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來(lái)源: 第一財(cái)經(jīng)資訊 作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，碳化硅（SiC）被認(rèn)為是功率半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的主要方向。在近幾年國(guó)內(nèi)廠商不斷沉淀技術(shù)與升級(jí)產(chǎn)品的背景下，國(guó)產(chǎn)碳化硅 MOSFET在2024年開(kāi)始放量。 碳化硅 MOSFET相比IGBT有哪些性能優(yōu)越性？系統(tǒng)成本是否實(shí)現(xiàn)追平？國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)還面臨哪些挑戰(zhàn)？近日，第一財(cái)經(jīng)專(zhuān)訪瑤芯微董事長(zhǎng)郭亮良，就上述話題進(jìn)行交流。 性能優(yōu)越，百億美元市場(chǎng)可期 “與IGBT相比，碳化硅器件在高壓、高頻、高溫環(huán)境下有更好的表現(xiàn)，可以帶來(lái)更高的電能轉(zhuǎn)換效率及更低的能量損耗，最近幾年在汽車(chē)以及新能源領(lǐng)域滲透率提升非常快。”郭亮良告訴第一財(cái)經(jīng)。 碳化硅器件的性能優(yōu)越性主要緣于襯底材料差異。相比于硅，碳化硅具有十倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、三倍的禁帶、兩倍的極限工作溫度和超過(guò)兩倍的飽和電子漂移速率。同時(shí)，碳化硅還具有三倍的熱導(dǎo)率，這意味著三倍于硅的冷卻能力。 高飽和漂移速度帶來(lái)更低的電阻和更小的能量損耗，還能夠達(dá)到縮小體積的效果。據(jù)悉，相同規(guī)格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET，前者的導(dǎo)通電阻降低為后者的1/200，尺寸減小為1/10；使用相同規(guī)格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆變器，前者總能量損失小于后者的1/4。以羅姆公司設(shè)計(jì)的碳化硅逆變器為例，使用全碳化硅模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6kg。 “目前碳化硅在新能源汽車(chē)、充電樁、高效率電源等領(lǐng)域都在快速適用，預(yù)計(jì)2028年后市場(chǎng)規(guī)模將與IGBT持平，約700億元人民幣，是功率半導(dǎo)體未來(lái)最大的一塊增量。”郭亮良表示。 據(jù)Yole的Power SiC 2023報(bào)告數(shù)據(jù)，碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)從2021年11億美元增長(zhǎng)到2022年18億美元，年均增長(zhǎng)率為62%。隨著汽車(chē)電子（Automotive）和工業(yè)電子（Industrial）的推動(dòng)，碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)還將強(qiáng)勁增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將接近100億美元。 
碳化硅 MOSFET系統(tǒng)成本追平IGBT “過(guò)去產(chǎn)業(yè)上對(duì)碳化硅的采用有一些擔(dān)憂，主要是兩方面，一方面是價(jià)格太貴，另外一方面是幾乎由海外芯片廠商為主導(dǎo)，產(chǎn)能和供貨穩(wěn)定性是個(gè)挑戰(zhàn)。”郭亮良對(duì)第一財(cái)經(jīng)表示。 第一財(cái)經(jīng)了解到，過(guò)去兩三年，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)碳化硅MOSFET批量化價(jià)格是硅基IGBT的3-5倍，目前來(lái)看已有所下降。 “碳化硅MOSFET是不可能比IGBT更便宜的，因?yàn)樵牧稀⒐に嚩疾灰粯印Ｎ覀兡壳翱磧r(jià)格預(yù)計(jì)在IGBT的2-3倍，極限測(cè)算在1.5倍左右。”郭亮良坦言，“但更重要的是，碳化硅MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT所不能實(shí)現(xiàn)的功能，使得系統(tǒng)成本更低。” 郭亮良解釋稱，碳化硅MOSFET拉了高頻后，首先原來(lái)的電容、電感、磁性元件可以全部變小，這塊能夠降本；其次，拓?fù)湟苍谧兓瓉?lái)可能需要兩顆SJMOS，現(xiàn)在只需要一顆碳化硅MOSFET，系統(tǒng)成本更便宜。“目前在光伏、高效率電源、充電樁領(lǐng)域，其實(shí)碳化硅的方案成本已經(jīng)比硅基更便宜了。” “瑤芯微目前主要在解決成本和供貨穩(wěn)定性的問(wèn)題，一方面采用了國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈，另外一方面技術(shù)迭代迅速并基本追平了海外的技術(shù)能力，所以在降本和供貨穩(wěn)定性上有了很大的保障，目前很多客戶開(kāi)始積極采用我們的芯片也是基于這個(gè)原因。”郭亮良介紹稱。 據(jù)悉，瑤芯微功率產(chǎn)品收入占比超過(guò)80%，其中碳化硅MOSFET作為其核心產(chǎn)品，已迭代至第五代，目前最新一代碳化硅MOS核心性能指標(biāo)RSP值為2.5，可對(duì)標(biāo)全球一線廠商。 “目前公司的碳化硅MOS已在車(chē)載、光伏、充電樁、工業(yè)電源等多家龍頭客戶實(shí)現(xiàn)了大批量出貨，是國(guó)內(nèi)少有的能夠打通碳化硅純本土供應(yīng)鏈資源的企業(yè)。2020年我們就開(kāi)始在國(guó)內(nèi)率先布局碳化硅純本土供應(yīng)鏈，從碳化硅襯底、外延到晶圓制造，都采用了國(guó)內(nèi)頂尖的供應(yīng)鏈。”郭亮良表示。 分應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，瑤芯微下游覆蓋汽車(chē)、新能源、工業(yè)以及消費(fèi)電子，汽車(chē)應(yīng)用占30%左右，新能源和工業(yè)加起來(lái)約占40%，消費(fèi)電子約占30%。目前該公司產(chǎn)品已經(jīng)在新能源汽車(chē)龍頭企業(yè)實(shí)現(xiàn)大批量交付，上車(chē)超過(guò)150萬(wàn)輛，供應(yīng)全球車(chē)型，在車(chē)載功率芯片領(lǐng)域代表國(guó)內(nèi)頂尖水平。 AI服務(wù)器貢獻(xiàn)MOSFET新應(yīng)用 在應(yīng)用上，目前碳化硅 MOSFET在新能源汽車(chē)領(lǐng)域滲透率快速提高，未來(lái)AI服務(wù)器也將成為其新應(yīng)用領(lǐng)域。 “傳統(tǒng)的應(yīng)用大部分用不上寬禁帶半導(dǎo)體（可理解為第三代半導(dǎo)體）。寬禁帶主要用于兩方面，一是高效率領(lǐng)域，二是高功率密度領(lǐng)域。”郭亮良表示。 在高效率方面，郭亮良舉例稱，如果功率高達(dá)30kW、40kW，那么效率上兩個(gè)百分點(diǎn)的差距在成本上都有非常大的體現(xiàn)。部分大功率充電樁要實(shí)現(xiàn)快速充電，功率就要拉上去，效率也就要提升。 新能源車(chē)企中，特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模塊，是碳化硅上車(chē)“第一個(gè)吃螃蟹的人”。2018年，特斯拉在Model3上首次采用意法半導(dǎo)體的650V 碳化硅 MOSFET逆變器，相較Model X等采用IGBT的車(chē)型實(shí)現(xiàn)了5%~8%的效率提升，并在此后的幾款車(chē)型中均采用碳化硅技術(shù)。隨后海外車(chē)企豐田、本田、福特、大眾等，國(guó)內(nèi)比亞迪、蔚來(lái)等陸續(xù)宣布將采用碳化硅方案。 與硅基IGBT相比，碳化硅 MOSFET具有高耐壓、低導(dǎo)通損耗、低開(kāi)關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于800V高壓平臺(tái)新能源車(chē)可大幅提升電驅(qū)效率并降低整車(chē)能耗。目前國(guó)內(nèi)外主流車(chē)企均已布局800V高壓平臺(tái)架構(gòu)。隨著800V高壓平臺(tái)的普及，以及碳化硅產(chǎn)品性價(jià)比與可靠性提升，華金證券預(yù)計(jì)碳化硅在新能源車(chē)上的應(yīng)用有望于2025年進(jìn)入快速增長(zhǎng)。 在高密度方面，AI技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)電源功率密度提出了更高的要求，郭亮良表示，相比800W的常規(guī)服務(wù)器，AI服務(wù)器的功率要達(dá)到4500W、5000W，也需要高效率的碳化硅MOSFET。同時(shí)AI服務(wù)器的大小仍被機(jī)柜空間限制，因此功率提升需要高功率密度半導(dǎo)體芯片通過(guò)拉高頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，而高頻靠硅基無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有通過(guò)碳化硅才能實(shí)現(xiàn)。 此外，業(yè)內(nèi)也有觀點(diǎn)認(rèn)為，電網(wǎng)領(lǐng)域碳化硅 MOSFET需求將超過(guò)新能源汽車(chē)，未來(lái)電網(wǎng)需求也會(huì)來(lái)帶新一波應(yīng)用浪潮。 |
