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          汽車廠商押注SiC

          近日,據韓媒報道,多名業內人士透露,LG集團旗下子公司硅芯片有限公司(Silicon Works)日前宣布擴大其半導體業務,重點押注碳化硅PMIC以及MCU。
          據了解,硅芯片公司此前更常以其驅動IC產品被業界所熟知。此次大動作轉向碳化硅芯片領域,不僅透露了其對從LG集團分拆后的發展規劃,更是從側面印證了碳化硅正在成為汽車領域冉冉升起的新星。

           

          了不起的碳化硅

           

          碳化硅(SiC)又名碳硅石、金剛砂,是一種無機物,化學式為SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。
          作為第三代半導體的代表,碳化硅材料具有寬的禁帶寬度,高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,因此在IGBT、MOSFET等功率半導體中應用尤為廣泛。
          安信證券李哲團隊此前研報曾指出,雖然當前功率器件仍以碳基為主,但碳化硅基器件低能量損耗、耐高壓、耐高溫等優良特性更適合功率器件使用,漸有取代碳基器件之勢。
          具體來說,碳化硅基MOSFET相較于硅基MOSFET擁有高度穩定的晶體結構,工作溫度可達 600 ℃;擊穿場強是硅的十倍多,因此阻斷電壓更高;導通損耗比硅器件小很多,而且隨溫度變化很??;熱導系數幾乎是硅材料的2.5倍,飽和電子漂移率是硅的2倍,所以能在更高的頻率下工作。
          正是基于這些特性,碳化硅終端市場主要為新能源車以及光伏服務,尤其在新能源車的新能源車OBC、DC/DC、逆變器、充電樁,及光伏逆變器都需要大量使用功率器件。
          目前,碳化硅是發展最成熟的寬禁帶半導體材料,世界各國對其研究非常重視,紛紛投入大量的人力物力積極發展,美國、歐洲、日本、中國等紛紛從國家層面上制定了相應的研究規劃:
          美國:2014年1月,美國總統奧巴馬親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟。這一舉措的背后,是美國對以SiC半導體為代表的第三代寬禁帶半導體產業的強力支持。
          歐洲:德國英飛凌公司與歐洲17家企業共同成立Smart PM(Smart Power Management)組織,拓展碳化硅在電源和電器設備中的應用。歐洲納米科技咨詢委員會(ENIAC)的“高效率電動汽車計劃”則專注于碳化硅功率器件在新型電動汽車中的應用技術研發,由英飛凌公司主導。
          日本:日本政府在2013年就將SiC納入“首相戰略”,認為未來50%的節能要通過它來實現,創造清潔能源的新時代。日本經濟產業省積極開展碳化硅的研發及生產,促進碳化硅在通訊電源、混合動力汽車、可再生能源變頻器、工業馬達驅動等領域的應用。
          中國:2016年,我國國務院發布《“十三五”國家科技創新規劃》,其中明確提到加速第三代半導體材料的突破等內容。

           

          汽車廠商們的謀而后動

           

          自從2016年4月,特斯拉Tesla Model 3中率先采用了以碳化硅SiC MOSFET為功率模塊的逆變器之后,截至當前,全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化硅功率器件。
          碳化硅市場的火爆引發了大量半導體廠商的涌進,其中份額最大的當屬美國的Cree,根據Yole最新的報告,它占了整個SiC功率器件市場的62%。
          在這些半導體廠商為之瘋狂之時,汽車廠商們也按耐不住沖動了。近年來,他們動作頻頻。

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          豐田

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          作為全球知名車廠,豐田顯然十分關注這方面。2020年4月,電裝和豐田合資成立“MIRISE Technologies”,進行下一代先進車載半導體的研究和開發。MIRISE將結合豐田在整車和電裝在零部件的經驗,致力于三個技術領域:功率電子、傳感器、SoC,進一步凸顯出他們對車載半導體的重視。
          據悉,豐田中央研發實驗室和電裝公司從1980年開始合作開發SiC半導體材料,2014年5月他們正式發布了基于SiC半導體器件的零部件——應用于新能源汽車的功率控制單元(PCU)。

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          大眾

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          大眾汽車在功率半導體方面也有布局,一是Cree,它成為了大眾汽車FAST(Future Automotive Supply Tracks,未來汽車供應鏈)項目SiC碳化硅的獨家合作伙伴。二是英飛凌,它成為大眾FAST項目戰略合作伙伴,合作點集中在大眾MEB電力驅動控制解決方案中的功率模塊。
          Cree本就是SiC材料和晶圓的國際大供應商,大眾此次的鎖定無疑為它打開了更為廣闊的市場。英飛凌在全球MOSFET和IGBT等汽車半導體市場中占有率位居前三。

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          本田

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          本田汽車公司、日產汽車公司均和羅姆公司就HEV/EV應用SiC半導體技術進行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發出了使用SiC半導體器件的高功率電源模塊,將轉換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。

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          福特

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          2015年底,福特宣布計劃為電動汽車項目投資45億美元,近年來福特公司就SiC/GaN器件在混合動力汽車上的應用進行了投資研究。
          SiC的市場正在爆發,這一點毋庸置疑。Yole Développement在Power SiC 2018: Materials, Devices and Applications報告中預計,主逆變器采用碳化硅將導致“2017 - 2023年SiC市場復合年增長率達到108%”。
          Yole發現,幾乎所有汽車制造商未來幾年都將在主逆變器中使用SiC。特別是,所有中國汽車OEM都在積極考慮采用SiC。
          面對如此龐大的需求,國內廠商當然也不會錯過,不過與巨頭相比稍顯落后。據數據顯示,在我國過去一年中,全國半導體總投資超過700億,而涉及到SiC相關的項目就有65億,其中不乏三安光電、中科鋼研、天通股份等企業。據相關人士透漏,目前我國在碳化硅器件方面的增速異常迅猛,特別是在節能環保的大背景下,國內越來越多的企業開始大規模使用碳化硅器件。
          在龐大的市場需求推動下,國內都涌現了一批優秀的甚至在全球市場都有一席之地的企業,整個產業鏈已經接近實現全國產替代。據悉,在SiC功率器件研發制造方面,國內半導體企業有楊杰電子、基本半導體、蘇州能訊高能半導體、株洲中車時代、中電科55所、三安光電等。
          作為汽車企業,比亞迪也正在積極布局碳化硅。據悉,比亞迪已投入巨資布局第三代半導體材料SiC,并將整合材料(高純碳化硅粉)、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業鏈,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在電動車領域的應用。
          在近日的報道中,比亞迪半導體產品總監楊欽耀表示,比亞迪車規級的IGBT已經走到5代,碳化硅MOSFET已經走到3代,第4代正在開發當中。目前在規劃自建產線,預計到明年有自己的產線。

           

          虎視眈眈的Tire 1們

           

          同樣,也有Tire 1廠商開始看中碳化硅領域,并試圖進行投資布局。Tier1(Tier One)意為給設備廠商供貨的一級供應商。
          博世不得不提,2019年10月,博世高調宣布其開始碳化硅相關業務。功率碳化硅半導體生產基地位于德國羅伊特林根,主要來生產碳化硅的晶圓以及MOSFET。
          博世董事會成員Harald Kroeger指出,這將是博世133年歷史上最大的一筆投資,再次強調出碳化硅(SiC)這一半導體材料在汽車行業的重要
          性。而上一次引發碳化硅討論熱潮的是大眾與科銳、英飛凌的戰略合作。
          同時,博世也公開了其碳化硅產品的技術路線圖,裸芯片,預計2021年的年底會上市。分立器件MOSFET這塊,大概會在2022年初上市,基于對于客戶的需求的匹配。
          總部同位于德國的采埃孚與美國碳化硅半導體企業科銳宣布建立戰略合作關系,計劃2022年前將SiC電驅動系統推向市場。
          2019年4月,采埃孚首次采用SiC技術的電驅動系統已經用于法國文圖瑞Venturi的電動賽車。SiC電驅動系統具備更高的能量轉換效率。采埃孚的目標不止在于電動賽車,它計劃3-4年內將SiC電驅動系統批量應用于乘用車中。
          還有德爾福,在9月份宣布計劃在下個十年初期推出基于SiC芯片的逆變器。它認為,800V 碳化硅逆變器“下一代高效電動和混合動力汽車的核心部件之一”。它已與一家跨國OEM達成八年共27億美元的項目。該項目預計將于2022年開始落實,最初推出的將是以800V電壓運行的高性能電動汽車。
          看向國內,“不造車”的華為表示將做產品直接供應整車廠的汽車零部件供應商,也算是Tier1。2019年,華為旗下的哈勃科技投資有限公司投資參股了山東天岳先進材料科技有限公司,持股10%。2020年12月,企查查顯示,哈勃科技投資有限公司投資碳化硅外延晶片供應商瀚天天成,認繳出資額超977萬元。
          隨著新技術跨領域的融合,汽車行業迎來了重大的變革,這些Tier1廠商們也紛紛開啟了向科技領導者的轉型之路。

           

          總結
          很顯然,現在碳化硅已經成為了國內外車廠的布局重點,不論是采用供應商的碳化硅產品還是自己投資研發碳化硅,總而言之,在新能源車爆火的今天,已經徹底將碳化硅推向了技術浪潮的巔峰。
          從硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉變,已經不再是需要我們考慮是會否發生與何時發生的問題,而是我們已經身處其中。全面地參與到諸多產業的巨大變革之中。這些產業的未來絕對不會是一成不變的,也許會產生前所未有的變化。而那些能夠快速適應這些變化的廠商,則定將收獲豐碩的成果。

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