【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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走在前 开新局|潍坊锚定“一二三”目标,把创新摆在发展全局的核心位置
激发全社会创新创业活力

□ 大众日报记者 杨学莹 张 鹏 都镇强

增强经济社会发展创新力,是一个系统工程,根本在于调动社会各方面的积极性,激发全社会创新创业活力。在落实省“十大创新”行动计划的路上,潍坊也正在努力接近“一二三”的城市目标:力争2024年地区生产总值过万亿、5年内迈入二线城市行列、跻身全国大中城市综合实力30强,加快建设人民满意的现代化品质城市。

事争一流,唯旗是夺。潍坊把创新摆在发展全局的核心位置,搭建创新平台、营造亲清政商关系、着力改善民生,让发展动力更加澎湃,让人民生活更加美好。

“国家队”带起“地方队”,企业协同搞创新

寿光市洛城街道寨里村,有个“国字号”机构——中国农业科学院寿光蔬菜研发中心。楼上做实验、出门进大棚,非常便利,吸引了中国农科院17个课题组来寿光搞育种。仅黄瓜课题组,就有9个黄瓜新品种新近申请了植物新品种权保护。

“有了这个国家级平台,有利于补足当地育种企业在分子育种、基因重组、检验测试等方面的技术短板,从源头上解决蔬菜种业原始创新能力薄弱、关键技术缺乏等问题。”寿光市农业农村局副局长马千玉说。

北京专家不可能天天在寿光,研发中心为其配备团队。这样,“国家队”带起了“地方队”。赵志伟是寿光市农业农村局副科级干部、国家大宗蔬菜产业体系寿光综合试验站负责人。2019年研发中心成立时,该站4人整体并入中心搞科研,赵志伟跟着中国农科院蔬菜花卉所研究员李君明搞番茄育种。“大专家一点拨,我感到自己从实验设计到生物技术应用,都上了一个大台阶。”他说,“预计2024年能出一批成果。我们的目标是:粉果番茄做到全球最好。”像赵志伟这样,该中心已培养了20多名本地人才。

潍坊一边招院引所,一边争创国家级、省级创新平台,为企业发展注入创新活力。目前,全市有国家燃料电池技术创新中心等38个国家级科创平台、潍坊现代农业山东省实验室等317个省级平台。

创新需要开放、竞争的生态,“与狼共舞”也能激发创新活力。2010年,张晓升在北京注册了种业公司,2018年他注册了寿光博收种业有限公司,把运营总部搬到了寿光。他说,外国知名种业企业在寿光设立了30多家分支机构,在寿光能看到国内外最新、最好的品种。“就像做IT的喜欢扎堆中关村,不到寿光,‘享受’不到这样的创新环境。”

在博收的科研拱棚里,辣椒考种工作刚刚结束。记者看到,螺丝椒、黄皮椒、羊角椒,每个品类都种植了国内国际顶尖辣椒育种公司的当家品种作为比对。张晓升说,这一茬,他们验证了去年选育的3个螺丝椒品种、1个黄皮椒品种,产量都是标杆品种的1.5倍以上。这些种子经销商已拿走,下半年在全国进行多点试验。

上下游企业之间协同创新,也是科技创新的好路子。潍柴动力是我省高端装备制造业“链主”企业,潍坊推动其积极开放产业链、供应链资源,加快协同研发,同时建设潍柴国际配套产业园,把线束接插件全球第一的泰科电子等行业领军企业招引到潍柴身边搞配套。潍柴与139家产业链伙伴成立了研发、应用共同体,在新品开发时共同投入、协同设计,既保证了潍柴新产品上市,链上企业的研发能力也得到了跃升。

目前,潍柴不仅向供应链企业输出他们的采购标准,也在输出先进的管理方法,如WOS管理体系(潍柴运营管理体系)、提供ERP等软件实现上下游数据共享等,带动了全链管理能力、信息化水平提升。

优化营商环境,解放生产力提高竞争力

营商环境就是生产力竞争力。潍坊从服务企业入手,创新实施“服务企业专员制度”,通过打造亲清新型政商关系营造公平竞争、便捷高效、开放包容的营商环境。

今年4月,山东海普欧环保设备科技有限公司董事长颜炳林犯了愁:受疫情影响,公司在外省承建的3个污水处理厂停了工,应收账款飙升至4000万元,工人工资还得照发。服务企业专员、诸城市政协秘书长王学斌得知后,联系5家银行来企考察,帮企业获得专利质押贷款500万元;又帮企业对接市工信局享受了瞪羚企业政策,获企业法人信用贷100万元。海普欧渡过了难关。

2021年初起,潍坊市创新实施“服务企业专员”制度,像王学斌这样,全市1.5万名干部包靠服务2.4万个企业(项目)。潍坊市专门开发了“潍企通”智慧平台,在12345市民服务热线设立企业专用“2”号键,搜集企业困难诉求。市县两级分别由政府分管领导牵头成立问题解决专项小组,对服务企业专员上报或企业直报的问题,基层单位无法解决的,每周或每两周一次进行集中研究、集中处理。仍解决不了的,每月一次提交政府常务会议或党委常委会会议研究解决。

7月4日,记者在潍坊市12345、“潍企通”平台后台看到,2021年以来,全市企业反映诉求118285项,办结率97.71%,解决率97.61%。在此基础上,潍坊各区县还推出了“自选动作”,如寒亭区通过“书记区长早餐会”倾听企业家诉求;安丘推出“专员超市”“企业家超市”,专员和企业可自由组合;寿光定期评选十佳服务企业专员、十佳服务企业单位、解决问题红旗小组,对暂时落后的设立了“服务企业鞭策奖”等。

“这一制度不仅为企业解决了问题,关键是转变了干部的理念、行动、作风。”潍坊市委副秘书长赵文果说,“从企业角度看,遇事有人问、有人管、有人办了,有困难先想着找政府,投资信心增强了。”

政务服务是否优质高效,行政审批是重要标志。7月5日,在潍坊市行政审批服务大厅,一面锦旗引起了记者的注意,这是中国三峡新能源(集团)股份有限公司山东分公司送来的。

公司总经理艾青讲了一个“惊险”的故事:他们在昌邑市的海洋牧场与三峡300兆瓦海上风电融合试验示范项目前期因故延误,去年11月才取得用海的最重要利益相关方同意,可办理用海和施工手续了。而12月26日,项目核准文件就要到期了,过期未开工,项目极大可能被作废。

该海域有10家利益相关方,潍坊市行政审批服务局指导企业一一签好相关材料,审批时间只剩10天了。该局创新方法,把昌邑公示、市海渔局公示并联,公示结束当日立即举行专家论证,10天办理了原本需要1个半月的手续。12月26日,企业的首根桩基下海,项目保住了。

营商环境创新,直接优化了经济社会发展生态,干部积极奋发,企业心顺劲足,潍坊发展活力充沛。今年一季度,潍坊市GDP增长5.6%,全省第三;1-5月,潍坊市一般公共预算收入、固定资产投资、规上工业增加值、进出口、贷款余额等主要经济指标增幅均高于全省平均,发展势头良好。

惠民利民,给百姓稳稳的幸福

悠悠万事,民生为重。潍坊将民生改善创新作为增强经济社会发展创新力的重要着力点,以创新思路、务实举措解决好人民群众最关心、最直接、最现实的利益问题。

坊子158名、昌邑209名、安丘250名……6月26日,潍坊进行了新招聘中小学、幼儿园教师统一笔试。看简章,招聘人数比往年多了不少。

再看潍坊的工地,围挡里的很多是学校。仅潍城区,就有浮烟山小学、望留中心学校、东夏小学等7处中小学校在建,预计年底前即可投用;还有15处幼儿园都已开工,其中9所已经竣工。

今年,潍坊抓民生,首要是抓学校、幼儿园建设。2021年,潍坊提出“全市学校、幼儿园三年攻坚行动”,计划3年内建设360所公办幼儿园、134所义务教育学校、10所高中阶段学校,今年分别建设280所、68所、7所。

解世国是潍坊市教育局学前科科长,“三年攻坚行动”以来,他和同事们一直在忙一件事:找地方新建、改建幼儿园,没地方新建、改建的,洽谈争取民办幼儿园转制为公办。7月13日,记者获悉,奎文区东方天韵小区幼儿园已谈妥并签署协议,转制为公办幼儿园,可以新增公办学位270个,目前正在加紧装修,计划今年招生,将极大满足周边适龄孩子入公办园的需求。据了解,潍坊市、县教育部门通过“一园一策”,今年全市将有42处民办幼儿园实现转制,到9月新学期就能以公办园身份接收孩子。

集中建学校,资金是难题。坊子区将预算投资3.4亿元的1所小学和6所幼儿园打包,计划采用“PPP”模式引入社会资本方投资、建设、运营。学校建成后,在PPP模式运营期内,社会资本方通过运营获取幼儿园保教费、餐费等收入,并承担教师工资等成本,以此获得项目投资的合理回报,不足部分由财政补助。通过PPP模式可减小财政压力,也向社会开放了投资机会。

“小物业、大民生。”物业是居民身边“小事”,却直接关乎群众幸福指数。今年,潍坊把物业服务改革作为民生大事来抓,出台了物业管理条例,正在制定改革物业管理的实施意见,推动物业服务与基层治理有效融合,努力打造“全国物业服务最优城市”。

潍城区南关街道西南关社区在老旧小区整治后,2019年由社区党委领办起了物业管理公司。由于开发出了停车位等空间,有了公共收益,社区居民每户每月只交10元垃圾代运费、10元垃圾清运费,物业就能保本,还能略有盈利。西南关社区党委书记任光海介绍,最近该物业公司还接管了社区外的3个小区,包括2个老旧小区和1个新小区,加上本社区,累计服务面积近20万平米。由于党支部建在物业公司,物业听社区党委指挥,利润除了留下部分用于公司发展外,其他用于反哺社区公共建设,走出了老旧小区物业服务可持续发展的新路子。

来源:大众日报客户端
坊子融媒编辑:杨敏


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