碳化硅专家交流纪要–20220928

碳化硅专家交流时间：2022年9月；一、碳化硅产业看情况材料特性赋予碳化硅的优势在于更强的能量转换效率，更低的开关损耗。就是说电流流过半导体的过程中，会有一定热量，碳化硅是线性的。 这就是碳化硅在主驱上应用很广泛的原因。 IGBT因为是个双极性的的器件，有固定的压降，意味着它的损耗其实就是与纵轴的阴影的面积。 同样的电流大小的话，我的这个面积尤其是在小电流的情况下，轻载的情况下，碳化硅的效率是远远高于IGBT的效率，这也就是符合了电动汽车的一个领域，就是电动汽车80%的情况，都是在轻载的状态下工作的。 ID跟IC指的是电流，导通损耗，开关损耗是在obc上应用的是最广泛的，意味着我这个能量也小，同时速度快，就可以以一个更快的速度来开和关。 Obc是高频开关，他有滤波器LC这种，与开关频率成反比的，频率越高，LC电感电容就会越小，就可以通过提升开关频率来提升功率。氮化镓充电器现在小很多，就是因为开关频率提高大概10倍，使得所有无缘器件都可以做到很小。 芯片的面积决定了能承载多大的电流，耐压决定了能放在多少电压的平台上，碳化硅耐压高，所以在800V平台用的很好，但是IGBT随着电压提升，损耗会增大很多。 IGBT在400V平台还可以，在高压平台性能会更差。 原来IGBT应用在大功率情况下，超级MOS应用在伺服或小功率情况下已经到达极限了。单纯把IGBT替换碳化硅，效率能提升4%-7%，给整体的受益远远高于碳化硅的单价。 下一个市场增长点，也是与新能源相关的，无论是新能源汽车还是光伏储能，伴随爆发的肯定是功率器件，但是功率器件IGBT没有什么潜力了，有可能爆发的就是第三代半导体。 市场方面，公司人为碳化硅增量80%在于新能源汽车，新能源汽车中主驱又占80%，其他的比如充电、储能相关，工业类的空调压缩机在800V平台也已碳化硅为主。 公司人为碳化硅垂直整合IDM是最重要的一个环节，比如一个核心环节供应是晶锭，目前产能掌握咋国际巨头cree，wolfspeed，26，罗姆等，现在供应比较紧缺，他们会把最好的留给自己，差一点的留给国际伙伴，剩下的质量差的留到中国。 掌握晶锭的产能与质量是很重要的环节，公司产能最大的瓶颈是第1页共13页衬底，公司去年收购了一家衬底厂GTAT，同时也有6英寸到8英寸的扩张路线。 市场上没有8英寸衬底供应，所以也需要自己做衬底，下一步的外延其实没有太高门槛。 产能方面未来几年是最大的短板，24年会有爆发，24年主机厂的平台方案都是以800V主驱方案作为主流，25年以后，把每家的产能加起来，产能是远远不够的，因此公司要提早把产能括起来才能满足要求。 碳化硅扩产周期很长，之前可能只要6个月，现在要16-24个月，包括前道衬底扩产，后道也在扩产。 扩张有几个方案，第一是将IGBT产能转化为碳化硅产能，公司在纽约收购了一家做12寸IGBT硅基的工厂。公司的产能扩张也要等到客户的订单下来，公司蔡虎提前扩订单，扩产能。 所以公司跟客户签长期协议，基本上是23-30年，25-35年这样的。 订单方面新势力多一些，10亿级别的订单市场5-7年，刚签了800m订单市场7年左右。 比如投资10个亿建产线，需要客户投入2亿建产能，叫CRP，投产后所有产能给到客户，在单价上做折扣，或者由客户来全额投资，公司为客户服务，公司给到成本价，所有产出都归客户。 Tier1比较穷，单价高一点，不会让他们出产能投资。 产能公司一般是正向算，公司内部也打了折扣，按100万量的30%-40%来算的。新势力从明年来讲，头部的几家公司内部预期在20-30万辆。 公司近两年碳化硅产能特斯拉和蔚来。 ST也有雅典娜计划，比公司收的预留费还高。 碳化硅产能以后不会有富裕的产能给到国产车主驱上来用，obc，车载空调压缩机等国产有一定机会。 对于碳化硅来讲，他对车整体的提升是百分比，800V提升7%里程，电池能节省7%，对于低端车30度以下的车，7%的电池也没多少钱，IGBT也凑合用了。 未来越贵的车里程越长，100度点7%就是7度点，大概快1w块人民币了，虽然碳化硅多花一点钱，但对系统整体有很大的提升，60度以上的车，用碳化硅的趋势比较明显。 未来碳化硅价格会往下降，将来碳化硅和IGBT价格比2：1的时候，30度的车可能用碳化硅的价值就比较明显。公司人为在25年之后，混动的车也会慢慢上碳化硅。 理想用碳化硅的车型都是纯电的版本，大电池高电压的平台。 产能的提升技术是一方面，6英寸到8英寸的技术提升也是重要的一方面，制造工艺，良率的提升也很重要。相较于传统HPD的创新应用：1.bonding线改用clip或铜线的形式。 2.银烧结技术的应用。 2016年特斯拉在model3率先使用银烧结的方案代替焊接(特斯第2页共13页拉银烧结的主要合作伙伴博世曼被中国资本收购将在苏州建厂)，银烧结的材料此前主要被国外的一家公司垄断，现在国内逐渐有一些替代。 未来所有的整车厂都将要做自己的模块，新的模块基本都会在用银烧结技术，因此银烧结的材料和机台设备都将会有很大的需求出现。 3.基材从氧化铝到氮化硅、氮化铝的升级。 传统的HPD使用氧化铝材料，优点在于价格便宜、供应量充足，缺点在于散热能力较差。 新型基材主要是氮化硅、氮化铝材料（国内主要是博敏电子做AMB），氮化铝由于可靠性问题一般用于工业，氮化硅常用于车规（但成本较高）。 公司的模块中一个氮化硅的衬底价格约50美元，一个模块有48颗芯片，所以AMB基材在BOM中的占比很高。 4.用塑封取代传统灌胶，塑封模块相较于hybridpack模块的优势：低杂散电感、高工作结温、高可靠性等。 5.激光焊取代扭螺丝，激光焊接也是特斯拉的创新应用之一，原有的模块都是通过扭螺丝的方式扭到母排电容，激光焊既能保证可靠性又能保证连接处的电阻较低。 芯片方面，激光切割也将取代之前的纱线和砂轮方案，英飞凌收购了一家做激光冷切割的公司。 原先切割200-300μ的厚度使用纱线会产生翘曲，用砂轮减薄过程中有产生裂痕的风险，直接使用激光切割可以切得很薄提高了晶柱的利用率和生产效率，从而节省成本。 特斯拉的模块比较具有开创性，特斯拉产品的创新国内一般在3-5年内都会跟进，下一代特斯拉可能会做1000伏的高压平台，芯片可能也会要做 1000伏，如果做出来了国内也会开始布局。 特斯拉从2016年推出SiC模块，5年后国内也开始大面积铺开SiC的应用，银烧结、薄膜电容和散热水道等多方面的创新引领了行业的发展。目前follow特斯拉最多的是阳光，阳光下一代平台全部按特斯拉的方案来做，小模块将全部取代传统的TO-247单管。 特斯拉跟ST有战略合作，在ST买芯片也在ST投了银烧结的设备在特斯拉的产线上，T-pak封装是特斯拉的专利由ST代工，特斯拉也保证了很大的量在ST。 特斯拉模块的散热水道创新在于将表面烧结到散热器上，下面直接通水，既保证了散热能力又提供了更灵活的空间。 特斯拉的模块设计自由度很高，不仅可以用在车上，在储能、光伏甚至航空航天都可以应用，特斯拉的用量非常大，所以可以和很多厂家去谈，安森美和wolfspeed都是特斯拉的二供、三供，特斯拉在其他储能等项目上也会使用类似的SiC模块，还有几家模块做的比较好有德尔福、丹佛斯。 像博世、三第3页共13页菱都用到了类似的半桥塑封模块，也大量使用了银烧结和AMB，所以下一代的塑封模块产业链会有较大的成长机会。 用铜基板取代之前的bonding线主要是因为可靠性的问题，一个模块中会有很多层芯片，芯片下表面焊在绝缘基板上，基板从DBC升级到了 AMB板，芯片散热需要更好的解决方案，汽车使用的氮化硅基板散热性能好、可靠性高，目前市面上最大的供应商是罗杰斯。 Bonding线是用超声波焊在芯片表面，超声波由于功率小，焊接并不牢固，功率芯片受热膨胀在连接处产生应力，疲劳时间长了就会产生 bonding线的脱落。 原先的IGBT模块温度较低，SiC模块的工作温度更高，因此可能产生的膨胀更严重，用可靠性更高的clip取代bonding线是目前的主流方案。从IGBT到SiC有很多特性和要求发生了变化，材料、工艺都需要升级。 功率模块中的一个重要参数就是寄生电感，理想的开关是一个平滑的过程，但实际上因为振荡的存在产生了寄生电感，振荡越大产生的额外的损耗就更高，并且会带来EMI的信号干扰。 传统模块工作温度在150℃左右，为了使用更大的电流，运行的工作结温就需要提升，使用不同的封装和相同的芯片工作结温可以达到200℃，在不增加芯片只改变封装的前提下可以提升20%的电流能力，就可以节约20%的芯片，因此在封装多花的钱可以在芯片上节省。 传统汽车的设计一般是10年和15万英里的使用寿命，随着ADAS技术的引入，未来可能在车主不使用的情况下让车自己去跑滴滴，对车的使用寿命就会提出更高的要求，对器件的可靠性要求也会翻倍。 车规级芯片的可靠性测试需要通过踩坑摸索，国内的芯片厂商劣势在于对芯片失效测试的经验较少，没有经过大量的实践，还没有形成正向循环。 从大模块减到小模块还有良率的问题，这也是做纯封装厂最大的风险。 IGBT像斯达、中车可以做代工模式，因为IGBT模块的芯片只占30-40%的成本，封装占60%，所以封装的利润率也会高一些，但是SiC的芯片已经占到70-80%的成本，封装只有20%所以做纯封装厂能挣钱的空间就比较小。 假如一个模块里面用48颗芯片，48颗芯片的成本大概300美元，封装过程中只要有任何地方有良率问题，甚至一个PIN针弯了、焊的过程中有个气泡，可能导致整个模块都要报废，意公众号：讯息社味着48颗芯片300美元的成本都要报废，这个成本要封装厂来承担，之前IGBT模块可能芯片只有50-60美元，报废的代价还能接受，但是SiC芯片太贵，良率如果提不上去，封装厂甚至是亏钱的。 斯达之前是给wolfspeed代工，第4页共13页从wolfspeed买芯片做模块给小鹏G9，但是有几个问题：1、wolfspeed断供的问题，cree不给斯达保供。 2、良率的问题，如果SiC模块做不好斯达基本赚不到钱。现在斯达也开始做IDM自己做产线投晶圆。 从大模块转成小模块的，小模块里面的芯片数量也比大模块少很多，就算报废也只报废16颗芯片，而大模块要报废48颗芯片。 在这种情况下可能yieldloss会降低10%，BOM成本也会降低10%，即利润提升10%，所以现在下一代模块都是用小模块的形式。现在做纯封装的路线是很难的，除非像国外大厂丹佛斯、塞米控这种，车厂都主动找他们合作。 好几家主机厂都要做自己的模块，现在SiC没有像hybridpack这样统一江湖的设计，所以每家的模块设计方案都不一样，像蔚来、小鹏、理想都有自己的模块设计，每一家兼容性都很差。 对车厂来讲，与其找不同供应商做模块不如自己做封装，买不同厂家的芯片。 特斯拉早在2016年就这么做，他自己定义接口找半导体厂商买芯片，自己设计模块自己做。 到2024年基本所有的整车厂也会这么做，自己来定义接口，自己建产线做封装，但是芯片还是从半导体厂商来买。 汽车是现在功率器件最大的应用方向，汽车里面SiC应用最多的两个地方就是主驱逆变器和OBC，还有一些EV的DC-DC里面也会用到，尤其是高压平台800伏到48伏有一个降压的过程，48伏取电是从电池直接取电，从800伏到48伏要保证效率和体积也需要使用SiC。 空调压缩机也是从800伏直接取电来驱动高压空调，现在看来各家的设计也基本都是采用SiC，个人认为空调压缩机是国产SiC上车最有可能的一个部分，因为空调压缩机实际的工作时间并不是很长，对可靠性、效率的要求并没有那么高。 在这种情况下，考虑成本因素，国产替代还是很有机会的。 而且海外厂商的大部分产能都给到