近期，碳化硅（SiC）在汽车行业亮相的几率愈加频繁。无论博世这样的零部件巨头，还是多家第三方外资芯片供应商，抑或比亚迪、斯达半导体等中国企业，都开始加强在这一领域的布局。
新能源汽车的快速发展，加上与之配套的充电桩建设快马加鞭，成为SiC芯片发展的主要推手。市场研究和战略咨询公司Yole发布的《功率碳化硅（SiC）：材料、器件及应用-2019版》报告指出，到2024年，SiC功率半导体市场规模将增至20亿美元，2018～2024年的复合年增长率预计高达29％。其中，汽车市场无疑是重要的驱动因素，其SiC功率半导体份额到2024年有望达到50％。
■各大厂商抢占SiC器件高地
去年以来，车用SiC功率器件领域十分活跃，相关厂商开始争抢市场席位。
意法半导体是首 家推出车规级SiCMOSFET的半导体厂商，2019年其被雷诺－日产－三菱联盟指定为高能效SiC技术合作伙伴，为新一代电动汽车车载充电器（OBC）提供功率电子器件。面对全球SiC晶圆供货短缺的情况，2019年，意法半导体与Cree、Si-Crystal等多家碳化硅材料供应商签订了长期供货合同，扩大供应产能。同年12月，意法半导体完成对瑞典SiC晶圆制造商Norstel的收购。今年4月召开的媒体沟通会上，意法半导体透露，开发中的SiC半导体解决方案项目达50多个，其中一半涉及汽车。
博世去年曾透露，2020年将开始在德国生产新一代微芯片，供电动汽车使用。该芯片使用了SiC半导体材料，首批样品将交付潜在的客户群体，并在三年后应用于多款量产电动汽车。根据今年5月外电报道，博世已开始生产SiC汽车芯片。
今年6月4日，大 陆集团动力总成事业群、汽车电气化供应商纬湃科技与罗姆公司签署了共同开发的合作协议。纬湃科技已开始采用SiC组件，进一步提升运用于电动汽车上的功率电子效率。几天后，臻驱科技（上海）有限公司与罗姆成立“碳化硅技术联合实验室”，致力于进一步加速开发以SiC为中心的创新型电源解决方案。6月17日，罗姆发布了业界先进的第4代低导通电阻SiCMOSFET，其与在不牺牲短路耐受时间的前提下，成功地使导通电阻降低约40％，适用于包括逆变器在内的车载动力总成系统。
同样是在今年6月，宇通客车宣布，其新能源技术团队正在采用斯达半导体和CREE合作开发的1200VSiC功率模块，开发业界领 先的高效率电机控制系统，共同推进SiC逆变器在新能源客车领域的商业化应用。今年早些时候，来自比亚迪的消息称，首 次应用其“高性能SiCMOSFET电机控制模块”的电动车型“汉”，大幅提升了电机的性能表现，0～100km/h加速仅需3.9秒。
■汽车行业将占SiC市场半壁江山
SiC功率器件为何成为汽车行业“新宠”？博世中国汽车电子市场经理王骏跃介绍称，SiC作为一款新型的第三代半导体材料，在过去几年中受到了越来越多的关注。从物理特性来说，相比于传统的硅基材料，SiC更耐高温，适合高功率、高频率的工作环境；同时在使用过程中，有较高的电子迁移率和较小的能量损耗，可进一步提升工作效率。
意法半导体功率晶体管部战略市场、创新及重点项目经理FilippoDiGiovanni表示，全球车企正斥巨资开发和推出环保车型，SiC等宽带隙半导体非常适合应对可持续交通运输面临的挑战。与IGBT等传统硅基器件比较，SiCMOSFET在导电性和开关性能方面明显占优，损耗较小，能效更高。对于给定的动力电池组，这些优势可以减少散热限制且延长续驶里程。
正因如此，在新能源汽车及相关领域，SiC功率器件被逐渐应用于各类逆变器、充电器和直流-直流转换器中，用以替换传统的硅基功率器件。总体来说，碳化硅在汽车行业，尤其新能源汽车领域大有可为，不仅符合未来的发展要求和趋势，还可以降低零部件系统的复杂性，进而减小产品尺寸，同时进一步提高车辆的整体可靠性、稳定性，提升效率，降低能量损耗，提升约6％的续驶里程。这意味着电动汽车可以跑得更远，或配装更小、更轻、更便宜的动力电池行驶同样的距离。
罗姆相关负责人告诉记者，近半年来SiC的热度之所以持续攀升，主要是因为随着新能源汽车的推广，促进了更高效、更小型、更轻量的电动系统的开发。特别是对驱动中发挥核心作用的主机逆变器系统而言，小型高效化已成为重要课题之一，这就要求供应商进一步改进功率元器件。
另外，为延长电动汽车续驶里程，动力电池的能量密度和电压不断提高，用户也对缩短充电时间有更迫切的需求。为了解决这些课题，能够实现高耐压和低损耗的SiC功率器件被寄予厚望。
王骏跃还向记者补充道，从2015年开始，国家“大基金”一期开始投资部分SiC相关的上下游企业。地方政府和民间投资也开始频繁地参与其中。而且，发展半导体已成为国家战略，第三代半导体的研发生产变得越来越重要。他判断，SiC器件首先会在工业领域（如光伏、不间断电源、电力电子）推广；汽车因为有功能安全以及验证的要求，行业广泛共识是其应用稍晚于工业领域。SiC器件2023～2025年将在汽车领域进入高速发展期，主要产品以二极管和MOSFET为主；2025年后进入成熟期，功率模块将成为主要产品（基于销售额），电动汽车及相关领域是SiC器件大的市场之一。
■消除技术和成本阻碍才能推广
不过，据记者了解，业内人士对SiC器件可谓“又爱又恨”。一方面，SiC器件具有高压、高频和高效的优势，给市场带来的机遇远大于挑战；但另一方面，SiC在制造和应用方面又面临很高的技术要求，如何降低使用门槛成为业界热议的话题。
王骏跃认为，目前阻碍SiC器件量产的原因主要在于两方面，一是价格，一是技术。就价格原因来看，晶圆（Wafer）成本是重要因素，现阶段晶圆成本占功率器件成本的一半左右，全球主要的晶圆供应又集中于少数几家外资公司，订单供不应求。而且，现有晶圆片尺寸偏小（主要是4～6英寸），造成成本居高不下。现在，国内一些公司已开始重视并且加大在晶圆研发和生产方面的投入。
在技术层面，大多数企业走的是由易到难、逐步发展的道路，从二极管到MOSFET、功率模块，从工业级到汽车级。在这个过程中，它们会遇到各种各样的挑战。目前，SiC汽车级模块发展存在一定的技术瓶颈，比如传统封装用于SiC时，耐久性和可靠性都有待改善。同时，对于不同客户的要求，供应商需要独立设计、测试、验证。此外，汽车级SiC器件要满足AEC-Q101标准，但在现实中客户的需求远远超出这一规定的标准。
在Filippo看来，晶圆衬底紧缺可能是SiC产品量产的大障碍，而车企的决心也同样重要。“车企对意法半导体SiC产品的关注度越来越高，部分原因是我们的技术优势，部分原因是成功应用SiC器件的电动汽车越来越多。客户明白，高端车必须使用SiC技术才能达到高的性能和能效水平，尤其是对驱动电机逆变器而言。当前市场的发展趋势是将SiC的使用范围下探到中档车上。”他说。
王骏跃向记者表示，总体来说，对于SiC器件的应用，除了部分“先行者”，其他车企还在评估、尝试阶段。据了解，国内领 先的新能源车企都有了比较明确的SiC器件、模块应用于逆变器和车载充电器的规划和布局。而随着成本进一步降低，技术更加成熟，未来2～3年会有更多采用SiC器件的新车上市。“这既离不开政策刺激和资金扶持，又需要企业不断开展并扩大合作，实现产业融合，挖掘市场需求，目的是降低成本，提高用户接受度。惟有如此，SiC器件在汽车市场才能真正迎来春季。”王骏跃说。
