衬底项目;时代电气、斯达半导、比亚迪半导体、华润微、士兰微等均已布局碳化硅功率芯片。

在相关零部件方面，欣锐科技已布局“小三电”中的车载充电器，产品主要配套吉利汽车、小鹏汽车、东风本田、广汽本田、现代汽车等国内外知名整车厂商，目前绝大多数产品已应用碳化硅功率芯片模块;高压连接器厂商瑞可达也在布局碳化硅相关技术;精进电动去年9月推出了250kW碳化硅复合冷却“三合一”电驱动总成，已获得大众商用车集团碳化硅功率控制器的定点供应商资格，预计将于2024年初量产。

高大威认为：“目前，在碳化硅功率芯片的投资及布局上，从整车企业到芯片供应商等呈现出多样化且步伐加快的趋势，这也是其市场应用提速的驱动力之一。”

技术、工艺、产能与成本制约

随着碳化硅功率芯片需求日盛，其在市场应用道路上面临的各项挑战，成为行业关注的焦点。

“目前在国内市场上，由于碳化硅属于新材料，碳化硅功率芯片的生产工艺、设备等方面仍在完善之中，技术瓶颈亟待突破，由此也带来一些产能上的制约，导致产品成本较高等问题。”魏冬表示，目前的技术瓶颈主要包括，一是受限于衬底的晶体生长技术等工艺，良品率不够高，而产品成本较高;二是外延工艺效率较低，碳化硅的外延制备一般要在1500℃～1800℃环境下进行，由于工艺有待完善，造成产量较低;三是在材料工艺上需要用离子注入法，从材料选择到退火温度等一系列工艺还需优化;四是在电极引出工艺上也存在一定难题;五是配套材料的选择，包括电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了碳化硅芯片的工作温度。

在国际市场上，意法半导体和英飞凌等行业巨头已基本掌握水平较高的碳化硅功率芯片制备工艺，车企的联合研发也在加速。2021年3月，丰田汽车宣布与日本关西学院开发出零缺陷的6英寸碳化硅衬底，声称可以让任何尺寸、任意供应商的BPD(基底面位错数值)降至1以下，达到世界先进水平。丰田汽车将碳化硅功率芯片模块应用于第二代氢燃料电池车型上。

“在技术、工艺、产能等方面，国内企业与国外企业相比还存在一定的差距。”邹广才介绍说，碳化硅功率芯片技术涉及诸多环节，包括晶圆、衬底、外延、芯片封装、测试应用等。其中，芯片封装方面，不同厂家有不同的封装结构，适应的电流、尺寸、功率等也不一样。目前，国内企业的碳化硅封装材料大多来自进口，且对封装的结构形式也还没有形成定论。此外，由于碳化硅功率芯片适配产品的开关速度非常快，传统的测试仪器、方法和标准都有待进行相应的调整。“从目前国内市场发展现状来看，技术、工艺、测试等领域的水平限制了产能。”邹广才直言。

“碳化硅功率芯片的应用普及，还面临诸多困难。”中信证券分析师路海波向记者表示，一是晶圆方面，科锐占据了全球45%的市场份额，罗姆子公司Si-Crystal占据20%市场份额，高意市占率为13%;中国企业的市场份额较低，其中天科合达占有5.3%，山东天岳则为2.6%。二是工艺水平亟待提升。碳化硅芯片产业链上，衬底、外延片、器件、模组等环节的先进技术基本被国外企业垄断。其中，衬底成本约占芯片总成本的47%，外延片的成本占比为23%。而衬底制备受限于碳化硅晶体生长速度慢、过程难以调控、切割难度大等多种问题，国内外企业产能均不高，国内更少。尤其是衬底方面，国际主流厂商已从4英寸向6英寸过渡，科锐已开发出先进的8英寸衬底。国内主要供应商天科合达、山东天岳、同光晶体等，基本能够供应3～6英寸的单晶衬底，且以4英寸为主，6英寸衬底技术上还有待进一步突破。外延片方面，国内供应商厦门瀚天天成、东莞天域、世纪金光能提供4英寸及6英寸外延片，可以实现本土供应。三是全球范围内供需关系的失衡，目前全球碳化硅晶圆年产能约为60万片。理论上，每张6英寸的碳化硅晶圆仅能满足两辆特斯拉Model 3的需求。如果特斯拉按照自身规划，在2022年完成交付100万辆新车的目标，则意味着仅这一家车企就足以耗尽目前全球的碳化硅功率芯片产能。

“由于国内外企业的技术水平存在差距，导致产能落后，即使国内车企应用碳化硅功率芯片的积极性很高，但现在产能依然跟不上。”高大威谈道，在这种情况下甚至出现了一些国内芯片厂商用4英寸晶圆设备生产6英寸碳化硅衬底的情况，导致良品率更低，成本居高不下。

是新“风口”更是制胜新机遇

尽管在技术研发与产品量产方面仍存在一定的挑战，但不可否认的是，从车企的积极意愿到政府的政策支持，都在为构建碳化硅功率芯片产业链提供利好。

为了降低成本和应对碳化硅功率芯片产能紧张，比亚迪、小鹏、蔚来的部分车型，都采用了“碳化硅芯片+IGBT”的技术路线，在一定程度上提升了车辆的性能，同时控制了成本。

近年来，《国家集成电路产业发展推进纲要》、《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》、《关于做好2022年享受税收优惠政策的集成电路企业或项目、软件企业清单制定工作有关要求的通知》等政策陆续出台，从顶层设计、产业发展、技术创新、投融资、税收优惠等方面均对芯片产业的发展给予支持和鼓励。其中，在投融资方面，国家大力支持符合条件的集成电路企业和软件企业在境内外上市融资，加快境内上市审核流程，符合企业会计准则相关条件的研发支出可做资本化处理;鼓励支持符合条件的企业在科创板、创业板上市融资等。而在税收方面，对于按照芯片设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业享受税收优惠政策的，优惠期自获利年度起计算。自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税等。

“目前，国内企业投融资、独立研发或合作开发等多措并举的局面，将为碳化硅功率芯片技术的突破和产业链的完善带来更好的保障。”路海波认为，一方面，相关企业要积极用好国家的支持政策，从各方面强化技术研发能力，学习借鉴先进经验，强化自主创新，力争在碳化硅功率芯片技术、工艺、产能等方面尽快形成突破;另一方面，有关部门、机构、行业组织也要针对产业链上的缺失和测试等短板，尽快组织协调，健全完善，为碳化硅功率芯片产业发展提供有力的支撑。

“碳化硅芯片不仅是一个新‘风口’，也是自主汽车产业链崛起的一个新机遇。”邹广才表示，目前国内有越来越多的企业正加入碳化硅芯片产业版图，有助于形成技术突破，解决一些共性难题。在此基础上，企业有望扩大产能，提升品质，降低成本，推动碳化硅功率芯片尽快走向大规模应用。

“碳化硅功率芯片是新能源汽车的新技术方向。在这一领域加快自主创新并实现突破，有利于我国新能源汽车行业全面站上新的制高点。”高大威说道。(记者 赵建国)