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新能源需求引领,第三代半导体“来势汹汹”
来源:SupplyFrame 发布:2023/03/14 浏览量:335

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体功率器件,凭借高频高效、耐高压、耐高温等优异特性成为汽车电子的新选择

2020年以来,在经历了近2年的缺芯和产能扩充之后,缺货潮已经缓解。尤其是2022下半年来,以智能手机、PC为代表的消费终端市场需求大幅降低,致使消费类芯片、存储芯片等价格不断下跌、订单锐减,供需格局发生了转向。

 

紧接着晶圆代工吹起降价风,半导体市场进入去库存调整期。同时由于持续受到终端需求疲软、产业链各环节库存高企等因素阻碍,IC Insights预计,2023年销售额将减少5%,半导体产业正陷入萧条。

 

在半导体市场下行周期下,新能源汽车俨然成为了逆势赛道。随着“碳中和”目标以及相关政策的提出,新能源汽车渗透率提升,延续高增长。尤其是中国作为全球最大的汽车市场,EV Volumes统计显示,中国新能源汽车渗透率从2021年的14.2%大幅提升至2022Q3的26.7%。

 

受益于汽车“新四化”趋势,越来越多的半导体被应用于汽车各个子系统中,车用半导体获得显著的增量需求。据IC Insights统计,汽车芯片在全球IC终端应用中的市场份额保持稳定增长,预计在2026年上升至将近10%,成为2021-2026年年复合增速最快(CAGR约13.4%)的终端市场。

 

其中价值量提升最多的是功率半导体,据数据统计,2022年全球功率半导体的销售额预计将同比增长11%,达到245亿美元,实现连续第六年的增长,达到创纪录的历史最高水平。预计2026年市场销售额将稳步增长至289亿美元。

然而,在功率器件展现出的市场前景下,以传统硅(Si)材料为基础的功率器件已无法适应新兴市场快速发展的变革需要。因此,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体功率器件,凭借高频高效、耐高压、耐高温等优异特性成为汽车电子的新选择。

 

在新能源汽车市场需求和技术变革等因素驱动下,第三代半导体材料有望迎来加速发展。

 

SiC的上车进程

 

第三代半导体材料的产业化目前主要集中在SiC和GaN两个方向,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,显示出比传统功率器件更优异的特性。其中SiC应用已有十多年,产业化进程更加成熟。

 

SiC器件性能优异,其禁带宽度是硅的3倍,击穿电压是硅的8-10倍,导热率是硅的3-5倍,电子饱和漂移速率是硅的2-3倍。SiC能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,是制作高温高频、大功率高压器件的理想材料之一。

 

基于此,新能源汽车成为SiC最重要的应用领域,也是最大的驱动市场,主要用于驱动和控制电机的逆变器、DC/DC转换、车载充电器OBC和快速充电桩。

SiC在汽车中的应用(图源:国信证券经济研究所)

 

是谁引领了SiC的上车“潮流”?

 

回顾SiC上车进程,早在2014年,丰田就推出了SiC MOSFET,受限于当时高昂的成本和技术的不成熟,前期产业发展一直较缓。

 

一直到2018年,特斯拉Model 3搭载基于全SiC MOSFET模块的逆变器,成为了SiC器件在车用领域的产业推动者。其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间,高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本,耐高温的特性降低了对冷却系统的要求,节约了冷却成本。

自从特斯拉让SiC MOSFET器件上车以来,SiC材料的应用进度和市场空间都打开了想象力。

 

此后,一众车企也都将SiC功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。国内新能源汽车也开始跟进,且得到了市场的广泛接受。

 

随着越来越多车企陆续导入SiC技术,TrendForce预计2026年车用SiC功率器件市场规模将达到39.4亿美元。

 

行业厂商争相布局,第三代半导体成产业高地

 

面对行业机遇,产业链厂商积极投身其中。在这条赛道上,企业融资并购、厂商增资扩产、新玩家跑步入场、新项目不断涌现。

 

与半导体市场整体“低迷”的现状不同,第三代半导体市场则焕发着别样生机。

 

如今处于第三代半导体在汽车领域的关键市场窗口期,上下游企业纷纷开始扩充、绑定产能,以应对未来的市场爆发。以较成熟的SiC为例,SiC生产过程主要包括SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,分别对应衬底、外延、器件三大环节。

图源:中商产业研究院

 

从整体市场布局看,目前SiC器件尤其是车用SiC功率器件市场主要由海外大厂掌控,包括ST(意法半导体)、Wolfspeed(科锐)、Infineon(英飞凌)、ROHM(罗姆)及ONSemi(安森美)等头部IDM厂商深耕车用市场多年,跨足上游材料长晶到加工器件等产业链各环节,与各大车企及Tier1厂商合作紧密,市场优势明显。

 

Wolfspeed在SiC技术领域占据最大市场份额;ST通过率先打入特斯拉供应链,目前在车规级SiC模块应用市场占比约37%;英飞凌依托其在车规级功率器件方面的技术积淀,近两年市占率快速提升;比较具有代表性的厂商中,以安森美为例,其看好并积极“押注”车规级SiC产品,2021年通过收购衬底供应商GTAT,搭建了从SiC晶锭、衬底、器件生产到模块封装的垂直整合模式,建立了自己独特的竞争优势。

 

Wolfspeed:推出650V SiC E3M系列新品

Wolfspeed新推出车规级E-系列(E3M)650V、60 mΩ MOSFET系列帮助设计人员满足EV车载充电机应用。据了解,采用Wolfspeed第三代SiC MOSFET技术,E3M0060065D与E3M0060065K的特色为高温导通电阻低、可高速开关且电容小、体二极管反向恢复特性好、最大结温(Tj)高达175°C。

 

值得关注的是,这些器件通过了AEC-Q101认证,完全符合车规级标准,并可以满足生产部件批准程序(PPAP)。PPAP说明Wolfspeed充分理解设计人员的所有规格要求,并可实现优异的一致性,使得设计人员可对器件生产过程保持充分信心。该系列MOSFET经过优化适用于EV汽车电池充电器和高压DC/DC转换器。

 

与市场上现有的 650V SiC MOSFET 相比,Wolfspeed E3M 650V SiC MOSFET 技术能让系统因损耗更低而在运行时温度更低,从而在终端应用中显著提高效率。更低的损耗同时使得器件温度下降,可降低系统级热管理成本并提高系统级功率密度。

 

Wolfspeed可提供多个参考设计与评估套件,让设计更加轻松。6.6kW 双向车载充电机参考设计(CRD-06600FF065N-K)可快速开启项目并帮助design-in此款E3M 650V SiC MOFET新品。

 

罗姆:第4代SiC MOSFET

 

罗姆作为SiC领域的深耕者,从2000年就开始了相关的研发工作,并在2009年收购SiC衬底供应商SiCrystal后,于2010年率先推出了商用SiC MOSFET,目前产品涵盖SiC SBD、SiC MOSFET和全SiC模组,其中SiC SBD、SiC MOSFET可以裸芯片的形式供货。罗姆在2015年发布了第3代也是第一款商用沟槽结构的SiC MOSFET产品,支持18V驱动。

 

2020年,罗姆完成开发第4代SiC MOSFET,在不牺牲短路耐受时间的情况下有助于包括车载逆变器和各种开关电源在内的各种应用产品实现显著的小型化和更低功耗,比如在用于车载主驱逆变器时,与使用IGBT时相比,效率可以得到显着提升,主要体现在逆变器的高扭矩和低转速范围,从而可使电耗减少6%。

图源:罗姆

 

在应用方面,今年早些时候上汽大众与臻驱科技联合开发的首款基于罗姆第四代SiC技术的“三合一”电桥完成试制。据悉,对比现有电桥产品,这款SiC“三合一”电桥在能耗方面表现抢眼,每百公里可节约0.645kW·h电能。对比传统的IGBT方案,整车续航里程提升了4.5%。由此可知,罗姆SiC电桥方案的优势较为明显。

 

对于行业巨头的发展动态,有行业人士表示:“英飞凌、罗姆等厂商都在向上游延伸,涉及材料领域,特别是对SiC衬底的争夺。一方面原因在于SiC衬底的高产品附加值;另一方面是因为SiC衬底的技术制程非常复杂,它的晶体生长非常缓慢,也成为SiC晶圆产能的关键制约点。未来取得一个SiC衬底的资源或将成为进入下一代电动车功率器件的入场门票。”

 

第三代半导体战略意义重大,世界各个国家和地区均在努力推进发展工作。欧洲的SPEED计划、MANGA计划,美国的SWITCHES计划、NEXT计划,日本的新一代功率电子项目都是意在通过政府资助和企业加强投资的方式推动新一代化合物半导体落地的计划,背后都具有明显的战略意图。

 

可见,行业厂商争相扩产和投资,第三代半导体在内的功率半导体正在成为新的竞争高地。

 

国内厂商跑步入场

 

与国外大厂相比,国内车用SiC功率器件发展相对缓慢,市场占有率偏低。作为全球最大的新能源汽车市场,长期来看国内SiC器件本土化需求具有很大的发展空间,随着国产厂商SiC材料技术不断取得突破,以及芯片结构及模块封装工艺趋于成熟,头部厂商在车用SiC市场发展潜力巨大。

 

从今年资本市场融资情况来看,SiC功率器件相关投资热度居高不下,二级市场的相关SiC概念股也持续升温,行业发展具备良好的天时地利人和。

 

与此同时,随着国内半导体产业不断响起国产替代和自主可控的声音,第三代半导体的兴起将会是当中重要的出路。目前已经进入第三代半导体产业的最佳发展窗口期,虽然国外包括美国、日本、欧盟等均已经开展相关研究和应用,但是国际半导体产业和设备等巨头还没完全形成产业、专利、标准、生态等垄断,窗口期至少有3年左右的时间。

 

相对而言,和其他差距较大的芯片对比看,国内在SiC、GaN等第三代半导体与头部厂商有望站在同一起跑线上的机会。

 

因此,面对行业巨头的大举进攻,本土芯片供应商应该以技术创新为驱动,更加注重推动第三代半导体功率器件的研发和应用,同时聚焦下游市场,通过绑定家电龙头,联手新能源汽车企业,加速科研成果转化和技术应用落地。

 

国内SiC供应商中,企业数量持续增加,产线加快建设,供应链开始逐步成型,产业链自主可控能力增强。其中,比亚迪半导体率先实现了SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车。

 

比亚迪半导体:布局车规级核心SiC器件

2022年6月,比亚迪半导体推出1200V 1040A SiC功率模块。据介绍,该功率模块成功克服了模块空间限制的难题,在不改变原有模块封装尺寸的基础上将模块功率大幅提升了近30%,主要应用于新能源汽车电机驱动控制器。它突破了高温封装材料、高寿命互连设计、高散热设计及车规级验证等技术难题,充分发挥了 SiC 功率器件的高效、高频、耐高温优势。

比亚迪1200V 1040A SiC功率模块

 

该模块采用了双面烧结工艺,即SiC MOSFET上下表面均采用烧结工艺进行连接,具备更出色的工艺优势与可靠性,相比传统焊接工艺模块,连接层导热率最大可提升10倍,可靠性更是可提升5倍以上;芯片上表面采用烧结工艺,因烧结层具有的高耐温特性,SiC模块工作结温可提升至175℃,试验证明,其可靠性是传统工艺的4倍以上。

 

在功率半导体方面,经过多年的技术积累及发展整合,比亚迪半导体已成为国内少数能够实现车规级功率半导体量产装车的IDM厂商之一,形成了包含芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试、系统级应用测试的完整产业链。同时比亚迪半导体拥有突出的科技创新能力,所生产的车规级功率半导体已在新能源汽车厂商中得到充分验证并进行了批量应用,在车规级功率半导体领域实现自主可控及重大突破。

 

其实早在2020年,比亚迪半导就重磅推出了首款1200V 840A/700A三相全桥SiC功率模块,并已实现在新能源汽车高端车型电机驱动控制器中的规模化应用。

 

此外,天岳先进、三安光电均在大举投资SiC衬底材料,功率器件厂商斯达半导、时代电气、士兰微等也在投建SiC芯片产线,抢占第三代半导体的制高点

 

与此同时,整车厂也在积极发力第三代功率半导体。2022年,国内造车新势力蔚来ET7、小鹏G9均采用了SiC器件,理想汽车的功率半导体项目生产基地近日也落户苏州,由理想汽车与三安光电共同出资组建苏州斯科半导体公司,主要专注于第三代半导体SiC车规芯片模组的研发及生产。国内车厂的SiC MOSFET渗透率有望加速提升,随着搭载高功率电机的新能源车销量增长,车载SiC MOSFET需求将持续增长。

 

不仅如此,在国家政策和资金支持下,各地方政府掀起了第三代半导体投资热潮,打造覆盖衬底、外延、芯片及器件、模组、封装检测以及设备和材料研发的第三代半导体全产业链生态。

 

对本土功率半导体企业而言,想要保住乃至攫取更多“胜利果实”,需要在产能维度比拼之外,拓展更丰富的竞争工具。另外,如何把握住此轮第三代半导体市场机遇,把握从6英寸向8英寸过渡的技术趋势,对于国产SiC企业来说也至关重要。

 

800V+SiC成为大势所趋

 

除了市场应用上的布局与进展,技术创新是否也在为第三代半导体提供新的增量?

 

随着过去几年电动汽车的发展趋势和升级演进,在消费者最关心的车载充电系统和电源转换系统方面,高充电效率、缩短充电时间成为绝大多数主流车企的发力方向。为进一步提高充电效率、缩短充电时间,绝大多数的主流车企选择高压快充方案,将电压平台从400V提升到800V甚至更高。

 

继2019年4月保时捷Taycan Turbo S 全球首发三年后,800V高压超充终于开始了普及。而构建800V超充平台的灵魂就是材料的革新,因为800V高压快充会涉及到车内电源到车外充电整个强电链路,硅基器件已达到理论性能极限,难堪重任。而具备耐高压、耐高温、高频等优势的SiC器件是目前最佳的替代方案。

 

SiC+800V组合的高压方案逐步成为新能源汽车行业的布局热点,加快推动第三代半导体渗透提速。JW Insights预计,2025年800V+SiC方案的渗透率将超过15%。

 

ST:以SiC技术持续发力800V系统

前不久,ST推出五款全新的基于SiC MOSFET的功率模块,模块内部的主要功率半导体是ST的第三代STPOWER碳化硅MOSFET。

 

得益于第3代SiC MOSFET技术,让全新的ACEPACK DRIVE功率模块系列能进一步降低损耗,以及提供出色的功率密度,带来的散热性能也更好。而5款全新ACEPACK DRIVE功率模块,可对应180至300 kW的额定功率范围,为车企提供灵活选择。

 

目前全新ACEPACK DRIVE系列包含ADP280120W3、ADP360120W3、ADP480120W3(-L)等3款已开始生产,至于ADP46075W3和ADP61075W3这2款则会在2023年3月全面投产。

 

现代-起亚集团的E-GMP纯电平台以800V高电压架构、高功率充电备受肯定,原先E-GMP平台在后马达Inverter逆变器的功率模块就有采用SiC半导体,成本与转换效率比传统的硅半导体更高,更能提升续航。ST新推出的SiC功率模块确认在E-GMP平台的起亚EV6等车款将采用,预计在动力、续航都能再升级。

 

可以看到,ST SiC解决方案让OEM厂商能够领跑电动汽车开发竞赛,其第三代SiC技术确保功率晶体管达到理想的功率密度和能效,让汽车实现出色的性能、续航里程和充电时间。

 

作为SiC技术的行业先驱者,ST STPOWER SiC器件在全球范围内已搭载三百多万辆量产乘用车。且正在迅速采取行动,以支持市场向电动汽车快速转型,就在不久前,ST宣布在意大利卡塔尼亚建立完全整合的SiC衬底制造厂,预计将于2023年投产。

 

英飞凌:SiC功率模块,深耕800V

几个月前,英飞凌推出一款采用CoolSiC™ MOSFET技术的全新车规功率模块——HybridPACK™ Drive CoolSiC™,这是一款具有1200V阻断电压、且适用于电动汽车牵引逆变器的全桥模块。该功率模块采用车规级CoolSiC沟槽栅MOSFET技术,适用于高功率密度和高性能的应用场景。它将提高逆变器的效率,实现更高的续航里程并降低电池成本,特别适用于800V电池系统及更高电池容量的电动汽车。

 

英飞凌创新与新兴技术负责人Mark Münzer指出:“随着SiC器件价格的大幅下降,SiC解决方案的商业化进程将进一步加快。这将促使更多注重成本效益的平台采用SiC技术,提高电动汽车的续航里程。”

图源:英飞凌

 

英飞凌于2017年首次推出HybridPACK Drive,采用了硅基EDT2技术。该技术经过专门的优化,可在实际驾驶工况中提供最佳效率。它在750V和1200V电压等级内提供100kW至180kW的可扩展功率范围。HybridPACKDrive电源模块系列旨在满足汽车市场的大批量生产、高稳健性、高功率密度和低成本要求,已在20多个电动汽车平台的出货超过100万套。

 

除了优化性能之外,英飞凌还非常重视可靠性。经过测试,汽车CoolSiC™ MOSFET可实现短路鲁棒性以及高水平的宇宙射线和栅极氧化物鲁棒性,这是设计高效可靠的汽车牵引逆变器和其他高压应用的关键。英飞凌HybridPACK Drive CoolSiC功率模块完全符合汽车功率模块AQG324标准。

 

有主机厂表示,800V系统代表了缩短充电时间的下一代电动汽车的技术基础,通过使用基于英飞凌CoolSiC功率模块的牵引逆变器,能够将车辆的行驶里程增加5%以上,与基于硅的解决方案相比,SiC解决方案损耗更低,从而能提高效率。

 

未来,以SiC为核心的800V强电系统,将在主逆变器、电机驱动系统、DC-DC、车载充电器以及非车载充电桩等领域迎来规模化发展。

 

在行业厂商和国家政策的推动下,未来两三年内,800V高压快充技术将得到大范围普及应用。伴随国内外众多企业加速布局800V高压平台,这场高压平台“升级革命”让SiC器件成为焦点。

 

同时值得注意的是,随着800V的兴起,400V系统也不会被淘汰。预计400V EV将用于对成本敏感的市场。此外,由于全球各国制定了新的效率目标,即使是400V电池系统的电动汽车也可能在短期内跟随特斯拉的脚步过渡到SiC。

 

可见,在巨大的市场潜力和技术变革趋势下,SiC产业链正迎来“风口”。

 

结语

 

当前,随着新能源汽车市场规模不断扩大以及汽车“新四化”的技术演进趋势,以SiC为代表的第三代半导体正迎来“量价齐升”的快速发展阶段。SiC作为目前半导体产业最热门的赛道之一,吸引了众多半导体大厂和新锐力量参与其中。

 

新能源汽车需求引领下,看好第三代半导体市场的三大理由:

 

1:随着新能源汽车赛道的爆发,以SiC为代表的第三代半导体迎来发展契机,进入蓬勃发展阶段。

 

2:在汽车技术产业变革趋势下,800V高压系统成为行业布局热点,加快推动第三代半导体渗透提速。

 

3:国内半导体产业不断响起国产替代和自主可控的声音,第三代半导体的兴起将是重要出路。

 

综上,第三代半导体属于朝阳产业,市场潜力大,相关厂商应抓住这一市场机遇,把握时间窗口,重视产品研发,尽快推出更多车规级产品。同时,车企和Tier1厂商也应该更多与上游元器件厂商联合创新,并尽快完成认证,尽快提高批量制造能力和良品率。

 

(本文章由SupplyFrame提供, 对于文章中相关的分析、市场预测等信息仅供参考, 艾睿电子不对任何文章内的资料因不充分、不完整或未能提供特定资料产生的任何损失承担任何责任。)

 

功率器件 碳化硅
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