在2023临港国际半导体大会上,围绕新能源汽车行业对化合物半导体的需求趋势、亟待突破的技术瓶颈、实际应用误区、以及如何形成本土化差异竞争优势等话题,众多企业高管展开了热烈讨论。

“化合物半导体如何与新能源汽车相互促进和协同发展?”,这是2023年第三届临港国际半导体大会之汽车半导体峰会圆桌讨论的话题,与会嘉宾围绕新能源汽车行业对化合物半导体的需求趋势、亟待突破的技术瓶颈、实际应用误区、以及如何形成本土化差异竞争优势等话题展开热烈讨论。

参与圆桌探讨的嘉宾包括(排名不分先后):蓉矽半导体副总经理、研发中心总经理高巍;威睿能源电驱业务电驱产品总监刘波;芯干线科技董事长傅玥;AOS产品应用中心总监张龙;上海澜芯半导体创始人兼总经理马彪。 

双向奔赴,相互成就

熟悉化合物半导体领域的专业人士都比较清楚,以SiC为代表的功率半导体器件最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。

但人们很快发现,碳化硅的电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高温度的运行)也非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驱逆变器中采用了SiC器件之后,示范效应被迅速放大,使xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉,被认为是重塑碳化硅和氮化镓等新型化合物功率半导体的关键。

那么,目前的新能源汽车产业对化合物半导体真正的需求趋势是什么?还面临着哪些技术瓶颈需要突破?与会嘉宾分享了自己的看法: 

马彪:从碳化硅器件的角度来看,我们主要关注三个特征:性能、可靠性和成本,毕竟我们需要向用户展示在替代传统硅基方案之后,新的第三代半导体方案能带来哪些实际的竞争优势。但与国外大厂相比,他们比起步早、布局广,沟槽型器件的可靠性验证进行过多次。相比之下,国内平面型器件在汽车上的验证资源比较少,可靠性方面(包括器件设计、制造工艺、产品缺陷率、封装适配性)也需要继续提升,这些都是面临的实际挑战。

刘波:高压化是解决当前电动汽车充电问题的关键所在,而碳化硅就是支撑高压化发展的基石,因为它带来了更高的能效和功率密度,而且与动力系统包括电池高压化之间形成了很好的匹配。从威睿能源的实际情况来看,碳化硅产品自2020年量产以来,目前出货量占公司整体的30%,明年有望达到50%。

目前来看,国内碳化硅产品的封装水平完全没有问题,服务响应速度也比国际大厂快。明年是对化合物半导体供应链的压力测试之年,如果2024年碳化硅供应链能够确保稳定,2025年上量的速度会非常快就上去了,因为碳化硅是决定800V能不能实现完美过渡的绝对条件,希望国内的产品能够以更好的性能和可靠性,尽快通过车厂的整车系统验证。

高巍:碳化硅在电动汽车领域真正发展起来的助推器毫无疑问是特斯拉。按照汽车15年的生命周期计算,2018年才开始使用的碳化硅对芯片设计公司、Tie1来说仍然是新事物,在应用、可靠性寿命模型、失效现象等方面还需要大量数据的支撑和积累。

其次,虽然国产功率半导体器件从工艺水平来看仍然与国际领先水平相差至少一代,但从应用端角度来看,器件性能问题其实不是最让人担心的,反而是供应链问题,因为车厂需要在15-20年的生命周期内都能得到稳定供货。因此,对国内设计公司来说,不仅仅要设计出电学性能出色的产品,更要强化从质量管理体系到供应链管理体系的建设,这是一个系统性的工程,必须要花大力气。

如何在系统层面产生价值?    

新能源汽车对于化合物半导体之所以青睐有佳,原因之一就是能够“从系统层面带来价值”,我们该如何正确理解这句话包含的意义?在实际应用当中又该从哪些方面加以推进,才能实现这一目标?

傅玥:消费者对电动汽车的哪些方面最为关注?调查显示:一是续航里程,二是充电速度,显而易见,800V碳化硅和氮化镓肯定是能够缓解上述焦虑的。比如如果使用碳化硅,续航里程可以在现有基础上至少再增加5%,更不要说给新能源汽车效率、体积、重量等各方面带来的改善。此外,碳化硅主驱逆变器的频率可以提升到20千赫兹以上,这就意味着来自于逆变器的噪音可以大幅降低。

张龙:我可以举两个实际案例:一是传统硅基IGBT驱动器件由于频率低,容易产生拖尾效应,导致开关损耗大。在使用碳化硅之后,频率提升的同时大幅降低了反向恢复损耗;二是新能源汽车因为大量使用电池,导致汽车用电设备数量急剧增大,如果采用碳化硅就可以减少体积和散热成本,增大车内空间,改善用户体验。

走出化合物半导体应用误区

虽然我们平时听到了很多有关化合物半导体自身优势、产能扩产的消息,但在实际应用中,很多工程师对SiC和GaN器件本身的理解依然是基于一些理论和简单测试,要想加快新器件的普及,如何让工程师能更好的理解应用和器件本身的特性,其实是一件非常重要的事情。

张龙:我们其实不太能看到汽车行业工程师对碳化硅应用有错误的理解,但是工业类用户的情况就不太一样,比如有工业客户就直接将IGBT驱动用在碳化硅器件上,因为IGBT开关速度慢,时间间隙长,用在碳化硅器件上就非常的不合适。

新能源汽车行业很卷,大家拼命赶时间,存在的最大问题不是对器件理解不够,而是太过急躁导致忽略一些细节,而这些细节是需要时间打磨的——比如通过AEC-Q100认证就至少需要上千小时的评估,电驱OBC也需要很长的时间去验证可靠性,如果仅仅为了竞争,导致没有把产品测试和验证流程做仔细,这会是极大的问题。

而且产品工程师通常分为三个等级:初级水平是半导体工程师告诉器件怎么使用就怎么使用;中级工程师能够看懂和理解,并加以优化;高级工程师不但能优化好半导体应用,还能反向给半导体工程师提出意见和建议,所以要不断的学习提升自身水平。

高巍:其实在实际工作中,新能源汽车行业也会遇到不少问题。比如为了满足DR驱动需求,需要降低驱动电压/阈值电压,就有工程师以牺牲可靠性的做法将器件做薄以达到目标,这是十分危险的。封装过程中也遇到一些问题,比如碳化硅功率模块通常采用多芯片并联形式,但有用户不愿意创新,只懂得机械照搬国外方案,导致一些本土的优秀设计方案得不到机会。所以从芯片设计角度来说,国内产业链上下游企业应该从应用阶段出发,共同开发特色方案、特色芯片。

打造本土差异化竞争优势

当前,越来越多的国际头部大厂不但在化合物半导体领域投资巨大,还采用了“SiC+GaN”双管齐下的策略,并与重要客户签订了长期供货协议。相比之下,国内相关产业该如何打造出属于自己的差异化竞争优势?

马彪:国外大厂采用IDM模式有自己的历史原因,也确实给自己带来了竞争优势,无论是成本、出货量,还是制造、封装、应用,加之比较高的技术护城河,都给本土企业带来了压力。

那我们怎样才能尽快追赶上国外大厂?第一,要比欧美企业更加勤奋;第二,集中资源打磨更有竞争力的产品,缩短流片时间,加速产品迭代;第三,应用端多给本土企业一些机会,这是双赢的结局,所以产业链要抱团取暖,才有可能最终打赢这场仗。

张龙:一家功率半导体企业做到一定阶段之后,如果想要继续做大做强,形成自己的专利壁垒,一定要走IDM这条路。功率半导体专利跟设备、工厂、流程是紧密联系在一起的,很难靠别家工厂长期做下去,尽管这条路走起来比较艰辛。国内市场的优势之一就是反馈循环比较快,所以本土企业间一定要抱团,分散的小公司很难形成有效的研发实力,更没有和国际头部大厂直接竞争的能力

刘波:从整车厂的视角来看,他们首先关注供应能力、研发能力和财务状况,不达标就会遭到淘汰。国际大厂的确是通过强强合作,通过质量和成本锁定客户,国内未来也会逐渐趋向头部效应,通过锁定上下游合作带来更强的成本优势和供应能力。国产IGBT现在能占据50-60%的市场份额,就是因为能在确保产品质量的前提下保证车厂供应,满足了车厂的核心诉求。

结语

“道阻且长,行则降至;行而不辍,未来可期”,国内新能源汽车的发展正一日千里,本土化合物半导体产业链能否乘借东风,苦练内功,走出一条属于自己的可持续、差异化发展道路,意义深远,值得全行业共同努力。

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