碳化硅功率半导体在新能源汽车的应用机遇.docx

碳化硅功率半导体在新能源汽车的应用机遇2023年7月27S-28日，由西莫主办的2023中国新能源电驱动系统技术发展大会在苏州汇融广场假日酒店成功举办。本次大会推动了新能源电驱动行业的技术发展，同时加强了电机企业、整车企业、电驱动集成和设备材料厂商以及CAE技术服务企业之间的供需合作。来自北京三安光电有限公司的副总经理杨瑞博士在本次大会上进行了“碳化硅功率半导体在新能源汽车应用中的机遇与挑战”的主题演讲，报告如下：材料特性为碳化硅打开巨大市场空间碳化硅具备高带宽、高导热率和高饱和电子迁移率，其器件在耐高压特、耐高频、耐高温、耐辐射、体积和能耗方面较传统硅基器件均具备优势，主要用于功率和射频领域。半导体材料昆制作半导体小和集成电路的电子材料，也是整个半导体产业的林，具具备半导体在，号电墟加AE体与纯缘体之间第Tq半导体20m汜50年代第二代半导体20t纪80年代第三代半导体20世纪初S湖南三安MMMWM(S>).WKGe)半导体材耳械广泛的应用于消费电子.通僖.光伏.军事以及航空航天等多个得别是任，构成了一切或«!件的«&,就见CPU.GPU以“例B(GaAs),幡化(nSb)为邺化你蟀身体，M±WmTHTMH.岛速以及大功率电子件.G2U1移动遢讯以&光遢讯号锄CwK为广泛的应用化H(Si)、！Utt8(GN),化IMZn0).Wi(C).化I8(AIN)等国以宽*Eg>2.3eV)Wrff»火卑包由«为我涉带率与体材料主要应用：电造、崎功率分立杵(中低压，中低»网.HIGBToJfiffiS主要特点制备工艺成熟.成本低.自然界傅务大；VSWP9.电子注A生量应用：8«子旭光电子nttrw*a件.低声!%发光二假管.B光.光丽等主要特点：生长工艺较成熟；咬好的电子迁移率IgE材U慢；费.M污婀41生要应用：箫也汽车、SG宏2.光伏.风电.高铁等领域(昌US.M主财点：热导率.«AS;集长困、Ie本较高.WfiE西莫电机先坛HuranSananCOnfiderTia1infOrTraTionHunanSanan汽车电动化引领变革，半导体材料向碳化硅演进电动化成为汽车产业发展的潮流和趋势.对高速充电的需求持续提升，而硅的温度、频率、功率等性能难以提高，因此具备高能效、低能耗等特征的碳化硅(SiC)半导体材料将逐步替代硅基器件成为市场主流。大击穿电场大带陈大漂移速度大导热率积咻yl小重小成本SiC器件在新能源汽车的优势降低车主使用成本¾n.,从SMGBT搐姐到SiaMOSFEr蛆尺寸It小：，“更高效：>T-B效率提升：.肉效率，餐升恁密度可靠性：使用右余长XfifM:根高：Z/(超强的内在抬性性能提升和体积缰小、快速充电系姣提升用户体跄未来，SiC半导体在中高端场景优势更明显，特别是需要高压、高能量密度的应用场景，如充电桩、车载充电机及电驱系统等(石西莫电机先坛S湖南三安HuranSananCOnfiderTia1infOrTraTionHunanSanan022推出车型电压V续航km充电表现800/5mi/150km800/5min200km800/5mi/200km900643Imin32km800802IOmin800km80060020mi80%75060015min80%企业车型电压V充电表现量产时间Macan800/2023回悍马EV800IOmin161km2023GOODA6e-tron800IOmin300km2023W平台800/2023EV800/2024EV800/2025Trinity800/2025西莫电机先坛HuranSananConfiderna1inforrarionHunanSanan整车厂重点布局高压平台车型已量产车型企业车型电压V续航km充电表现Prius650/15min80%Taycan80050015min80%极狐S750708IOmin197km1oniq58005005min100kmEV680052818min80%<-H汉EVE2.0569.655025mi80%唐EVE1.0613505390min80%S湖南三安2025年全球车用碳化硅需求预测2025年采用中高压平台的车型总量预估 2025年全球新能源汽车销量预计2240万辆 假设B级以上车型会优先采用中高压平台和碳化硅功率半导体2025年碳化硅功率半导体用量（6寸晶圆）预估 每辆车硬化珪功率半导体用量约150颗保守2,240万辆顾2025XEV全球销量½B级以上车型437万辆口高压平台乍型2,240万辆分泌874万辆乐观2025XEV全球销量所有B级以上车型中高压平台车型219万片保守6寸碳化法品原437万片乐观6寸碳化硅晶圆1片6寸晶圆可满足?辆车碳化桂功率半导体等求。已西莫电机先坛S湖南三安HuranSananCOnfiderTia1infOrTraTionHunanSanan片产能242万片/年中国RoW2025仔仝球碳化硅芯片产能西莫电机/坛2025年全球碳化硅产能预测按6寸晶圆计算，预计到2025年全球碳化徒衬底产能282万片/年，芯中国RoW2025年全球碳化桂衬底产能关境三安集成根据公开市场信息进行整理S湖南三安6>><)产能缺口242万片蹩金岁芯片产能V>S>乙4/产能缺口七西莫电机先坛HuranSananCortfidenna1inforaionHUnanSa2025年全球碳化硅将供不应求根据YoIe预测，车用碳化硅功率半导体的需求占全部行业需求的60%其他代表性应用行业包括：光伏/储能/充电基建/电源/轨交等等保守219万片XEV用6寸碳化硅晶圆365万片全部行业需求6寸碳化硅晶圆728万片全部行业需求6寸碳化硅晶圆437万片XEV用乐观6寸碳化硅晶圆S湖南三安碳化硅从售价相对高昂的车型开始被逐步采用假设碳化硅模块价格每年下降10%,IGBT价格每年下降5%,电池成本每年下降10%,中性预计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗8%,仅考虑相同续航下节省的电池成本，而忽略节省的散热系统成本缩减、无源器件成本缩戒以及更好能效节省的使用成本，从2025年开始全碳化硅方案相比桂方案就具有综合物料成本优势，开始爆发式增长。单位：美元202320232023202320242025硅方案400380361343326310电池成本900081009001810081008100节省电池成本720648720.08648648648全质化硅方案1500135012151094984886碳化硅成本节省电池成本780702495446336238电动汽功率器件碳化桂方案与硅方案成本预测，来源：国金证券研究所随着越来越多的汽车制造商将碳化硅技术应用于电驱系统，预计车用碳化硅功率元件市场规模将从2023年的10.9亿美元增长至2026年的39.8亿美元，年均复合增长率达到38%。在2023年，90%的市场份额主要来自于蔚来汽车等主要厂商，主要用于高价值的逆变器。'一史送漠电机论坛S湖南三安8HunanSananConfidenna1infornaionHUnanSanan碳化硅产业链技术壁垒碳化硅产业链主要分为衬底、外延、器件和应用四大环节；目前，碳化硅产业链中碳化硅衬底的技术壁垒最高，碳化成衬底生产难度最高。量产性能稳定的高品质碳化硅晶片的技术难点有1）由于晶体需要在2000。C以上的高温密闭环境生长，对控温要求极高；2）由于碳化硅存在200多种晶体结构，但只有少数几种结构的单晶型碳化徒才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数；3）气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大；4）碳化硅硬度与金刚石接近，切割、研磨、抛光技术难度大。VS湖南三安9硅器件制造具有一定技术难度：D需要开发与碳化硅材料特性吻合的特定工艺，如：SiC具有高熔点使传统热扩散失效，需要采用离子注入掺杂法，并精准控制温度、升温速率、持续时间、气体流量等参数；SiC对化学溶剂具有惰性.应采用干刻蚀等方法，并优化和开发掩膜材料、气体混合物、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等；2）碳化硅晶片上金属电极的制造要求接触电阻低于52,符合要求的电极材料M和A1在IOO0C以上时具有较差热稳定性，但具有较好热稳定性的AINWAu复合电极材料接触比电阻高10-3Q2；3）沟槽型碳化硅功率器件具有更大制造难度。）、一r-J/J/y*HUranSananCOnfidenriaIinfOrnV）TiOnHUnanSa碳化硅产业链成本集中于衬底和外延部分碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节,依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小,目前碳化硅产业链的成本集中于前端的衬底和外延部分。S湖南三安器件成本构成中上游：材料.设箭、村底、外延÷中游：设计.制造下游：封装、测试、需件、模组、应用电力电外酗a.芯片10HuranSanarConfiderna1inforrraTion<6西莫电机论坛HunanSanan汽车半导体挑战：车规认证、长周期开发车用半导体与其他半导体相比，其制造难度主要体现在需要满足更苛刻的使用环境、更高的产品可靠性、更长的使用寿命、极低的产品容错率和昂贵的价格，因此需要更高的验证要求、更强的制造工艺、更先进的技术水平、更长的开发周期。参数要求消费级工业级车规级温度要求070oC4085°C-40150oC环境要求防水防水防潮防腐防雷变耐振动冲击耐高低温交变防水防晒抗干扰不良率千分之三百万分之一十亿分之一使用寿命35年510年1520年供货时间高至2年高至5年低至15年车规级与消费级、工业级的要求对比可靠性AEC-Q1oOISO/SAE各国法规车厂要求车厂规范