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碳化硅,功率半导体行业发展的新机遇

日期:2020年9月1日 15:18

摘要

碳化硅材料是功率半导体行业主要进步发展方向,用于制作功率器件,可显著提高电能利用率。可预见的未来内,新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱,已率先在Model 3中集成全碳化硅模块,其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟,碳化硅功率器件行业未来可期。

 

01

行业介绍及市场现状:碳化硅半导体的技术优势突出,目前渗透率尚低。

 

功率半导体(又称电力电子器件)用于电能转换、控制电流控制,是电力电子系统的关键部件应用于电源、电机控制、可再生能源、电力传输、动力牵引等输变电和用电场景。

 

2019年,全球功率器件市场规模约为400亿美元,过去5年平均复合增长率5.1%。其中,中国是最大的市场,占比近40%。

功率器件使用的半导体材料分为三代:

 

第一代半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)等单质材料。由于工艺成熟及生产成本低,硅占据95%以上的半导体器件,是当今半导体材料的主体;

 

第二代半导体材料为砷化镓(GaAs)等化合物材料。砷化镓半导体的电子迁移率高、禁带宽度比硅大,具备高耐压、高频率等优势,但也有机械强度弱、高温下易分解、生长速度慢、价格昂贵等劣势,目前主要应用于LED等光电子领域;

 

第三代半导体材料为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带材料。

 

提高能源利用效率(减少能量消耗和损耗)是功率半导体技术进步的主要方向。理想目标是,功率半导体在导通状态下没有任何功率消耗,在关断状态下也没有漏电流。现今,根据IEA的报告,世界电能损耗占总电能量的20%,无论从经济效益还是环境保护的角度来看,都是极大的浪费。然而,以传统硅材料制作的功率半导体器件,电能变换效率已达理论极限。

 

以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料应用而生,已成为功率半导体下一代技术演进方向。根据中国第三代半导体产业技术创新战略联盟,第三代半导体材料的性能优势包括:高电子漂移速度,可减少电能转换功耗,提高能源利用效率;禁带宽度高,临界击穿电压大,减少高压运行条件系统所需器件数量,促进系统小型化、轻量化;高热导率,减少所需冷却系统

与氮化镓相比,碳化硅更适合在1,000V以上的电力系统中应用,包括电动汽车、充电桩、新能源发电装置、高铁动力牵引等中高压场景。氮化镓器件使用硅材料衬底的技术成熟后,相对使用同质衬底的碳化硅器件,更具成本优势。未来在中低压场景,碳化硅与氮化镓材料制作的器件会有所竞争。

 

目前,碳化硅器件主要用于电源供应和光伏逆变器,以及有限的电动汽车行业应用。主要潜在应用市场尚未打开

 

2017-2019年间,全球碳化硅功率器件市场平均复合增长率39.7%,2019年市场规模为5.07亿美元,市场渗透率仍仅1.27%,尖角初露。


 

02

未来增长潜力:新能源汽车应用需求的攀升将推动碳化硅器件市场增长

 

各方渠道的公开信息都对碳化硅器件市场增长较为乐观。据估计,2025年,全球碳化硅器件市场将超过30亿美元,未来5年平均复合增长率高达34.5%,此后继续保持增长。

 

从增长来源/下游需求端来看,可预见的未来内,新能源汽车(包括配套充电桩)将是碳化硅器件最大的应用场景,占总需求至少50%,增长速度远超其他市场.

细分来看,目前,碳化硅器件在电动汽车上主要用于OBC车载充电器和DC-DC转换器有助于提高汽车充电速度。2018年底,全球已有超过20家汽车厂商在OBC中使用碳化硅器件。然而,其市场价值空间较为有限。

在电动汽车的驱动电机/逆变器(即其动力系统)上应用碳化硅器件,可显著提升行驶里程,潜在应用规模远大于其他应用。将碳化硅器件用于驱动电机,既可降低电能损耗、提高电力可控性,也可使设备体积更小(减少约50%)、重量更轻,从而使汽车行驶里程增加5~10%,或相应降低5%~10%的电池成本(约合每辆车200-600美元)。再者,使用碳化硅器件还可缩减制冷系统成本、延长动力电池使用寿命,可谓有利无害。粗略估计,每辆电动车驱动电机上使用的碳化硅器件潜在价值金额或超现有应用价值的10倍以上。

 

驱动电机的碳化硅器件应用趋势已明确。目前,多数车企都打算在未来几年在主逆变器中使用碳化硅器件。出于成本因素,碳化硅器件首先配置于高端电动车,特斯拉是碳化硅器件应用先驱,其Model3驱动电机搭载了24个650V/100A碳化硅MOSFET模块。比亚迪在2020年新推出的汉(高性能版)使用碳化硅MOSFET电机控制模块。国外零部件供应商博世、采埃孚、德尔福亦皆推出了碳化硅电驱动系统研发计划。此外,电力系统电压的提升意味着充电速度加快,以保时捷Taycan为始,随着高端电动汽车电池包电压平台从400v升级到800v,碳化硅模块的需求将从650v转移至1200v。

 

此外,碳化硅器件在充电桩市场的应用亦将快速增长。新能源汽车的普及将带动充电桩建设需求,目前国内外缺口很大。由于其性能优势,碳化硅器件在大功率直流(快充)充电桩的应用较多。

 

新能源汽车之外,针对轨道交通、特高压电网等特定需求的高耐压器件目前还在开发阶段,预计在2025年以后存在商用可能。

 

不过,由于碳化硅的工艺比硅更复杂,附加值更高,下游客户主要将其用于高效益比的应用中,预计不会取代硅在低端领域的应用。

 

03

技术发展趋势:行业正在破除高成本、低技术成熟度两大发展屏障

 

如上所述,碳化硅器件性能优势突出、应用场景明确、又有产业链上下游龙头企业积极投入,可目前市场渗透率仍低。究其原因,即为受制于高制造成本、低技术成熟度两大屏障破此二障,是技术发展方向的核心。碳化硅器件制造的四个环节(衬底制作,外延制作、芯片制程、封装测试)各有发力。

 

1)碳化硅器件制造成本高昂。目前碳化硅二极管、MOSFET的成本大概是同类硅产品的2-3倍、5-10倍,而下游客户认为大规模应用碳化硅器件的普遍价格区间应是同类硅器件1.5倍左右。成本高企的主要因素是原材料价格高,尤其是占标准碳化硅器件成本50%的衬底晶圆。

 

碳化硅原材料的特性决定了高于硅晶圆的制备难度和成本制备温度方面,碳化硅衬底需要在2500度高温设备下进行生产,而硅晶只需1500度;生产周期方面,碳化硅晶圆约需要7至10天,而硅晶棒只需要2天半;商业化晶圆尺寸方面,目前碳化硅晶圆主要是4英寸与6英寸,而用于功率器件的硅晶圆以8英寸为主,这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少、碳化硅芯片制造成本较高。

 

技术演进方向:衬底方面,国外龙头企业预计将在2022年左右开始批量生产8寸晶片;外延及器件方面,将继续提高产能及制造良品率。

 

2)碳化硅产业发展时间不长,有待更多应用验证碳化硅不像硅产业,已在几十年的研究中积累了一套很完整的数据。碳化硅的很多性能结论都是由硅的性质推导而来,不少特性数据有待进一步实证。

 

此外,碳化硅功率器件的产品组合尚未完善从整个功率半导体市场来看,功率器件种类多样,主要包括二极管、MOSFET、IGBT等,分别适用于不同的领域。但是目前,碳化硅器件市场还以二极管为主,MOSFET尚未大规模推广,IGBT仍在研发。碳化硅二极管主要用于替代硅二极管,结构复杂度较低,现已大规模商用化,2019年碳化硅二极管的碳化硅器件市场占比达到85%,可谓是目前最主要的碳化硅器件。碳化硅MOSFET可替代硅基IGBT,大规模应用仍受限于产品性能稳定性及器件成熟性。碳化硅IGBT尚在研发,预计将在5-10年后才能看到相关器件原型。

 

技术演进方向:器件方面,正在发展3.3kv以上的高耐压器件、并引入沟槽式设计以提高器件性能和可靠性;封装方面,将优化封装工艺以发挥碳化硅耐高温优势。

 

04

促进国内产业发展的建议 :

 

加强顶层设计,制定规划、集中力量、发展技术、夯实基础

 

· 制定战略规划、规划技术发展路线、探索可汇聚各方资源的路径方法

· 调动政府和资本,促进产业集群,集中并优化创新资源,集中力量以攻破设备、材料和器件上的技术短板

· 加强基础研究、鼓励原始创新,为产业提供人才、技术、与创意供给

 

完善产业链公共研发、服务、及生产应用等基础平台

 

· 建设开放的国家创新技术中心、国际化的公共研发和服务平台,攻坚核心技术、丰富创新资源

· 建设测试验证和应用示范平台,完善产品测试流程、协助企业创新应用、加强以应用为核心的体系化能力

 

完善产业生态环境,抓住人才、技术、应用、国际合作等关键点

 

· 完善人才体系,培养创业创新、工程技术等方面的领军人才

· 建设开放、有序的技术标准体系,加强专利运营,积极参与国际技术标准制定

· 推动国际合作,增加与国外产学研界的科研交流,并推动设立海外技术研发和创新中心

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