2019年，保時捷Taycan橫空出世，首次將電動汽車的電壓等級提升至800V，同時計劃在2021年將充電功率提升至350kW水平。
2020年，美國汽車制造商Lucid更是宣稱其首款車型Lucid Air的平臺電壓將達(dá)到900V，最高充電功率可達(dá)300kW。
在以400V-600V為主流電壓的當(dāng)下，一些先行者已經(jīng)大步跨越進(jìn)800V+時代。
更高的電壓平臺，需要更適合的材料去支撐，來實(shí)現(xiàn)更高的效率。
可以說，第三代半導(dǎo)體材料SiC（碳化硅），是打開電動車800V平臺大門的鑰匙。
對于電動車來說，SiC意味著更高效的電能轉(zhuǎn)換效率，更高的續(xù)航里程，更高的充電效率。
而作為尚未大規(guī)模應(yīng)用的功率器件，SiC也代表著更高的成本，以及有待驗(yàn)證的長期可靠性。
在電動車領(lǐng)域，成本和可靠性都是非常重要的命題，需要通過規(guī)模和時間來覆蓋。
而作為未來最大的應(yīng)用場景，只有當(dāng)電動汽車大規(guī)模普及，SiC功率器件的時代才會真正到來。
一
目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體器件和集成電路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢讓硅在集成電路等領(lǐng)域占有絕對的優(yōu)勢。
在電力電子領(lǐng)域，硅基器件在低壓、低頻、中功率等場景，應(yīng)用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應(yīng)用領(lǐng)域，硅基器件的表現(xiàn)較為吃力。
功率半導(dǎo)體本質(zhì)上起到的是開關(guān)作用，在實(shí)際應(yīng)用中可通過多個功率開關(guān)組合，控制拓?fù)潆娐分须娏鞯拈_閉、流向、大小，進(jìn)而通過調(diào)速、調(diào)頻對執(zhí)行部件進(jìn)行控制和驅(qū)動。
不同材料，如Si、SiC，不同類型的功率器件，如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）分立器件或模塊等，均有其適合的工作電壓、功率和開關(guān)頻率范圍。
在絕大多數(shù)場景下，硅基IGBT和超級結(jié)MOSFET是高壓大功率器件的主要選擇，但在性能和效率上，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體，更具有優(yōu)勢。
當(dāng)前，SiC電力電子器件市場的主要驅(qū)動因素是直流充電樁和光伏應(yīng)用中大規(guī)模采用的SiC二極管。
在直流快充樁上，充電模塊對高頻、高壓、耐高溫的要求較高，這正是SiC器件的優(yōu)勢所在。
英飛凌大中華區(qū)工業(yè)功率控制事業(yè)部市場高級經(jīng)理陳子穎近期在接受媒體采訪時表示，采用英飛凌開發(fā)的SiC單管，充電模塊的功率可以達(dá)到30 kW 以上，而采用Si基MOSFET/IGBT單管的充電模塊功率在15-30 kW。
由于單模塊的功率明顯提升，同樣是150kW的快充樁，采用SiC器件所需要的充電模塊數(shù)量減少，可以大幅降低充電樁的體積，同時SiC材料也能減小對散熱的依賴，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)上更有優(yōu)勢。
根據(jù)CASA（第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟）測算，2018年充電樁中SiC功率器件的滲透率達(dá)到了10%左右，并且正在快速增長中。
在光伏逆變器領(lǐng)域，SiC光伏逆變器效率可以達(dá)到99%，能量轉(zhuǎn)換損耗可以降低50%以上，可極大降低逆變器的成本和體積。
在這些商業(yè)運(yùn)營領(lǐng)域，SiC因?yàn)榫哂懈叩哪芰哭D(zhuǎn)換效率，可以實(shí)現(xiàn)更高的商業(yè)價值，因此被廣泛接受。
而在未來3-5年內(nèi)，SiC器件則有望在電動汽車上，特別是主驅(qū)逆變器上廣泛應(yīng)用。
目前，普通乘用車電壓平臺以400V-600V為主，多采用功率80-150kw及以上的交流驅(qū)動電機(jī)，要求逆變器中功率器件至少能夠承受400V/500A的工作電壓和電流，并維持良好的溫度穩(wěn)定性。
硅的工作溫度不能超過125度，超過125攝氏度后PN結(jié)將失效，而SiC的工作溫度可以提升至350度。相對于硅基IGBT在高溫下效率大幅下降，SiC MOSFET在200度仍能維持正常效率表現(xiàn)。
憑借著碳化硅的高頻、耐高溫特性，可以使電機(jī)更快、更緊湊、更輕便，從而效率更高、續(xù)航里程更高。
例如在2016年的FE第三賽季上，Venturi 車隊采用了羅姆打造的SiC功率模塊。
在使用了SiC SBD（肖特基二極管）和Si基的IGBT組成的混合模塊之后，逆變器模塊的重量從15kg下降至13kg，體積降低了19%。
2017年的第四賽季時，賽車使用了SiC MOSFET和SiC SBD組成的全SiC功率模塊之后，重量降低至9kg，體積相對于最初降低了43%。
全SiC功率模塊可以明顯降低器件的重量及尺寸。
SiC器件在高壓、大功率、高溫環(huán)境下的優(yōu)勢，來源于其材料特性。
二
在材料上，SiC相對于硅材料的主要優(yōu)勢在于：
1、耐高壓，擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，同樣電壓等級的SiC MOS晶圓的外延層厚度只需要Si的十分之一，禁帶寬度是Si的3倍，導(dǎo)電能力更強(qiáng)；
2、耐高溫，熱導(dǎo)率及熔點(diǎn)非常高，是Si的2-3倍；
3、高頻，電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠?qū)崿F(xiàn)10倍的工作頻率。
在器件層面，根據(jù)半導(dǎo)體廠商羅姆的總結(jié)，SiC器件相對于Si器件的主要優(yōu)勢來自三個方面：
1、極小的通態(tài)電阻，進(jìn)而縮小芯片的面積，SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到Si的1/10左右。
2、更高的工作頻率可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)，進(jìn)而有效降低電感、電容等被動元器件的尺寸，周邊元件的尺寸更加小型化。
3、更耐高溫，SiC的禁帶寬度更高，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800度，另外，SiC材料的熱導(dǎo)率更高，散熱系統(tǒng)的設(shè)計更簡單，或者直接采用自然冷卻。
另外，SiC在實(shí)際應(yīng)用上的一個更重大的意義在于，可以通過制備SiC MOSFET器件，應(yīng)用于高壓領(lǐng)域，來實(shí)現(xiàn)更低的損耗。
在高壓大功率領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的IGBT是雙極型器件，在關(guān)斷時存在拖尾電流，造成比較大的關(guān)斷損耗。而MOSFET是單極器件，不存在拖尾電流，當(dāng)使用SiC材料制備MOSFET時，器件的導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低。
這里簡單介紹一下MOSFET和IGBT的優(yōu)劣勢。
MOSFET的開關(guān)時間較短，響應(yīng)速度更快，在頻率要求更高的領(lǐng)域，相對于IGBT更有優(yōu)勢，但Si基MOSFET的并不適用于大功率器件。
IGBT可以支持高壓，非常適合逆變器這種高壓、大電流、大功率的應(yīng)用場合，但在高頻的場景上，劣勢明顯，并且開關(guān)損耗明顯大于MOSFET。
據(jù)羅姆介紹，其采用了SiC-SBD、SiC Trench MOSFET的全SiC功率模塊，相對于同等參數(shù)（1200V 180A）的Si基IGBT模塊，開關(guān)損耗降低77%。
在電動汽車上，SiC器件主要有三大應(yīng)用場景：車載OBC（車載充電機(jī)）、DC/DC（直流轉(zhuǎn)換器）以及主驅(qū)逆變器。
OBC是將電網(wǎng)中的交流電進(jìn)行整流、整壓來為電池充電，中低端車型的OBC功率多為單相3.7 kW、7.4kW，部分中高端車型已開始采用三相11kW、22kW的OBC功率配置。
DC/DC是將電池包幾百伏的電壓轉(zhuǎn)換為車載電器所需的低壓電源。
OBC和DC/DC均是功率不高但頻率要求高的零部件，而頻率高正是SiC的強(qiáng)項。
在OBC上使用SiC器件，能夠縮短充電時間，減少電能損耗；DC/DC采用SiC器件，體積變小，損耗下降。
對于主驅(qū)逆變器來說，根據(jù)上述介紹，采用SiC器件，可以幫助提高續(xù)航里程，進(jìn)而可以通過減小電池容量，來降低成本。
半導(dǎo)體廠商科銳（Cree）曾做過一個測算，SiC可以使800V逆變器的損耗降低40-70%，進(jìn)而提升5-10%的續(xù)航。
按照一塊80kwh的電池計算，102美元/kWh的電池成本下，使用SiC逆變器相當(dāng)于節(jié)省了400-800美元的電池成本，與新增200美元的SiC器件成本抵消后，整體上實(shí)現(xiàn)了200美元的單車降本。
能量損耗變低、體積變小、重量變輕、對散熱的要求變低，在新能源汽車上最顯而易見的結(jié)果就是續(xù)航的提高。
隨著對輕量化、續(xù)航里程，以及對快充的追求，基于SiC材料的功率器件正在成為越來越多車企的選擇。
盡管SiC的未來前景看起來非常美好，但目前還處于非常早期的階段。
綜合參照Yole以及IHS Markit的數(shù)據(jù)，2019年SiC電力電子器件的市場規(guī)模約為5.07億美元。
據(jù)Yole統(tǒng)計，SiC電力電子器件的滲透率還不到2%。
SiC如果要主導(dǎo)功率市場，還有巨大的鴻溝要跨越。
三
SiC的莫氏硬度為9.3，僅次于世界上最硬的金剛石（10）。
拖累SiC大規(guī)模應(yīng)用的也正是其材料特性。
碳化硅根據(jù)電阻率不同有兩種襯底類型：導(dǎo)電型襯底、半絕緣型襯底，可以分別用于功率和射頻領(lǐng)域。如果是導(dǎo)電型襯底，在制備碳化硅外延后，可加工成功率器件，用于新能源汽車、風(fēng)電、光伏等領(lǐng)域；如果是半絕緣型襯底，配合GaN外延，可以制備射頻器件，用于5G等領(lǐng)域。
圖片來源：中信證券
功率型SiC器件的主要制造步驟如下：
1、SiC粉料經(jīng)過高溫升華之后形成SiC晶錠；
2、對SiC晶錠進(jìn)行粗加工、切割、研磨、拋光，得到SiC襯底；
3、在襯底上SiC襯底生長SiC外延層；
4、通過摻雜、刻蝕、氧化、金屬化等工藝，來制備相應(yīng)器件所需要的晶圓；
5、器件封測。
與集成電路所采用的先進(jìn)工藝不同，功率器件對于線寬等沒有特別苛刻的要求，SiC器件的制備難點(diǎn)主要在于襯底和外延環(huán)節(jié)，這一點(diǎn)從成本上也能看出來。
襯底、外延、晶圓、器件，是最關(guān)鍵的四大環(huán)節(jié)。根據(jù)基本半導(dǎo)體的統(tǒng)計，以碳化硅材料二極管的成本為例，在這四個環(huán)節(jié)中，襯底的成本是50%，外延是25%，晶圓環(huán)節(jié)20%，封裝測試5%。
圖片來源：基本半導(dǎo)體
根據(jù)基本半導(dǎo)體總結(jié)，SiC在生產(chǎn)制造上的困難和挑戰(zhàn)主要在于：
1、相比于Si的拉單晶生長，碳化硅的單晶需要更高的溫度和更復(fù)雜的生長方法。
SiC有多達(dá)250余種同質(zhì)異構(gòu)體，4H-SiC因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，一般用于制作功率半導(dǎo)體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。在2000-2700度高溫下，4H、6H、15R、3C、8H等晶型共存，在生長SiC單晶時，如果不做精確的控制，將會得到其他的SiC晶體結(jié)構(gòu)，4H-SiC的晶型生長窗口較小。
2、Si單晶的生長速度約為300mm/h，碳化硅單晶的生長速度約為400um/h，兩者差了近800倍。
3、SiC晶錠的長度比硅短得多，大約只有20-50mm。
4、質(zhì)量方面，碳化硅位錯密度遠(yuǎn)高于硅、砷化鎵等材料。本身還存在一些較大的應(yīng)力，導(dǎo)致面型參數(shù)還有些問題。這些問題會降低外延材料的質(zhì)量，降低器件的制造良率，影響期間的可靠性和壽命。
非常慢的生長速度以及主流尺寸只有4-6英寸，決定了碳化硅的襯底價格遠(yuǎn)高于硅襯底。
成本問題是碳化硅普及的最大問題，需要更加成熟的生長技術(shù)，來擴(kuò)大它的尺寸，以降低價格。
在良率方面，基平面位錯將會進(jìn)一步影響外延，外延的很多缺陷基本上都是從襯底中直接復(fù)制過來的，襯底的質(zhì)量、加工水平對于外延生長來說，是非常重要的，尤其是缺陷的控制。
一些致命性缺陷，例如三角形缺陷、滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管、MOSFET等，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到90%。
良率問題本質(zhì)上也是成本問題，價格貴是SiC普及的最大攔路虎。
長期可靠性，是SiC面臨的又一大障礙。
與集成電路換代速度較快不同，功率器件的使用壽命較長，換代時間較慢，對可靠性要求極高。
在消費(fèi)、工業(yè)、汽車等領(lǐng)域，汽車產(chǎn)品的要求是最苛刻，標(biāo)準(zhǔn)是最高的。
在當(dāng)前消費(fèi)、工業(yè)領(lǐng)域尚未開始大規(guī)模采用SiC之前，汽車產(chǎn)品采用SiC器件，缺乏足夠的數(shù)據(jù)和驗(yàn)證。
目前，在電動汽車主逆變器上采用SiC功率模塊的量產(chǎn)車輛，僅有Model 3和比亞迪漢。
特斯拉Model 3逆變器由24個650V/100A SiC-MOSFET功率模塊組成，每個模塊中2片SiC芯片并聯(lián)。通過采用SiC MOSFET，相對于Model S的82%逆變器效率提升到Model 3的90%，對Model 3的能耗水平起到至關(guān)重要的作用。
比亞迪漢采用了SiC模塊，同功率情況下體積較IGBT縮小一半以上，功率密度提升一倍。
令人震驚的是，保時捷Taycan的800V平臺并未采用SiC模塊。
在日本汽車工程師學(xué)會2020年春季大會上，日立的工程師表示，Taycan使用了日立AMS的IGBT模塊，而并不是德爾福開發(fā)的800V SiC逆變器。
SiC在電動汽車主驅(qū)逆變器上的應(yīng)用還有很長的路要走。
四
2022年，有望成為碳化硅器件作為電動汽車主驅(qū)逆變器規(guī)模應(yīng)用的起點(diǎn)。
SiC在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，來源：國通證券引用羅姆線上會議
這一年我們將迎來8英寸SiC的量產(chǎn)以及更多車規(guī)級晶圓廠的量產(chǎn)。
這一年也是傳統(tǒng)車企的高端車型集中投放的一年，例如通用的Lyriq等。
產(chǎn)業(yè)鏈上各方企業(yè)開始紛紛布局SiC，視SiC為未來。
處在中游的半導(dǎo)體巨頭，科銳、羅姆、意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美等企業(yè)是這個領(lǐng)域的重要玩家。
在導(dǎo)電型碳化硅晶片市場，2018年，科銳的市場份額為62%，排名第一，貳陸公司（II-VI）排名第二，羅姆收購的Si-Crystal排名第三。
科銳、II-VI、羅姆旗下的Si-Crystal掌握了全球90%的SiC襯底出貨量。
2019年9月，科銳宣布了將在紐約州Marcy建造全球最大的車規(guī)級8英寸SiC制造工廠，計劃于2022年開始量產(chǎn)，完全達(dá)成后器件能滿足550萬輛BEV需求，襯底能滿足2200萬輛BEV需求。
2020年8月，科銳稱該廠已經(jīng)完成基礎(chǔ)工程施工，并開始主體工程施工。
科銳希望借助該工廠繼續(xù)維持自己的統(tǒng)治地位。
羅姆在2010年收購了德國SiC晶圓襯底公司SiCrystal，押寶SiC，視科銳的Wolfspeed為競爭對手，他們希望在2025年之前占據(jù)30%的市場份額。
意法半導(dǎo)體目前在意大利Catania擁有一座6英寸SiC晶圓廠，2017年已量產(chǎn)。2019年12月，意法半導(dǎo)體收購了瑞典SiC晶圓廠商N(yùn)orstel 100%的股權(quán)。意法半導(dǎo)體還計劃在亞洲進(jìn)行第二座SiC晶圓廠的建設(shè)，并于2021年以后轉(zhuǎn)向8英寸方案。
科銳、羅姆、意法半導(dǎo)體，掌握了從SiC襯底、外延、器件到模塊的垂直供應(yīng)體系，是這個領(lǐng)域的IDM代表。
而英飛凌、安森美等廠商購買SiC襯底，自行進(jìn)行外延生長并制作器件及模塊。
英飛凌在收購Wolfspeed失敗以后，做出戰(zhàn)略調(diào)整，認(rèn)為襯底研發(fā)高風(fēng)險、高投入、耗時久，希望在保持低CAPEX的同時提高襯底的利用效率，因此收購德國Siltectra，借助其Cold Split技術(shù)降低每片SiC襯底晶圓的厚度，芯片產(chǎn)量至少提升一倍。
安森美2016年以24億美元收購仙童半導(dǎo)體，獲得其高壓Si和SiC MOSFET技術(shù)。
模塊層面，國內(nèi)外各大零部件供應(yīng)商和整車企業(yè)都在著手開發(fā)或量產(chǎn)SiC電驅(qū)動系統(tǒng)。
2019年5月，科銳成為大眾汽車FAST倡議的獨(dú)家碳化硅合作伙伴。
2019年9月，德爾福宣布將基于800V的平臺開發(fā)SiC逆變器，并計劃于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
2019年11月，采埃孚宣布計劃于2022年之前正式推出SiC電驅(qū)系統(tǒng)。
未來需求的快速增長，迫使器件廠商和上游晶圓廠簽訂了長期供應(yīng)協(xié)議。
即使像意法半導(dǎo)體這樣擁有晶圓廠，具備SiC電控量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的廠商，也避免不了在襯底上有求于人的尷尬。
基本上，所有的半導(dǎo)體廠商在購買襯底時，都會選擇和科銳合作，除了羅姆。
2019年，科銳簽下了大量的客戶。
圖片來源：NE時代
市場上也開始有越來越多的SiC產(chǎn)品可供選擇。
據(jù)CASA不完全統(tǒng)計，2019年推出的4款SiC SBD及MOSFET器件均符合車規(guī)級（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于新能源汽車、光伏等領(lǐng)域的電力電子器件市場。
盡管SiC器件的價格仍然還處于高位，但隨著2016年以來6英寸晶圓廠的陸續(xù)建立，SiC器件的價格正在快速下降。
根據(jù)CASA統(tǒng)計，混合SiC模塊中采用的SiC SBD，業(yè)內(nèi)反映的實(shí)際批量采購成交價已經(jīng)降至1元/A以下，耐壓600V-650V的產(chǎn)品批量采購價約為0.6元/A，耐壓1200V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價約為1元/A。
耐壓600-650V的SiC MOSFET實(shí)際批量采購價達(dá)到1元/A，耐壓1200V的SiC MOSFET實(shí)際批量采購價為2元/A。
一片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6寸的1.8倍，2022年，隨著8英寸SiC廠的量產(chǎn)，SiC器件成本的大幅下降，幾乎是板上釘釘?shù)摹?
結(jié)語
8月4日，在一次關(guān)于第三代半導(dǎo)體的線上分享會上，原中芯國際創(chuàng)始人兼CEO張汝京提出了一個關(guān)鍵主張：可以將第三代半導(dǎo)體是中國當(dāng)前芯片產(chǎn)業(yè)的一個突破口。
他表示，“第三代半導(dǎo)體有一個特點(diǎn)，它不是摩爾定律，是后摩爾定律，它的線寬都不是很小的，設(shè)備也不是特別的貴，但是它的材料不容易做，設(shè)計上要有優(yōu)勢?！?
“投資的錢比做一個先進(jìn)的邏輯平臺要少太多?！?
第三代半導(dǎo)體，除了有以上特性之外，在商業(yè)競爭領(lǐng)域，我國企業(yè)擁有最大的應(yīng)用場景，這也是我國企業(yè)最大的優(yōu)勢所在。
在SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域，光伏、快充樁、電動車這三個產(chǎn)業(yè)，中國都是全球第一大。
在SiC競爭上，垂直一體化、IDM模式，從襯底，到外延、到器件、到模塊的垂直供應(yīng)體系，是當(dāng)前企業(yè)保持競爭優(yōu)勢的核心。
而IDM模式對資金、人才、技術(shù)的要求又最高。
據(jù)CASA統(tǒng)計，2019年，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資涉及SiC的投資有14起，涉及金額220.8億元，大幅超過2018年的60億元投資金額。
產(chǎn)業(yè)界正在快速跟進(jìn)。對于SiC，我們正在逐步建立優(yōu)勢，還有時間，這條賽道也足夠長。
中國的SiC半導(dǎo)體企業(yè)，非常有希望實(shí)現(xiàn)先在充電樁、光伏、工業(yè)等領(lǐng)域站住腳，未來殺入汽車供應(yīng)鏈。
在電動汽車的碳化硅時代，中國企業(yè)不會缺席。
參考資料：
汽車電子設(shè)計，800V系統(tǒng)用SiC還是IGBT
汽車電子設(shè)計，e-tron和Taycan的逆變器設(shè)計1
中泰證券，碳化硅與氮化鎵的興起與未來
海通證券，功率器件，SiC時代
中信證券，SiC功率器件吸能卓越，產(chǎn)業(yè)化在即
華強(qiáng)微電子，充電樁功率密度“剛需”凸顯，“新基建”加速SiC沖破成本桎梏
CASA，2019第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
NE時代，屬于自主SiC車用功率器件的時代真的要來了
