新能源汽車市場的飛速發(fā)展，極大推動了以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體市場發(fā)展與技術創(chuàng)新。數(shù)據(jù)顯示，預計到2025年，SiC功率器件在新能源汽車領域的市場規(guī)模將達到15.53億美元，年復合增長率達38%。但是，寬禁帶半導體進軍新能源汽車的道路并不平坦，產(chǎn)業(yè)界應對此有清醒的認識，理性面對目前普遍存在的“產(chǎn)業(yè)慢、資本急，產(chǎn)品慢、下游急，產(chǎn)值慢、規(guī)劃急”等主要矛盾。
何時迎來規(guī)模化應用
寬禁帶半導體憑借更高功率密度、更高結溫、更低雜感、更高可靠性等優(yōu)勢，正在成為支撐新能源汽車發(fā)展的關鍵技術之一，為后者帶來多項功能與指標的提升。
碳化硅器件作為寬禁帶半導體的代表，與新能源汽車可謂“天作之合”。第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長耿博向《中國電子報》記者表示，采用碳化硅器件的新能源汽車電驅系統(tǒng)體積可節(jié)省40%，重量減輕30%，效率提升10%，帶來各項指標的提升。
目前，特斯拉、戴姆勒、蔚來汽車、東風汽車、精進電動等國內外的知名車企都對碳化硅的應用展開了布局。“到2023年，SiC功率器件市場總值將超過14億美元。預計至2025年，我國新能源汽車功率半導體器件市場中，Si基IGBT市場規(guī)模約70億元，SiC基MOSFET約40億元。”國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心副總經(jīng)理、中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長鄒廣才告訴《中國電子報》記者。
盡管市場潛力無限，但寬禁帶半導體進軍新能源汽車的道路似乎并不平坦。其中，能否在新能源汽車領域實現(xiàn)規(guī)模化應用是業(yè)內人士最為關注的問題之一。鄒廣才就對記者坦言：“目前各整車廠、供應商都開始布局新能源汽車領域寬禁帶半導體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，但應用尚不普及。”
雖然寬禁帶半導體在新能源汽車領域的應用前景被業(yè)界廣泛看好，但從目前來看，硅基半導體產(chǎn)品在新能源汽車領域的地位仍是不可撼動。在芯謀研究研究總監(jiān)宋長庚看來，碳化硅器件以及氮化鎵等寬禁帶半導體在短期內并不會取代硅基半導體產(chǎn)品，甚至這些寬禁帶半導體產(chǎn)品的市場份額也很難達到硅基半導體的水平。“這是性能、成本、芯片功耗和制造產(chǎn)能等多方面因素平衡的結果。”宋長庚對《中國電子報》記者說。
當前，可生產(chǎn)性、可靠性和可用性是阻礙寬禁帶半導體相關領域實現(xiàn)規(guī)模化應用的“絆腳石”。蘇州能訊高能半導體有限公司總經(jīng)理任勉對《中國電子報》記者表示，在可生產(chǎn)性方面，高度平整、特性高度均勻、片間高度一致的外延材料還遠遠沒有達到滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要的水平；在可靠性方面，高質量、低界面態(tài)的柵介質是一個重要的課題；在可用性方面，氮化鎵（GaN）功率電子的主要技術優(yōu)勢——高速開關特性目前還沒有得到充分發(fā)揮。
器件開關問題亟待解決
產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都是一波三折。除可生產(chǎn)性、可靠性和可用性之外，寬禁帶半導體要想在新能源汽車領域實現(xiàn)規(guī)模化應用，還面臨著諸多亟待突破的瓶頸。
在材料制造方面，碳化硅單晶的生長就是一大難點。宋長庚向《中國電子報》記者表示：“碳化硅功率半導體器件目前產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸在碳化硅單晶材料的制造方面。由于碳化硅熔點高，單晶生長困難，因此材料本身的成本非常高。”
在電動汽車電控領域，碳化硅企業(yè)想要打開電動汽車市場的大門其實也不容易。泰科天潤半導體科技(北京)有限公司董事長兼CEO陳彤認為，在這個過程中有四個難題要解決：一是碳化硅器件，特別是MOSFET開關性能的穩(wěn)定性和可靠性，這是最基礎的問題；二是與大電流碳化硅器件有關的技術問題；三是模塊化的封裝方案；四是電控的實際應用方案。
“當前寬禁帶半導體在國產(chǎn)新能源汽車領域的進展，主要都停留在第一個關口問題的解決階段。”陳彤向記者表示，目前業(yè)界首先要解決第一層次的問題，想做出汽車等級的碳化硅仍是任重道遠。
耿博在接受采訪時同樣強調了寬禁帶半導體器件開關問題的重要性。他表示，寬禁帶半導體非常快的開關速度會增加開關損耗以及器件老化，還會影響柵極的可靠性。此外，受過流、過熱影響，分立器件的保護也會比較困難。
針對其他技術難題，鄒廣才指出，芯片設計、芯片篩選測試、模塊封裝、模塊熱管理、系統(tǒng)集成設計和模塊測試等技術都亟待攻關。
在產(chǎn)業(yè)層面，從芯片和功率模塊設計到整車層面的應用驗證這一鏈條尚未打通。鄒廣才表示：“芯片企業(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測評信息。”
事實上，在新能源汽車領域寬禁帶半導體的實際應用方面，國內外企業(yè)面臨著共性問題。鄒廣才向記者指出，如何更好地研究SiC功率芯片先進封裝，以開發(fā)新能源汽車高功率、高密度電驅動系統(tǒng)，是新能源汽車和寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)的迫切需求。“目前國內外的寬禁帶半導體封裝仍沿用傳統(tǒng)Si基第一代功率半導體芯片的封裝形式，不能充分發(fā)揮寬禁帶半導體（如SiC芯片）耐高溫、耐高頻的優(yōu)勢。”鄒廣才對記者說。
上下游配合補短板
寬禁帶半導體技術是新能源汽車功率芯片領域的關鍵核心技術，也是全球關注的細分研究領域和產(chǎn)業(yè)應用方向之一。由于歐美日等國在寬禁帶半導體行業(yè)起步早、發(fā)展快，在新能源汽車領域已形成壟斷優(yōu)勢，國內產(chǎn)業(yè)也面臨著追趕難度大的問題。
在談到國內外寬禁帶半導體在新能源汽車應用方面存在的差距時，鄒廣才把國內產(chǎn)業(yè)面臨的短板總結為了四點：“第一，產(chǎn)業(yè)起步晚，追趕難度大；第二，設計、開發(fā)、仿真、測試技術尚不成熟，封裝等材料不成熟；第三，從芯片設計到應用的鏈條沒有打通；第四，開放的公共研發(fā)服務平臺和規(guī)范標準支撐不足。”
那么，業(yè)內應如何補齊這些短板？宋長庚在采訪中特別強調了要加強基礎材料的研究，比如提高碳化硅材料的制造效率，降低成本。“用碳化硅器件替代硅基器件時，系統(tǒng)需要部分進行重新設計。這就需要半導體器件企業(yè)與下游終端企業(yè)密切配合，以降低重新設計的難度和成本。”宋長庚說。
業(yè)內專家均表示，產(chǎn)業(yè)鏈的建設也是補齊短板的關鍵。耿博談道，為了加速寬禁帶半導體在新能源汽車領域的應用，要加速突破襯底材料、外延、芯片和封裝測試瓶頸；要不斷開發(fā)新工藝和新技術，加速實現(xiàn)6英寸SiC襯底和外延材料的產(chǎn)業(yè)化轉移，降低材料的缺陷密度，提升產(chǎn)品良率并降低成本。鄒廣才則認為，應加大科技創(chuàng)新投入，加強產(chǎn)業(yè)學用等平臺的融合，搭建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。
在補短板過程中，業(yè)界還需要關注幾個重要的技術產(chǎn)品競爭維度。在鄒廣才看來，這些關鍵的技術產(chǎn)品競爭維度主要包括自主功率芯片、自主功率模塊封裝、基于寬禁帶半導體的電驅動系統(tǒng)以及相應的測試驗證平臺。
寬禁帶半導體進軍新能源汽車雖迫在眉睫，但也不能操之過急。陳彤呼吁，國內在發(fā)展新能源汽車碳化硅領域時，一定要處理好“三慢”和“三急”的矛盾：首先是產(chǎn)業(yè)慢、資本急的根本矛盾；其次是產(chǎn)品慢、下游急的主要矛盾；最后是產(chǎn)值慢、規(guī)劃急的實際矛盾。
陳彤認為，業(yè)界需要將這些矛盾認識清楚，并且有針對性地做好準備，否則投資越大，損失也越大。“如何認識高功率半導體的發(fā)展邏輯，如何做好投身碳化硅領域的準備，如何布局一個具體的碳化硅項目，這些問題是當前國內需要梳理清楚的重要問題。”陳彤對記者說。
其實，“三慢、三急”矛盾并非不可調和。相信未來，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的密切配合與協(xié)同發(fā)展下，寬禁帶半導體進軍新能源汽車領域面臨的種種問題可以得到解決。
