新能源汽車市場的飛速發(fā)展，極大推動了以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體市場發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新。數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2025年，SiC功率器件在新能源汽車領(lǐng)域的市場規(guī)模將達到15.53億美元，年復(fù)合增長率達38%。但是，寬禁帶半導(dǎo)體進軍新能源汽車的道路并不平坦，產(chǎn)業(yè)界應(yīng)對此有清醒的認識，理性面對目前普遍存在的“產(chǎn)業(yè)慢、資本急，產(chǎn)品慢、下游急，產(chǎn)值慢、規(guī)劃急”等主要矛盾。
何時迎來規(guī)?；瘧?yīng)用
寬禁帶半導(dǎo)體憑借更高功率密度、更高結(jié)溫、更低雜感、更高可靠性等優(yōu)勢，正在成為支撐新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，為后者帶來多項功能與指標的提升。
碳化硅器件作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表，與新能源汽車可謂“天作之合”。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長耿博向《中國電子報》記者表示，采用碳化硅器件的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)體積可節(jié)省40%，重量減輕30%，效率提升10%，帶來各項指標的提升。
目前，特斯拉、戴姆勒、蔚來汽車、東風(fēng)汽車、精進電動等國內(nèi)外的知名車企都對碳化硅的應(yīng)用展開了布局。“到2023年，SiC功率器件市場總值將超過14億美元。預(yù)計至2025年，我國新能源汽車功率半導(dǎo)體器件市場中，Si基IGBT市場規(guī)模約70億元，SiC基MOSFET約40億元。”國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心副總經(jīng)理、中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長鄒廣才告訴《中國電子報》記者。
盡管市場潛力無限，但寬禁帶半導(dǎo)體進軍新能源汽車的道路似乎并不平坦。其中，能否在新能源汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用是業(yè)內(nèi)人士最為關(guān)注的問題之一。鄒廣才就對記者坦言：“目前各整車廠、供應(yīng)商都開始布局新能源汽車領(lǐng)域?qū)捊麕О雽?dǎo)體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，但應(yīng)用尚不普及。”
雖然寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景被業(yè)界廣泛看好，但從目前來看，硅基半導(dǎo)體產(chǎn)品在新能源汽車領(lǐng)域的地位仍是不可撼動。在芯謀研究研究總監(jiān)宋長庚看來，碳化硅器件以及氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體在短期內(nèi)并不會取代硅基半導(dǎo)體產(chǎn)品，甚至這些寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的市場份額也很難達到硅基半導(dǎo)體的水平。“這是性能、成本、芯片功耗和制造產(chǎn)能等多方面因素平衡的結(jié)果。”宋長庚對《中國電子報》記者說。
當前，可生產(chǎn)性、可靠性和可用性是阻礙寬禁帶半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的“絆腳石”。蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)理任勉對《中國電子報》記者表示，在可生產(chǎn)性方面，高度平整、特性高度均勻、片間高度一致的外延材料還遠遠沒有達到滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要的水平；在可靠性方面，高質(zhì)量、低界面態(tài)的柵介質(zhì)是一個重要的課題；在可用性方面，氮化鎵（GaN）功率電子的主要技術(shù)優(yōu)勢——高速開關(guān)特性目前還沒有得到充分發(fā)揮。
器件開關(guān)問題亟待解決
產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都是一波三折。除可生產(chǎn)性、可靠性和可用性之外，寬禁帶半導(dǎo)體要想在新能源汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，還面臨著諸多亟待突破的瓶頸。
在材料制造方面，碳化硅單晶的生長就是一大難點。宋長庚向《中國電子報》記者表示：“碳化硅功率半導(dǎo)體器件目前產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸在碳化硅單晶材料的制造方面。由于碳化硅熔點高，單晶生長困難，因此材料本身的成本非常高。”
在電動汽車電控領(lǐng)域，碳化硅企業(yè)想要打開電動汽車市場的大門其實也不容易。泰科天潤半導(dǎo)體科技(北京)有限公司董事長兼CEO陳彤認為，在這個過程中有四個難題要解決：一是碳化硅器件，特別是MOSFET開關(guān)性能的穩(wěn)定性和可靠性，這是最基礎(chǔ)的問題；二是與大電流碳化硅器件有關(guān)的技術(shù)問題；三是模塊化的封裝方案；四是電控的實際應(yīng)用方案。
“當前寬禁帶半導(dǎo)體在國產(chǎn)新能源汽車領(lǐng)域的進展，主要都停留在第一個關(guān)口問題的解決階段。”陳彤向記者表示，目前業(yè)界首先要解決第一層次的問題，想做出汽車等級的碳化硅仍是任重道遠。
耿博在接受采訪時同樣強調(diào)了寬禁帶半導(dǎo)體器件開關(guān)問題的重要性。他表示，寬禁帶半導(dǎo)體非?？斓拈_關(guān)速度會增加開關(guān)損耗以及器件老化，還會影響柵極的可靠性。此外，受過流、過熱影響，分立器件的保護也會比較困難。
針對其他技術(shù)難題，鄒廣才指出，芯片設(shè)計、芯片篩選測試、模塊封裝、模塊熱管理、系統(tǒng)集成設(shè)計和模塊測試等技術(shù)都亟待攻關(guān)。
在產(chǎn)業(yè)層面，從芯片和功率模塊設(shè)計到整車層面的應(yīng)用驗證這一鏈條尚未打通。鄒廣才表示：“芯片企業(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測評信息。”
事實上，在新能源汽車領(lǐng)域?qū)捊麕О雽?dǎo)體的實際應(yīng)用方面，國內(nèi)外企業(yè)面臨著共性問題。鄒廣才向記者指出，如何更好地研究SiC功率芯片先進封裝，以開發(fā)新能源汽車高功率、高密度電驅(qū)動系統(tǒng)，是新能源汽車和寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迫切需求。“目前國內(nèi)外的寬禁帶半導(dǎo)體封裝仍沿用傳統(tǒng)Si基第一代功率半導(dǎo)體芯片的封裝形式，不能充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體（如SiC芯片）耐高溫、耐高頻的優(yōu)勢。”鄒廣才對記者說。
上下游配合補短板
寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)是新能源汽車功率芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是全球關(guān)注的細分研究領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向之一。由于歐美日等國在寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)起步早、發(fā)展快，在新能源汽車領(lǐng)域已形成壟斷優(yōu)勢，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)也面臨著追趕難度大的問題。
在談到國內(nèi)外寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車應(yīng)用方面存在的差距時，鄒廣才把國內(nèi)產(chǎn)業(yè)面臨的短板總結(jié)為了四點：“第一，產(chǎn)業(yè)起步晚，追趕難度大；第二，設(shè)計、開發(fā)、仿真、測試技術(shù)尚不成熟，封裝等材料不成熟；第三，從芯片設(shè)計到應(yīng)用的鏈條沒有打通；第四，開放的公共研發(fā)服務(wù)平臺和規(guī)范標準支撐不足。”
那么，業(yè)內(nèi)應(yīng)如何補齊這些短板？宋長庚在采訪中特別強調(diào)了要加強基礎(chǔ)材料的研究，比如提高碳化硅材料的制造效率，降低成本。“用碳化硅器件替代硅基器件時，系統(tǒng)需要部分進行重新設(shè)計。這就需要半導(dǎo)體器件企業(yè)與下游終端企業(yè)密切配合，以降低重新設(shè)計的難度和成本。”宋長庚說。
業(yè)內(nèi)專家均表示，產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)也是補齊短板的關(guān)鍵。耿博談道，為了加速寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，要加速突破襯底材料、外延、芯片和封裝測試瓶頸；要不斷開發(fā)新工藝和新技術(shù)，加速實現(xiàn)6英寸SiC襯底和外延材料的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移，降低材料的缺陷密度，提升產(chǎn)品良率并降低成本。鄒廣才則認為，應(yīng)加大科技創(chuàng)新投入，加強產(chǎn)業(yè)學(xué)用等平臺的融合，搭建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。
在補短板過程中，業(yè)界還需要關(guān)注幾個重要的技術(shù)產(chǎn)品競爭維度。在鄒廣才看來，這些關(guān)鍵的技術(shù)產(chǎn)品競爭維度主要包括自主功率芯片、自主功率模塊封裝、基于寬禁帶半導(dǎo)體的電驅(qū)動系統(tǒng)以及相應(yīng)的測試驗證平臺。
寬禁帶半導(dǎo)體進軍新能源汽車雖迫在眉睫，但也不能操之過急。陳彤呼吁，國內(nèi)在發(fā)展新能源汽車碳化硅領(lǐng)域時，一定要處理好“三慢”和“三急”的矛盾：首先是產(chǎn)業(yè)慢、資本急的根本矛盾；其次是產(chǎn)品慢、下游急的主要矛盾；最后是產(chǎn)值慢、規(guī)劃急的實際矛盾。
陳彤認為，業(yè)界需要將這些矛盾認識清楚，并且有針對性地做好準備，否則投資越大，損失也越大。“如何認識高功率半導(dǎo)體的發(fā)展邏輯，如何做好投身碳化硅領(lǐng)域的準備，如何布局一個具體的碳化硅項目，這些問題是當前國內(nèi)需要梳理清楚的重要問題。”陳彤對記者說。
其實，“三慢、三急”矛盾并非不可調(diào)和。相信未來，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的密切配合與協(xié)同發(fā)展下，寬禁帶半導(dǎo)體進軍新能源汽車領(lǐng)域面臨的種種問題可以得到解決。
