车载碳化硅技术：国产替代进行时

作为第三代半导体的一员，近年来碳化硅（SiC）功率器件备受瞩目且发展迅猛。中国是制造业大国，很多行业如新能源汽车、储能、光伏和风力发电都需要大量的功率器件。在市场爆发的当下，一些中国企业已经布局碳化硅技术的研发和生产，并逐步实现进口替代。

清纯半导体（宁波）有限公司是一家聚焦于碳化硅半导体领域的高科技芯片公司，由张清纯先生于2021年3月创立。张清纯曾在全球碳化硅行业的鼻祖Cree公司工作近13年，于2019年底全职回国，入职复旦大学，领衔建立上海碳化硅功率器件工程技术研究中心。在E维智库第12届中国硬科技产业链创新趋势峰会暨百家媒体论坛上，清纯半导体(宁波)有限公司市场经理詹旭标以“车载电驱及供电电源用SiC技术最新发展趋势”为题介绍了SiC上车这一行业共识，SiC产业和技术现状，以及国内SiC器件技术进展及发展趋势。

SiC上车

詹旭标介绍说，中国新能源汽车的兴起是SiC上车的重大机遇。数据显示，目前中国新车市场的新能源汽车渗透率已经超过50%，且中国的新能源汽车产量已经超过全球产量的60%。他说，中国的新能源汽车产业很可能重走光伏产业的历程，将来会主导整个全球市场。

自2017年特斯拉发布第一款基于SiC主驱的电动汽车后，比亚迪于2020年也发布了第一台基于SiC主驱的汽车。在接下来的几年内，各个主驱厂或者车厂纷纷投身于SiC平台的研发。目前，主驱应用的主流器件是以1200V SiC MOSFET为主。

SiC器件给新能源汽车带来诸多好处。第一是提升了新能源汽车的续航里程。得益于SiC MOSFET的低导通电阻、低开关损耗，与硅基IGBT方案相比，整个电机的控制器系统有望降低70%的损耗，从而能增加5%的行驶里程。第二是缓解了补能焦虑问题。SiC的应用使得充电功率得以大幅提升。预计在2025年，快充电桩可以做到15分钟补电80%。

詹旭标说，充电桩是除新能源汽车主驱外最活跃的一个市场。目前我国的汽车充电桩保有量大约为900-1000万个。按照规划，2030年我国新能源汽车保有量要达到6000万辆，同时车桩比要达到1：1，相当于在未来4至5年我们还要增加5000万个充电桩。按照目前的设计，每个充电桩包含的SiC器件数量至少是8个以上。可见这是一个规模非常巨大的市场。

SiC产业和技术现状

据市场调研共公司Yole预测，2025年全球 SiC 市场规模接近 60亿 美元，年复合增长率预计为 36.7%。TrendForce数据显示，2023年，SiC 器件市场被国外企业垄断，头部 5 家龙头 企业（ST Micro、Onsemi、Infineon、Wolfspeed和Rohm）市场份额合计高达 91.9%。SiC衬底方面则呈现国内产能过剩，充分的竞争导致了价格快速下降。

詹旭标说，在技术层面，有以Wolfspeed,、ST Micro和onsemi为代表的平面栅技术，以及以Rohm、Infineon和Bosch为代表的沟槽栅技术。受工艺成熟的与稳定性影响，沟槽栅器件暂时并没有实现对平面栅结构的全面超越。目前，1200V SiC MOSFET的 Rsp（比导通电阻）处于2.3 – 2.8mΩ⋅cm2水平。

国内SiC器件技术进展及发展趋势

詹旭标说，国内 SiC 产业链正日趋完善。如下图所示，从SiC晶圆衬底、外延、晶片处理、二极管/晶体管设计、模块封装到车载系统，各细分行业均涌现出典型代表，正快速缩小与跨国龙头企业的差距。



SiC MOSFET技术方面，国际SiC MOSFET技术持续发展，维持3至5年的迭代周期。中国SiC MOSFET器件最新技术目前已经对标国际主流水平，并保持一年一代的快速迭代节奏。如下图所示，以清纯半导体为代表的国内企业的典型1200V产品系列核心参数已经可以全面媲美国际一流水平。詹旭标说，清纯半导体以行业最全面可靠性测试方法、最严苛可靠性要求，确保了目前在市场上大概销售有400万颗MOSFET，其中产品失效率<1PPM。实现新能源汽车及工业应用400万颗MOSFET零失效。



据詹旭标介绍，SiC半导体技术发展趋势体现在以下几个方面。SiC材料方面，要实现大尺寸、低缺陷SiC衬底及外延制备。材料及制造成本继续降低，晶圆材料良率提升至5mm×5mm尺寸下大于90% 。SiC器件方面，要实现基于先进SiC材料生长和工艺技术的新型SiC器件。SiC MOSFET 比电阻(特别是高温比电阻) 继续降低，各类可靠性、鲁棒性接近Si IGBT 水平。工艺方面，要实现面向下一代SiC器件的制造及封装工艺。继续研究制约SiC MOSFET/IGBT 发展的基础科学问题，包括沟道迁移率、缺陷形成及抑制机制和少子寿命控制。

据詹旭标介绍，中国SiC 半导体产业发展趋势总体比较乐观。在完成SiC 半导体技术创新及市场教育后，国际竞争焦点逐步从技术研发转移到大规模量产。依托巨大的应用市场和高效的产能提升，中国在不久的将来有可能主导全球SiC 半导体产业。目前，国际芯片供应商主导供应链，国内SiC 材料实现部分替换。将来，国内市场实现全面国产替代，国际芯片与终端企业将与国内企业开展全面合作。

詹旭标总结说，SiC 半导体产业发展迅速，国内在SiC材料与器件量产已经进入内卷和洗牌的快车道。SiC 功率器件在光、储、充应用的国产替代方面已经成功推进了2到3年，规模持续扩大，部分企业已率先完成100%国产替代。国产车规级SiC MOSFET技术与产能已对标国际水平。虽然由于多种原因，SiC MOSFET在乘用车主驱应用目前仍依赖进口，但未来全面导入国产芯片是大势所趋。由于竞争激烈和应用场景复杂，车规级 SiC MOSFET 可靠性标准逐年提高，进一步推动设计和制造技术进步。激烈的竞争促使国内SiC半导体产品价格快速下降、质量不断提高、产能持续扩大，主驱芯片国产替代已经起步，并将逐步上量，最终主导全球供应链。最终，国际企业与国内企业在优势互补的基础上将实现强强联合。