#微博新知博主##新能源汽车[超话]# 减重量、增续航还更结实，特斯拉一体压铸技术真的那么好？
续航是电动汽车永远绕不过去的坎。
电动汽车续航里程需求不断增强，电动汽车搭载电池的容量也在逐渐提升，现有的能量密度下，容量提升意味着重量的提升，而重量提升反过来影响续航，如此，很有必要从其他方面去弥补电池容量提升带来的重量增加。
而电动汽车除了电池之外，车身是占有很大一部分的重量，因此，如何打造更加轻量化的车身成为了众多新能源车辆企业研究热点。率先进入纯电动汽车领域的特斯拉也不列外，它进行了多方面的研究和实践，其中就包括改进车身加工工艺。
传统工艺是将汽车车身分成多个零部件进行生产后，然后再通过产线工人或者机器人进行焊接或者铆接，从而组装形成白车身。
而特斯拉在这方面探索了不同的方法，那就是一体压铸技术。在2020年，特斯拉CEO埃隆-马斯克曾说Model Y将是“汽车车身工程的一场革命”，而目前看来，Model Y的车身制造确实与传统车身制造“大不相同”——Model Y是特斯拉首次使用一体压铸技术的车型。
我们先来介绍一下什么是压铸技术。
压铸类似于注塑成型，是将金属熔液通过高压，快速注入模具的一种精密铸造方法。通过其介绍我们可以看出其涉及原材料，压铸机器，模具，当然这里面还有一个很重要的东西，那就是加工工艺。这四个方面就是一体压铸技术的主要组成要素。
材料方面，目前各大新能源车企大都采用铝合金车身，铝合金是目前实现车身轻量化性价比最高的材料，Model Y也不例外，并且特斯拉申请了一项专利，名为“用于结构部件的压铸铝合金”，其中描述了一种既坚固又具有出色延展性的铝合金，该铝合金无需进一步加工，可以显著降低生产成本。可见特斯拉已经掌握了材料的配方，提前为一体化压铸做好了功课。
压铸机器方面，目前无论是上海工厂还是德国工厂，特斯拉都装备了6000吨的大型压铸机。早在2019年，特斯拉就申请了“用于车架和相关方法的多方向一体式铸造机”专利，该专利描述的是一台多向铸造机，其可用于铸造一体式车身，更具体地说，是用于制造电动车的一体式车身。车身的多个部分可以一体化制造，不需要进一步的组装和焊接。可见特斯拉也是提前谋划布局了。
与其他铸造工艺相比，压铸工艺特性主要体现在“高速充型与高压凝固”上，在温度、真空、成型方案、工艺参数、后处理等方面都比传统铸造工艺存在更高要求。
因而相比普通压铸的模具，一体化压铸模具更复杂，由于铝合金本身强度和韧性都很好，而要想对其进行压铸，其模具要具备更高的强度及韧性。压铸工艺对生产合格的汽车结构件十分重要，这个压铸过程全工艺要素均有较高要求，任何一个环节出现问题，都可能会造成铸件存在缺陷，影响铸件的本体品质，降低力学性能。
介绍完一体化压铸技术，那我们看看他给Model Y带来了那些提升。
首先，一体化压铸技术能够缩短工时，提升效率。
传统生产过程需要冲压，焊接组装过程需要许多道复杂的程序才能完成，而采用一体化压铸技术，将前面复杂的过程全部简化，基本上压铸完成后，经过少量焊接组装就完成了。
其次，一体化压铸将降低铝车身制造成本。
降低成本主要是减少了工序，从而减少人工或者自动化机器人数量，从而减少人工成本，其次是一体化压铸技术提高了铝合金材料的利用率。2020年特斯拉公布Model Y一体化压铸后地板方案，可将零件个数由70个减少至1~2个；而目前特斯拉一体化压铸已经扩展到前&后地板，可将前&后地板零部件数量从171个减少至2个，焊接点数量减少超1600个。
对于车辆本身来说，因为减少了冲压和焊接工序，焊点减少，那就减少了零部件松动的可能，所以可以很大程度上避免车身异响的问题；对于安全性来说，高度集成的模块化设计和一体成型工艺也会带来整体结构强度的提升，发生碰撞时的车身安全性也将得到显著地提高。
特斯拉公布的数据显示，通过第三代圆柱电芯技术、电池包即底盘和一体化压铸车身，三者结合实现了 10% 的轻量化，续航提升14% ，这是非常难得的。
一体化压铸工艺可以说带来一场汽车制造的变革，作为较早进入纯电动汽车领域的特斯拉，对推动电动汽车先进技术发展发挥了积极作用，进入中国市场后，对中国新能源汽车市场发挥了很好的鲶鱼效应，促生了一大批造车企业。
而作为“鲶鱼”，自然也有很多过人之处，给国内带来了不少先进制造技术。
目前在国内汽车企业也都开始引入一体化压铸生产技术，如蔚来与文灿合作的ET5一体化压铸车身后地板，小鹏汽车携手广东鸿图一体化压铸底盘一体化结构件，高合汽车与拓普合作的车身后舱一体化压铸件等等。
一体化压铸确实给汽车制造企业带来巨大的好处，但凡事都有两面性，由于无论是压铸用的材料，还是大型的压铸机，以及加工工艺，都是有着很高的门槛，前期十分烧钱，对企业来说也是风险很高。而对于我们消费者来说呢，一体化压铸技术大大减少了车上的零部件数量，全部是由较大部件组成车身整体，一旦发生交通事故，车身造成损坏，那需要更换的将是一个大部件，维修成本必然直线上升，而且可能一个小小的碰撞，导致了车身大块结构件的更换，而产生的费用肯定也是非常高。
作为普通消费者，我们希望得到的不仅仅是安全，也希望能花更少的钱获得更好的车。一体化压铸技术毕竟首次使用，要想进一步验证一体化压铸技术能否在Model Y中成熟可靠使用，可能还需要观察一段时间。
续航是电动汽车永远绕不过去的坎。
电动汽车续航里程需求不断增强，电动汽车搭载电池的容量也在逐渐提升，现有的能量密度下，容量提升意味着重量的提升，而重量提升反过来影响续航，如此，很有必要从其他方面去弥补电池容量提升带来的重量增加。
而电动汽车除了电池之外，车身是占有很大一部分的重量，因此，如何打造更加轻量化的车身成为了众多新能源车辆企业研究热点。率先进入纯电动汽车领域的特斯拉也不列外，它进行了多方面的研究和实践，其中就包括改进车身加工工艺。
传统工艺是将汽车车身分成多个零部件进行生产后，然后再通过产线工人或者机器人进行焊接或者铆接，从而组装形成白车身。
而特斯拉在这方面探索了不同的方法，那就是一体压铸技术。在2020年，特斯拉CEO埃隆-马斯克曾说Model Y将是“汽车车身工程的一场革命”，而目前看来，Model Y的车身制造确实与传统车身制造“大不相同”——Model Y是特斯拉首次使用一体压铸技术的车型。
我们先来介绍一下什么是压铸技术。
压铸类似于注塑成型，是将金属熔液通过高压，快速注入模具的一种精密铸造方法。通过其介绍我们可以看出其涉及原材料，压铸机器，模具，当然这里面还有一个很重要的东西，那就是加工工艺。这四个方面就是一体压铸技术的主要组成要素。
材料方面，目前各大新能源车企大都采用铝合金车身，铝合金是目前实现车身轻量化性价比最高的材料，Model Y也不例外，并且特斯拉申请了一项专利，名为“用于结构部件的压铸铝合金”，其中描述了一种既坚固又具有出色延展性的铝合金，该铝合金无需进一步加工，可以显著降低生产成本。可见特斯拉已经掌握了材料的配方，提前为一体化压铸做好了功课。
压铸机器方面，目前无论是上海工厂还是德国工厂，特斯拉都装备了6000吨的大型压铸机。早在2019年，特斯拉就申请了“用于车架和相关方法的多方向一体式铸造机”专利，该专利描述的是一台多向铸造机，其可用于铸造一体式车身，更具体地说，是用于制造电动车的一体式车身。车身的多个部分可以一体化制造，不需要进一步的组装和焊接。可见特斯拉也是提前谋划布局了。
与其他铸造工艺相比，压铸工艺特性主要体现在“高速充型与高压凝固”上，在温度、真空、成型方案、工艺参数、后处理等方面都比传统铸造工艺存在更高要求。
因而相比普通压铸的模具，一体化压铸模具更复杂，由于铝合金本身强度和韧性都很好，而要想对其进行压铸，其模具要具备更高的强度及韧性。压铸工艺对生产合格的汽车结构件十分重要，这个压铸过程全工艺要素均有较高要求，任何一个环节出现问题，都可能会造成铸件存在缺陷，影响铸件的本体品质，降低力学性能。
介绍完一体化压铸技术，那我们看看他给Model Y带来了那些提升。
首先，一体化压铸技术能够缩短工时，提升效率。
传统生产过程需要冲压，焊接组装过程需要许多道复杂的程序才能完成，而采用一体化压铸技术，将前面复杂的过程全部简化，基本上压铸完成后，经过少量焊接组装就完成了。
其次，一体化压铸将降低铝车身制造成本。
降低成本主要是减少了工序，从而减少人工或者自动化机器人数量，从而减少人工成本，其次是一体化压铸技术提高了铝合金材料的利用率。2020年特斯拉公布Model Y一体化压铸后地板方案，可将零件个数由70个减少至1~2个；而目前特斯拉一体化压铸已经扩展到前&后地板，可将前&后地板零部件数量从171个减少至2个，焊接点数量减少超1600个。
对于车辆本身来说，因为减少了冲压和焊接工序，焊点减少，那就减少了零部件松动的可能，所以可以很大程度上避免车身异响的问题；对于安全性来说，高度集成的模块化设计和一体成型工艺也会带来整体结构强度的提升，发生碰撞时的车身安全性也将得到显著地提高。
特斯拉公布的数据显示，通过第三代圆柱电芯技术、电池包即底盘和一体化压铸车身，三者结合实现了 10% 的轻量化，续航提升14% ，这是非常难得的。
一体化压铸工艺可以说带来一场汽车制造的变革，作为较早进入纯电动汽车领域的特斯拉，对推动电动汽车先进技术发展发挥了积极作用，进入中国市场后，对中国新能源汽车市场发挥了很好的鲶鱼效应，促生了一大批造车企业。
而作为“鲶鱼”，自然也有很多过人之处，给国内带来了不少先进制造技术。
目前在国内汽车企业也都开始引入一体化压铸生产技术，如蔚来与文灿合作的ET5一体化压铸车身后地板，小鹏汽车携手广东鸿图一体化压铸底盘一体化结构件，高合汽车与拓普合作的车身后舱一体化压铸件等等。
一体化压铸确实给汽车制造企业带来巨大的好处，但凡事都有两面性，由于无论是压铸用的材料，还是大型的压铸机，以及加工工艺，都是有着很高的门槛，前期十分烧钱，对企业来说也是风险很高。而对于我们消费者来说呢，一体化压铸技术大大减少了车上的零部件数量，全部是由较大部件组成车身整体，一旦发生交通事故，车身造成损坏，那需要更换的将是一个大部件，维修成本必然直线上升，而且可能一个小小的碰撞，导致了车身大块结构件的更换，而产生的费用肯定也是非常高。
作为普通消费者，我们希望得到的不仅仅是安全，也希望能花更少的钱获得更好的车。一体化压铸技术毕竟首次使用，要想进一步验证一体化压铸技术能否在Model Y中成熟可靠使用，可能还需要观察一段时间。
【又一国产芯逆袭之门！特斯拉带飞，国内多位大佬谈碳化硅 如何跑得更快更远 - 原创 ZeR0 芯东西 2022-7-04 发表于北京】
碳化硅SiC的春天，终于来了！
“双碳”战略开启了新能源转换黄金时代，也开启了功率半导体发展的黄金时代。这一趋势下，拥有优越性能的碳化硅，正成为功率器件的宠儿。用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，能极大提高能量转化效率，大概会降低75%以上的能量损耗。其经济效益毋庸置疑是巨大的。
这个被特斯拉带飞的第三代半导体材料，正迎来爆发式增长。国家政策也在大力扶持：“十四五”规划和二〇三五远景目标纲要，明确指出“支持碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”。
随着新能源汽车、人工智能、光伏风能发电、大数据、5G通信等一系列新应用领域的出现，以碳化硅为代表的第三代半导体正呈现蓬勃之势。
相比硅和砷化镓等半导体材料，在碳化硅等第三代半导体领域，我国与国际巨头之间的整体技术差距相对更小，更有希望实现换道超车，降低国际供应链的风险。
但与此同时，国内碳化硅产业链发展仍面临重重挑战，任重道远。当下国内碳化硅半导体的单晶材料、衬底、器件研发面临哪些核心痛点？接下来产业链发展还需怎样的助力？
在6月26日举行的“2022中国·南沙国际集成电路产业论坛”宽禁带半导体论坛上，山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授，广东芯粤能CTO相奇，中电化合物董事潘尧波，上海瞻芯电子CTO陈俭等专家发表主题演讲，分享了来自产业一线的观察和思考。
1. 碳化硅爆发式增长新能源汽车成主战场
碳化硅材料有半绝缘型和导电型两种衬底。半绝缘型主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域；导电型主要用于制造功率器件，用在以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，这也是当前碳化硅的主赛道。
第一个吃螃蟹的是马斯克的特斯拉。特斯拉Model 3率先将意法（ST）的碳化硅MOSFET功率模块应用到负责控制电动机的主逆变器中，证明了碳化硅技术足够成熟，并具有显著优势。
上海瞻芯电子CTO陈俭将“特斯拉的Model 3”类比“2007年的iPhone 4”，这是他决心离开做了21年的硅、转向碳化硅行业的原因。他回忆道，2014~2015年的碳化硅模块，据称已经将功率提高10%、体积缩小57%、重量降低40%，而现在比当时做得还要好。
新能源汽车的爆发，引发了一波碳化硅的“上车潮”。
特斯拉、保时捷、比亚迪汉、现代等纷纷在上碳化硅，碳化硅逐渐成为了高端汽车的标配；国内小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出碳化硅模块；宇通客车、上汽、北汽也在做这方面的筹备工作，而且商用车领域更容易导入一些新技术。
据法国知名行业咨询机构Yole预测，2022年车用碳化硅器件占比达68.8%，到2025年碳化硅功率器件的市场规模有望增至25.62亿美元，复合年增长率约30%。碳化硅之所以适合做功率器件，根由在于其材料性能。
碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，热导率是硅的3倍，电子饱和速率是硅的2倍，最重要的是临界击穿电场是硅的8-10倍。因此，碳化硅器件有耐高温、低导通电阻、开关速度快、耐高压等特点，使得碳化硅系统更小、更轻、能效更高、驱动力更强。
广东芯粤能CTO相奇分享了一组预测数据，到2030年，中国大陆年度用电总量将超过10.5万亿度，如果用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，那么每年可以节约上万亿度的电，这一数目，相当于10个三峡大坝的年发电总量。
到2030年，新能源车的销售量将增长9倍，光伏的装机量将增长5倍，碳化硅将大有用武之地。再加上缺货浪潮的助推，如今进口材料供货紧俏、一再延期，倘若国内碳化硅材料供应商发力赶上，这将为国产材料的导入打开一个突破口。
2. 8英寸时代到来但量产还要等三四年
碳化硅产业链覆盖从最上游的碳化硅粉，到晶锭、衬底、外延，再到晶圆，以及封装后的单管和模块，最后到交付应用。这种半导体材料的历史，最早可追溯至1885年，瑞典科学家发明了碳化硅生长装置，将核心原材料沙子和木炭加热到1500℃左右，通过导电，引发自蔓延反应，得到碳化硅单晶。但此前因材料技术和设备的限制，碳化硅长期没有发展起来。山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授介绍说，碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段：第一阶段是90年代光电应用，碳化硅作为衬底，成功应用在光电领域；第二阶段是微波电子，我国做的已经不比国外差；第三阶段是功率电子应用，希望上下游通力合作，在这方面赶超国外。经过30多年的研发，国内碳化硅研究已具备一定条件，可以为器件研发提供衬底材料。
碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。国外在十年前突破了6英寸衬底技术，在“十三五”期间攻克了8英寸衬底技术。国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产，全球首条8英寸晶圆工厂已经通线，很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂。在产业化方面，国内碳化硅企业已完成4-6英寸的升级。徐现刚教授谈道，目前国内已有8英寸碳化硅，与国际差距在2~3年之内，这个差距会越来越小。国内4英寸碳化硅晶体在2010年出现，从2017年4英寸导电衬底开始批量销售，中间间隔7年时间；国内6英寸批量销售是2019年，从研发开始也用了三四年。
中电化合物董事潘尧波判断，4寸的量会越来越少，6寸是当前主流，8寸是发展趋势，8英寸如果今年出来，按以往时间周期推演，需要等到2025年、2026年才能导入量产。
在他看来，“8英寸时代到来”还面临一些挑战，包括籽晶依赖于扩径、晶体良率、晶体质量、8英寸衬底加工、成本、生态等方面的问题，希望产业上下游紧密协同来解决问题。据他分析，根据中国电子材料协会统计数据，目前国内碳化硅规划投资300亿元，规划年产能200万片。2020年全国碳化硅产量约11万片，其中还包括很大一部分4英寸产量。规划的产能存在一定水分，规划的投资量偏大，实际落地的投资量有衰减，所以规划产能大于落地产能。从产能到产量，涉及到良率、成本、设备问题，据其统计，目前国内的长晶炉超过3000台，但实际供货量很少，今年6英寸的量大概率能超10万片，不过离需求情况还有很大的差距。汽车对材料有非常高的可靠性要求，这就引申到材料质量需要更高的要求，国内很多材料还在验证中，能满足车规级要求的占比不高。因此潘尧波判断，碳化硅材料，特别是车规级材料，会长期偏紧。他建议8英寸的扩展可以适当慢一点，如果材料供应不及却投了大量设备，这些产能则会空置，将导致产生很多投资的成本。
3.国内产业链面临的外忧与内患
目前碳化硅材料和功率器件都主要由海外企业垄断。器件方面，五家头部企业来自欧洲、日本、美国，合计市占率约90%；材料方面的垄断更加集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面领先衬底市场，Wolfspeed和昭和电工两巨头几乎垄断外延片市场。国内碳化硅产业链则相对集中在长三角、京津冀和粤港澳大湾区。
相奇认为，国内碳化硅产业链面临着全面挑战：
1、碳化硅材料。
国内长晶技术和国际先进水平仍有距离，8英寸至少还需要2~3年才能追赶并突破，带动外延的发展。目前技术相对成熟，但设备还需要依赖于进口。
2、器件设计。
受限于制造工艺水平，材料优势没有被充分发挥，包括器件结构的优化创新，因为工艺能力的限制比较欠缺，生态也有待完善。
3、器件制造。
首先，衬底外延成本占比高，合资占比大概超过了50%；其次，器件良率受限于材料的缺陷及质量；其三，缺乏大规模的生产平台，过去碳化硅的规模相对较小，生产模式基本是实验室和小规模的小作坊模式；其四，专业设备还需要依赖于进口。
4、模组封装。
需找到更耐高温的封装材料，因为封装尺寸更小，散热及可靠性的要求更高。
5、汽车厂商。
问题是“缺芯”，尤其是“缺中国芯”。他总结道，国内碳化硅产业的强项是产业链较完整，弱项是现在成本还很高，尤其是在材料方面需要一些突破，其次是国产设备很少，专业设备还需依赖进口。我国的碳化硅产业链发展还需要平衡，才能与国外巨头进行竞争。
为什么碳化硅这么贵？
潘尧波解释说，碳化硅的成本很高，晶体存在质量、尺寸、厚度、良率、成本等痛点，且部分石墨依赖进口，供应紧张。碳化硅是硬脆材料，硬度仅次于金刚石，加工难度较大。
简单的衬底加工工序是从晶锭出来，做多线切割，做倒角，然后做研磨、CMP、清洗、检验，最后出货。其中切碳化硅，6英寸切一刀需要120小时左右，8英寸切一刀需要200小时左右，中间不能出任何差错，否则对切的质量会造成很大的影响。
相对于衬底，碳化硅外延技术门槛低一点，但也存在4个主要痛点：
1、进口外延设备交期长。
全球有4家进口主流供应商，国内主要采用的是3家，目前交期很长，有的甚至要60个月，即需五年时间。现在做碳化硅外延设备的有六七家，有的设备经过了批量销售，接下来国产化外延设备会进入产业主流。
2、外延的三个核心参数（缺陷、浓度、厚度）等检测设备依赖进口，交期长。目前国内缺陷领域有一家在demo过程中。
3、外延设备的单台产能低，每月仅300片左右，这个数量很低，可能会有新的设备和路线出来。
4、备件耗材寿命短，成本高。
外延过程经常要做保养，备件过程中会沉淀一些碳化硅颗粒，对碳化硅外延缺陷造成很大影响，所以备件耗材的生命比较短，一定程度上影响了碳化硅的产量。
在碳化硅器件方面，相奇分享了他观察到的一些趋势：
首先，沟槽MOSFET结构创新备受关注，已有多款沟槽器件产业化、商品化，且沟槽器件结构变化多端，创新空间变化也很大；
再者界面质量导致迁移率低，亟待技术突破，碳化硅器件的优势还没完全发挥出来，需利用新技术、新材料，提高界面质量和迁移率，提高可靠性。
除此之外，万伏千安智能电网需要超高压器件，所以超高压的MOSFET和超高压的IGBT也是器件研发的另一个方向。
有了大规模量产的平台、众多设计公司后，器件设计和制造生态系统则呼之欲出，从而提供一个桥梁，使得设计公司和量产平台能更好、更有效地合作。
4. “最根本的，是要做产业链的创新”
最后，陈俭分享了他看到的碳化硅产业潜力。
首先看定位。Yole数据显示，碳化硅从“三高”（高端、高频、高压）打入，慢慢蚕食硅IGBT市场。“我觉得这是「城市进入农村」的方式，做降维打击，成本做好，它是具有品牌效应的，这是势无可挡的应用。”陈俭说。
其次，上下游要协调好关系。下游车厂希望客户交货更快，现在有的周期要一年的时间，快则要6-7个月，太长了。
其三，价格要低，质量好，配合好。随叫随到是本土化优势，但质量还有待提高。上游会担心投资有没有希望、定价是否合理、付款方式好不好等问题。
至于上下游怎么协调？
陈俭认为，首先，下游需要明确的态度，要拓展应用，把市场做大，这是共赢之选；第二，上游要加大投资，给下游确保能供货且价格合理的信心；第三，有了技术，资金和人才才会加入。
在上游，现在SBD在充电桩领域的应用，市场不是红海了，是血海，卖的成本非常低，所以自己做器件、材料的厂商，要把碳化硅MOSFET的应用拓展起来。
只要有技术，碳化硅MOSFET做得好，市场还是很大的，SDB要区分于市场来做，价格要慢慢回归市场。技术进步需要时间，两三年之内很难做出很大的改善。
因此他们初步判断，大概在2024年前，衬底都是比较紧张的，外延则可能好一点，到2025年可能会缓解，但真正落实要到2026年，市场也可能会比预想得快，到时候又有一轮紧张。
在陈俭看来，最根本的，是要做产业链的创新，包括衬底技术、外延技术、Fab工艺、封装、碳化硅专用设备以及应用端的创新。
此外，他认为还需对创新者予以保护。首先做好专利布局；其次实现利益共享，定价机制要合理；第三，创新方要换位思考，要引入资金和推动标准建立；第四，尊重知识产权，抵制反授权，从法律层面保护创新者；第五，建立像IMEC一样的第三方合作开发平台。
5. 结语：碳化硅春天已至国产供应链迎新机遇
陈俭认为：碳化硅的春天来了，当前第三代半导体的碳化硅和氮化镓则比较火热，成长速度远超硅基功率器件。但还有很多挑战，要上下游共同共勉，以创新制胜，知识产权也要保驾护航。
徐现刚教授看来，碳化硅取得了新机遇，这么重要的材料，要降低国际供应链的风险性，对于进入国产和试用是非常好的机遇。
潘尧波亦判断：碳化硅产业处于成长期，在光伏、LED、硅产业等产业，新玩家会不断涌入，新技术会不断出现，这将给后来企业很多新机会。
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碳化硅SiC的春天，终于来了！
“双碳”战略开启了新能源转换黄金时代，也开启了功率半导体发展的黄金时代。这一趋势下，拥有优越性能的碳化硅，正成为功率器件的宠儿。用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，能极大提高能量转化效率，大概会降低75%以上的能量损耗。其经济效益毋庸置疑是巨大的。
这个被特斯拉带飞的第三代半导体材料，正迎来爆发式增长。国家政策也在大力扶持：“十四五”规划和二〇三五远景目标纲要，明确指出“支持碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”。
随着新能源汽车、人工智能、光伏风能发电、大数据、5G通信等一系列新应用领域的出现，以碳化硅为代表的第三代半导体正呈现蓬勃之势。
相比硅和砷化镓等半导体材料，在碳化硅等第三代半导体领域，我国与国际巨头之间的整体技术差距相对更小，更有希望实现换道超车，降低国际供应链的风险。
但与此同时，国内碳化硅产业链发展仍面临重重挑战，任重道远。当下国内碳化硅半导体的单晶材料、衬底、器件研发面临哪些核心痛点？接下来产业链发展还需怎样的助力？
在6月26日举行的“2022中国·南沙国际集成电路产业论坛”宽禁带半导体论坛上，山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授，广东芯粤能CTO相奇，中电化合物董事潘尧波，上海瞻芯电子CTO陈俭等专家发表主题演讲，分享了来自产业一线的观察和思考。
1. 碳化硅爆发式增长新能源汽车成主战场
碳化硅材料有半绝缘型和导电型两种衬底。半绝缘型主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域；导电型主要用于制造功率器件，用在以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，这也是当前碳化硅的主赛道。
第一个吃螃蟹的是马斯克的特斯拉。特斯拉Model 3率先将意法（ST）的碳化硅MOSFET功率模块应用到负责控制电动机的主逆变器中，证明了碳化硅技术足够成熟，并具有显著优势。
上海瞻芯电子CTO陈俭将“特斯拉的Model 3”类比“2007年的iPhone 4”，这是他决心离开做了21年的硅、转向碳化硅行业的原因。他回忆道，2014~2015年的碳化硅模块，据称已经将功率提高10%、体积缩小57%、重量降低40%，而现在比当时做得还要好。
新能源汽车的爆发，引发了一波碳化硅的“上车潮”。
特斯拉、保时捷、比亚迪汉、现代等纷纷在上碳化硅，碳化硅逐渐成为了高端汽车的标配；国内小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出碳化硅模块；宇通客车、上汽、北汽也在做这方面的筹备工作，而且商用车领域更容易导入一些新技术。
据法国知名行业咨询机构Yole预测，2022年车用碳化硅器件占比达68.8%，到2025年碳化硅功率器件的市场规模有望增至25.62亿美元，复合年增长率约30%。碳化硅之所以适合做功率器件，根由在于其材料性能。
碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，热导率是硅的3倍，电子饱和速率是硅的2倍，最重要的是临界击穿电场是硅的8-10倍。因此，碳化硅器件有耐高温、低导通电阻、开关速度快、耐高压等特点，使得碳化硅系统更小、更轻、能效更高、驱动力更强。
广东芯粤能CTO相奇分享了一组预测数据，到2030年，中国大陆年度用电总量将超过10.5万亿度，如果用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，那么每年可以节约上万亿度的电，这一数目，相当于10个三峡大坝的年发电总量。
到2030年，新能源车的销售量将增长9倍，光伏的装机量将增长5倍，碳化硅将大有用武之地。再加上缺货浪潮的助推，如今进口材料供货紧俏、一再延期，倘若国内碳化硅材料供应商发力赶上，这将为国产材料的导入打开一个突破口。
2. 8英寸时代到来但量产还要等三四年
碳化硅产业链覆盖从最上游的碳化硅粉，到晶锭、衬底、外延，再到晶圆，以及封装后的单管和模块，最后到交付应用。这种半导体材料的历史，最早可追溯至1885年，瑞典科学家发明了碳化硅生长装置，将核心原材料沙子和木炭加热到1500℃左右，通过导电，引发自蔓延反应，得到碳化硅单晶。但此前因材料技术和设备的限制，碳化硅长期没有发展起来。山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授介绍说，碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段：第一阶段是90年代光电应用，碳化硅作为衬底，成功应用在光电领域；第二阶段是微波电子，我国做的已经不比国外差；第三阶段是功率电子应用，希望上下游通力合作，在这方面赶超国外。经过30多年的研发，国内碳化硅研究已具备一定条件，可以为器件研发提供衬底材料。
碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。国外在十年前突破了6英寸衬底技术，在“十三五”期间攻克了8英寸衬底技术。国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产，全球首条8英寸晶圆工厂已经通线，很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂。在产业化方面，国内碳化硅企业已完成4-6英寸的升级。徐现刚教授谈道，目前国内已有8英寸碳化硅，与国际差距在2~3年之内，这个差距会越来越小。国内4英寸碳化硅晶体在2010年出现，从2017年4英寸导电衬底开始批量销售，中间间隔7年时间；国内6英寸批量销售是2019年，从研发开始也用了三四年。
中电化合物董事潘尧波判断，4寸的量会越来越少，6寸是当前主流，8寸是发展趋势，8英寸如果今年出来，按以往时间周期推演，需要等到2025年、2026年才能导入量产。
在他看来，“8英寸时代到来”还面临一些挑战，包括籽晶依赖于扩径、晶体良率、晶体质量、8英寸衬底加工、成本、生态等方面的问题，希望产业上下游紧密协同来解决问题。据他分析，根据中国电子材料协会统计数据，目前国内碳化硅规划投资300亿元，规划年产能200万片。2020年全国碳化硅产量约11万片，其中还包括很大一部分4英寸产量。规划的产能存在一定水分，规划的投资量偏大，实际落地的投资量有衰减，所以规划产能大于落地产能。从产能到产量，涉及到良率、成本、设备问题，据其统计，目前国内的长晶炉超过3000台，但实际供货量很少，今年6英寸的量大概率能超10万片，不过离需求情况还有很大的差距。汽车对材料有非常高的可靠性要求，这就引申到材料质量需要更高的要求，国内很多材料还在验证中，能满足车规级要求的占比不高。因此潘尧波判断，碳化硅材料，特别是车规级材料，会长期偏紧。他建议8英寸的扩展可以适当慢一点，如果材料供应不及却投了大量设备，这些产能则会空置，将导致产生很多投资的成本。
3.国内产业链面临的外忧与内患
目前碳化硅材料和功率器件都主要由海外企业垄断。器件方面，五家头部企业来自欧洲、日本、美国，合计市占率约90%；材料方面的垄断更加集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面领先衬底市场，Wolfspeed和昭和电工两巨头几乎垄断外延片市场。国内碳化硅产业链则相对集中在长三角、京津冀和粤港澳大湾区。
相奇认为，国内碳化硅产业链面临着全面挑战：
1、碳化硅材料。
国内长晶技术和国际先进水平仍有距离，8英寸至少还需要2~3年才能追赶并突破，带动外延的发展。目前技术相对成熟，但设备还需要依赖于进口。
2、器件设计。
受限于制造工艺水平，材料优势没有被充分发挥，包括器件结构的优化创新，因为工艺能力的限制比较欠缺，生态也有待完善。
3、器件制造。
首先，衬底外延成本占比高，合资占比大概超过了50%；其次，器件良率受限于材料的缺陷及质量；其三，缺乏大规模的生产平台，过去碳化硅的规模相对较小，生产模式基本是实验室和小规模的小作坊模式；其四，专业设备还需要依赖于进口。
4、模组封装。
需找到更耐高温的封装材料，因为封装尺寸更小，散热及可靠性的要求更高。
5、汽车厂商。
问题是“缺芯”，尤其是“缺中国芯”。他总结道，国内碳化硅产业的强项是产业链较完整，弱项是现在成本还很高，尤其是在材料方面需要一些突破，其次是国产设备很少，专业设备还需依赖进口。我国的碳化硅产业链发展还需要平衡，才能与国外巨头进行竞争。
为什么碳化硅这么贵？
潘尧波解释说，碳化硅的成本很高，晶体存在质量、尺寸、厚度、良率、成本等痛点，且部分石墨依赖进口，供应紧张。碳化硅是硬脆材料，硬度仅次于金刚石，加工难度较大。
简单的衬底加工工序是从晶锭出来，做多线切割，做倒角，然后做研磨、CMP、清洗、检验，最后出货。其中切碳化硅，6英寸切一刀需要120小时左右，8英寸切一刀需要200小时左右，中间不能出任何差错，否则对切的质量会造成很大的影响。
相对于衬底，碳化硅外延技术门槛低一点，但也存在4个主要痛点：
1、进口外延设备交期长。
全球有4家进口主流供应商，国内主要采用的是3家，目前交期很长，有的甚至要60个月，即需五年时间。现在做碳化硅外延设备的有六七家，有的设备经过了批量销售，接下来国产化外延设备会进入产业主流。
2、外延的三个核心参数（缺陷、浓度、厚度）等检测设备依赖进口，交期长。目前国内缺陷领域有一家在demo过程中。
3、外延设备的单台产能低，每月仅300片左右，这个数量很低，可能会有新的设备和路线出来。
4、备件耗材寿命短，成本高。
外延过程经常要做保养，备件过程中会沉淀一些碳化硅颗粒，对碳化硅外延缺陷造成很大影响，所以备件耗材的生命比较短，一定程度上影响了碳化硅的产量。
在碳化硅器件方面，相奇分享了他观察到的一些趋势：
首先，沟槽MOSFET结构创新备受关注，已有多款沟槽器件产业化、商品化，且沟槽器件结构变化多端，创新空间变化也很大；
再者界面质量导致迁移率低，亟待技术突破，碳化硅器件的优势还没完全发挥出来，需利用新技术、新材料，提高界面质量和迁移率，提高可靠性。
除此之外，万伏千安智能电网需要超高压器件，所以超高压的MOSFET和超高压的IGBT也是器件研发的另一个方向。
有了大规模量产的平台、众多设计公司后，器件设计和制造生态系统则呼之欲出，从而提供一个桥梁，使得设计公司和量产平台能更好、更有效地合作。
4. “最根本的，是要做产业链的创新”
最后，陈俭分享了他看到的碳化硅产业潜力。
首先看定位。Yole数据显示，碳化硅从“三高”（高端、高频、高压）打入，慢慢蚕食硅IGBT市场。“我觉得这是「城市进入农村」的方式，做降维打击，成本做好，它是具有品牌效应的，这是势无可挡的应用。”陈俭说。
其次，上下游要协调好关系。下游车厂希望客户交货更快，现在有的周期要一年的时间，快则要6-7个月，太长了。
其三，价格要低，质量好，配合好。随叫随到是本土化优势，但质量还有待提高。上游会担心投资有没有希望、定价是否合理、付款方式好不好等问题。
至于上下游怎么协调？
陈俭认为，首先，下游需要明确的态度，要拓展应用，把市场做大，这是共赢之选；第二，上游要加大投资，给下游确保能供货且价格合理的信心；第三，有了技术，资金和人才才会加入。
在上游，现在SBD在充电桩领域的应用，市场不是红海了，是血海，卖的成本非常低，所以自己做器件、材料的厂商，要把碳化硅MOSFET的应用拓展起来。
只要有技术，碳化硅MOSFET做得好，市场还是很大的，SDB要区分于市场来做，价格要慢慢回归市场。技术进步需要时间，两三年之内很难做出很大的改善。
因此他们初步判断，大概在2024年前，衬底都是比较紧张的，外延则可能好一点，到2025年可能会缓解，但真正落实要到2026年，市场也可能会比预想得快，到时候又有一轮紧张。
在陈俭看来，最根本的，是要做产业链的创新，包括衬底技术、外延技术、Fab工艺、封装、碳化硅专用设备以及应用端的创新。
此外，他认为还需对创新者予以保护。首先做好专利布局；其次实现利益共享，定价机制要合理；第三，创新方要换位思考，要引入资金和推动标准建立；第四，尊重知识产权，抵制反授权，从法律层面保护创新者；第五，建立像IMEC一样的第三方合作开发平台。
5. 结语：碳化硅春天已至国产供应链迎新机遇
陈俭认为：碳化硅的春天来了，当前第三代半导体的碳化硅和氮化镓则比较火热，成长速度远超硅基功率器件。但还有很多挑战，要上下游共同共勉，以创新制胜，知识产权也要保驾护航。
徐现刚教授看来，碳化硅取得了新机遇，这么重要的材料，要降低国际供应链的风险性，对于进入国产和试用是非常好的机遇。
潘尧波亦判断：碳化硅产业处于成长期，在光伏、LED、硅产业等产业，新玩家会不断涌入，新技术会不断出现，这将给后来企业很多新机会。
『又一国产芯逆袭之门！特斯拉带飞，国内多位大佬谈碳化硅』https://t.cn/A6SAXrmu
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