了不起的碳化硅,汽车厂商都爱它

2021-01-13来源: 半导体行业观察关键字:SiC

近日,据韩媒报道,多名业内人士透露,LG集团旗下子公司硅芯片有限公司(Silicon Works)日前宣布扩大其半导体业务,重点押注碳化硅PMIC以及MCU。


据了解,硅芯片公司此前更常以其驱动IC产品被业界所熟知。此次大动作转向碳化硅芯片领域,不仅透露了其对从LG集团分拆后的发展规划,更是从侧面印证了碳化硅正在成为汽车领域冉冉升起的新星。


它为何这么抢手

碳化硅(SiC)又名碳硅石、金刚砂,是一种无机物,化学式为SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。


作为第三代半导体的代表,碳化硅材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,因此在IGBT、MOSFET等功率半导体中应用尤为广泛。


安信证券李哲团队此前研报曾指出,虽然当前功率器件仍以碳基为主,但碳化硅基器件低能量损耗、耐高压、耐高温等优良特性更适合功率器件使用,渐有取代碳基器件之势。


具体来说,碳化硅基MOSFET相较于硅基MOSFET拥有高度稳定的晶体结构,工作温度可达 600 ℃;击穿场强是硅的十倍多,因此阻断电压更高;导通损耗比硅器件小很多,而且随温度变化很小;热导系数几乎是硅材料的2.5倍,饱和电子漂移率是硅的2倍,所以能在更高的频率下工作。


正是基于这些特性,碳化硅终端市场主要为新能源车以及光伏服务,尤其在新能源车的新能源车OBC、DC/DC、逆变器、充电桩,及光伏逆变器都需要大量使用功率器件。


目前,碳化硅是发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对其研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本、中国等纷纷从国家层面上制定了相应的研究规划:


美国:2014年1月,美国总统奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后,是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。


欧洲:德国英飞凌公司与欧洲17家企业共同成立Smart PM(Smart Power Management)组织,拓展碳化硅在电源和电器设备中的应用。欧洲纳米科技咨询委员会(ENIAC)的“高效率电动汽车计划”则专注于碳化硅功率器件在新型电动汽车中的应用技术研发,由英飞凌公司主导。


日本:日本政府在2013年就将SiC纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过它来实现,创造清洁能源的新时代。日本经济产业省积极开展碳化硅的研发及生产,促进碳化硅在通讯电源、混合动力汽车、可再生能源变频器、工业马达驱动等领域的应用。


中国:2016年,我国国务院发布《“十三五”国家科技创新规划》,其中明确提到加速第三代半导体材料的突破等内容。


汽车厂商们的谋而后动


自从2016年4月,特斯拉Tesla Model 3中率先采用了以碳化硅SiC MOSFET为功率模块的逆变器之后,截至当前,全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。


碳化硅市场的火爆引发了大量半导体厂商的涌进,其中份额最大的当属美国的Cree,根据Yole最新的报告,它占了整个SiC功率器件市场的62%。


在这些半导体厂商为之疯狂之时,汽车厂商们也按耐不住冲动了。近年来,他们动作频频。


丰田


作为全球知名车厂,丰田显然十分关注这方面。2020年4月,电装和丰田合资成立“MIRISE Technologies”,进行下一代先进车载半导体的研究和开发。MIRISE将结合丰田在整车和电装在零部件的经验,致力于三个技术领域:功率电子、传感器、SoC,进一步凸显出他们对车载半导体的重视。


据悉,丰田中央研发实验室和电装公司从1980年开始合作开发SiC半导体材料,2014年5月他们正式发布了基于SiC半导体器件的零部件——应用于新能源汽车的功率控制单元(PCU)。


大众


大众汽车在功率半导体方面也有布局,一是Cree,它成为了大众汽车FAST(Future Automotive Supply Tracks,未来汽车供应链)项目SiC碳化硅的独家合作伙伴。二是英飞凌,它成为大众FAST项目战略合作伙伴,合作点集中在大众MEB电力驱动控制解决方案中的功率模块。


Cree本就是SiC材料和晶圆的国际大供应商,大众此次的锁定无疑为它打开了更为广阔的市场。英飞凌在全球MOSFET和IGBT等汽车半导体市场中占有率位居前三。


本田


本田汽车公司、日产汽车公司均和罗姆公司就HEV/EV应用SiC半导体技术进行了多年的合作研究。本田和罗姆公司共同开发出了使用SiC半导体器件的高功率电源模块,将转换器和逆变器的二极管和晶体管全部由硅器件改为SiC器件。


福特


2015年底,福特宣布计划为电动汽车项目投资45亿美元,近年来福特公司就SiC/GaN器件在混合动力汽车上的应用进行了投资研究。


SiC的市场正在爆发,这一点毋庸置疑。Yole Développement在Power SiC 2018: Materials, Devices and Applications报告中预计,主逆变器采用碳化硅将导致“2017 - 2023年SiC市场复合年增长率达到108%”。


Yole发现,几乎所有汽车制造商未来几年都将在主逆变器中使用SiC。特别是,所有中国汽车OEM都在积极考虑采用SiC。


面对如此庞大的需求,国内厂商当然也不会错过,不过与巨头相比稍显落后。据数据显示,在我国过去一年中,全国半导体总投资超过700亿,而涉及到SiC相关的项目就有65亿,其中不乏三安光电、中科钢研、天通股份等企业。据相关人士透漏,目前我国在碳化硅器件方面的增速异常迅猛,特别是在节能环保的大背景下,国内越来越多的企业开始大规模使用碳化硅器件。


在庞大的市场需求推动下,国内都涌现了一批优秀的甚至在全球市场都有一席之地的企业,整个产业链已经接近实现全国产替代。据悉,在SiC功率器件研发制造方面,国内半导体企业有杨杰电子、基本半导体、苏州能讯高能半导体、株洲中车时代、中电科55所、三安光电等。


作为汽车企业,比亚迪也正在积极布局碳化硅。据悉,比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。


在近日的报道中,比亚迪半导体产品总监杨钦耀表示,比亚迪车规级的IGBT已经走到5代,碳化硅MOSFET已经走到3代,第4代正在开发当中。目前在规划自建产线,预计到明年有自己的产线。


虎视眈眈的Tire 1们


同样,也有Tire 1厂商开始看中碳化硅领域,并试图进行投资布局。Tier1(Tier One)意为给设备厂商供货的一级供应商。


博世不得不提,2019年10月,博世高调宣布其开始碳化硅相关业务。功率碳化硅半导体生产基地位于德国罗伊特林根,主要来生产碳化硅的晶圆以及MOSFET。


博世董事会成员Harald Kroeger指出,这将是博世133年历史上最大的一笔投资,再次强调出碳化硅(SiC)这一半导体材料在汽车行业的重要性。而上一次引发碳化硅讨论热潮的是大众与科锐、英飞凌的战略合作。


同时,博世也公开了其碳化硅产品的技术路线图,裸芯片,预计2021年的年底会上市。分立器件MOSFET这块,大概会在2022年初上市,基于对于客户的需求的匹配。


总部同位于德国的采埃孚与美国碳化硅半导体企业科锐宣布建立战略合作关系,计划2022年前将SiC电驱动系统推向市场。


2019年4月,采埃孚首次采用SiC技术的电驱动系统已经用于法国文图瑞Venturi的电动赛车。SiC电驱动系统具备更高的能量转换效率。采埃孚的目标不止在于电动赛车,它计划3-4年内将SiC电驱动系统批量应用于乘用车中。


还有德尔福,在9月份宣布计划在下个十年初期推出基于SiC芯片的逆变器。它认为,800V 碳化硅逆变器“下一代高效电动和混合动力汽车的核心部件之一”。它已与一家跨国OEM达成八年共27亿美元的项目。该项目预计将于2022年开始落实,最初推出的将是以800V电压运行的高性能电动汽车。


看向国内,“不造车”的华为表示将做产品直接供应整车厂的汽车零部件供应商,也算是Tier1。2019年,华为旗下的哈勃科技投资有限公司投资参股了山东天岳先进材料科技有限公司,持股10%。2020年12月,企查查显示,哈勃科技投资有限公司投资碳化硅外延晶片供应商瀚天天成,认缴出资额超977万元。


随着新技术跨领域的融合,汽车行业迎来了重大的变革,这些Tier1厂商们也纷纷开启了向科技领导者的转型之路。


总结


很显然,现在碳化硅已经成为了国内外车厂的布局重点,不论是采用供应商的碳化硅产品还是自己投资研发碳化硅,总而言之,在新能源车爆火的今天,已经彻底将碳化硅推向了技术浪潮的巅峰。


从硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的转变,已经不再是需要我们考虑是会否发生与何时发生的问题,而是我们已经身处其中。全面地参与到诸多产业的巨大变革之中。这些产业的未来绝对不会是一成不变的,也许会产生前所未有的变化。而那些能够快速适应这些变化的厂商,则定将收获丰硕的成果。



关键字:SiC 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/manufacture/ic522735.html

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