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系统成本或两年内追平硅基IGBT，碳化硅MOS新能源车后还有第二波需求浪潮

时间：2022-07-07 16:44:16 | 来源：第一财经

作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅（SiC）被认为是功率半导体行业进步的主要方向。新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景，同时功率器件也是汽车电动化的主要增量。

特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模块，成为碳化硅上车“第一个吃螃蟹的人”。随后海外车企丰田、本田、福特、大众等，国内比亚迪、蔚来等陆续宣布将采用碳化硅方案。

宁德时代（300750.SZ）也盯上了碳化硅这一赛道。近日有消息称，深圳市重投天科半导体有限公司新增宁德时代等多名股东，宁德时代出资1.5亿元持股6.82%。而此前宁德时代已投资布局天科合达、天岳先进（688234.SH）等碳化硅企业。

目前，业内对于碳化硅MOSFET替代硅基IGBT趋势的讨论此起彼伏。不过，专注于碳化硅功率器件领域的森国科董事长杨承晋在接受第一财经专访时表示，“实际上这不能称为替代，碳化硅MOSFET是对硅基IGBT的一种补充。”MOSFET为功率场效应晶体管，IGBT是绝缘栅双极型晶体管，二者同属功率半导体。

性能卓越，成本趋降

碳化硅的优越性能是碳化硅快速发展的底层逻辑之一。

相比于硅，碳化硅具有十倍的击穿电场强度、三倍的禁带、两倍的极限工作温度和超过两倍的饱和电子漂移速率。同时，碳化硅还具有三倍的热导率，这意味着三倍于硅的冷却能力。

高饱和漂移速度带来更低的电阻和更小的能量损耗，还能够达到缩小体积的效果。

相同规格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET，前者的导通电阻降低为后者的1/200，尺寸减小为1/10；使用相同规格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆变器，前者总能量损失小于后者的1/4。

以罗姆公司设计的碳化硅逆变器为例，使用全碳化硅模组后，主逆变器尺寸降低43%，重量降低6kg。

上述优势给碳化硅材料在功率半导体、光伏逆变器、高频器件中的应用提供了有力支撑。杨承晋表示，硅基IGBT面向电高压领域，其耐高温耐高压性能不及碳化硅MOSFET，随着电高压对电流的需求越来越大，碳化硅MOSFET的优势也愈加明显。

但仅凭材料性能优势还远远不够，对于企业来说，碳化硅商业前景面临的最直接的问题之一就是成本，这也是当下碳化硅MOSFET替代硅基IGBT被讨论最多的话题。

“虽然碳化硅晶体管带来更大价值，但仍面临一些技术性和商业性的挑战。”三安光电董事长特别助理、北京三安光电公司总经理陈昭亮表示，材料衬底方面，由于碳化硅衬底生产效率低，成本比硅晶片高出许多，再加上后期的外延、芯片制造及器件封装等低成品率，导致碳化硅器件价格居高不下。“根据行业预测，目前批量化价格仍是硅基IGBT的3-5倍。”

不过碳化硅MOSFET成本在持续往下走。一方面，市场规模扩大，产业有了规模效应，各个环节的成本自然下降，同时也能吸引更多的投资，从而扩大产能。“成本下降最大的环节来自于衬底和外延。此外，随着产能的扩大，代工的成本也可能会下降。” 杨承晋对第一财经透露。

另一方面，碳化硅的卓越性能也能够带来外围成本的下降。“总体而言，使用碳化硅MOSFET的系统比使用IGBT成本增加约10%，随着碳化硅材料价格进一步下降，估计明后年就会差不多接近。”

杨承晋对第一财经表示，“由于价格优势，IGBT原来的市场还是在的。从另一个角度看，包括新能源汽车、风光储等，在强调性能、效率、体积的应用领域，应该都会优先采用碳化硅MOSFET，如果不在乎这些指标，更在乎成本的应用领域，还是会用IGBT。”

良率低扩产难，需求增速高

事实上，碳化硅的发展目前仍面临良率低、碳化硅衬底制备条件严苛、速度缓慢等掣肘。陈昭亮表示，在实际应用中，碳化硅MOSFET制造工艺中的高质量、低界面态的栅界面调控技术也仍需加强，批量制造技术与成品率需要进一步提升。

首先，碳化硅的晶型多达200多种，而想要生成所需要的单一晶型（主流为4H晶型），需要非常精确的控制；与此同时，碳化硅衬底作为莫氏硬度达9.2的高硬度脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。

其次，碳化硅晶棒需要在2500℃高温下进行生产，而硅晶只需1500℃，因此需要特殊的单晶炉；生产周期方面，碳化硅晶棒约需要7至10天，长度约2cm，而硅晶棒只需要3~4天即可长成，长度可达2m。

天岳先进招股书披露，2018-2020年和2021年上半年，公司的晶棒良率分别为41%、38.57%、50.73%和49.90%，衬底良率分别为72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，综合良率目前大约为37.7%。

杨承晋认为，碳化硅目前发展的痛点主要在于规模迅速扩大。“去年大概在10亿美元，但是未来两三年要成长到约六七十亿美元，这个过程对产业界来说压力巨大。因为每个环节扩产都不是一时就能扩出来的，需要很多的人才和资金的投入。”

而对于碳化硅的未来，业内也看法不一。

陈昭亮表示，“从应用端来看，碳化硅MOSFET落地的时间非常短，从碳化硅落地和整车层面的应用这一链条尚未打通，一些诸如短路耐受时间等指标没有得到足够多的验证，碳化硅MOSFET在车载领域的稳定性和寿命等指标还需要时间和实践验证。”

三安光电副总经理陈东坡则认为，2023-2024年，长续航里程车型基本都会导入碳化硅器件，渗透率或将达40%。

中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员邱宇峰对碳化硅的未来似乎更加乐观，“碳化硅产业会有两波应用浪潮，第一波在电动汽车领域，第二波在电网领域，而未来电网的需求将比新能源汽车更大。”

Yole预计，2019年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元，2025年将增长至25.62亿美元，年复合增长率（CAGR）约30%。

杨承晋则表示，从新能源来看，碳化硅MOSFET和硅基IGBT的需求都在增长，只是增长率不一样，IGBT增长率很高，碳化硅MOSFET更高，二者比翼齐飞。

产业链衬底环节价值量最大

据Yole，车用碳化硅需求占全行业的60%，其他代表性行业，光伏、储能、充电基建、电源、轨交等对碳化硅的需求占40%，由此推算，2025全球需要6英寸碳化硅晶圆保守估计365万片，碳化硅产能缺口将达到123万片，乐观情形下需求可达728万片，碳化硅产能缺口达到468万片，全球碳化硅衬底与晶圆将出现供不应求的局面。

从产业链来看，碳化硅产业链包括上游衬底和外延环节、中游器件和模块制造环节，以及下游的应用环节。其中衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节，价值量占比47%，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心；外延环节价值量占23%；器件制造（包括设计+制造+封装）价值量占比约20%。