說(shuō)起近幾年較火的材料，碳化硅絕對(duì)算是其中的一個(gè)，而這其中，各種涉及碳化硅的消息幾乎都與半導(dǎo)體有關(guān)。

碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，在禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優(yōu)越的電氣性能。

但是除了關(guān)注在半導(dǎo)體方向的發(fā)展應(yīng)用外，碳化硅實(shí)質(zhì)上是一種優(yōu)良的陶瓷、耐火、磨削材料，雖然其在傳統(tǒng)領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有半導(dǎo)體領(lǐng)域那么大，但不可否認(rèn)的是，碳化硅材料目前仍是很多傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用性能更佳的材料。

可以說(shuō)，目前還沒有哪種材料像碳化硅這樣，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都受到如此青睞。


第三代半導(dǎo)體材料，蘊(yùn)藏巨大潛力

三代半導(dǎo)體主要是 碳化硅（SiC） 和 氮化鎵（GaN），與第一二代半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì)，所以又叫寬禁帶半導(dǎo)體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，具備4大性能優(yōu)勢(shì)：一是有更大的禁帶寬度，可以保證材料在高溫高壓下耐受更高的工作溫度和電壓以及更低的導(dǎo)通損耗；二是有更高的擊穿電場(chǎng)，在相同耐壓值下導(dǎo)通損耗更小，結(jié)構(gòu)可以更加簡(jiǎn)化；同時(shí)碳化硅的高熱導(dǎo)率可以有效傳導(dǎo)熱量，降低器件溫度；四是碳化硅的電子飽和漂移速率是硅的兩倍，有助于將器件小型化并提高工作頻率。

以 SiC 等為代表的第三代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，并且碳化硅晶片應(yīng)用為節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革。據(jù)了解，碳化硅晶片為襯底制造的半導(dǎo)體器件將被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。

碳化硅的功能性應(yīng)用

碳化硅廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域主要分為高溫應(yīng)用領(lǐng)域、加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域、腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用、磨削領(lǐng)域、耐磨損機(jī)械領(lǐng)域、有色冶金領(lǐng)域、光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域、半導(dǎo)體領(lǐng)域等等，具體的應(yīng)用形式主要包括以下幾個(gè)方面。


1.結(jié)構(gòu)/功能陶瓷

碳化硅陶瓷是一種重要的陶瓷材料，具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，如高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，它是從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來(lái)的。

另外，由于碳化硅陶瓷突出的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性，使其成為火箭、飛機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中熱機(jī)部件的主要材料之一。


2.高級(jí)耐火材料

碳化硅耐火材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱傳導(dǎo)率大、耐磨損性和耐熱震性好、抗渣性和抗氧化性以及部分熔融金屬抵抗性強(qiáng)等特征，已被廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、化學(xué)、硅酸鹽和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，并日益展示出其它耐火材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

如在剛剛結(jié)束的第十四屆珠海航展上，就有第三代碳化硅纖維材料展出，并大放異彩。據(jù)長(zhǎng)沙高新區(qū)官網(wǎng)顯示，本次珠海航展上展出的碳化硅纖維材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件以及導(dǎo) 彈熱結(jié)構(gòu)部件等。

在高檔日用陶瓷、衛(wèi)生瓷、高壓電瓷、玻璃等產(chǎn)業(yè)中的輥道窯、隧道窯、梭式窯中，通常選用碳化硅陶瓷作為高溫窯具材料，如碳化硅橫梁適用于工業(yè)窯爐中的承重結(jié)構(gòu)架，它高溫力學(xué)性能優(yōu)異，抗高溫蠕變性好，長(zhǎng)期使用不彎曲變形。


3.磨料

碳化硅硬度僅次于金剛石和六方氮化硼，是一種常用的磨料。由于其超硬的性能，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。

目前市場(chǎng)上，用于新能源汽車的大多數(shù)功率半導(dǎo)體都是硅基器件，其中新能源汽車是碳化硅功率器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)。

新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率器件的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC－DC）和非車載充電樁。將純電動(dòng)汽車逆變器中的功率組件改成SiC時(shí)，大概可以減少整車功耗5％－10％，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本。

目前很多車企推出的800V高壓平臺(tái)都是基于SiC研發(fā)的。據(jù)了解，已經(jīng)有多家企業(yè)已經(jīng)發(fā)布自身快充布局方案，并且自 2021 年起已經(jīng)陸續(xù)有相關(guān)車型發(fā)布：保時(shí)捷推出首款 800V 快充平臺(tái)電車；比亞迪 e平臺(tái) 3.0 發(fā)布，對(duì)應(yīng)概念車型 ocean－X；吉利極氪 001 搭載 800V 快充平臺(tái)；同時(shí)華為發(fā)布其 AI 閃充全棧高壓平臺(tái)， 預(yù)計(jì)到 2025 年將實(shí)現(xiàn) 5min 快充。

現(xiàn)在每輛純電動(dòng)使用的功率半導(dǎo)體價(jià)值約400美元，而傳統(tǒng)燃油車使用的功率器半導(dǎo)體的價(jià)值約為70美元，是純電動(dòng)汽車的六分之一。隨著新能源汽車的發(fā)展的市占率的增加，對(duì)第三代功率器件的需求量也會(huì)日益增加，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年SiC器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車進(jìn)入快速爆發(fā)階段。

多領(lǐng)域助推 碳化硅市場(chǎng)需求飽滿

如今，碳化硅上車迎來(lái)大發(fā)展時(shí)代。隨著成本持續(xù)下探，汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池、充電基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)SiC相關(guān)器件的需求水漲船高，特斯拉、比亞迪、小鵬G9、蔚來(lái)ET5/ET7等搭載碳化硅車型快速放量，帶動(dòng)碳化硅需求急劇上升。

意法半導(dǎo)體CEO也曾在7月受訪時(shí)表示，公司已與20家車企達(dá)成合作，將SiC MOSFET用于汽車動(dòng)力總成電動(dòng)化。

新能源車單車便有13處零部件需使用SiC器件； SiC更是電驅(qū)系統(tǒng)向高電壓升級(jí)的核“芯”，有望解決電動(dòng)車?yán)锍探箲]及充電速度慢兩大核心痛點(diǎn)。

從整車性能看，搭載碳化硅后，車輛損耗可降低80%，充電速度增加2倍，功率密度提高，體積減小。

從車輛各模塊來(lái)看，車載充電OBC/直流快充中，碳化硅器件將助力電動(dòng)汽車充電模塊性能提升；電機(jī)驅(qū)動(dòng)/逆變器中，SiC高耐壓、寬禁帶和高導(dǎo)熱率特性使得SiC更適合應(yīng)用在高功率密度和高開關(guān)頻率的場(chǎng)合；DC-DC中，SiC二極管能較好平衡耐壓和效率問題，同時(shí)提升集成度。

除去新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈之外，SiC的主要應(yīng)用場(chǎng)景還包括光伏逆變器、工業(yè)變頻器等。例如，錦浪科技此前曾表示，公司已在二極管及MOSFET器件上，同時(shí)推進(jìn)SiC替代IGBT，其中直流側(cè)替代相對(duì)更快；且明年已訂下不少SiC器件，幾乎所有產(chǎn)品系列都將用到。

在多應(yīng)用助推之下，碳化硅市場(chǎng)需求飽滿，汽車市場(chǎng)的確定性增長(zhǎng)，疊加儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域出現(xiàn)。中金公司預(yù)計(jì)，2022-2024年，SiC器件有望迎來(lái)增速較快的三年周期。

從供需而言，東吳證券表示，2021年碳化硅器件端，安森美份額為7%，預(yù)計(jì)未來(lái)將持續(xù)提升；CR5之外份額為12%，本土化率目前較低。分析師預(yù)計(jì)，到2025年，全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)74.3億美元。2025年前，供需將持續(xù)趨緊，本土化將留有一定的發(fā)展窗口期。

從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體材料，且碳化硅技術(shù)更為成熟。



文章來(lái)源： 克洛智動(dòng)未來(lái)，科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)，碳化硅研習(xí)社