第三代半导体碳化硅(Sic)加速上车原因的详解；

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碳化硅是第三代半导体材料的代表；而半导体这个行业又过于学术，为方便阅读，以下这篇文章的部分章节会以要点列示为主，如果遗漏或是不足之处，还请大家多多批评指正！

一、事件驱动

1、2018年，特斯拉Model 3主驱逆变器里首次使用碳化硅MOSFET以替代传统硅基IGBT，就此拉开碳化硅“上车”的序幕。

2、当前，越来越多的车企使用碳化硅器件。2020年，比亚迪“汉”在电机控制器中首次使用碳化硅功率模块；2021年，蔚来ET7在电驱动系统应用碳化硅；2022年，小鹏G9搭载碳化硅电驱平台；仰望U8、智己LS6、问界M9等近期明星车型也均采用碳化硅材料。

3、时间再回溯到2023年3月，马斯克在投资者日上宣布在特斯拉下一代动力平台中将削减75%的碳化硅，作为合计降低1000美元成本的手段之一。

一边是碳化硅加速上车，从高端车型不断下探渗透；一边是全球电动汽车龙头号称要大幅削减碳化硅用量；本篇主要围绕这两个问题讨论。

二、碳化硅是第三代半导体材料

1、半导体材料的迭代

第一代以硅和锗为代表，低压、低频、低功率，用来生产传统的CPU、GPU等；目前90%以上半导体产品都是硅基材料；

第二代一般指磷化铟、砷化镓；因电子迁移率约是硅的6倍，相较而言更加高频、高速，主要用来生产射频器件、光模块、激光器、传感器等器件；

第三代是以碳化硅、氮化镓为代表的半导体材料，具有高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速率的物理特性。

电子饱和漂移速率指电子在半导体材料中的最大定向移动速度，决定了器件的开关频率。

2、碳化硅特点

根据天科合达2020年7月招股书（注：天科合达是导电性衬底国内龙头，IPO已终止），相对于Si基，第三代半导体优点包括：

（1）更高的额定电压；

（2）更低的导通电阻，1kV电压等级下，SiC基单极性器件的导通电阻是Si基器件的1/60；

（3）更高开关频率；

（4）更高的热导率，更低的热阻，SiC热导率是Si的3倍，内部更易散热，减小器件过温失效风险，提高可靠性；

（5）理论极限工作温度能达到600℃，远高于Si基器件，但根据木桶原理，实际能达到的最高工作温度受限于封装材料；

（6）极强的抗辐射性，过量辐射不会导致出现性能衰退。

三、碳化硅产业链

根据“广东天域半导体”2023年1月19日首次公开发行IPO（注：资料显示,天域股份(TYSiC)成立于2009年,是中国第一家从事碳化硅(SiC)外延晶片市场营销、研发和制造的民营企业。也是中国国内最大的SiC半导体纯外延晶片生产商）：

上游：碳化硅衬底和外延片的制备。碳化硅粉料通过长晶、加工、切片、晶片研磨等环节制备成碳化硅衬底，再在衬底上生长单晶外延材料；

中游：碳化硅功率器件、碳化硅射频器件的设计、制造、封测等环节；

下游：适用高压、高功率、高频、高温等苛刻环境，广泛应用于新能源汽车、光伏、工业电源、轨道交通及5G通讯等领域。

总体来看，衬底、外延成本占比最高，合计超过70%（47%+23%），是产业链条中价值量最大的两个环节。

1、衬底

衬底是价值链核心，总体呈现供不应求。碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的单晶材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点，可有效突破传统硅基半导体材料物理极限，开发出更适应高压、高温、高功率、高频等条件的半导体器件。

衬底根据电学性能分为：

（1）半绝缘型（具有高电阻率），主要应用于制造射频器件，面向通信基站以及雷达应用的功率放大器；

（2）导电型（低电阻率），主要应用于制造功率器件，面向电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

全球SiC衬底从6英寸向8英寸发展（即大尺寸化）。更大的晶圆尺寸可带来单片芯片数量的提升、提高产出率，降低边缘芯片比例，提高良率。

衬底价格下降是推动碳化硅进一步商业化的核心环节，衬底发展是SiC产业降本增效、提升渗透的核心驱动因素。

目前，国内厂商在半绝缘衬底全球市场具有一定优势（天岳先进），但导电型衬底全球市场占比较小（天科合达、天岳先进）。

2、外延晶片

外延晶片是在衬底基础上，经外延工艺生长出晶格一致、高纯度、低缺陷的特定单晶薄膜。外延生长技术是必不可少的环节。此外，外延材料最基本、最关键的参数是厚度和掺杂浓度。

根据掺杂元素不同，外延晶片分为N型（氮元素）、P型（铝元素）和PN型（氮铝都加）多层材料；N型是功率器件厂商主要使用的型号。

目前外延常用工艺为化学气相沉积（CVD）法。外延中的核心技术包括对外延温度、气流、时间等参数的精确控制，以使得外延层的缺陷度小，从而提高器件的性能及可靠性。一般而言，外延厚度越大，器件能承受的电压也就越高。

3、功率器件

硅基IGBT（绝缘栅双极晶体管）在高压领域有优势但无法胜任高频领域的要求；硅基MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）能胜任高频领域但对电压有所限制；

根据全球器件龙头Wolfspeed和罗姆的信息：相同规格SiC MOSFET比Si MOSFET，体积缩小1/10，导通电阻缩至1/200；相同规格SiC MOSFET比Si IGBT，能量损失小于1/4。

SiC MOSFET完美解决高压、高频在硅基上难以兼得的问题，在兼容高压中频的基础上，SiC MOSFET凭借高效率、小体积的特性成为电动汽车、充电桩、光伏逆变等领域的最佳解决方案。

4、封装材料

陶瓷衬板又称陶瓷电路板，是在陶瓷基片上通过覆铜技术形成的基板;再通过激光钻孔、图形刻蚀等工艺制作成陶瓷电路板。

陶瓷基板按封装材料分为：氧化铝、氮化铝和氮化硅，其中氮化铝和氮化硅材料基板通常采用AMB工艺。

AMB工艺因可靠性更优，逐渐成为主流。采用AMB工艺的氮化铝陶瓷基板要用于高铁、高压变换器、直流送电等高压、高电流功率半导体中;采用AMB工艺的氮化硅陶瓷基板主要应用在电动汽车(EV)和混合动力车(HV)功率半导体中。

四、碳化硅上车节奏不断加速的原因

1、碳化硅在新能源汽车上的应用

碳化硅器件主要应用在电机控制器（电驱）、车载充电机OBC、电源转换系统（车载 DC/DC）、充电桩。碳化硅器件相比硅基，体积小，性能优越，节能，匹配了新能源汽车增加续航里程、缩短充电时间、提高电池容量、降低汽车自重的趋势。

据Wolfspeed测算，将电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC时,可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，从而提升车辆5%-10%的续航；

据英飞凌测算，SiC器件整体损耗相比Si基降低80%以上，开关等损耗减小，从而增加电动车续航。

简单做个成本测算，单车可节省400-800美元的电池成本，与新增的200美元SiC器件成本抵消后，单车能实现至少200-600美元的成本下降。

2、高压快充能加速碳化硅渗透的原因

（1）高频

碳化硅材料的电子饱和漂移速率是硅基的2倍，有助于提升器件工作频率；

（2）耐高压

碳化硅击穿电场强度是硅的10倍，可以极大提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。因此，高临界击穿电场的特性能将MOSFET带入高压领域，以克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车能耗。而近年来由于800V高压平台车型销量的快速增长，市场都知道了：800V平台能够显著提升充电速度、减少能量损耗，并优化整车性能。碳化硅器件在高电压应用中的低损耗和高效率优势，使其成为800V系统的核心技术支撑。

（3）耐高温、高热导率

碳化硅禁带宽度约为硅的3倍，更大的禁带宽度能保证材料在高温下，电子不易发生跃迁，从而耐受更高的工作温度。硅器件极限工作温度一般不超过300℃，而碳化硅可以达到600℃以上；高热导率能够带来功率密度提升，同时更易散热，进而减小冷却部件，实现系统小型化、轻量化；

（4）系统功率密度提升充电效率

碳化硅器件能量损耗更小，体积也小于硅基，能够提升系统的功率密度。例如，智己LS6“全域800V双碳化硅平台”能够实现“充电5分钟，续航里程增加200km”，这种显著的充电效率提升也是碳化硅加速上车的重要原因之一。

（5）特斯拉Model3的示范效应

特斯拉宣布旗舰车型Model3将搭载意法半导体的碳化硅功率器件，这成为碳化硅“上车”的里程碑，激发了其他半导体企业纷纷投入碳化硅技术的研发和应用。

（6）市场需求推动

新能源汽车、光伏、电力电子等市场需求的快速增长，带动了碳化硅市场的扩张。锂电巨头、通信巨头、整车大厂等纷纷入股相关初创公司，推动了碳化硅技术的产业化进程。

（7）国内碳化硅产业链的快速突破

国内碳化硅全产业链正在快速突破中，斯达半导、新洁能、闻泰科技、露笑科技等产业链公司新成果频现，进一步推动了碳化硅技术的应用和普及。

综上，传统Si基功率器件无法满足高电压平台要求，而SiC可上拓至1200V，是未来功率器件发展的主要方向。

五、特斯拉表态要削减碳化硅用量的原因

2018年，特斯拉首先拥抱了碳化硅；当下，特斯拉又是第一个声明要减少碳化硅用量。

成本，是决定SiC进一步大批量使用的关键因素；削减碳化硅用量，和一体化压铸这些技术一样，是特斯拉降本的重要手段——要通过一切可能的方法，削减成本，降低价格，换取销量。

问题转化为：碳化硅的降本路径有哪些？

SiC材料成本高、 制作工艺复杂、产品良品率较低，这些都限制了碳化硅进一步商业化；

所以，我们需要在“碳化硅器件成本的增加”和“碳化硅器件优越性能带来的综合成本下降”，这两者之间找到平衡，以最终达成降低整车成本的目的。

衬底是价值链最高的环节；降本路径主要包括扩大晶圆尺寸、 改进碳化硅长晶、改进加工工艺以提高良率。

1、扩大晶圆尺寸

衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低；衬底尺寸越大，边缘浪费就越小。预计8寸衬底的引入将使整体成本降低 20-35%。目前导电型衬底以6英寸为主，8 英寸开始发展；半绝缘衬底以4英寸为主，逐渐向6英寸发展。

2、改进碳化硅长晶及加工工艺以提高良率

长晶慢、质量低、大尺寸难度高、加工工艺不足带来损耗等，是造成良率降低的因素。

3、氮化镓替换碳化硅可能成为降本路径

氮化镓同样是第三代半导体材料，具备耐高温、高频、高效率等优势，常用于高功率应用场景，目前已经从高功率应用场景向消费电子场景实现转变。

当前SiC的产能仍然紧张，即便特斯拉真的能够做到减少75%的用量，下面提到的其他领域的需求也会补上来（一般而言，SiC厂产能优先给汽车用）；充电桩也需要用到更多SiC。所以长期看，SiC的替代，依然是大趋势。

六、碳化硅在其他领域的应用

1、光伏逆变器

光伏行业已渐渐迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”时代，光伏电站电压等级从1000V提升至1500V以上，必须使用碳化硅功率器件。

逆变器主要作用是将电池组件产生的直流电转化为交流电。使用SiC MOSFET功率模块的光伏逆变器，转换效率有望从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

2、轨道交通

碳化硅功率器件能够提升开关频率，降低开关损耗，高频化可进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量，提升装置应用的机动性、灵活性，是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。

目前SiC器件已在城市轨道交通系统中应用。苏州轨交3号线0312号列车是国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目，实现牵引节能20%。

3、智能电网

高电压、大容量是智能电网提升的主要方向。SiC功率器件在智能电网的应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

SiC器件应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失有效降低,同时提升电网供电效率。

最后想说的话

综上所述，碳化硅之所以能够加速上车，主要得益于其在高电压应用中的优势、市场需求的推动、特斯拉等企业的示范效应以及国内碳化硅产业链的快速突破。尽管特斯拉未来可能会减少碳化硅的使用量，但这并不影响碳化硅在新能源汽车市场中的广泛应用和快速发展。

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审核编辑 黄宇