缺芯催促國產(chǎn)碳化硅半導體加速“上車”

“功率半導體要‘大火’?！敝袊囆酒a(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟近日在湖南長沙成立汽車功率半導體分會，并舉行了發(fā)展研討會，聯(lián)盟理事長、分會首任理事長董揚表示，功率半導體的發(fā)展前景廣闊，重要原因就是駛上了高速發(fā)展的新能源汽車賽道。

汽車功率半導體產(chǎn)業(yè)正迎來向上發(fā)展的重要機遇期。湖南三安等龍頭企業(yè)的國產(chǎn)碳化硅功率芯片正在大規(guī)模搭上新能源汽車的快車，并且即將應用在主驅這一新能源汽車的“心臟”上。為了滿足新能源整車企業(yè)的需要，企業(yè)正在通過技術創(chuàng)新和規(guī)模生產(chǎn)不斷提升“中國芯”的品質(zhì)，同時降低成本。

與此同時，無論是半導體企業(yè)，還是整車企業(yè)，都意識到當前迫在眉睫的事情是加強產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作，通過建立良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)來讓彼此受益。

缺芯：碳化硅功率芯片項目耗錢耗時耗人“功率芯片是新能源汽車整車成功的關鍵因素?！敝袊囆酒a(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長原誠寅在研討會上表示。

汽車正在從汽油等化石能源驅動向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化轉換。在這個重大變化中，汽車功率半導體作為新能源汽車離不開的器件，重要性與日俱增。在整車企業(yè)看來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已然進入了“半導體定義汽車”的階段。

原誠寅認為，汽車芯片是一個足夠有想象力的市場，汽車產(chǎn)業(yè)變革趨勢不可逆轉，會產(chǎn)生新機遇和新增長點，汽車產(chǎn)業(yè)的核心價值鏈將會逐步從傳統(tǒng)制造業(yè)轉到高新技術行業(yè)。

2022 年是全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有標志性意義的一年。中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭正勁，全年新能源汽車銷售 688.7 萬輛，比 2021 年幾近翻倍；產(chǎn)銷量連續(xù) 8 年保持全球第一；新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的 25.6%。

董揚特別看重市場的力量。他以汽車動力電池過去 10 年走過的歷程為例分析，正是旺盛的需求不斷催生相關領域的進步，10 年過后，動力電池產(chǎn)業(yè)建立起來了，人才隊伍也形成了。他認為，如今汽車功率半導體的產(chǎn)業(yè)基礎強于 10 年前的動力電池。

近兩年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)對芯片的需求猛增。放眼全球，芯片供不應求，缺芯問題影響到世界汽車產(chǎn)業(yè)，大眾、豐田、日產(chǎn)等汽車巨頭紛紛遭遇缺芯難題。

功率半導體是汽車芯片幾大類產(chǎn)品中非常重要的一環(huán)，廣泛用于轉換器、充電器、逆變器等實現(xiàn)能量轉換的關鍵零部件中。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是第三代半導體的代表。

湖南三安半導體銷售副總經(jīng)理張真榕援引市場調(diào)查機構 Yole Group 的報告向本報記者分析，碳化硅功率器件市場規(guī)模將由 2021 年的 10.9 億美元增長至 2027 年的 62.97 億美元，復合增長率達 34%。

TrendForce 集邦咨詢預計，2026 年車用碳化硅功率器件市場規(guī)模將攀升至 39.4 億美元。

張真榕分析，預計到 2025 年，全球 2000 萬輛新能源汽車中，如果 15%~30%的 B 級以上轎車采用碳化硅功率芯片，那么缺口將達 150 萬~300 萬片。

碳化硅功率芯片的巨大缺口，吸引了國內(nèi)不少企業(yè)進場投資。在此次會議上，博世中國執(zhí)行副總裁徐大全提醒，要警惕產(chǎn)業(yè)盲目擴張，“如果建太多廠，中間一定會有重復浪費。大家全面開花，未來會自己把自己打敗”。

業(yè)內(nèi)也有觀點認為，盡管經(jīng)常聽到有關碳化硅功率半導體項目的消息，但從實際效果看，卻是“雷聲大雨點小”。真正落地并實現(xiàn)有效產(chǎn)出的并不多，部分項目每月僅達到兩三千片的產(chǎn)量，而且并非所有碳化硅產(chǎn)品都能達到車規(guī)級。

碳化硅芯片項目耗錢耗時耗人，缺芯問題與項目投資巨大、回報周期長相關。據(jù)了解，碳化硅芯片項目投資建設期約為 18~24 個月，要經(jīng)歷設備導入調(diào)試、工藝開發(fā)與驗證、產(chǎn)品研發(fā)與驗證等一長串過程。2022 年投資的項目，到 2025 年才會釋放產(chǎn)能。

“上車”：碳化硅功率芯片裝入電動車的“心臟”

此次會議在湖南召開，而電子信息制造業(yè)正是湖南著力培育壯大的“新三樣”產(chǎn)業(yè)之一。2022年，湖南規(guī)模以上電子信息制造業(yè)營業(yè)收入達 4314 億元，比 2021 年增長 20.2%。

在長沙，湖南三安半導體有限責任公司擁有中國首條、世界第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈整合研發(fā)與制造平臺。在湖南湘江新區(qū)占地千畝的湖南三安超級工廠，總投資達 160 億元，2021 年 6 月點亮投產(chǎn)，同年 11 月量產(chǎn)下線碳化硅肖特基二極管全系列產(chǎn)品。本報記者在工廠透過車間的玻璃窗看到，從“碳化硅晶體生長”到“器件封測”的量產(chǎn)線全線貫通。

據(jù)介紹，湖南三安半導體項目一期工程的 6 英寸碳化硅晶圓年產(chǎn)能達到 20 萬片，二期工程預計 2023 年年底投產(chǎn)，達產(chǎn)后 6英寸碳化硅晶圓每年將突破 50 萬片。

資料顯示，湖南三安的碳化硅襯底/外延產(chǎn)品已批量交付國際功率半導體龍頭企業(yè)；2022 年車規(guī)級和工業(yè)級碳化硅功率半導體出貨突破 1 億顆；碳化硅車規(guī) MOS 芯片已與知名整車廠和整車廠一級供應商（Tier1）簽署累計近 70 億元的長期訂單。

湖南三安國產(chǎn)碳化硅汽車應用的步伐持續(xù)加快。主驅是電動車的“心臟”，本報記者了解到，湖南三安用于主驅的碳化硅功率芯片驗證進度良好，2023 年四季度有望正式“上車”，預計 2024年 6 月將在某品牌新能源汽車主驅上看到湖南三安的身影。

事實上，湖南三安的碳化硅功率半導體不僅瞄準新能源汽車，還在光伏儲能、數(shù)據(jù)中心、5G、軌道交通、電網(wǎng)等多領域廣泛得到應用。

有數(shù)據(jù)表明，新能源汽車市場已經(jīng)超過碳化硅器件總市場的 40%，預計將在 2025 年達到 60%以上。張真榕解釋，車規(guī)級碳化硅功率半導體的技術標準高于工業(yè)級，對品控、可靠性、安全性和環(huán)境適應性的要求相當嚴格。

在功率半導體領域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和碳化硅（SiC）是兩大主流。新能源汽車以往一直使用絕緣柵雙極型晶體管功率芯片，2018 年特斯拉開始將碳化硅帶到其 Model3 車型上。緊隨其后，比亞迪、蔚來、小鵬、吉利等國內(nèi)車企在自家的新款高端電動車里裝上了碳化硅芯片。2020 年，比亞迪的“漢”在電機控制器中就使用了碳化硅功率模塊。

在電動汽車內(nèi)部，電池提供直流電，電機需要交流電。因此，電控環(huán)節(jié)的逆變器就要將直流電轉換交流電，絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅功率器件恰恰是逆變器的核心。

兩者對比，碳化硅熱傳遞性好，絕緣能力強，小型化下功率密度也更高。正是憑借高壓場景中的特長，為了提升加速度、降低系統(tǒng)成本、實現(xiàn)輕量化，近年來，新能源整車企業(yè)廣泛引入碳化硅功率芯片，應用在逆變器、充電樁、車載充電器等高壓充放電環(huán)節(jié)。

備受關注的是，碳化硅的能源轉換效率出色，自身性能的提升可以成倍地帶來電動車續(xù)航里程的增加，這對緩解人們對電動車的“續(xù)航焦慮”大有幫助。

中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院功率電子開發(fā)部部長趙永強在此次會議上表示，新能源汽車行業(yè)對電驅動系統(tǒng)的技術要求飛速提升，電驅集成化趨勢明確，以碳化硅為代表的材料迭代成為重要突破方向。對電動車動力性、舒適性、經(jīng)濟性和 800 伏應用的迫切需求可以通過碳化硅得以滿足。

降本：在汽車上更大規(guī)模應用的關鍵

前進之路上，成本成為碳化硅進一步擴大應用范圍的主要制約。

有研究顯示，特斯拉 Model3 的主驅動逆變器采用 48 個碳化硅 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），總成本是傳統(tǒng)方案絕緣柵雙極型晶體管的 3~5 倍。據(jù)此推算，平均 2 輛特斯拉的純電動車就需要用一片 6 英寸碳化硅晶圓。

盡管市場上還沒有看到在大電流領域比碳化硅更好的接近量產(chǎn)的替代品，但是馬斯克不久前宣布特斯拉汽車將減少碳化硅使用量，這也被認為是“價格屠夫”向零部件傳導成本壓力的無奈之舉。

目前國內(nèi)新能源汽車行業(yè)的通常做法是，售價 20 萬元以內(nèi)的電動車用絕緣柵雙極型晶體管，20 萬元以上的高端車型用碳化硅功率芯片。

業(yè)內(nèi)形成共識，降低成本是國產(chǎn)碳化硅功率半導體在汽車上大規(guī)模應用的關鍵，未來一定要想辦法把成本降下來。

張真榕告訴本報記者，車用碳化硅的成本受制于多方面因素，包括晶體質(zhì)量、晶體生長速度、晶體切磨拋光帶來的損耗等，這些是企業(yè)界和科研機構需要共同攻克的課題。其中，碳化硅襯底占碳化硅芯片成本的一半以上，降低襯底成本是整體降本的重點。

據(jù)了解，碳化硅要在 2300 攝氏度以上高溫的黑箱中制造，溫度和壓力控制出現(xiàn)微小失誤都會造成失敗。要想擴大晶片尺寸，生產(chǎn)難度就會呈幾何式增長。

為了降低碳化硅功率半導體的成本，湖南三安采用了多種方法。第一，專注技術創(chuàng)新，提高生產(chǎn)效率和良率，張真榕認為這是降低成本的主要途徑；第二，規(guī)?；a(chǎn)，湖南三安提供從晶體生長、襯底制備、外延生長、芯片制程到封裝測試的全產(chǎn)業(yè)鏈制造服務，大規(guī)模生產(chǎn)帶來成本下降，集中快速生產(chǎn)單一爆款的優(yōu)勢也很明顯，企業(yè)二期工程的投產(chǎn)將進一步強化規(guī)模效益；第三，生產(chǎn)設備和材料實現(xiàn)國產(chǎn)化，湖南三安已經(jīng)開始在多個制造環(huán)節(jié)對接國內(nèi)裝備，這不僅是為了降本，也是因為在疫情期間，進口設備運輸不暢，國外工程技術人員來往受困，這也堅定了企業(yè)尋找國內(nèi)替代裝備的決心。

張真榕同時提醒，降本并非所有碳化硅生產(chǎn)的首要任務，對高端產(chǎn)品，企業(yè)更將追求極致性能。

三安光電是湖南三安的母公司，也是世界級的 LED 芯片巨頭企業(yè)。張真榕從三安光電多年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗類比分析，20 年前 LED 芯片的價格為每片 200 美元，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，現(xiàn)在的成本只是當時的 5%，參照其經(jīng)驗，未來碳化硅的成本也將逐年降低。

協(xié)同：產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作迫在眉睫

盡管生機勃勃，但是中國第三代半導體行業(yè)整體發(fā)展尚未成熟，在襯底材料生產(chǎn)效率、芯片性能效率、封裝水準和良率等方面仍待提升，國產(chǎn)碳化硅器件也還要跨過高可靠性的門檻。

趙永強表示，中國整車企業(yè)要給國產(chǎn)半導體提升改進的機會和空間，引導國產(chǎn)碳化硅器件大規(guī)模“上車”。業(yè)內(nèi)人士分析說，這正是源于產(chǎn)業(yè)內(nèi)部“雞生蛋”還是“蛋生雞”的老問題——只有大量應用，國產(chǎn)半導體才能在實踐中持續(xù)完善，但是車企也希望國產(chǎn)半導體生產(chǎn)工藝達到極高水準后再“上車”。

汽車產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)供應模式正在發(fā)生改變。汽油車開發(fā)周期是 5 年，電動車縮短至兩年一代。

而且，車規(guī)級芯片在“上車”前的送樣驗證大約需要兩年時間。因此，無論整車企業(yè)還是芯片企業(yè)，都面臨產(chǎn)品的快速迭代，承受時間緊迫的壓力，這要求上下游相互配合，整條產(chǎn)業(yè)鏈共同應對。

事實上，新能源整車企業(yè)擔心全球碳化硅產(chǎn)能擴張低于市場需求快速增長，也都在各自尋求與上游企業(yè)的深度合作。據(jù)了解，目前國內(nèi)汽車功率半導體產(chǎn)品還以標準品應用為主，但定制開發(fā)已經(jīng)開始。

盡管如此，從整個產(chǎn)業(yè)觀察，國內(nèi)上中下游尚未形成協(xié)同發(fā)展的局面?！疤蓟钁糜谲囕v屬于系統(tǒng)工程?！壁w永強認為，只有整車、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作，中國新能源汽車方能領跑國際。

比亞迪汽車副總工程師劉源建議，盡快建立對汽車功率芯片檢測、驗證的完整體系。

據(jù)悉，此次成立的汽車功率半導體分會就是為了促進產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，推動關鍵技術的快速突破，打通標準制訂等各個環(huán)節(jié)。分會成員涵蓋了境內(nèi)從事功率半導體襯底、外延、晶圓、器件、模塊、封測等業(yè)務的優(yōu)勢企業(yè)，汽車整車企業(yè)，零部件供應商，科研院所，高校及行業(yè)組織。

“產(chǎn)業(yè)需要建立朋友圈。”董揚表示，要加快構建有競爭力的車規(guī)級功率半導體產(chǎn)業(yè)鏈，努力讓中國的功率半導體產(chǎn)業(yè)在世界上占有一席之地乃至領先位置。

審核編輯 ：李倩