新能源汽車無疑是近年來最耀眼的行業(yè)之一,其發(fā)展速度遠超預期。2023年,中國新能源汽車銷量預計達到950萬輛,市場占比高達31.6%,即每銷售10輛汽車中,就有3輛是新能源汽車。展望2024年,年銷量有望攀升至1200-1300萬輛,市場占比可能超過45%,并占據(jù)全球年產銷量的60%。這一增長態(tài)勢令人振奮,不禁讓人聯(lián)想到十幾年前光伏行業(yè)的崛起,新能源汽車行業(yè)的發(fā)展軌跡似乎正沿著相似的路徑加速前進。
在SiC技術的應用方面,自2017年特斯拉推出首款基于SiC主驅的汽車以來,中國以比亞迪為代表的企業(yè)也于2020年前后跟進。此后,各大主驅及汽車制造商紛紛投身SiC平臺的研發(fā)。據(jù)統(tǒng)計,2023年公開的國產SiC車型已達142款,其中乘用車76款,新增款式約45款,標志著新能源汽車采用SiC的市場已全面打開。
日前,在E維智庫第12屆中國硬科技產業(yè)鏈創(chuàng)新趨勢峰會暨百家媒體論壇上,清純半導體(寧波)有限公司市場經(jīng)理詹旭標就目前車載SiC產業(yè)的發(fā)展以及國內車載SiC技術的進展分享了他的分析和解讀。
市場現(xiàn)狀和潛力
詹旭標表示,SiC技術為新能源汽車帶來了顯著優(yōu)勢。目前,車機主驅應用的主流器件為1200V SiC MOSFET,而400V平臺則逐步采用750V SiC進行替代。主驅大規(guī)模應用的關鍵在于器件性能、質量、價格及產能的綜合考量。
在提升續(xù)航里程上,SiC MOSFETS憑借低導通電阻和低開關損耗,相比傳統(tǒng)硅IGBT方案,電機控制器系統(tǒng)損耗可降低70%,從而增加5%的行駛里程。
SiC的應用也緩解了補能焦慮,通過提高充電功率,預計到2025年,用戶將能體驗到15分鐘內補充80%電能的便捷。
作為新能源汽車市場的另一大活躍領域,充電樁行業(yè)已進入充分競爭階段。詹旭標表示,當前,國內充電樁保有量約900-1000萬臺,2024年市場規(guī)模預計達25億人民幣。根據(jù)2030年規(guī)劃,汽車保有量將達到6000萬輛,車樁比1:1,意味著未來4-5年內還需新增約5000萬個充電樁。目前,充電模塊已開始采用SiC,并在DC-DC轉換及PFC應用中廣泛使用,每個充電樁至少使用8個以上SiC器件,市場規(guī)模潛力巨大。
產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
目前,全球SiC市場依舊由國外企業(yè)引領。根據(jù)Yole的預測,到2025年,全球SiC市場規(guī)模預計將接近60億美元,年復合增長率有望達到36.7%左右。當前,市場前五強企業(yè)的合計市場份額高達91.9%,若計入第六和第七名企業(yè),這一比例可能攀升至95%-98%。這些領先企業(yè)主要來自國外,國內企業(yè)的市場份額相對較小。
在領先企業(yè)持續(xù)鞏固地位的同時,它們也在積極拓展產能。數(shù)據(jù)顯示,Wolfspeed規(guī)劃了約65億美元的投資,而英飛凌的總投資也達到了50億歐元。相比之下,國內廠商的投入仍顯有限。盡管國內產能規(guī)劃已達千億級別,但分布過于分散,頭部企業(yè)尚未形成明顯優(yōu)勢。
預計到2026年,國內SiC襯底規(guī)劃產能將達到460萬片,若這些產能能順利轉化為量產,將能滿足大約3000萬輛新能源汽車的需求。鑒于中國新能源汽車年產量約為2800萬至2900萬輛,SiC行業(yè)正面臨內卷和產能過剩的風險。
隨著全球SiC材料產能的迅速擴張,中國SiC器件設計與制造領域也取得了快速發(fā)展,產能持續(xù)擴大。除了在主驅領域的應用外,SiC還在光伏、儲能及充電模塊等市場展現(xiàn)出激烈競爭。由于市場過剩,主流SiC器件價格正在快速下降。
從長期來看,提升企業(yè)競爭力和技術迭代能力,以實現(xiàn)技術降本,成為SiC企業(yè)生存的關鍵。從數(shù)據(jù)上看,自去年9月至2024年4月,市場熱銷的1200V/40mΩ SiC器件平均價格已從35元跌至23元,降幅達35%。與硅基IGBT相比,目前SiC價格約為前者的1.5-2倍。有預測認為,若SiC價格降至這一區(qū)間,市場將發(fā)生巨大變革。
進一步來看,若按照Yole的數(shù)據(jù),2024年全球功率半導體市場規(guī)模約為500億美元,那么未來幾年內,隨著SiC價格進一步下降至1.2-1.5倍于硅基IGBT的水平,是否整個市場將被SiC所占據(jù)?這完全有可能,因為SiC相較于硅基IGBT具有提高頻率、提升功率密度和降低損耗的顯著優(yōu)勢。
技術發(fā)展現(xiàn)狀
當前,主流SiC MOSFET技術呈現(xiàn)出穩(wěn)健發(fā)展的態(tài)勢,其設計方案主要分為平面柵結構和溝槽柵結構兩大類。平面柵結構,以Wolfspeed、ST、onsemi為代表,因其工藝成熟、可靠性高,在國內汽車、光伏儲能等領域出貨量最大。而溝槽柵結構,則以ROHM、英飛凌、博世等為代表,其特點在于具有較低的Rsp(比導通電阻),但在高溫下的熱性能略遜于平面柵結構。
近十年來,國際主流SiC廠家每3-6年便會進行一次技術迭代,每次迭代Rsp水平下降20%-25%。目前,國外1200V SiC的Rsp已能達到2.32.8mΩ,而國內同類產品的Rsp則在2.83.3mΩ之間。
國內SiC器件技術進展迅速,產業(yè)鏈日趨完善,從材料到設計、代工等各個環(huán)節(jié)均已形成較為成熟的體系。詹旭標表示,以清純半導體為例,其技術路線與ST、ROHM等國際巨頭對標,以一年一代的節(jié)奏快速迭代。目前,清純半導體的第二代產品Rsp已達到2.8mΩ,與國際巨頭最先進水平持平,并計劃在今年推出Rsp為2.4mΩ的第三代產品。
截至目前,清純半導體已在主驅領域推出了多款產品,其1200V產品系列的核心參數(shù)完全對標國際一流水平,并在某些參數(shù)和可靠性方面表現(xiàn)更佳。此外,清純半導體還發(fā)布了全球最低導通電阻SiC MOSFET,雖然目前其應用產能還較少,但對指導下一代產品開發(fā)具有重要意義。
詹旭標強調,在性能對比方面,清純半導體的產品在相同的驅動、參數(shù)和板子上,串擾抑制能力、耐受能力、振蕩表現(xiàn)等均優(yōu)于國際一流水平。特別是在柵極串擾電壓的比較中,清純半導體的產品表現(xiàn)更為出色,有效降低了直通現(xiàn)象和損耗。
近年來,工業(yè)級領域如光儲充等,對器件的可靠性要求日益提高,已接近車規(guī)等級標準。因此,清純半導體在可靠性測試方面投入了大量研發(fā),進行了包括雙應力、高壓H3TRB等多項嚴格測試,并遠超行業(yè)標準。得益于這些嚴酷的試驗,清純半導體在市場上銷售的400萬顆MOSFET產品失效率極低,低于1PPM。
從材料上看,當前SiC晶圓主流尺寸為6寸,但未來趨勢將向大尺寸、低缺陷的SiC襯底及外延制備發(fā)展,以進一步降低成本并提升良率。其次是器件設計,主要目標是降低比導通電阻,同時提升可靠性和魯棒性,以接近甚至超越硅基IGBT的性能水平。在工藝方面,溝道遷移率是一個值得關注的問題,由于基礎研究相對較少,這一領域亟需加強。
詹旭標認為,就國內的SiC產業(yè)發(fā)展趨勢而言,會經(jīng)歷兩個階段:第一階段,國際芯片供應商在供應鏈中占據(jù)主導地位,而國內SiC材料則開始實現(xiàn)部分替代;第二階段,國內市場將實現(xiàn)全面的國產替代,國際芯片供應商將與終端企業(yè)和國內企業(yè)展開全方位的合作。
結語?
SiC半導體產業(yè)正蓬勃發(fā)展,國內在材料和器件量產領域的競爭日益激烈,已進入快速洗牌階段。SiC功率器件在光伏、儲能及充電等領域已實現(xiàn)大規(guī)模國產替代,應用推進順利,歷時2-3年且規(guī)模持續(xù)擴大,部分企業(yè)更達到了100%國產替代的里程碑。
與此同時,國產車規(guī)級SiC MOSFET技術與產能已與國際接軌,盡管在乘用車主驅應用上還暫時需要依賴進口,但預計未來2~3年內將顯著改善。市場競爭激烈與應用場景復雜化推動車規(guī)級SiC MOSFET可靠性標準逐年提升,促進設計與制造技術不斷進步。
一個趨勢是,國內SiC MOSFET技術正快速發(fā)展,與國際先進水平的差距不斷縮小,部分領域已實現(xiàn)并跑甚至領跑。國內SiC半導體產品因競爭而價格迅速下降,質量不斷提升,產能逐步擴大,主驅芯片國產替代已起步并將逐步上量,有望最終主導全球供應鏈。