作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)被认为是功率半导体行业进步的主要方向。在近几年国内厂商不断沉淀技术与升级产品的背景下,国产碳化硅 MOSFET在2024年开始放量。
碳化硅 MOSFET相比IGBT有哪些性能优越性?系统成本是否实现追平?国内碳化硅产业还面临哪些挑战?近日,第一财经专访瑶芯微董事长郭亮良,就上述话题进行交流。
性能优越,百亿美元市场可期
“与IGBT相比,碳化硅器件在高压、高频、高温环境下有更好的表现,可以带来更高的电能转换效率及更低的能量损耗,最近几年在汽车以及新能源领域渗透率提升非常快。”郭亮良告诉第一财经。
碳化硅器件的性能优越性主要缘于衬底材料差异。相比于硅,碳化硅具有十倍的击穿电场强度、三倍的禁带、两倍的极限工作温度和超过两倍的饱和电子漂移速率。同时,碳化硅还具有三倍的热导率,这意味着三倍于硅的冷却能力。
高饱和漂移速度带来更低的电阻和更小的能量损耗,还能够达到缩小体积的效果。据悉,相同规格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET,前者的导通电阻降低为后者的1/200,尺寸减小为1/10;使用相同规格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆变器,前者总能量损失小于后者的1/4。以罗姆公司设计的碳化硅逆变器为例,使用全碳化硅模组后,主逆变器尺寸降低43%,重量降低6kg。
“目前碳化硅在新能源汽车、充电桩、高效率电源等领域都在快速适用,预计2028年后市场规模将与IGBT持平,约700亿元人民币,是功率半导体未来最大的一块增量。”郭亮良表示。
据Yole的Power SiC 2023报告数据,碳化硅功率半导体市场从2021年11亿美元增长到2022年18亿美元,年均增长率为62%。随着汽车电子(Automotive)和工业电子(Industrial)的推动,碳化硅功率半导体市场还将强劲增长,预计未来几年将接近100亿美元。
碳化硅 MOSFET系统成本追平IGBT
“过去产业上对碳化硅的采用有一些担忧,主要是两方面,一方面是价格太贵,另外一方面是几乎由海外芯片厂商为主导,产能和供货稳定性是个挑战。”郭亮良对第一财经表示。
第一财经了解到,过去两三年,业内预计碳化硅MOSFET批量化价格是硅基IGBT的3-5倍,目前来看已有所下降。
“碳化硅MOSFET是不可能比IGBT更便宜的,因为原材料、工艺都不一样。我们目前看价格预计在IGBT的2-3倍,极限测算在1.5倍左右。”郭亮良坦言,“但更重要的是,碳化硅MOSFET能够实现IGBT所不能实现的功能,使得系统成本更低。”
郭亮良解释称,碳化硅MOSFET拉了高频后,首先原来的电容、电感、磁性元件可以全部变小,这块能够降本;其次,拓扑也在变化,原来可能需要两颗SJMOS,现在只需要一颗碳化硅MOSFET,系统成本更便宜。“目前在光伏、高效率电源、充电桩领域,其实碳化硅的方案成本已经比硅基更便宜了。”
“瑶芯微目前主要在解决成本和供货稳定性的问题,一方面采用了国产供应链,另外一方面技术迭代迅速并基本追平了海外的技术能力,所以在降本和供货稳定性上有了很大的保障,目前很多客户开始积极采用我们的芯片也是基于这个原因。”郭亮良介绍称。
据悉,瑶芯微功率产品收入占比超过80%,其中碳化硅MOSFET作为其核心产品,已迭代至第五代,目前最新一代碳化硅MOS核心性能指标RSP值为2.5,可对标全球一线厂商。
“目前公司的碳化硅MOS已在车载、光伏、充电桩、工业电源等多家龙头客户实现了大批量出货,是国内少有的能够打通碳化硅纯本土供应链资源的企业。2020年我们就开始在国内率先布局碳化硅纯本土供应链,从碳化硅衬底、外延到晶圆制造,都采用了国内顶尖的供应链。”郭亮良表示。
分应用领域来看,瑶芯微下游覆盖汽车、新能源、工业以及消费电子,汽车应用占30%左右,新能源和工业加起来约占40%,消费电子约占30%。目前该公司产品已经在新能源汽车龙头企业实现大批量交付,上车超过150万辆,供应全球车型,在车载功率芯片领域代表国内顶尖水平。
AI服务器贡献MOSFET新应用
在应用上,目前碳化硅 MOSFET在新能源汽车领域渗透率快速提高,未来AI服务器也将成为其新应用领域。
“传统的应用大部分用不上宽禁带半导体(可理解为第三代半导体)。宽禁带主要用于两方面,一是高效率领域,二是高功率密度领域。”郭亮良表示。
在高效率方面,郭亮良举例称,如果功率高达30kW、40kW,那么效率上两个百分点的差距在成本上都有非常大的体现。部分大功率充电桩要实现快速充电,功率就要拉上去,效率也就要提升。
新能源车企中,特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模块,是碳化硅上车“第一个吃螃蟹的人”。2018年,特斯拉在Model3上首次采用意法半导体的650V 碳化硅 MOSFET逆变器,相较Model X等采用IGBT的车型实现了5%~8%的效率提升,并在此后的几款车型中均采用碳化硅技术。随后海外车企丰田、本田、福特、大众等,国内比亚迪、蔚来等陆续宣布将采用碳化硅方案。
与硅基IGBT相比,碳化硅 MOSFET具有高耐压、低导通损耗、低开关损耗等优点,应用于800V高压平台新能源车可大幅提升电驱效率并降低整车能耗。目前国内外主流车企均已布局800V高压平台架构。随着800V高压平台的普及,以及碳化硅产品性价比与可靠性提升,华金证券预计碳化硅在新能源车上的应用有望于2025年进入快速增长。
在高密度方面,AI技术的快速发展对电源功率密度提出了更高的要求,郭亮良表示,相比800W的常规服务器,AI服务器的功率要达到4500W、5000W,也需要高效率的碳化硅MOSFET。同时AI服务器的大小仍被机柜空间限制,因此功率提升需要高功率密度半导体芯片通过拉高频来实现,而高频靠硅基无法实现,只有通过碳化硅才能实现。
此外,业内也有观点认为,电网领域碳化硅 MOSFET需求将超过新能源汽车,未来电网需求也会来带新一波应用浪潮。
截至2024年6月,我国新能源汽车共召回387次涉及车辆约701.7万辆,其中涉及动力电池可能导致火灾风险的共计65次涉及车辆44万辆。
新能源汽车新车销量达到汽车新车总销量的44.8%。
成功汽车将送出超300辆微卡。目前,成功汽车在售的微卡售价大多在10万元以下。按此计算,成功汽车将为该计划投入约千万元。
该晶圆厂的一期项目投资额为20亿欧元,将专注于生产碳化硅功率半导体以及氮化镓 (GaN) 功率半导体产品。二期的投资额将高达50亿欧元。
中共北京市委、北京市人民政府发布《关于全面建设美丽北京加快推进人与自然和谐共生的现代化的实施意见》。