在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，碳化硅與氮化鎵無疑是當(dāng)前最炙手可熱的明星。其中，碳化硅擁有高壓、高頻和高效率等特性，其耐高頻耐高溫的性能，是同等硅器件耐壓的10倍。因此，碳化硅在光伏逆變器、新能源汽車的電機控制器以及充電樁等應(yīng)用中，相比于傳統(tǒng)硅器件有著很大優(yōu)勢。
充電樁剛性需求，碳化硅應(yīng)用滲透加深
伴隨著新能源汽車崛起，應(yīng)用需求的激劇增多，真正將碳化硅推到風(fēng)口浪尖上。對于新能源電動汽車而言，目前車用功率模塊主要采用IGBT，據(jù)了解，一輛電動汽車中，IGBT占據(jù)總成本近10%。但采用碳化硅材料的功率器件在新能源汽車中擁有更好的性能，如目前全球電動車出貨高居第一的特斯拉，旗下model系列車型就在業(yè)內(nèi)率先采用了碳化硅功率器件替代IGBT，因此擁有領(lǐng)先于競爭對手的電氣性能，并在電池容量相當(dāng)?shù)那闆r下獲得相比競品更長的續(xù)航里程。
但目前來看，碳化硅功率器件在新能源汽車上應(yīng)用還較少，原因主要在于成本限制。不過，由于使用率高，并且主要用于停車場的使用場景，所以對于充電樁而言，小體積、高可靠性便成為了剛性需求。因此，可提供高功率密度、耐高溫的碳化硅功率器件，自然成為電動汽車充電樁的最佳選擇。
對于SiC在充電樁中的應(yīng)用，英飛凌大中華區(qū)工業(yè)功率控制事業(yè)部市場高級經(jīng)理陳子穎在接受《華強電子》采訪時表示：“功率半導(dǎo)體是英飛凌的主要業(yè)務(wù)，應(yīng)用范圍覆蓋新能源發(fā)電，輸配電和用電。碳化硅是我們新的業(yè)務(wù)增長點。碳化硅MOSFET是寬禁帶高速器件，可以實現(xiàn)高壓大電流高速開關(guān)，從而使得相關(guān)應(yīng)用的實現(xiàn)帶來革命性的變化，直流充電樁就是其中之一，碳化硅也進(jìn)一步推動了直流充電樁的發(fā)展?！?
另一方面，盡管碳化硅成本相比傳統(tǒng)硅器件高，但在充電樁的應(yīng)用中，由于功率密度提高，反而能夠降低充電樁的系統(tǒng)成本。陳子穎補充到：“充電站是基礎(chǔ)設(shè)施，其成本構(gòu)成比較復(fù)雜，但城市空間成本會是主要方面之一，所以充電樁的功率密度就至關(guān)重要，碳化硅器件是實現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵。碳化硅器件作為高壓，高速，大電流器件，簡化了直流樁充電模塊電路結(jié)構(gòu)，提高單元功率等級，功率密度顯著提高，這為降低充電樁的系統(tǒng)成本降低鋪平了道路。”
碳化硅固然成本高，但其優(yōu)勢是否能抵消成本上的劣勢，則要與使用場景相適配。具體而言，在充電樁應(yīng)用最廣的城市場景中，選址一般選在繁華地段，地租昂貴，因此對體積有很高要求。目前支持快充的電動汽車，充電功率可以達(dá)到150kW，近期保時捷推出的電動跑車Taycan更是將快充功率提高到250kW?？上攵?，若要組建一個擁有多個快速充電樁的電動汽車充電站，則需要達(dá)到百萬W級別的功率，與一個小區(qū)的用電規(guī)模相當(dāng)。
據(jù)陳子穎透露，采用英飛凌的碳化硅單管，充電模塊的功率可以達(dá)到30kW以上。采用英飛凌的碳化硅模塊，充電模塊的功率可以達(dá)到60kW以上。而采用MOSFET/IGBT單管的設(shè)計還是在15-30kW水平。從單管設(shè)計的充電模塊功率對比中，不難看出在相同功率等級下，采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量。因此，對于城市大功率充電站、充電樁，高成本所帶來的小體積，在特定場景或高端產(chǎn)品中是有很大優(yōu)勢的。
不過，需要面對的事實是，目前碳化硅在充電樁中滲透率并不高。以“快充”應(yīng)用為主的直流充電樁為例，據(jù)CASA測算，電動汽車充電樁中的碳化硅功率器件的平均滲透率在2018年僅達(dá)到10%。
上海瞻芯電子科技有限公司創(chuàng)始人兼總經(jīng)理張永熙博士認(rèn)為，目前主流的充電樁模塊，依然是以硅基MOSFET和IGBT為主;而碳化硅二極管現(xiàn)在已經(jīng)批量出貨，在充電樁上的應(yīng)用還是主要用于大功率高端產(chǎn)品中。但他也表示：“相信在未來以更高功率密度為需求的充電樁模塊中，碳化硅尤其是碳化硅MOSFET的應(yīng)用會越來越多?！?
盡管目前來看，充電樁市場中碳化硅功率器件的滲透率并不算太高，但在2019年，隨著下游特斯拉等車企開始大量推進(jìn)碳化硅解決方案，國內(nèi)的廠商也將會快速跟進(jìn)。以比亞迪為代表的整車廠商開始全方位布局，在充電樁以及整車中將會越來越多采用碳化硅器件。而根據(jù)CASA的預(yù)測，由于電動汽車對于充電速度的要求提升，直流充電樁的需求會進(jìn)一步增長，因此碳化硅在充電樁領(lǐng)域的滲透將快于整車市場。
成本桎梏亟待解決，碳化硅6英寸襯底有望價格砍半
目前碳化硅在充電樁市場中滲透率不高，主要原因歸根到底還是在于成本。業(yè)內(nèi)資深專家袁工向《華強電子》記者表示：“在功率器件領(lǐng)域，電壓等級不同器件價格有所差異。在同電壓等級下，碳化硅功率器件的價格大概是傳統(tǒng)硅器件的1.5倍到2倍之間。”
在一般充電樁中，充電模塊作為核心部件，占充電樁總成本的比例高達(dá)50%，其中充電模塊的主要成本在于IGBT。而碳化硅作為替代產(chǎn)品相同電壓等級下成本相比IGBT高出1.5倍甚至2倍，這顯然是下游生產(chǎn)商們難以承受的。
事實上，早在19年前，英飛凌便率先發(fā)布了碳化硅SBD(肖特基二極管);2010年，羅姆半導(dǎo)體成功量產(chǎn)碳化硅MOSFET產(chǎn)品。但時至今日，碳化硅功率器件由于種種原因，價格仍無法下降到可以廣泛應(yīng)用的程度。
張永熙博士認(rèn)為，碳化硅功率器件成本高，主要是由于材料成本上存在不少問題，首先是襯底單晶生長難。不同于硅材料的生長，將多晶硅融化后拉單晶可以做成晶錠。碳化硅則是采用高溫等氣相淀積的方法來生長，它沒有液體的形態(tài)，達(dá)到2700度高溫后直接從固態(tài)升華成氣態(tài)，所以材料生長在批量生產(chǎn)中很困難。
另一方面，對于碳化硅MOSFET而言，合格率也是一個挑戰(zhàn)。即使是碳化硅龍頭企業(yè)Cree，在去年一個季度的財報中也專門提到了，其6英寸碳化硅晶圓在上量過程中出現(xiàn)合格率低的問題。“要改善碳化硅MOSFET良率，除了在芯片制造領(lǐng)域加強工藝控制外，還需要在測試端完成CP測試、FT測試、篩選測試等步驟，來發(fā)現(xiàn)具體問題以改善制造工藝?！睆堄牢跹a充到。
而在降低成本方面，英飛凌也在做相關(guān)的投入。據(jù)陳子穎介紹，英飛凌收購了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra，這家初創(chuàng)公司研發(fā)了冷切割(ColdSplit)這一創(chuàng)新技術(shù)，可高效處理晶體材料，并最大限度減少材料損耗。英飛凌將利用冷切割技術(shù)切割碳化硅晶圓，使單片晶圓可產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍。
陳子穎坦言：“確實碳化硅器件成本會比硅器件高，但是它已經(jīng)與90年代初IGBT單管的價格相當(dāng)了。碳化硅材料成本比硅高是難以改變，但隨著碳化硅整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)成熟，碳化硅器件成本一定會有顯著下降。”
眾所周知，半導(dǎo)體器件中，無論是硅基半導(dǎo)體還是化合物半導(dǎo)體，其晶圓襯底尺寸都逐漸往大尺寸方向發(fā)展。目前能夠批量出貨的碳化硅襯底最大為6英寸，國際上8英寸襯底也正在向量產(chǎn)穩(wěn)步推進(jìn)，但主流的仍是4英寸襯底。
對于目前主流的4英寸碳化硅襯底，張永熙認(rèn)為其優(yōu)勢將會越來越弱：“盡管目前從價格上看，4英寸碳化硅襯底材料成本不到6英寸的一半，對于一些低端器件如碳化硅二極管等，4英寸還有一定競爭力。但隨著碳化硅材料進(jìn)一步成熟，6英寸降價空間非常大。在未來的3到5年內(nèi)，6英寸將會降到今天4英寸的價格，這是大勢所趨?！?
充電樁納入新基建，如何影響碳化硅器件市場?
充電樁被納入新基建概念后，一時間引起了社會各界的強烈關(guān)注。一方面是電動車企在關(guān)注充電樁這樣的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施建設(shè)情況，充電樁企業(yè)則在政策利好下尋求更多機會;另一方面，政府將新能源汽車作為帶動消費的重要領(lǐng)域，而充電樁建設(shè)則是為人們購買新能源汽車創(chuàng)造出良好環(huán)境，因此各地政府也同樣關(guān)注充電樁建設(shè)進(jìn)度。
據(jù)國家發(fā)展改革委產(chǎn)業(yè)發(fā)展司副司長蔡榮華透露，截至2019年底，全國充電樁總數(shù)已經(jīng)達(dá)到了122萬個，其中公共樁52萬個，私人樁70萬個。同期數(shù)據(jù)顯示，全國新能源汽車保有量為381萬輛，車樁比約為3.1比1。盡管在快充技術(shù)的發(fā)展下，新能源汽車充電時間已經(jīng)越來越短，高車樁比也不再是剛需。但正因為快充技術(shù)的日新月異，導(dǎo)致充電樁的迭代更替也成為了一個棘手的問題。
這次國家電網(wǎng)展開的新一輪充電樁建設(shè)，計劃新增充電樁7.8萬個，在建設(shè)完成之后將達(dá)到16.6萬，超越目前保有量最多的特來電。國家電網(wǎng)作為“裁判”入場“搗局”，或許只是需求激發(fā)的第一步，隨著電動車進(jìn)一步蠶食傳統(tǒng)燃油車份額，對于充電樁的需求必然有增無減。
因此，在充電樁技術(shù)迭代以及數(shù)量需求雙重利好下，將帶動產(chǎn)業(yè)鏈徹底迎來爆發(fā)。而其中作為快充技術(shù)“剛需”的碳化硅功率器件，未來在充電樁中的滲透率不斷提高的同時，在這片“藍(lán)?！笔袌鲋?，是否會引來眾多新玩家入局，引來行業(yè)競爭加劇?陳子穎表示：“半導(dǎo)體是高投入的行業(yè)，需要靠規(guī)模效應(yīng)獲得競爭優(yōu)勢，產(chǎn)能利用率和成品率等直接影響產(chǎn)品的成本。產(chǎn)品的優(yōu)勢更依賴于產(chǎn)品技術(shù)，生產(chǎn)技術(shù)本身。”
確實，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，技術(shù)永遠(yuǎn)都是第一生產(chǎn)力。要在行業(yè)中站穩(wěn)腳跟，要有強大的技術(shù)實力支撐企業(yè)的競爭力。而在碳化硅產(chǎn)品方面，英飛凌采用其溝槽柵技術(shù)的碳化硅產(chǎn)品在柵極可靠性方面與平面柵有著固有的優(yōu)勢，驅(qū)動電路可以比較簡單，碳化硅模塊可以實現(xiàn)各種電路拓?fù)?，為工程師的?chuàng)新提供一個重要平臺。陳子穎透露，目前市面上功率等級最高的商業(yè)化充電模塊，就是采用英飛凌Easy B封裝的碳化硅實現(xiàn)的。
同時，要在碳化硅領(lǐng)域有所建樹，還需要持續(xù)且量大的資金投入。據(jù)一位業(yè)內(nèi)人士透露，一家碳化硅襯底材料廠僅一個月水電費就需要200萬。而新入場的玩家即使能夠解決資金問題，但在上下游能否獲得足夠的支持，產(chǎn)品相比老牌廠商如何突出優(yōu)勢，也是難以解決的。
碳化硅襯底方面，目前高端產(chǎn)品仍以國外產(chǎn)商如Cree、羅姆等為主，但國內(nèi)目前也有天科合達(dá)、山東天岳等已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史，產(chǎn)品也相對穩(wěn)定。在器件以及模塊方面，國內(nèi)企業(yè)與英飛凌、羅姆等國外廠商技術(shù)差距較大。目前在相對低端的碳化硅二極管方面，國內(nèi)如泰科天潤的產(chǎn)品已有廣泛應(yīng)用，高端的碳化硅MOSFET雖有小批量生產(chǎn)，但技術(shù)指標(biāo)仍需要時間追趕。
在面對新基建政策利好，碳化硅在新能源汽車以及充電樁領(lǐng)域擁有巨大市場潛力。
陳子穎認(rèn)為：“作為新的快速增長市場，充電樁是電力電子應(yīng)用一個細(xì)分市場，也是英飛凌一直關(guān)注的市場，英飛凌產(chǎn)品和產(chǎn)能可以滿足這一新興市場的需求。但是半導(dǎo)體從晶圓到最后封裝測試生產(chǎn)周期比較長，整個生態(tài)圈的各個環(huán)節(jié)，需要了解市場特點和規(guī)律，迎接市場?！?
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