“充电5分钟，续航里程增加200km。”这是年内即将上市的智己LS6“全域800V双碳化硅平台”给出的数据。
因碳化硅优良的物理特性契合新能源汽车市场发展需求，碳化硅半导体正迅速成为新能源汽车功率器件的发展趋势。然而，今年3月，特斯拉却给碳化硅投下了一枚“深水炸弹”——下一代汽车平台将减少75%的碳化硅使用量。
特斯拉为何“舍弃”碳化硅？目前，国内碳化硅产业发展到什么阶段？面临哪些机遇和挑战？近日，记者采访了碳化硅产业链上的多位专家，为上述问题寻求解答。
市场规模快速增长可期
碳化硅属于宽禁带半导体，由于原材料的特点，碳化硅半导体呈现出“三高一低”的特点，即支持高频率、高电压、耐高温，以及低损耗。因此，对于整车厂来说，碳化硅半导体能降低功率器件的开关损耗与导通损耗，有效提升电动汽车的续航里程。
据悉，在目前整车主流的400V电压平台主驱上，用碳化硅功率器件替代原来的硅基IGBT功率模块，能使整车工况效率提升1%-1.5%，对应续航里程提升2%-3%；在更加前沿的800V高压平台上，碳化硅带来的提升更加明显，能使整车工况效率提升3%-4%，对应整车续航里程提升5%-8%。除了电机控制领域，碳化硅在整车充电领域也有应用。在OBC（车载充电器）和DC/DC（直流转换器）两类零部件上，都会用到由碳化硅制成的MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）。
市场普遍认为，碳化硅有望在电动汽车产业加速发展及渗透率提升的推动下，迎来需求快速增长。根据半导体咨询机构Yole的预测，2021-2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.90亿美元增长到62.97亿美元，保持年均34%的复合增速。
让衬底“长快”“长厚”“长大”
碳化硅被特斯拉“舍弃”了吗？答案并非如此。特斯拉减少使用碳化硅并不是“不想用”，更多是因为在快速增长的销量以及特斯拉未来的市场目标面前，碳化硅价格昂贵、产能不足导致“不够用”。
供给难以匹配需求，这恰是碳化硅行业现状。在中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟副秘书长侯喜锋看来，目前碳化硅产业链的瓶颈依然在供给端，尤其是上游的衬底和外延制造，影响最大。
侯喜锋表示：“在碳化硅价值链上，衬底大概占47%，外延大概占23%，两者合计占了价值链的70%。目前，全球大约有40多款车型用到碳化硅功率器件，中国占半数以上，下游的需求量很大。但是，好的碳化硅芯片，可以说‘一片难求’。”
碳化硅并非自然界存在的物质，需要在人为创造的严苛环境中合成，技术门槛极高。目前，制造6英寸碳化硅衬底的晶棒需要在2300℃的长晶炉中生长大约一周时间，能长到20mm左右的厚度。而且，由于碳化硅长晶时间长、属性硬脆的特性，碳化硅衬底的良率一直是困扰行业的问题，据报道，即使是全球行业龙头Wolfspeed，综合良率也只有70%。
因此，要想提升碳化硅的实际产量，一方面要重点突破良率问题，另一方面要推动技术突破，让衬底“长快”“长厚”“长大”。
“‘长快’，就是原先可能一周生长一炉，通过技术突破推动效率提升，让生长所需时间缩短。‘长厚’，就是让晶棒的厚度从原来一周20mm左右长成40-50mm，能切出的衬底数量更多。‘长大’，指的是面积。比如说，现在市场上主流的6英寸碳化硅衬底的生产工艺比较成熟，8英寸衬底尽管已研发成功，但还处在验证阶段。如果在更大的面积上，芯片的颗数更多，就能降低成本。”侯喜锋介绍道。
要想实现“长快”“长厚”“长大”的技术目标，必须要有完善的技术链和供应链作为保障，推动技术创新突破、提质增效，使碳化硅的成本下降、产量上升成为可能。
亟须制造产能保障
上海瞻芯电子是中国少有的垂直整合制造（IDM）厂商之一，兼具碳化硅芯片设计与工艺开发的优势。瞻芯电子认为，工艺平台开发的基础地位更加突出，如果基础不扎实，芯片设计就很难发挥出应有的作用。
“芯片设计在本质上是晶体管的集成，但除开晶体管集成，晶体管本身的性能也至关重要。”瞻芯电子市场销售副总经理曹峻表示，因为碳化硅功率器件上晶体管较少，所以每一个晶体管的性能影响更突出。“将来碳化硅的市场竞争进入深水区时，工艺、材料、设备的竞争都会更加激烈，所以我们要在自己的生产线上搭建工艺开发平台，推动碳化硅功率器件的升级迭代。”
在制造环节，产能是亟须解决的问题。
目前，中国生产的碳化硅芯片在电流密度、低功耗与可靠性等性能指标上已基本能够比肩国际水平，但在应用端，考虑到大批量生产的生产一致性，中国制造厂商依然与国际领先水平存在差距。
积塔半导体是中国车规级MOSFET器件制造领域的龙头企业，产能与技术水平均处于中国第一梯队。积塔半导体认为，目前在碳化硅代工制造领域，人才相当紧缺。对于类似积塔半导体这样的头部企业而言，更加希望能依托自身的技术积累、客户布局，以及重资产、强制造的优势，推动产业规模化效应进一步显现，让中国碳化硅功率器件产能“更上一层楼”。
整车厂系统集成助力推广
下游的整车企业是当前碳化硅功率半导体的最大客户。设计制造企业与整车厂协同合作，为碳化硅市场茁壮成长提供了土壤。
积塔半导体副总经理刘建华告诉记者：“碳化硅最终的目标是要满足终端客户的需求，因此从设计到代工制造，再到整车厂系统集成，各个环节一定要互相配合，甚至要敢于给上下游一些试错的机会。”
刘建华表示，目前碳化硅领域的上下游联动模式主要有两种：一种是由政府牵头，以项目形式串联产业链；另一种则是产业链上各家企业和整车厂、零部件企业互动。政府推动与行业联动两轮并进，这基本上遵循了当初车规级IGBT的产业联动模式，有望推动国内碳化硅产业迅速追赶国际领先企业。
这也与整车厂当前的发展方向不谋而合。“我们希望能不断把这种高效的技术应用起来，支持国家的‘双碳’战略。”上汽创新研发总院捷能公司电驱业务部首席工程师王东萃告诉记者，“但是，目前碳化硅的成本仍然较高，制约了技术的大规模推广。”
据悉，目前在800V高压平台上用碳化硅功率器件全面替代硅基IGBT，会使电驱系统成本增加15%-30%，并导致电池成本上升，使整车成本增加数千元。在目前汽车市场竞争激烈的大环境中，这样的成本增加不容小觑。在应用更广的400V电压平台上，虽然400V电池包的成本相比800V成本友好一些，但目前400V的碳化硅应用增效相比800V少，故400V整车也面临不小的成本压力。
为了加快碳化硅国产化进程，推动碳化硅更快、更多地上车，包括上汽在内的中国多家整车企业与上游企业展开了紧密的合作，以产业链协同促进上下游共赢。与此同时，上汽通过产业金融投资也已完成了对碳化硅半导体产业链的相关布局，将包括衬底原材料企业天科合达、天岳先进，设计/制造企业华大半导体、积塔半导体、瞻芯电子等优质企业融入上汽产业生态，形成价值共创共同体，共同推动碳化硅产业链上下游的业务协同和资源整合。
王东萃表示：“现在整车的集成度愈发提高，深度集成需要上下游更多合作。系统中，功率器件的空间、体积如何做到最优？性能与电机怎么紧密地结合？产品可靠性如何提高？针对这些问题，我们作为整车厂，可以和上游供应商联合定义、联合开发，共同把性能做到更好。”
据王东萃预计，到2026年，碳化硅的良率会提高，生产规模也会扩大，届时会带动整车综合成本下降，应用前景相当广阔。
