隨著新能源汽車新技術、新材料的不斷涌現，更具優勢的第三代碳化硅(SiC)功率芯片熱度正持續飆升，備受關注。

前不久，配裝臻驅科技車規級碳化硅功率芯片模塊的全新一代雙電機控制器正式量產上車，應用于上汽通用五菱凱捷混動版及星辰SUV混動版車型上。同期，理想汽車與三安光電合作的碳化硅功率芯片研發及生產基地項目落戶蘇州高新區，將在2024年形成量產能力……

截至目前，比亞迪、吉利、廣汽埃安、小鵬、蔚來等車企發布的搭載800V高電壓平臺車型，都使用了碳化硅功率芯片模塊。不少行業人士判斷，2022年或是碳化硅功率芯片應用的新元年。

從電機到800V平臺的新需求

新能源汽車續駛焦慮、充電焦慮、安全焦慮，都與三電系統密切相關。800V高電壓平臺的應用，可為破解這些難題提供新的解決方案，而其“頂梁柱”之一就是碳化硅功率芯片。

“功率芯片是新能源汽車有別于傳統燃油車的重要零部件，每輛電動汽車大約需配備90～100個，如果車輛采用四驅系統，需求量還要再增加50%，功率芯片在整車芯片中的價值占比約60%。”在廣汽埃安新能源汽車有限公司技術中心經理湛紹新看來，不僅電動汽車平臺有高壓化的趨勢，其對充電樁的零部件性能也提出了重新適配的要求，功率芯片在充電樁成本中的占比達80%左右，這都成為碳化硅功率芯片應用的重要市場。

華為智能電動領域副總裁彭鵬也認為，大功率高壓快充不僅能從技術層面消減充電焦慮，還將帶來新的商業模式，幫助充電運營商提升單位時間的盈利能力，從而解決當前充電樁投資回報率低的問題，由此也給碳化硅功率芯片的應用提供了機遇。

據了解，隨著新能源汽車市場高速發展，此前采用較多的硅基材料功率芯片基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向導通壓降、開關速度等，尤其是在高頻和高功率領域更顯露出局限性。為此，迫切需要碳化硅等新材料實現替代。

“當前，新能源汽車動力系統正在發生三大顯著變化，即動力系統從內燃機演變為電動機，電壓平臺從400V左右升級到800V，功率芯片材料從硅轉向碳化硅。”清華大學車輛與運載學院副研究員高大威在接受《中國汽車報》記者采訪時表示，碳化硅是優勢明顯的第三代芯片材料，作為寬禁帶(即適應大電流大功率)半導體材料的一種，與此前使用的硅材料主要有三方面的升級。一是耐高壓、耐高溫，溫度特性好，響應快，效率高。傳統硅基功率半導體IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的耐高溫上限為175℃，而碳化硅功率芯片在200℃環境下也能正常工作，對冷卻系統要求也更低，不僅性能更好，而且更安全。二是同樣性能的碳化硅芯片，尺寸可以縮小到硅基的約10%～20%，體積小、重量輕的優勢，為減輕車重、優化設計等提供了更多可能性;三是能量損失減少約75%，相當于大幅降低了電能消耗和使用成本。

“新能源汽車的800V主驅動逆變器、直流轉換器(DC/DC)、車載充電器(OBC)等應用碳化硅功率芯片將是大勢所趨。”西安工業大學微電子技術實驗室工程師魏冬在接受記者采訪時介紹道，主驅動逆變器的能量轉換效率是衡量電動汽車續駛能力的關鍵;車載充電器是決定電動汽車充電效率的關鍵，從技術上看，如果有碳化硅功率芯片的支持，有車企聲稱的車輛“充電5分鐘續駛200公里”可以實現。

數據顯示，2019年，全球碳化硅功率器件市場規模為5.41億美元(約合人民幣36億元)，預計2025年將增長至25.62億美元(約合人民幣172億元)，年復合增速約30%。“碳化硅功率芯片不僅將帶來技術新變化、市場新需求，而且在很大程度上將使新能源汽車整體邁上一個新臺階。”國家新能源汽車技術創新中心副總經理、中國汽車芯片產業創新戰略聯盟副秘書長鄒廣才指出。

產業鏈投資布局密集多樣

在新能源汽車市場競爭中，誰能在動力系統技術及應用上領先一步，就會擁有更大的發展優勢，之于碳化硅功率芯片也是同樣如此。如今，新能源車企、芯片供應商密集布局碳化硅功率芯片，已成為新的產業投資熱點。

前文提及的臻驅科技，2017年就完成了車規級碳化硅功率芯片模塊的初級開發，此次推出的新一代DrivePack產品具有超低功耗、高輸出功率、平臺化封裝設計等優點，據稱是當前國內已量產的先進車規級功率芯片模塊之一。此次落戶蘇州高新區的理想汽車功率半導體研發及生產基地，是該公司自研核心零部件的重點布局之一。為此，理想汽車與國內芯片龍頭企業三安光電共同出資組建了蘇州斯科半導體有限公司，主要專注于第三代碳化硅芯片模組的研發及生產。

2018年12月，比亞迪成功研發出碳化硅MOSFET芯片模塊。2020年，比亞迪漢EV成為公司旗下啟用碳化硅功率芯片模塊首款車型，可實現200kW的輸出功率，提升一倍的功率密度，百公里加速度僅為3.9秒。比亞迪還宣布，預計到2023年，旗下電動汽車將實現碳化硅芯片模塊對硅基IGBT的全面替換。

2021年正式亮相的蔚來旗艦轎車ET7，也采用了搭載碳化硅功率芯片模塊的第二代高效電驅動平臺。在新技術的支持下，該款車的續駛里程超過1000公里。

2021年廣州車展上，小鵬汽車對外發布SUV新車型G9，是該公司首款基于碳化硅功率芯片的800V平臺量產車。值得注意的是，今年2月，小鵬汽車獨家戰略投資了國內碳化硅功率芯片供應商上海瞻芯電子科技有限公司。

2018年3月，上汽和英飛凌成立合資企業上汽英飛凌汽車功率半導體(上海)有限公司，據透露，其中包括碳化硅芯片項目。2021年11月，上汽集團攜旗下私募股權投資平臺尚頎資本，共同出資5億元，完成對國內車規級芯片及碳化硅功率芯片供應商積塔半導體的A輪投資。此外，尚頎資本還參與投資研發碳化硅芯片的上海瀚薪科技。

在芯片產業鏈上，剛上市不久的天岳先進募資20億元，投建碳化硅襯底項目;時代電氣、斯達半導、比亞迪半導體、華潤微、士蘭微等均已布局碳化硅功率芯片。

在相關零部件方面，欣銳科技已布局“小三電”中的車載充電器，產品主要配套吉利汽車、小鵬汽車、東風本田、廣汽本田、現代汽車等國內外知名整車廠商，目前絕大多數產品已應用碳化硅功率芯片模塊;高壓連接器廠商瑞可達也在布局碳化硅相關技術;精進電動去年9月推出了250kW碳化硅復合冷卻“三合一”電驅動總成，已獲得大眾商用車集團碳化硅功率控制器的定點供應商資格，預計將于2024年初量產。

高大威認為：“目前，在碳化硅功率芯片的投資及布局上，從整車企業到芯片供應商等呈現出多樣化且步伐加快的趨勢，這也是其市場應用提速的驅動力之一。”

技術、工藝、產能與成本制約

隨著碳化硅功率芯片需求日盛，其在市場應用道路上面臨的各項挑戰，成為行業關注的焦點。

“目前在國內市場上，由于碳化硅屬于新材料，碳化硅功率芯片的生產工藝、設備等方面仍在完善之中，技術瓶頸亟待突破，由此也帶來一些產能上的制約，導致產品成本較高等問題。”魏冬表示，目前的技術瓶頸主要包括，一是受限于襯底的晶體生長技術等工藝，良品率不夠高，而產品成本較高;二是外延工藝效率較低，碳化硅的外延制備一般要在1500℃～1800℃環境下進行，由于工藝有待完善，造成產量較低;三是在材料工藝上需要用離子注入法，從材料選擇到退火溫度等一系列工藝還需優化;四是在電極引出工藝上也存在一定難題;五是配套材料的選擇，包括電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了碳化硅芯片的工作溫度。

在國際市場上，意法半導體和英飛凌等行業巨頭已基本掌握水平較高的碳化硅功率芯片制備工藝，車企的聯合研發也在加速。2021年3月，豐田汽車宣布與日本關西學院開發出零缺陷的6英寸碳化硅襯底，聲稱可以讓任何尺寸、任意供應商的BPD(基底面位錯數值)降至1以下，達到世界先進水平。豐田汽車將碳化硅功率芯片模塊應用于第二代氫燃料電池車型上。

“在技術、工藝、產能等方面，國內企業與國外企業相比還存在一定的差距。”鄒廣才介紹說，碳化硅功率芯片技術涉及諸多環節，包括晶圓、襯底、外延、芯片封裝、測試應用等。其中，芯片封裝方面，不同廠家有不同的封裝結構，適應的電流、尺寸、功率等也不一樣。目前，國內企業的碳化硅封裝材料大多來自進口，且對封裝的結構形式也還沒有形成定論。此外，由于碳化硅功率芯片適配產品的開關速度非常快，傳統的測試儀器、方法和標準都有待進行相應的調整。“從目前國內市場發展現狀來看，技術、工藝、測試等領域的水平限制了產能。”鄒廣才直言。

“碳化硅功率芯片的應用普及，還面臨諸多困難。”中信證券分析師路海波向記者表示，一是晶圓方面，科銳占據了全球45%的市場份額，羅姆子公司Si-Crystal占據20%市場份額，高意市占率為13%;中國企業的市場份額較低，其中天科合達占有5.3%，山東天岳則為2.6%。二是工藝水平亟待提升。碳化硅芯片產業鏈上，襯底、外延片、器件、模組等環節的先進技術基本被國外企業壟斷。其中，襯底成本約占芯片總成本的47%，外延片的成本占比為23%。而襯底制備受限于碳化硅晶體生長速度慢、過程難以調控、切割難度大等多種問題，國內外企業產能均不高，國內更少。尤其是襯底方面，國際主流廠商已從4英寸向6英寸過渡，科銳已開發出先進的8英寸襯底。國內主要供應商天科合達、山東天岳、同光晶體等，基本能夠供應3～6英寸的單晶襯底，且以4英寸為主，6英寸襯底技術上還有待進一步突破。外延片方面，國內供應商廈門瀚天天成、東莞天域、世紀金光能提供4英寸及6英寸外延片，可以實現本土供應。三是全球范圍內供需關系的失衡，目前全球碳化硅晶圓年產能約為60萬片。理論上，每張6英寸的碳化硅晶圓僅能滿足兩輛特斯拉Model 3的需求。如果特斯拉按照自身規劃，在2022年完成交付100萬輛新車的目標，則意味著僅這一家車企就足以耗盡目前全球的碳化硅功率芯片產能。

“由于國內外企業的技術水平存在差距，導致產能落后，即使國內車企應用碳化硅功率芯片的積極性很高，但現在產能依然跟不上。”高大威談道，在這種情況下甚至出現了一些國內芯片廠商用4英寸晶圓設備生產6英寸碳化硅襯底的情況，導致良品率更低，成本居高不下。

是新“風口”更是制勝新機遇

盡管在技術研發與產品量產方面仍存在一定的挑戰，但不可否認的是，從車企的積極意愿到政府的政策支持，都在為構建碳化硅功率芯片產業鏈提供利好。

為了降低成本和應對碳化硅功率芯片產能緊張，比亞迪、小鵬、蔚來的部分車型，都采用了“碳化硅芯片+IGBT”的技術路線，在一定程度上提升了車輛的性能，同時控制了成本。

近年來，《國家集成電路產業發展推進綱要》、《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》、《關于做好2022年享受稅收優惠政策的集成電路企業或項目、軟件企業清單制定工作有關要求的通知》等政策陸續出臺，從頂層設計、產業發展、技術創新、投融資、稅收優惠等方面均對芯片產業的發展給予支持和鼓勵。其中，在投融資方面，國家大力支持符合條件的集成電路企業和軟件企業在境內外上市融資，加快境內上市審核流程，符合企業會計準則相關條件的研發支出可做資本化處理;鼓勵支持符合條件的企業在科創板、創業板上市融資等。而在稅收方面，對于按照芯片設計、裝備、材料、封裝、測試企業和軟件企業享受稅收優惠政策的，優惠期自獲利年度起計算。自獲利年度起，第一年至第二年免征企業所得稅，第三年至第五年按照25%的法定稅率減半征收企業所得稅等。

“目前，國內企業投融資、獨立研發或合作開發等多措并舉的局面，將為碳化硅功率芯片技術的突破和產業鏈的完善帶來更好的保障。”路海波認為，一方面，相關企業要積極用好國家的支持政策，從各方面強化技術研發能力，學習借鑒先進經驗，強化自主創新，力爭在碳化硅功率芯片技術、工藝、產能等方面盡快形成突破;另一方面，有關部門、機構、行業組織也要針對產業鏈上的缺失和測試等短板，盡快組織協調，健全完善，為碳化硅功率芯片產業發展提供有力的支撐。

“碳化硅芯片不僅是一個新‘風口’，也是自主汽車產業鏈崛起的一個新機遇。”鄒廣才表示，目前國內有越來越多的企業正加入碳化硅芯片產業版圖，有助于形成技術突破，解決一些共性難題。在此基礎上，企業有望擴大產能，提升品質，降低成本，推動碳化硅功率芯片盡快走向大規模應用。

“碳化硅功率芯片是新能源汽車的新技術方向。在這一領域加快自主創新并實現突破，有利于我國新能源汽車行業全面站上新的制高點。”高大威說道。

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