近日，聚焦SiC产业链的三家大厂意法半导体、三菱电机、英飞凌传来最新消息。意法半导体方面，其将在意大利卡塔尼亚建设世界首个全流程垂直集成的碳化硅（SiC）工厂；三菱电机方面，该公司位于熊本县正在建设的SiC晶圆厂将提前5个月开始运营；英飞凌方面，则已获得其位于德国德累斯顿的价值50亿欧元的智能功率半导体工厂的最终建设许可，该工厂将按计划于2026年开始生产。

碳化硅具备耐高压、耐高温、高频率、抗辐射等优良电气特性，突破了硅基半导体材料的物理极限，是第三代半导体的核心材料之一，主要应用领域包括射频器件、新能源汽车、光伏发电、数据中心、智能电网、轨道交通等。其中新能源汽车和数据中心的应用需求上涨明显。

新能源汽车方面碳化硅的上车已成为大势所向，在2024年的意法半导体高层表示，在北京国际汽车展览会中，配备碳化硅的车型超70款。中国科学院院士郝跃表示，近些年车规级器件的标配是6英寸碳化硅衬底和800伏MOS器件。意法半导体高层则表示，现在的新车，只要能用碳化硅的地方，便不会再用传统功率器件。


高压平台提升零件技术要求，碳化硅功率器件脱颖而出

高压平台将给整车零部件系统带来等多种高难度要求，例如更高绝缘工作电压等级的承受能力、更低水平的导通损耗等等。因此，电驱系统、车载电源等作为零件系统中的重要部分，需要相应升级以满足上述要求；而功率器件作为重要组成部分，对于电驱系统、车载电源等部件的升级具有重要影响。

目前，大多数功率模块采用硅基IGBT技术。但硅基IGBT的功率密度正接近极限，同时随着整车平台电压的提高，硅基IGBT的开关损耗将会加大。在此背景下，碳化硅（SiC）功率器件的应用逐步扩大。相较硅基IGBT，碳化硅器件具备多方面优势，尤其在电控逆变器、OBC和DC-DC转换器等应用中优势明显。

高压平台将会对器件的耐压等级、导通损耗高低、开关损耗高低等性能提出更高要求，而碳化硅较硅具备多重性能优势，更能够满足高压平台的需求。

1）碳化硅的禁带比硅大3倍，击穿电场高10倍，较高的击穿电场使得碳化硅器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度，进而具有更低的导通损耗；

2）此外，硅基IGBT因为其击穿电压通常为650-750V间，选取的拓扑不完全相同；而由于高击穿电压，在高压应用中使用碳化硅MOSFET可以采用简化的拓扑，简化的拓扑结构可以使得组件以及控制算法的设计工作量更少；

3）碳化硅可用于设计如高压MOSFET等的单极器件，理论上不产生尾电流，而碳化硅MOSFET相比于硅基IGBT拥有更低的开关损耗；

此外，碳化硅器件的芯片面积更小，能够产生更小的栅极电荷和电容，从而能够实现更高的开关速度和更低的开关损耗。


SiC功率器件成热门，吸引双雄押下重注

根据Yole的预测，SiC功率器件将很快占据整个功率器件市场的30%，到2027年，SiC行业（从衬底到模块，包括器件）的产值有望超过60亿美元。

SiC器件的工作结温在200℃以上，工作频率在100kHz以上，耐压可达20kV，这些性能都优于传统硅器件；碳化硅器件体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5，重量可减小到40-60%。

随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。截至2023年上半年，全球已有40款SiC车型进入量产交付，可查到交付数据的SiC车型上半年累计销售118.7万辆。

热门的SiC便吸引了欧洲芯片双雄意法和英飞凌在其中押下重注。

这些SiC巨头通过收购、合并等方式不断扩大自身规模，实现了SiC全产业链的布局，并在全球范围内掌握了SiC技术的核心竞争力。Yole估计，将有数十亿美元投资于晶体和晶圆制造以及设备加工，到2027年市场潜力将达到60亿美元，高于2021年的约10亿美元。

高质量国产替代，才是本土SiC器件的出路

虽然市场产销两旺，但是我国碳化硅功率器件仍处于早期阶段，在技术成熟度、稳定量产能力、产业链配套等方面与海外还存在较大差距，尤其是电动汽车主驱用碳化硅功率器件，现阶段完全依赖进口。

究其背后原因，高巍博士分析到，“一是新能源汽车应用涉及生命财产安全，对SiC器件的可靠性、工艺等方面都有着高要求；第二点是新能源汽车对功率器件要求的寿命是15至20年，技术门槛高；第三点是对器件质量要求很高，器件ppm级的低失效率保障；第四点，则是和公司的可靠性要求有关，高质量、长时间、稳定供给的器件设计公司，是获得车厂信任的保证。”

而针对车载应用的高可靠性要求，SiC功率器件目前面临着一系列挑战：一是良率保证和设计工艺保证，这是基础；第二点是所有器件必须满足AEC-Q101基本保障；第三点是器件厂商的质量管理体系保证；最后是供应链体系的保证，只有具备稳定的供应链保证，车厂才会选择合作。

针对上述挑战，高巍博士从蓉矽半导体出发，分享了蓉矽半导体在良率保证、设计工艺保证等角度的举措，阐述如何解决功率器件的高可靠性问题。

第一，高良率是高可靠性的保证。“一个产品要做到高良率，离不开设计、材料、工艺这三要素。”高巍博士表示，“设计方面，蓉矽半导体从设计阶段就引入了DFR的观念，设计之初就考虑到产品的可靠性，并把可靠性观念贯穿产品的整个生命周期；材料方面，高品质、低缺陷材料的选择是良率的保障；工艺方面，作为设计公司，由于没有自己的Fab，需要将所有工艺委外于Foundry，因此选择具备成熟平台和稳定工程管控的Foundry，是高良率的重要保证。”

第二，栅氧的高可靠性保证。高巍博士从高频开关下的栅压过冲问题、栅氧化层失效机理等角度进行了说明。相对于传统硅器件，碳化硅MOSFET结构更加脆弱，其偶发失效率远高于同规格的硅基MOSFET，而栅氧是导致碳化硅失效一个特别重要也特别常见的失效现象，主要失效类型包括低势垒导致的隧穿加剧、陷阱造成的TAT的加剧以及工艺制程中带来的外部缺陷。

因此，SiC MOSFET的栅氧可靠性问题成为了制约其快速发展的因素之一，器件栅氧介质可靠性提升也是碳化硅功率MOSFET器件实现新能源汽车应用面临的重要瓶颈。

为发展我国半导体产业的自主可控，国家宏观到微观层面先后出台了大量支持政策与规划，促进国内企业在半导体设备、材料、设计等各个细分领域的重点突破。同时，数千亿规模的国家集成电路产业投资基金对半导体产品的生产与设计、下游应用领域的重点企业提供了有力的资金支持。目前我国完善的基建配套、巨大的工程技术人员规模和市场容量已经培育出了在细分领域具有国际竞争力的半导体产品制造企业。半导体产业是资金密集、技术密集和人才密集的产业，国内半导体企业在政策引导、资金支持下，产能规模和制造技术均能保持稳定发展，半导体产业链实现进口替代的趋势不可逆转。