预计未来几年SiC市场将充分受益于新能源汽车渗透提升、电动车配套设备建设和5G通讯基站及数据中心建设,其中汽车电动化为驱动SiC市场规模增长的最主要因素。
Yole指出,采用SiC的汽车解决方案能提高系统效率,有效减轻车身重量并使得结构更加紧密,目前在新能源车上主要用于功率控制单元(PCU)、逆变器,及车载充电器等方面。
到2024年,SiC功率半导体市场规模将达到20亿美元,2018-2024年复合增长率约为50%,其中汽车成为SiC功率半导体最大的下游应用市场,占比将达到约50%;而根据Researchand Markets预测,全球SiC市场收入将达到30亿美元,2017-2023年复合增长率约为27%。
继去年8月在美国纽交所上市后,7月7日,小鹏汽车第二次IPO,在香港联交所正式挂牌上市。小鹏汽车开盘价为168港元(约140人民币),市值一度达到2800亿港元(约2332亿人民币)。本次IPO,小鹏汽车募资116亿元,将重点用于开发更多产品组合和新技术。据小鹏高管透露,他们正在积极寻找国产供应商,希望在2022年推出SiC车型。
采取SiC器件等一系列电控技术,可提高汽车续航里程。在低负荷情况下,相比IGBT,SiC器件带来的效率提升可以达到5%以上,在中大扭矩区,SiC器件效率可提升1%-2%,而绝大部分的工况都处于中低速小扭矩区,因此应用SiC器件后,车辆续航会有明显的效率提升,总续航可以提升20公里以上。
据小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏介绍,SiC技术的应用与整车续航里程的提升有着紧密的联系。相比硅基IGBT,SiC MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用SiC技术后,电机逆变器效率能够提升约4%,整车续航里程将增加约7%。
碳化硅材料特性及优点
碳化硅(SiC)由于其独特的物理及电子特性, 在一些应用上成为最佳的半导体材料: 短波长光电器件, 高温, 抗幅射以及高频大功率器件,其主要特性及与硅(Si)和砷化镓(GaAs)的对比如下。
宽能级(eV):
政策支持VS产业成熟度提升
◆ 全球对第三代半导体均展开全面战略部署
2014年初,美国宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”,期望通过加强第三代半导体技术的研发和产业化,使美国占领下一代功率电子产业。
这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市场,并为美国创造出一大批高收入就业岗位。
日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”由大阪大学牵头,协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心;欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”,由意法半导体公司牵头,协同来自意大利、德国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关SiC和GaN的关键技术。
◆ 国内政策支持持续加强
我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。2015年5月,中国建立第三代半导体材料及应用联合创新基地,抢占第三代半导体战略新高地;国家科技部、工信部、北京市科委牵头成立第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA),对推动我国第三代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。
◆ 制约产业发展的主要瓶颈在于成本和可靠性验证
行业发展的瓶颈目前在于SIC衬底成本高:目前SIC的成本是Si的4-5倍,预计未来3-5年价格会逐渐降为Si的2倍左右,SIC行业的增速取决于SIC产业链成熟的速度,目前成本较高,且SIC器件产品参数和质量还未经足够验证。
SIC MOS的产品稳定性需要时间验证:根据英飞凌2020年功率半导体应用大会上专家披露,目前SiC MOSFET真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用(Model 3中率先使用了SIC MOS的功率模块),一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,SIC MOS在车载和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间。
根据Yole预测,SIC和GaN电力电子器件(注意是GaN在电力电子中的应用,不包括在高频射频器件)2023年在整体功率器件渗透率分别为3.75%和1%;驱动因素是新能源汽车新能源发电以及快充。
目前国内外SIC产业链日趋成熟,成本持续下降,下游接受度也开始提升,目前整个产业链处于行业爆发的前夜。
SiC 器件:10 年 20 倍成长,
国内全面布局
◆ 应用:新能源车充电桩和光伏等率先采用
SiC具有前述所说的各种优势,是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料,所以SiC功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域,具有明显的发展前景。
高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用Si的IGBT是最好,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用Si的MOSFET是最好。如果既是高频又是高压的情况下,用SiC的MOSFET最好。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用GaN效果最佳。
以新能源车中应用SIC MOS为例,根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SIC时,大概可以减少整车功耗5%-10%;这样可以提升续航能力,或者减少动力电池成本。
同时SIC MOS在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交流电,透过IGBT或者SIC MOS转变为直流电,然后直接对新能源汽车电池进行充电,对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感,因此不考虑成本,SIC MOS比IGBT更有前景和需求,由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍,因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。
在光伏领域,高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势,因此基于性能更优异的SIC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。
SIC肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基二极管相比于传统的硅快恢复二极管(SiFRD),具有理想的反向恢复特性。
在器件从正向导通向反向阻断转换时,几乎没有反向恢复电流,反向恢复时间小于20ns,因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率,在相同频率下具有更高的效率。
另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数,随着温度的上升电阻也逐渐上升,这使得SIC肖特基二极管非常适合并联实用,增加了系统的安全性和可靠性。
总结来看,SIC肖特基二极管具有的特点如下:
1)几乎无开关损耗;
2)更高的开关频率;
3)更高的效率;
4)更高的工作温度;
5)正的温度系数,适合于并联工作;
6)开关特性几乎与温度无关。
根据CASA的统计,业内反应SiC SBD实际的批量采购成交价已经降至1元/A以下,耐压600-650V的产品业内批量采购价约为0.6元/A,而耐压1200V的产品业内批量采购价约为1元/A。
如上表所示,2019年部分SIC肖特基二极管产品价格实现了20%-35%的降幅,SIC二极管价格的持续降低以及和Si二极管价差的缩小将进一步促进SIC二极管的应用。
◆ 门槛:SIC 器件的壁垒和难点
SIC难度大部分集中在SIC晶片的长晶和衬底制作方面,但是要做成器件,也有一些自身的难点,主要包括:
1、外延工艺效率低:碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。
2.欧姆接触的制作:欧姆接触是器件器件制作中十分重要的工艺之一,要形成好的碳化硅的欧姆接触在实际中还是有较大难度;
3.配套材料的耐高温:碳化硅芯片本身是耐高温的,但与其配套的材料就不见得能够耐得住600℃以上的温度。所以整体工作温度的提高,需要不断的进行配套材料方面创新。
SIC的优异性能大家认识的较早,之所以最近几年才有较好的进展主要是因为SIC片和SIC器件两个方面相比传统的功率器件均有一些难点,器件生产的高难度高成本加上碳化硅片制造的高难度(后面会提及),两者互为循环,一定程度上制约了过去几年SIC应用的推广速度,随着产业链逐渐成熟,SIC正处于爆发的前夜,拐点渐行渐近。
◆ 空间&增速:SIC 器件未来 5-10 年复合 40%增长
IHS预计未来5-10年SIC器件复合增速40%:根据IHSMarkit数据,2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元,受新能源汽车庞大需求的驱动,以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,18-27年9年的复合增速接近40%。
渗透率角度测算 SIC MOS 器件市场空间:(SIC MOS 只是 SIC 器件的一种) SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度较大,因此,驱动 IGBT 行业空间高成长驱动因素如车载、充电桩、工控、光伏风电以及家电市场,也都是 SIC MOS 功率器件将来要涉足的领域;根据我们之前系列行业报告的大致测算,2019 年 IGBT 全球 58 亿美金,中国22亿美金空间,在车载和充电桩和工控光伏风电等的带动下,预计 2025 年 IGBT 全球 120 亿美金,中国 60 亿美金。
SIC MOS器件的渗透率取决于其成本下降和产业链成熟的速度,根据英飞凌和国内相关公司调研和产业里的专家的判断来看,SIC MOS渗透IGBT的拐点可能在2024年附近。
预计2025年全球渗透率25%,则全球有30亿美金SIC MOS器件市场,中国按照20%渗透率2025年则有12亿美金的SIC MOS空间。
即不考虑SIC SBD和其他SIC功率器件,仅测算替代IGBT那部分的SIC MOS市场预计2025年全球30亿美金,相对2019年不到4亿美金有超过7倍成长,且2025-2030年增速延续。
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