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    左手傳統,右手新興!碳化硅蘊藏巨大潛力,各大廠商紛紛布局

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    左手傳統,右手新興!碳化硅蘊藏巨大潛力,各大廠商紛紛布局

    發布日期:2023-02-22 作者:網絡 點擊:

    說起近幾年較火的材料,碳化硅絕對算是其中的一個,而這其中,各種涉及碳化硅的消息幾乎都與半導體有關。

    碳化硅是第三代半導體材料,在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面具有顯著優勢,進一步滿足了現代工業對高功率、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越的電氣性能。

    但是除了關注在半導體方向的發展應用外,碳化硅實質上是一種優良的陶瓷、耐火、磨削材料,雖然其在傳統領域的市場潛力遠遠沒有半導體領域那么大,但不可否認的是,碳化硅材料目前仍是很多傳統領域應用性能更佳的材料。

    可以說,目前還沒有哪種材料像碳化硅這樣,在傳統產業領域和新興產業領域都受到如此青睞。


    第三代半導體材料,蘊藏巨大潛力

    三代半導體主要是 碳化硅(SiC) 和 氮化鎵(GaN),與第一二代半導體材料相比,具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優勢,所以又叫寬禁帶半導體材料,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、抗輻射等優良電氣特性,具備4大性能優勢: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通損耗;二是有更高的擊穿電場,在相同耐壓值下導通損耗更小,結構可以更加簡化;同時碳化硅的高熱導率可以有效傳導熱量,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體材料被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域,并且碳化硅晶片應用為節能減排和新能源領域帶來巨大變革。據了解,碳化硅晶片為襯底制造的半導體器件將被廣泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網等現代工業領域。

    碳化硅的功能性應用

    碳化硅廣泛的應用領域主要分為高溫應用領域、加熱與熱交換工業領域、腐蝕環境下的應用、磨削領域、耐磨損機械領域、有色冶金領域、光學應用領域、半導體領域等等,具體的應用形式主要包括以下幾個方面。


    1.結構/功能陶瓷

    碳化硅陶瓷是一種重要的陶瓷材料,具有優良的常溫力學性能,如高的抗彎強度、優良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數,它是從20世紀60年代開始發展起來的。

    另外,由于碳化硅陶瓷突出的高溫強度、優良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性,使其成為火箭、飛機、汽車發動機和燃氣輪機中熱機部件的主要材料之一。


    2.高級耐火材料

    碳化硅耐火材料具有機械強度高、熱傳導率大、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等特征,已被廣泛地應用于鋼鐵、冶金、石油、化學、硅酸鹽和航空航天等工業領域,并日益展示出其它耐火材料無法比擬的優點。

    如在剛剛結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。據長沙高新區官網顯示,本次珠海航展上展出的碳化硅纖維材料主要應用于航空發動機熱端部件以及導 彈熱結構部件等。

    在高檔日用陶瓷、衛生瓷、高壓電瓷、玻璃等產業中的輥道窯、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窯爐中的承重結構架,它高溫力學性能優異,抗高溫蠕變性好,長期使用不彎曲變形。


    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,廣泛應用于機械加工行業。

    目前市場上,用于新能源汽車的大多數功率半導體都是硅基器件,其中新能源汽車是碳化硅功率器件市場的主要增長驅動。

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

    目前很多車企推出的800V高壓平臺都是基于SiC研發的。據了解,已經有多家企業已經發布自身快充布局方案,并且自 2021 年起已經陸續有相關車型發布:保時捷推出首款 800V 快充平臺電車;比亞迪 e平臺 3.0 發布,對應概念車型 ocean-X;吉利極氪 001 搭載 800V 快充平臺;同時華為發布其 AI 閃充全棧高壓平臺, 預計到 2025 年將實現 5min 快充。

    現在每輛純電動使用的功率半導體價值約400美元,而傳統燃油車使用的功率器半導體的價值約為70美元,是純電動汽車的六分之一。隨著新能源汽車的發展的市占率的增加,對第三代功率器件的需求量也會日益增加,預計未來幾年SiC器件將隨著800V平臺的大規模上車進入快速爆發階段。

    多領域助推 碳化硅市場需求飽滿

    如今,碳化硅上車迎來大發展時代。隨著成本持續下探,汽車傳動系統、動力電池、充電基礎設施等對SiC相關器件的需求水漲船高,特斯拉、比亞迪、小鵬G9、蔚來ET5/ET7等搭載碳化硅車型快速放量,帶動碳化硅需求急劇上升。

    意法半導體CEO也曾在7月受訪時表示,公司已與20家車企達成合作,將SiC MOSFET用于汽車動力總成電動化。

    新能源車單車便有13處零部件需使用SiC器件; SiC更是電驅系統向高電壓升級的核“芯”,有望解決電動車里程焦慮及充電速度慢兩大核心痛點。

    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。

    從車輛各模塊來看,車載充電OBC/直流快充中,碳化硅器件將助力電動汽車充電模塊性能提升;電機驅動/逆變器中,SiC高耐壓、寬禁帶和高導熱率特性使得SiC更適合應用在高功率密度和高開關頻率的場合;DC-DC中,SiC二極管能較好平衡耐壓和效率問題,同時提升集成度。

    除去新能源汽車產業鏈之外,SiC的主要應用場景還包括光伏逆變器、工業變頻器等。例如,錦浪科技此前曾表示,公司已在二極管及MOSFET器件上,同時推進SiC替代IGBT,其中直流側替代相對更快;且明年已訂下不少SiC器件,幾乎所有產品系列都將用到。

    在多應用助推之下,碳化硅市場需求飽滿,汽車市場的確定性增長,疊加儲能等新興領域出現。中金公司預計,2022-2024年,SiC器件有望迎來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%,預計未來將持續提升;CR5之外份額為12%,本土化率目前較低。分析師預計,到2025年,全球碳化硅器件市場規模有望達74.3億美元。2025年前,供需將持續趨緊,本土化將留有一定的發展窗口期。

    從目前第三代半導體材料和器件的研究來看,較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導體材料,且碳化硅技術更為成熟。



    文章來源: 克洛智動未來,科創板日報,碳化硅研習社

    本文網址:http://www.zhongdu8.cn/news/457.html

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