隨著汽車的“新四化”加速演進，汽車芯片成為了整個半導體市場的主要增長點之一，性能優秀的碳化硅更是閃亮的新星。各大芯片企業圍繞碳化硅紛紛開始了大手筆擴產和收購。各大汽車廠商也擔心再度面臨芯片緊缺的局面，開始爭相下單，與芯片廠商簽訂長期供應協議。碳化硅的狂飆之路拉開序幕。

       電動汽車將促碳化硅大規模商用

       隨著新能源汽車市場的發展，我國新能源汽車的市場占有率已經超過了28%。有機構預測，2030年全球新能源汽車銷量占當年新車銷量比例將近50%。

       當前，碳化硅功率器件已應用于新能源汽車內部的關鍵電力系統，包括牽引逆變器、DC/DC轉換器、車載充電器等。在IEEE國際寬禁帶半導體技術路線圖委員會主席Victor Veliadis看來，電動汽車和混動汽車或將成為促使碳化硅大規模商用的“殺手級”應用。

       “碳化硅具有比硅更寬的帶隙，允許更高的電壓阻斷，適用于高功率和高電壓應用。這可以使DC/DC轉換器、車載充電器變得更高效，在降低成本的同時，讓電動汽車充電更快、續航更遠。這使其極具競爭力。”Victor Veliadis解釋說。

       “汽車里面的空間較小，所以提高功率密度是未來的發展趨勢。碳化硅器件相較于硅，不僅可以使功率半導體的封裝方案做得更精巧，還可以使與功率器件配套的無源器件和散熱器都做得更小。”泰科天潤半導體科技（北京）有限公司營銷副總經理秋琪告訴《中國電子報》記者。

       泰科天潤的6寸碳化硅產線

       在縮小體積和提升效率上的優秀表現幫助碳化硅成功“上車”。具體而言，碳化硅技術在新能源汽車上的應用主要集中在兩方面。一是在車載充電器（OBC）和DC-DC這類電源領域，基于傳統硅技術的系統功率密度小于2KW/L，而采用碳化硅技術的OBC系統，可以獲得大于3KW/L的功率密度，其效率也能從過去的95%提升至超過97%，為消費者節省能源。二是在主驅逆變器領域。安森美電源方案部汽車主驅逆變器半導體中國區負責人陸濤告訴記者：“碳化硅在主驅逆變器的應用最直接的表現就是提升了系統的效率，進而使得在相同的電池容量下，提升了汽車里程數。根據市場上一些反饋，應用了碳化硅的主驅逆變器，效率提升了至少2%左右，如果考慮整車系統可能會提升更多。現在絕大部分的新能源汽車廠商都在推出或準備推出搭載碳化硅的主驅逆變器。”

       由于快充的需求，800V高壓系統正逐漸走進市場視野。陸濤預測未來的一到兩年將會有更多采用800V系統的新能源汽車出現。而碳化硅在高壓下的低阻抗等特性的優良表現，也會使其市場占有率得到提升。

       企業多措并舉增強產業鏈穩定性

       隨著汽車市場對于碳化硅器件的需求不斷增加，帶來市場機遇的同時，也伴隨著一絲不穩定，不管是芯片廠商還是整車廠商都不約而同地意識到這點，開始加緊加固自己的碳化硅供應鏈，以免重蹈此前汽車芯片緊缺的覆轍。

2021年-2027年(預測)碳化硅功率器件各細分領域市場占比

數據來源:YOLE

       例如，Wolfspeed宣布，將其射頻業務全部賣給MACOM，交易資金將被用于碳化硅業務的擴產；瑞薩電子宣布與Wolfspeed簽署為期10年的碳化硅晶圓供應協議；意法半導體宣布與三安光電成立合資企業，在中國大批量生產200mm碳化硅器件，此外意法半導體還將繼續在意大利和新加坡進行投資，以期在2030年實現碳化硅年收入超過50億美元；羅姆則與Solar Frontier達成協議，收購該公司的原國富工廠，該工廠將成為羅姆生產碳化硅功率半導體的主要生產基地，預計在2030財年，其碳化硅產能將提升至2021財年的35倍。

       目前來看，中高端的新能源汽車器件正在向碳化硅上靠攏或切換，這一現象在800V的系統里尤為明顯，這也是當前整個碳化硅市場發展迅速的原因之一。“然而，任何一個市場發展過速都會導致相應的供應緊缺或產能過剩，在新能源汽車里的具體表現就是近兩年碳化硅產品的短缺。”陸濤告訴記者。

       碳化硅行業作為技術密集型行業，其晶圓產線的建立不僅需要大量的資金和時間，還面臨著關鍵生產設備購買困難、碳化硅器件制造工藝復雜、相關專業人員稀缺的困難局面，其準入門檻被無形中拉高。其次，由于對車規級的碳化硅功率器件的性能和可靠性要求很高，目前只有少數企業能提供。這些問題都會導致當前碳化硅器件的供應緊缺。

       產能背后的挑戰源自整個供應鏈。

       安森美推出的新一代1200 V EliteSiC碳化硅（SiC）M3S器件

       安森美在完善碳化硅供應鏈上的表現積極，為獲得高質量襯底生產能力和研發能力，于近兩年收購了GT Advanced Technologies （GTAT）。同時，安森美也積極對內投資，對其捷克工廠的外延廠進行擴建，保障外延的生產能力；于韓國晶圓廠擴建，用以提升FAB的能力。

       國產碳化硅企業泰科天潤也堅持IDM。依靠其自有晶圓產線，不斷積累碳化硅器件器件制造和生產工藝的經驗，進一步掌握核心技術。其于2022年底開始布局8英寸碳化硅產線，并預計于2025年達到10萬片/每年的產能。在下游企業方面，泰科天潤也積極與比亞迪、五菱mini、廣汽、瑪莎拉蒂、吉利、北汽、東風等車企合作，進一步了解市場訴求。

       “近期，為保障碳化硅的供應鏈安全，各大碳化硅企業都在積極布局，加固與上下游企業的聯系。”楊俊剛告訴《中國電子報》記者，“而且，新能源汽車和碳化硅器件都屬于新興市場，二者如果聯合攻關相關技術，有望研發出更貼合市場的新產品。”

       碳化硅大規模上車仍需降本增效

       雖然碳化硅上車的速度很快，但想要實現大規模且真正完全替代硅上車，降低成本仍是關鍵因素。碳化硅的成本遠高于硅的功率器件。

       秋琪告訴記者，降低碳化硅芯片成本目前主要有三大方向：一是提高晶圓尺寸，在流片成本相差不大的前提下，晶圓越大，單個晶圓片能夠產出的可用芯片越多，單個芯片的成本就越低；二是通過剪薄等工藝或溝槽設計減少芯片面積；三是通過工藝優化提升良率。

       起初，絕大部分碳化硅廠商可以生產4英寸大小的晶圓，隨著襯底和外延技術的發展，大尺寸晶圓成為了可能。當前，有許多碳化硅廠商表示自身產線將會從6英寸拓展至8英寸。尺寸大小和功率器件之間最直接的關系表現在DPW（單張晶圓上的芯片數）上。安森美現場應用工程師、中國區汽車主驅碳化硅技術支持專家牛嘉浩為記者打了一個比方：“以32mm2的碳化硅器件為例，6英寸晶圓大概能產出450顆器件，8英寸晶圓大概能產出850顆器件，晶圓邊緣芯片的比例也會有大幅度降低。”

       但是，并非簡單擴大晶圓尺寸就可以提升效率。如果技術發展不成熟，那么“大晶圓”的優勢就有可能變成劣勢。“我們不僅關注DPW，更多要看GDPW（有效芯片數量），GDPW/DPW才是真實的良品率。想實現用8英寸的晶圓生產芯片，就需要有高質量的襯底、高質量的外延還有高質量的器件加工工藝，這三高缺一不可。”陸濤說。

       牛嘉浩告訴記者：“目前市場上暫未實現8英寸碳化硅晶圓產品的量產。將碳化硅晶圓尺寸從6英寸升級到8英寸還存在很多技術限制。由于襯底在碳化硅器件成本中占有相當比例，主流廠商在這方面不斷努力，通過增大尺寸、提升質量，從而在單個襯底上獲得更多的器件，最終降低成本。”