碳化硅(SiC)是一種應(yīng)用十分普遍的人造材料,因具有高硬度,、耐高溫、耐磨,、耐熱震,、耐腐蝕、良好導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性和吸收電磁波等特殊性能,,除用作磨料外,在冶金,、化工,、陶瓷、航空航天等各工業(yè)部門均有廣泛應(yīng)用,。碳化硅在新能源汽車上的應(yīng)用主要有充電模塊,、車載充電機(jī)、壓縮機(jī),、變換器,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等部件。
在新能源汽車中,,功率器件是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分,,對(duì)其效率、功率密度和可靠性起著主導(dǎo)作用,。目前,,新能源汽車電驅(qū)動(dòng)部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,,對(duì)電驅(qū)動(dòng)的小型化和輕量化提出了更高的要求,。
新能源汽車用功率器件需求量大
功率器件產(chǎn)品中,MOSFET和IGBT是汽車電子的核心,。MOSFET產(chǎn)品是功率器件市場(chǎng)應(yīng)用最多的產(chǎn)品,,占功率半導(dǎo)體分立器件市場(chǎng)的35.4%;IGBT是功率器件中增長(zhǎng)最為迅速的產(chǎn)品,,占總市場(chǎng)的25%,,其作為新能源汽車必不可少的半導(dǎo)體器件,下游需求相當(dāng)強(qiáng)勁。
相比于傳統(tǒng)燃油車,,新能源汽車功率器件使用量更大,。據(jù)分析,在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車上,,功率半導(dǎo)體裝機(jī)價(jià)值為71美元,,占據(jù)車用半導(dǎo)體總價(jià)值的21%;而對(duì)于混合動(dòng)力車,,則在傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車基礎(chǔ)上新增的功率半導(dǎo)體價(jià)值為354美元,,占據(jù)新增總價(jià)值的76%;在純電動(dòng)車上,,功率半導(dǎo)體價(jià)值為387美元,,占據(jù)車用半導(dǎo)體總價(jià)值的55%。
新能源汽車的銷量迅速增長(zhǎng),,下游市場(chǎng)需求可觀,。在2007年,國(guó)內(nèi)新能源汽車的總生產(chǎn)量為2179輛,,而在2017年,,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了819991輛,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了驚人的93%,,且同比增長(zhǎng)均穩(wěn)定在50%以上,。而新能源汽車銷量則從2011年的15736輛增長(zhǎng)到了2018年的6185699萬輛,增長(zhǎng)了392倍,。
充電樁是新能源汽車必不可少的配套設(shè)備,,充電樁用功率器件主要是MOSFET芯片和IGBT芯片。據(jù)悉,,到2020年國(guó)內(nèi)充換電站數(shù)量將達(dá)到1.2萬個(gè),,充電樁達(dá)到450萬個(gè)。
SiC晶圓供不應(yīng)求,,國(guó)際大廠紛紛加碼
火爆的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)著SiC晶圓廠商紛紛加碼,。2019年年初,科銳(Cree)剝離照明業(yè)務(wù),,專注于化合物半導(dǎo)體射頻和功率應(yīng)用市場(chǎng),,以滿足5G通信和新能源汽車的市場(chǎng)需求,同年宣布斥資10億美元,,擴(kuò)大碳化硅產(chǎn)能,。 近年來,日本昭和電工已三度進(jìn)行了碳化硅晶圓的擴(kuò)產(chǎn),,羅姆也宣布在2026年3月以前投資600億日?qǐng)A(約5.6億美元),,讓SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)能提高16倍,。德國(guó)X-Fab、臺(tái)灣環(huán)球晶,、嘉晶,、漢磊也都斥資新建碳化硅生產(chǎn)線,。
為了強(qiáng)化關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的自制率,,2019年ST完成了對(duì)瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel的整體收購(gòu),SK Siltron也宣布,,以4.5億美元收購(gòu)美國(guó)杜邦的碳化硅晶圓業(yè)務(wù),。
值得一提的是,由于SiC的技術(shù),、資金門檻都很高,,且目前單晶生長(zhǎng)緩慢、品質(zhì)不夠穩(wěn)定,,導(dǎo)致生產(chǎn)出的SiC晶圓良率不高,、成本相對(duì)高,新入局的SiC晶圓廠商普遍處于虧損狀態(tài),。
美國(guó),、日本、歐洲在SiC領(lǐng)域起步早,,6英寸碳化硅襯底已經(jīng)量產(chǎn),,8英寸已研制成功,僅Cree一家便占據(jù)了SiC襯底市場(chǎng)約40%份額,。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示,,國(guó)內(nèi)SiC襯底廠商主要天科合達(dá)、河北同光,、山東天岳,、中科節(jié)能等,產(chǎn)品以4英寸為主,,6英寸尚處在攻關(guān)階段,,質(zhì)量相對(duì)薄弱。在外延方面,,國(guó)內(nèi)廠商主要有東莞天域,、瀚天天成等,部分公司已能提供4,、6英寸碳化硅外延片,,針對(duì)1700V及以下的器件用的外延片已比較成熟,但對(duì)于高質(zhì)量厚外延的量產(chǎn)技術(shù)主要還是國(guó)外的Cree,、昭和電工等少數(shù)企業(yè)具備,。
國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體突破曙光初現(xiàn)
IGBT是新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)和充電樁的核心器件,,新能源汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)必將帶動(dòng)功率半導(dǎo)體的發(fā)展。我國(guó)雖是全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó),,半導(dǎo)體市場(chǎng)需求占全球市場(chǎng)約40%,,但各類半導(dǎo)體器件和芯片的國(guó)產(chǎn)率卻很低。
大陸地區(qū)功率半導(dǎo)體企業(yè)的產(chǎn)品主要集中在中低端領(lǐng)域,,各類功率半導(dǎo)體器件和功率IC的國(guó)產(chǎn)化率不足50%,,進(jìn)口可替代空間巨大。目前國(guó)內(nèi)在主流的第三代半導(dǎo)體材料為碳化硅與氮化硅領(lǐng)域積極布局,,前者多用于高壓場(chǎng)合如智能電網(wǎng),、軌道交通等;后者則在高頻領(lǐng)域如5G通信領(lǐng)域有更大的應(yīng)用,。
在碳化硅方面,,國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)逐步形成完整產(chǎn)業(yè)鏈,可以生產(chǎn)新一代的碳化硅功率半導(dǎo)體,;在氮化鎵材料方面,,國(guó)際市場(chǎng)也處于起步研究階段,市場(chǎng)格局尚不明朗,,但國(guó)內(nèi)諸多高等院校,、研究機(jī)構(gòu)、公司廠商已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,,擁有諸多的專利技術(shù),。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),截止2018年底,,全球氮化鎵專利擁有數(shù)量最多的是科瑞,、東芝這些國(guó)際廠商,但中國(guó)企業(yè)也已占據(jù)一席之地,。