【博主簡(jiǎn)介】本人“愛(ài)在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問(wèn)出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱(chēng)為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的代表；而半導(dǎo)體這個(gè)行業(yè)又過(guò)于學(xué)術(shù)，為方便閱讀，以下這篇文章的部分章節(jié)會(huì)以要點(diǎn)列示為主，如果遺漏或是不足之處，還請(qǐng)大家多多批評(píng)指正！

一、事件驅(qū)動(dòng)

1、2018年，特斯拉Model 3主驅(qū)逆變器里首次使用碳化硅MOSFET以替代傳統(tǒng)硅基IGBT，就此拉開(kāi)碳化硅“上車(chē)”的序幕。

2、當(dāng)前，越來(lái)越多的車(chē)企使用碳化硅器件。2020年，比亞迪“漢”在電機(jī)控制器中首次使用碳化硅功率模塊；2021年，蔚來(lái)ET7在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用碳化硅；2022年，小鵬G9搭載碳化硅電驅(qū)平臺(tái)；仰望U8、智己LS6、問(wèn)界M9等近期明星車(chē)型也均采用碳化硅材料。

3、時(shí)間再回溯到2023年3月，馬斯克在投資者日上宣布在特斯拉下一代動(dòng)力平臺(tái)中將削減75%的碳化硅，作為合計(jì)降低1000美元成本的手段之一。

一邊是碳化硅加速上車(chē)，從高端車(chē)型不斷下探滲透；一邊是全球電動(dòng)汽車(chē)龍頭號(hào)稱(chēng)要大幅削減碳化硅用量；本篇主要圍繞這兩個(gè)問(wèn)題討論。

二、碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料

1、半導(dǎo)體材料的迭代

第一代以硅和鍺為代表，低壓、低頻、低功率，用來(lái)生產(chǎn)傳統(tǒng)的CPU、GPU等；目前90%以上半導(dǎo)體產(chǎn)品都是硅基材料；

第二代一般指磷化銦、砷化鎵；因電子遷移率約是硅的6倍，相較而言更加高頻、高速，主要用來(lái)生產(chǎn)射頻器件、光模塊、激光器、傳感器等器件；

第三代是以碳化硅、氮化鎵為代表的半導(dǎo)體材料，具有高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速率的物理特性。

電子飽和漂移速率指電子在半導(dǎo)體材料中的最大定向移動(dòng)速度，決定了器件的開(kāi)關(guān)頻率。

2、碳化硅特點(diǎn)

根據(jù)天科合達(dá)2020年7月招股書(shū)（注：天科合達(dá)是導(dǎo)電性襯底國(guó)內(nèi)龍頭，IPO已終止），相對(duì)于Si基，第三代半導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）更高的額定電壓；

（2）更低的導(dǎo)通電阻，1kV電壓等級(jí)下，SiC基單極性器件的導(dǎo)通電阻是Si基器件的1/60；

（3）更高開(kāi)關(guān)頻率；

（4）更高的熱導(dǎo)率，更低的熱阻，SiC熱導(dǎo)率是Si的3倍，內(nèi)部更易散熱，減小器件過(guò)溫失效風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性；

（5）理論極限工作溫度能達(dá)到600℃，遠(yuǎn)高于Si基器件，但根據(jù)木桶原理，實(shí)際能達(dá)到的最高工作溫度受限于封裝材料；

（6）極強(qiáng)的抗輻射性，過(guò)量輻射不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)性能衰退。

三、碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

根據(jù)“廣東天域半導(dǎo)體”2023年1月19日首次公開(kāi)發(fā)行IPO（注：資料顯示,天域股份(TYSiC)成立于2009年,是中國(guó)第一家從事碳化硅(SiC)外延晶片市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、研發(fā)和制造的民營(yíng)企業(yè)。也是中國(guó)國(guó)內(nèi)最大的SiC半導(dǎo)體純外延晶片生產(chǎn)商）：

上游：碳化硅襯底和外延片的制備。碳化硅粉料通過(guò)長(zhǎng)晶、加工、切片、晶片研磨等環(huán)節(jié)制備成碳化硅襯底，再在襯底上生長(zhǎng)單晶外延材料；

中游：碳化硅功率器件、碳化硅射頻器件的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)；

下游：適用高壓、高功率、高頻、高溫等苛刻環(huán)境，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏、工業(yè)電源、軌道交通及5G通訊等領(lǐng)域。

總體來(lái)看，襯底、外延成本占比最高，合計(jì)超過(guò)70%（47%+23%），是產(chǎn)業(yè)鏈條中價(jià)值量最大的兩個(gè)環(huán)節(jié)。

1、襯底

襯底是價(jià)值鏈核心，總體呈現(xiàn)供不應(yīng)求。碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的單晶材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)，可有效突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料物理極限，開(kāi)發(fā)出更適應(yīng)高壓、高溫、高功率、高頻等條件的半導(dǎo)體器件。

襯底根據(jù)電學(xué)性能分為：

（1）半絕緣型（具有高電阻率），主要應(yīng)用于制造射頻器件，面向通信基站以及雷達(dá)應(yīng)用的功率放大器；

（2）導(dǎo)電型（低電阻率），主要應(yīng)用于制造功率器件，面向電動(dòng)汽車(chē)/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

全球SiC襯底從6英寸向8英寸發(fā)展（即大尺寸化）。更大的晶圓尺寸可帶來(lái)單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率，降低邊緣芯片比例，提高良率。

襯底價(jià)格下降是推動(dòng)碳化硅進(jìn)一步商業(yè)化的核心環(huán)節(jié)，襯底發(fā)展是SiC產(chǎn)業(yè)降本增效、提升滲透的核心驅(qū)動(dòng)因素。

目前，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商在半絕緣襯底全球市場(chǎng)具有一定優(yōu)勢(shì)（天岳先進(jìn)），但導(dǎo)電型襯底全球市場(chǎng)占比較?。ㄌ炜坪线_(dá)、天岳先進(jìn)）。

2、外延晶片

外延晶片是在襯底基礎(chǔ)上，經(jīng)外延工藝生長(zhǎng)出晶格一致、高純度、低缺陷的特定單晶薄膜。外延生長(zhǎng)技術(shù)是必不可少的環(huán)節(jié)。此外，外延材料最基本、最關(guān)鍵的參數(shù)是厚度和摻雜濃度。

根據(jù)摻雜元素不同，外延晶片分為N型（氮元素）、P型（鋁元素）和PN型（氮鋁都加）多層材料；N型是功率器件廠(chǎng)商主要使用的型號(hào)。

目前外延常用工藝為化學(xué)氣相沉積（CVD）法。外延中的核心技術(shù)包括對(duì)外延溫度、氣流、時(shí)間等參數(shù)的精確控制，以使得外延層的缺陷度小，從而提高器件的性能及可靠性。一般而言，外延厚度越大，器件能承受的電壓也就越高。

3、功率器件

硅基IGBT（絕緣柵雙極晶體管）在高壓領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)但無(wú)法勝任高頻領(lǐng)域的要求；硅基MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）能勝任高頻領(lǐng)域但對(duì)電壓有所限制；

根據(jù)全球器件龍頭Wolfspeed和羅姆的信息：相同規(guī)格SiC MOSFET比Si MOSFET，體積縮小1/10，導(dǎo)通電阻縮至1/200；相同規(guī)格SiC MOSFET比Si IGBT，能量損失小于1/4。

SiC MOSFET完美解決高壓、高頻在硅基上難以兼得的問(wèn)題，在兼容高壓中頻的基礎(chǔ)上，SiC MOSFET憑借高效率、小體積的特性成為電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、光伏逆變等領(lǐng)域的最佳解決方案。

4、封裝材料

陶瓷襯板又稱(chēng)陶瓷電路板，是在陶瓷基片上通過(guò)覆銅技術(shù)形成的基板;再通過(guò)激光鉆孔、圖形刻蝕等工藝制作成陶瓷電路板。

陶瓷基板按封裝材料分為：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅，其中氮化鋁和氮化硅材料基板通常采用AMB工藝。

AMB工藝因可靠性更優(yōu)，逐漸成為主流。采用AMB工藝的氮化鋁陶瓷基板要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導(dǎo)體中;采用AMB工藝的氮化硅陶瓷基板主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力車(chē)(HV)功率半導(dǎo)體中。

四、碳化硅上車(chē)節(jié)奏不斷加速的原因

1、碳化硅在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用

碳化硅器件主要應(yīng)用在電機(jī)控制器（電驅(qū)）、車(chē)載充電機(jī)OBC、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē)載 DC/DC）、充電樁。碳化硅器件相比硅基，體積小，性能優(yōu)越，節(jié)能，匹配了新能源汽車(chē)增加續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間、提高電池容量、降低汽車(chē)自重的趨勢(shì)。

據(jù)Wolfspeed測(cè)算，將電動(dòng)汽車(chē)逆變器中的功率組件改成SiC時(shí),可顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，從而提升車(chē)輛5%-10%的續(xù)航；

據(jù)英飛凌測(cè)算，SiC器件整體損耗相比Si基降低80%以上，開(kāi)關(guān)等損耗減小，從而增加電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航。

簡(jiǎn)單做個(gè)成本測(cè)算，單車(chē)可節(jié)省400-800美元的電池成本，與新增的200美元SiC器件成本抵消后，單車(chē)能實(shí)現(xiàn)至少200-600美元的成本下降。

2、高壓快充能加速碳化硅滲透的原因

（1）高頻

碳化硅材料的電子飽和漂移速率是硅基的2倍，有助于提升器件工作頻率；

（2）耐高壓

碳化硅擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，可以極大提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗。因此，高臨界擊穿電場(chǎng)的特性能將MOSFET帶入高壓領(lǐng)域，以克服IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的拖尾電流問(wèn)題，降低開(kāi)關(guān)損耗和整車(chē)能耗。而近年來(lái)由于800V高壓平臺(tái)車(chē)型銷(xiāo)量的快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)都知道了：800V平臺(tái)能夠顯著提升充電速度、減少能量損耗，并優(yōu)化整車(chē)性能。碳化硅器件在高電壓應(yīng)用中的低損耗和高效率優(yōu)勢(shì)，使其成為800V系統(tǒng)的核心技術(shù)支撐。

（3）耐高溫、高熱導(dǎo)率

碳化硅禁帶寬度約為硅的3倍，更大的禁帶寬度能保證材料在高溫下，電子不易發(fā)生躍遷，從而耐受更高的工作溫度。硅器件極限工作溫度一般不超過(guò)300℃，而碳化硅可以達(dá)到600℃以上；高熱導(dǎo)率能夠帶來(lái)功率密度提升，同時(shí)更易散熱，進(jìn)而減小冷卻部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、輕量化；

（4）系統(tǒng)功率密度提升充電效率

碳化硅器件能量損耗更小，體積也小于硅基，能夠提升系統(tǒng)的功率密度。例如，智己LS6“全域800V雙碳化硅平臺(tái)”能夠?qū)崿F(xiàn)“充電5分鐘，續(xù)航里程增加200km”，這種顯著的充電效率提升也是碳化硅加速上車(chē)的重要原因之一。

（5）特斯拉Model3的示范效應(yīng)

特斯拉宣布旗艦車(chē)型Model3將搭載意法半導(dǎo)體的碳化硅功率器件，這成為碳化硅“上車(chē)”的里程碑，激發(fā)了其他半導(dǎo)體企業(yè)紛紛投入碳化硅技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

（6）市場(chǎng)需求推動(dòng)

新能源汽車(chē)、光伏、電力電子等市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，帶動(dòng)了碳化硅市場(chǎng)的擴(kuò)張。鋰電巨頭、通信巨頭、整車(chē)大廠(chǎng)等紛紛入股相關(guān)初創(chuàng)公司，推動(dòng)了碳化硅技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（7）國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的快速突破

國(guó)內(nèi)碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈正在快速突破中，斯達(dá)半導(dǎo)、新潔能、聞泰科技、露笑科技等產(chǎn)業(yè)鏈公司新成果頻現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了碳化硅技術(shù)的應(yīng)用和普及。

綜上，傳統(tǒng)Si基功率器件無(wú)法滿(mǎn)足高電壓平臺(tái)要求，而SiC可上拓至1200V，是未來(lái)功率器件發(fā)展的主要方向。

五、特斯拉表態(tài)要削減碳化硅用量的原因

2018年，特斯拉首先擁抱了碳化硅；當(dāng)下，特斯拉又是第一個(gè)聲明要減少碳化硅用量。

成本，是決定SiC進(jìn)一步大批量使用的關(guān)鍵因素；削減碳化硅用量，和一體化壓鑄這些技術(shù)一樣，是特斯拉降本的重要手段——要通過(guò)一切可能的方法，削減成本，降低價(jià)格，換取銷(xiāo)量。

問(wèn)題轉(zhuǎn)化為：碳化硅的降本路徑有哪些？

SiC材料成本高、 制作工藝復(fù)雜、產(chǎn)品良品率較低，這些都限制了碳化硅進(jìn)一步商業(yè)化；

所以，我們需要在“碳化硅器件成本的增加”和“碳化硅器件優(yōu)越性能帶來(lái)的綜合成本下降”，這兩者之間找到平衡，以最終達(dá)成降低整車(chē)成本的目的。

襯底是價(jià)值鏈最高的環(huán)節(jié)；降本路徑主要包括擴(kuò)大晶圓尺寸、 改進(jìn)碳化硅長(zhǎng)晶、改進(jìn)加工工藝以提高良率。

1、擴(kuò)大晶圓尺寸

襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低；襯底尺寸越大，邊緣浪費(fèi)就越小。預(yù)計(jì)8寸襯底的引入將使整體成本降低 20-35%。目前導(dǎo)電型襯底以6英寸為主，8 英寸開(kāi)始發(fā)展；半絕緣襯底以4英寸為主，逐漸向6英寸發(fā)展。

2、改進(jìn)碳化硅長(zhǎng)晶及加工工藝以提高良率

長(zhǎng)晶慢、質(zhì)量低、大尺寸難度高、加工工藝不足帶來(lái)?yè)p耗等，是造成良率降低的因素。

3、氮化鎵替換碳化硅可能成為降本路徑

氮化鎵同樣是第三代半導(dǎo)體材料，具備耐高溫、高頻、高效率等優(yōu)勢(shì)，常用于高功率應(yīng)用場(chǎng)景，目前已經(jīng)從高功率應(yīng)用場(chǎng)景向消費(fèi)電子場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

當(dāng)前SiC的產(chǎn)能仍然緊張，即便特斯拉真的能夠做到減少75%的用量，下面提到的其他領(lǐng)域的需求也會(huì)補(bǔ)上來(lái)（一般而言，SiC廠(chǎng)產(chǎn)能優(yōu)先給汽車(chē)用）；充電樁也需要用到更多SiC。所以長(zhǎng)期看，SiC的替代，依然是大趨勢(shì)。

六、碳化硅在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

1、光伏逆變器

光伏行業(yè)已漸漸邁入“大組件、大逆變器、大跨度支架、大組串”時(shí)代，光伏電站電壓等級(jí)從1000V提升至1500V以上，必須使用碳化硅功率器件。

逆變器主要作用是將電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電。使用SiC MOSFET功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率有望從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。

2、軌道交通

碳化硅功率器件能夠提升開(kāi)關(guān)頻率，降低開(kāi)關(guān)損耗，高頻化可進(jìn)一步降低無(wú)源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應(yīng)用的機(jī)動(dòng)性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。

目前SiC器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用。蘇州軌交3號(hào)線(xiàn)0312號(hào)列車(chē)是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)牽引節(jié)能20%。

3、智能電網(wǎng)

高電壓、大容量是智能電網(wǎng)提升的主要方向。SiC功率器件在智能電網(wǎng)的應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置中。

SiC器件應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失有效降低,同時(shí)提升電網(wǎng)供電效率。

最后想說(shuō)的話(huà)

綜上所述，碳化硅之所以能夠加速上車(chē)，主要得益于其在高電壓應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)需求的推動(dòng)、特斯拉等企業(yè)的示范效應(yīng)以及國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的快速突破。盡管特斯拉未來(lái)可能會(huì)減少碳化硅的使用量，但這并不影響碳化硅在新能源汽車(chē)市場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

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審核編輯 黃宇