技术及产能差距持续缩小，中国未来或将主导全球SiC产业！
时间：2024-10-30 09:31:29
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近年来，中国新能源汽车市场发展非常迅猛。根据中汽协数据显示，2023年，中国新能源汽车销量达到了949.5万辆，同比增长37.9%，市场占有率已达31.6%。预计2024年，中国新能源汽车销量可能将达到1200-1300万辆，市占率可能超过45%，同时将占据全球新能源汽车总销量的约60%。
特别是随着新能源汽车对于能源转换效率、充电效率、续航时间等方面的要求也越来越高，也推动了对于具有高功率密度、耐高温、耐高压、体积更小等诸多优势的SiC功率硅器件需求的快速增长。
不过，在10月22日，由EEVIA主办的第12届中国硬科技产业链创新趋势峰会暨百家媒体论坛活动上，清纯半导体(宁波)有限公司市场经理詹旭标则表示，随着全球SiC材料产能的快速扩张，以及中国SiC器件设计及制造技术发展快速，产能持续扩张，预计到2026年全球碳化硅市场将会出现严重的产能过剩。但是中国厂商SiC技术的持续迭代，已经达到比肩国际一线厂商的水平，中国未来或将主导全球SiC半导体产业。
△清纯半导体(宁波)有限公司市场经理詹旭标
碳化硅功率器件为新能源汽车带来两大关键优势
碳化硅是一种由硅和碳组成的化合物半导体材料，具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率和强电场击穿强度等特点，是主要的第三代半导体材料。这些独特的物理性质使得碳化硅器件在高温度、高频率、高电压以及高功率应用中表现出比传统硅器件更优异的性能。
具体来说，碳化硅器件可以在高达600°C的温度下稳定工作，其电阻率几乎保持不变(约0.03Ω·cm)，所以它不仅耐高温，且散热性能也非常好。而传统硅器件的工作温度上限通常在150°C左右；碳化硅宽能隙特性使其具有更低的导通和开关损耗，从而提高了能源转换效率；碳化硅的高电子迁移率使得器件能在高频应用中表现出低损耗和高速度的特点；碳化硅器件还能够承受比硅器件更高的电压，可靠性更高，并且有助于减小器件尺寸和系统成本。
在詹旭标看来，SiC功率器件给新能源汽车带来了两大关键好处：
1、提升新能源汽车的续航里程。得益于SiC MOSFET低导通电阻、低开关损耗的特点，新能源汽车电机控制器有望实现70%的损耗下降，进而增加约5%行驶里程。
2、解决了新能源汽车的补能焦虑问题。目前整个新能源汽车行业都是通过提升充电的功率来解决这一部分的问题，单充电枪功率正朝着超过350KW方向演进。预计到2025年，可以体验到15分钟充满80%的电能。
得益于SiC功率器件给新能源汽车带来的诸多优势，SiC主驱乘用车型正逐年快速增加。根据公开数据显示，2023年采用SiC主驱的新款乘用车型已达45款，而在2017年，全球仅有特斯拉的一款车型有采用SiC器件。从累计数据来看，到2023年，采用SiC器件的国产车型合计已经达到了142款，其中乘用车76款。
从整个SiC功率器件市场规模来看，根据市场研究机构的Yole Intelligence在Power SiC 2022报告中提供的数据显示：SiC功率器件市场预计将持续增长，2021年至2027年的复合年增长率将超过30%，2027年将超过60亿美元，预计汽车市场将占该市场的80%左右。相当于整个新能源汽车采用SiC功率器件的市场是完全被打开了。目前，主驱应用的主流器件还是以1200V SiC MOSFET为主。当然，400V的平台目前也是采用750V的SiC在做一些替代。
除新能源汽车之外，充电桩市场也是对于SiC功率器件需求非常旺盛的一个市场。据统计，2024年整个充电桩所需的SiC功率器件市场规模已达到25亿人民币。目前我国整体的汽车充电桩保有量约在900-1000万左右。如果按照2030年的整个规划，整个汽车保有量要达到6000万辆，同时车桩比达到1：1，相当于在未来4-5年我们大概还要增加5000万个充电桩。按照目前的设计，充电模块已经开始用SiC，并且在DC-DC包括PFC应用，用的数量至少是8个以上，所以整个市场需求规模是非常巨大的。
国外厂商垄断近92%的SiC功率器件市场
从目前SiC功率器件市场格局来看，目前主要是被国产厂商所垄断。根据TrendForce数据显示，在2023年全球碳化硅功率器件市场，意法半导体（ST）以32.6%市占率位居第一，安森美（onsemi）则由2022年的第四名跃居第二名，市场份额为23.6%。紧随其后的则是英飞凌（Infineon，16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、罗姆半导体（ROHM，8%）。这前五大国外SiC功率器件供应商约占整个市场营收的91.9%。
据詹旭标透露，现在国内整个SiC产业链是比较分散的，虽然可能在衬底或者外延部分现在已经形成了一些规模，但是在SiC功率器件，特别是车规级SiC功率器件这一块，目前国产SiC MOSFET出货销售额基本是在几千万的水平，对比国外的巨头，出货量及销售额差距是非常大的。
另外，从这些头部的SiC功率器件厂商的产能规划来看，目前他们都在持续扩大SiC的产能。比如Wolfspeed计划投入65亿美元来扩大SiC产能；罗姆计划投资37亿美元扩产；安森美计划投资20亿美元扩产；英飞凌的目前规划的总投资也是达到了50亿欧元；ST与中国三安集团合作，计划投资约200亿元人民币扩产；博世计划投资15亿美元扩产。显然，国外这些SiC器件巨头扩产的投资规模都很大。
SiC即将进入产能过剩阶段
相比国际巨头的巨资扩产，中国国内SiC厂商的投入也在持续扩大。根据现有数据统计，目前国产的SiC的产能规划投资总计约1000亿元人民币。不过，目前中国SiC产能投资过于分散，头部企业也不够强。
从具体的国产SiC衬底规划产能来看，根据预测，到2026年，国内整个SiC衬底的产能规划大概是468万片/年（折合6英寸晶圆）。如果这460万片SiC衬底产能都能够顺利进行量产，届时它将能满足大概3000万辆新能源汽车的需求。
根据中汽协数据显示，2023年，中国新能源汽车产量为958.7万辆，同比增长35.8%；销量达到了949.5万辆，同比增长37.9%；而Rho Motion的最新调查数据显示，2024年初至9月底，全球共卖出1150万辆电动车，其中国市场销量高达720万辆，年增长率达35%，在全球当中的占比约63%。
詹旭标表示，按照目前的一些预测数据来看，乐观预计的话，到2026年，中国新能源汽车的产量大约会增长到2800万~2900万。届时国产SiC衬底的产能将可满足大概3000万辆新能源汽车的需求，叠加海外SiC产能大幅增长，届时全球SiC行业将会进入内卷、产能过剩的阶段。
随着全球SiC材料的产能快速扩展，目前中国SiC器件设计跟制造也相应地得到快速的发展，并且产能也是持续在扩展。除了在主驱上的应用，目前在光伏、储能包括充电模块，这些市场竞争都是非常激烈的，并且由于整个市场的激烈竞争或者产能过剩导致主流器件的价格也是快速下降。
比如，在2023年9月份到2024年4月份，市场热卖的1200V/40mΩ的SiC功率器件的平均价格，已经从35元跌到了23元，下降幅度达到35%。并且对比硅基IGBT价格，目前大概是1.5-2倍。根据预测，如果SiC的价格达到同类硅基功率器件1.5-2倍价格区间，整个市场会发生巨大的变革，SiC的渗透率将会快速增长。
如果按照Yole数据，2024年全球功率半导体市场规模大概是500亿美元，那么两三年后，SiC功率器件的价格下降到硅基功率器件1.2倍-1.5倍，那么这500亿美元会不会全部都是SiC的呢市场？毕竟SiC功率器件对比硅基功率器件拥有高频率、高功率密度、低损耗等诸多优势。
“从长远来看，只有提高SiC企业的竞争力，通过技术迭代来实现整个技术降本增效，这是SiC企业赖以生存的唯一途径。”詹旭标总结说道。
国产SiC器件技术水平与国外差距迅速缩小
随着整个新能源汽车主驱以及光伏、储能、充电充行业的快速发展，目前整个国内SiC产业链也已经日趋完善。从材料到辅材、到衬底、外延、加工设备，包括设计、代工，现在基本上都是非常完善的，每个细分行业，都有了非常典型的代表厂商。
在詹旭标看来，国产SiC器件技术水平跟国际的头部企业，整个差距已经非常小的。“我个人认为，目前是没有很大差距的。如果要说有差距，这个差距肯定是可以接受的差距。”
那目前主流SiC MOSFET技术大概是什么样的水平呢？
詹旭标将主流的两种设计方案大致做了一个分类：
第一类，是平面栅极结构的器件，代表厂商有Wolfspeed、ST、onsemi。平面栅极结构的MOSFET目前也是在国内或者在汽车领域包括光伏储能，它的出货量是最大的，并且它的可靠性目前也是最好的，而且工艺是非常成熟的。
第二类是沟槽栅极，主要以罗姆、英飞凌、博世等厂商为代表。沟槽栅极跟平面栅极各有优缺点，平面栅整个工艺成熟，它在高温下导通电阻是相对比较低的；而沟槽栅极会有比较低的Rsp，即比导通电阻比较低，但它在高温下的热性能没有平面栅结构的参数这么好。
从近十年来国际主流SiC厂家的技术迭代路线来看，相当于每过3-6年的区间，国际厂商会迭代一次，并且每次迭代大概下降20%-25%的Rsp水平。主流的SiC尤其是国外的技术水平，比如1200V SiC的Rsp大概能达到2.3~2.8mΩ。目前国内1200V SiC MOSFET Rsp可能在2.8~3.3 mΩ，差距正在快速缩小。
詹旭标还以清纯半导体为例，与ST、罗姆等头部的SiC功率器件厂商进行了对比。
目前清纯半导体基本上是以1年1代新产品的节奏快速迭代。从其第一代SiC MOSFET产品Rsp是在3.3mΩ･cm2左右，到2023年发布的第二代产品已经达到了2.8mΩ･cm2。相比之下，2022年ST 1200V的MOSFET Rsp也是2.8mΩ･cm2。今年清纯半导体将会发布第三产品，整个Rsp可以做到2.4mΩ･cm2，将跟国际巨头目前的最新的产品做到几乎打平。
此外，清纯半导体针对主驱领域有推出比较多的产品，比如有24平方毫米、25平方毫米、27平方毫米、30平方毫米尺寸的产品，但主流的包括国外厂家针对主驱的芯片也是比较少的。
“当时我们是秉着一个比较卷的态度，跟行业去做对标。我们1200V产品系列的核心参数，完全对标国际一流水平，并且在某些参数上或在可靠性方面可能会比他们更好。”詹旭标进一步解释道：“我们去年还发布了全球最低导通电阻SiC MOSFET，大概是3.5mΩ，整个尺寸是10×10平方毫米的面积。虽然它的应用是比较少，但是它的存在是非常有意义。它相当于可以指导我们的下一代产品，因为我们可以对它做了一个非常详细的良率分析，在不同的材料、不同的工艺，我们可以很清楚包括很准确地了解针对每一个器件的良率。”
詹旭标还以国际头部企业目前在新能源汽车里面用得最多、最成熟的器件与清纯半导体的产品在相同的驱动、相同的参数、相同的板子上做一个详细的做了1：1的对比。结果显示，清纯半导体的产品串扰抑制能力（串扰可能导致直通现象，或者会增加整个损耗）已经领先国际一流水平。
詹旭标指出：“在相同的dv/dt条件下，我们整个参数包括动态参数表现也更优。这也是允许我们可以在同样的参数下，降低开关损耗。对比竞品，我们大概能降低35%-40%的开关损耗，同时提升产品的效率。”
另外，对于SiC功率器件来说，主要应用于工业级和车规级市场，因此客户对于产品可靠性的要求非常高。目前行业都是已经按照车规等级的标准做了一些更加严格的测试，尤其是在主驱方面的应用。
对此，清纯半导体也对其产品做了非常全面且严苛的可靠性测试，实现了新能源汽车级工业应用400万颗MOSFET零失效的出色成绩。
小结：
随着SiC市场竞争越来越激烈，以及产能即将进入过剩的阶段，国产厂商要想胜出就必须想办法降低成本和提高产品的性能。
对于材料来说，一方面可以向更大尺寸的SiC材料发展，比如目前主要6英寸的SiC衬底，但头部的厂商已经进入了8英寸，尺寸越大，可以制造的器件就越多，可以摊薄成本。另一方面就是提升良率，降低SiC衬底的缺陷率。此外还可以向外延制备方向发展。
对于器件来说，主要就是往比导通电阻越来越低的水平去设计，同时在可靠性或者鲁棒性方面向硅基IGBT的水准对齐。针对工艺方面，沟道迁移率的问题可以进行更多的研究。
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