车规级 SiC 功率器件：春天来了？
汽车公司对 SiC（碳化硅）的关注和投入，正在变得越来越高。这种新型材料，因相对于传统硅基材料的巨大性能和功耗优势，对全球车商形成了致命吸引力。
1 月 25 日，德国大众集团宣布与安森美达成合作，为其下一代平台系列电动车型，采用安森美研发的 SiC 电源模块。
据法国半导体咨询机构 Yole 预测，2023 年 SiC 功率器件市场规模预计将增加到 14 亿美元。其中，市场主要增长机会集中在汽车领域，尤其是 EV（纯电）、混合动力车和燃料电池车等电动车应用市场。
另据据罗姆半导体预测，从 2020-2025 年，SiC 功率器件市场年复合增长率达 36%；SiC 已迈进” 市场启动期”，即将迎来 “快速成长期”。
有鉴于此，2023 年 1 月，国内汽车公司布局 SiC 动作之多，简直目不暇接。
兔年开启 “热闹” 模式
大众集团（VW）和智能电源和传感技术公司安森美（onsemi）的战略协议。
根据协议，安森美将为大众集团提供电源模块和半导体，为大众汽车下一代平台系列提供完整的电动汽车（EV）牵引逆变器解决方案。这些半导体隶属于整体系统优化内容，并提供解决方案，以支持大众车型中的前后牵引逆变器。
这套 EV 逆变器解决方案，由安森美 EliteSiC 1200 V 3x 半桥模块组成，支持涵盖广泛功率范围的两轴逆变器。
作为协议的一部分，安森美将首先交付 EliteSiC 1200 V 牵引逆变器电源模块。EliteSiC 电源模块引脚对引脚兼容，能轻易降低将解决方案扩展到不同功率级别和电机类型的难度。一年多来，两家公司的团队一直在合作优化下一代平台的电源模块，并不断开发和评估预生产样品。
大众汽车公司战略半导体工作组 “COMPASS” 负责人 Karsten Schnake 对此项合作表示，“安森美牵引逆变器模块具有卓越性能和质量。我们将利用该模块，结合我们既有的系统解决方案经验，以实现卓越的驾驶体验，满足客户对大众汽车集团车辆的期望。”
Karsten Schnake 说，“凭借安森美广泛的智能电源和传感解决方案组合，我们将能在电动汽车中不断提供尖端技术和功能，包括牵引逆变器。”
公开资料显示，安森美共拥有 19 个晶圆制造和封装制造基地，可为大众提供 500 多种不同的设备，包括 IGBT、MOSFET、图像传感器和电源管理集成电路（PMIC）。
除多样化的产品组合外，安森美还拥有一条垂直的碳化硅（SiC）生产链，包括体积晶圆生长、晶圆加工、衬底、外延、器件制造、集成模块和分立封装解决方案，可全面支持实现安全的供应链。
安森美电源解决方案集团执行副总裁兼总经理 Simon Keeton 说，“凭借多个生产基地，包括有弹性的端到端 SiC 供应链，我们能满足 OEM 的供应需求。同时，我们将在全球范围内提高产量，特别是在碳化硅，进一步支持大众快速扩大电动汽车生产。”
看上去，2023 年 SiC 很可能迎来爆发节点。据华尔街见闻不完全统计，2023 年 1 月初至 1 月 25 日，在 SiC 领域，除了大众集团和安森美的合作，还包括 1 月 12 日的吉利和积塔半导体、1 月 5 日的现代、起亚和安森美、1 月 4 日的奔驰和 Wolfspeed 的多项合作。
1 月 12 日，据吉利科技集团官微消息，他们与积塔半导体签订了战略合作协议，双方将围绕车规级芯片研发、制造、市场应用和人才培养等领域开展全面合作，共同致力于车规级芯片产业的协同发展。
1 月 5 日，安森美官微宣布，他们的 EliteSiC 系列碳化硅功率模块已被起亚 EV6 GT 车型采用。未来，安森美将继续与现代起亚汽车集团合作，将 EliteSiC 技术用于现代汽车即将推出的基于电动化全球模块型平台（E-GMP）的高性能电动汽车。
1 月 4 日，Wolfspeed 官网宣布，其碳化硅器件将被整合到梅赛德斯 - 奔驰多款车型的下一代动力总成系统中，这也意味着奔驰在为 SiC 车型即将规模化量产做准备。
另外在 1 月 28 日，有消息称 2024 款起亚 EV9 电动汽车将沿用现代汽车集团的 E-GMP 平台。
这个平台将搭载新型 SiC 功率模块，拥有 800V 充电能力，可在 18 分钟内充满电；E-GMP BEV 平台的后轮电机逆变器的功率模块也采用了碳化硅技术，可使续航里程增加 5%。
碳化硅好在哪？
SiC 是第三代半导体材料。作为宽禁带半导体材料的一种，SiC 与硅基（Si）的主要差别在禁带宽度，这让同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的 10%，能量损失减少了 3/4，因而成为制备高压及高频器件新的衬底材料。
与 Si 器件相比，SiC 功率器件能有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。SiC 功率器件的能量损耗/发热量仅为 Si 器件的 50%，同时还能有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC 功率模块的体积显著小于 Si 功率模块。
以智能功率模块 IPM（Intelligent Power Module）为例，利用 SiC 功率器件，其模块体积可缩小至 Si 功率模块的 1/3-2/3。
目前，全球超过 95% 的半导体元件，都以第一代半导体材料硅作为基础功能材料（即硅基材料）。随着电动车、5G 等新应用兴起，硅基半导体受限硅材料的物理性质，在性能上有不易突破的瓶颈，因此以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料开始受到重视。
在第三代半导体材料中，SiC 具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，可应用于 1200 伏特以上的高压环境，因此在严苛环境中有着明显优势。
同时，SiC 晶体因其与外延层材料 GaN 具有高匹配的晶格常数和热膨胀系数及良好的热导率，是 GaN 基器件的理想衬底材料。
其中，SiC 衬底加工技术是器件制作的重要基础，其表面加工的质量和精度的优劣，直接影响外延薄膜的质量及其器件的性能。因此，在应用中均要求晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤，表面粗糙度值达纳米级以下。
然而，由于 SiC 晶体具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，这使得 SiC 晶片的加工变得非常困难。
SiC 单晶片的生成和超精密加工工艺，按照技术顺序，主要经历以下数个过程：原料合成—晶体生长—晶锭加工—定向切割—晶片研磨（精/粗）—晶片抛光（机械/超精密 - 化学机械）—晶片检测—晶片清洗。
SiC 长晶环节制造成本高且工艺难度大，晶体生长效率极低，生长速度仅 0.2-0.3mm/h；在生长过程中，升温降温速度缓慢：一个长晶炉一周内仅能长 2cm 厚度的碳化硅晶棒。
就技术特性看，SiC 技术难点主要集中在长晶、外延、器件可靠性及验证上。SiC 衬底从样品到稳定批量供货大约需要 5 年时间；若再叠加车规级器件的长验证周期，车规级 SiC 功率器件市场的进入壁垒相对较高，故需要提前布局：比如 Wolfspeed 和奔驰、积塔半导体和吉利、安森美与大众集团，关于 SiC 的合作落地，都不是现在，而在未来。
目前，越来越多的半导体技术公司对 SiC 器件加大投入，比如国外的 ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、InfineonTechnologies、Littelfuse 和 Ascatron 等，国内如泰科天润、基本半导体、上海瞻芯电子、杨杰科技、芯光润泽和瑞能半导体等。
博世等巨头的动作
如此众多的玩家集体参与 SiC 市场，只因这块市场的规模巨大。
据罗姆半导体预测，到 2025 年，SiC 功率器件市场规模将从 2020 年的 7.1 亿美元，快速增长到 25.6 亿美元，年复合增长率达 36%。
电动汽车将成为 SiC 市场爆发的核心推动力，这也是 SiC 功率器件的主要增长市场和爆发点。
据罗姆半导体测算，2025 年，应用在电动汽车中的 SiC 功率器件，市场规模将达到 15.5 亿美元，占比达 61%；电机控制器的 SiC 比率将从 2023 年开始加速上升，渗透率将从 2022 年的 9% 增长到 25%，预计 2025 年 SiC 电机控制器的渗透率将高达 40%。
据此，罗姆半导体将大幅扩产，以缓解车企的缺芯难题。2025 年内罗姆半导体会将生产线和产能方面的投资增加 3 倍左右，总投资金额将扩大到 1700 亿日元（约折合人民币 85 亿元），产能提升到 2021 年 6 倍。
借助市场规模迅速起量和产能扩充，罗姆半导体的目标计划是在 2025 财年将 SiC 销售额要增加 1000 亿日元（约 50 亿人民币），目标是将其 SiC 全球市场份额从 14% 提高到 30%。
除了罗姆半导体，全球汽车零部件巨头博世集团在国内，也在做布局。
1 月 12 日，苏州工业园区发布消息称，博世的新能源汽车核心部件及自动驾驶研发制造基地项目签约仪式在苏州举行。
博世新项目总投资超 10 亿美元（约合人民币 67.4 亿元），计划 2024 年首期启用，将主要围绕新能源汽车核心部件，包括商用车电动化所需的配备了新一代碳化硅功率模块单元的电驱产品、新一代智能集成制动系统 IPB2.0、智能解耦制动系统，以及博世中国高阶智能驾驶解决方案在内的多款自动驾驶核心技术进行研发和生产。
2022 年 7 月，博世控股子公司联合汽车电子举行了太仓工厂二期项目建设启动仪式，预计 2023 年 5 月中旬完工，建成后将新增 2 条电机生产线、1 条电桥生产线和 3 条功率模块生产线。其中，最新一代的扁线电机和碳化硅功率模块将在该座工厂二期生产。
太仓工厂是联合电子新能源产品的生产基地，主要生产电桥、功率模块、电机等产品。该工厂一期项目已于 2018 年 8 月交付生产。投产至今，太仓厂已生产约 25 万台电桥、38 万件功率模块和超过 100 万台的电机产品。
目前，联合汽车电子是蔚来、理想、大众、通用、比亚迪、长安、奇瑞和长城等主机厂的重要供应商。