2022年，湖南規模以上電子信息制造業營業收入達4314億元，比2021年增長20.2%。在長沙，湖南三安半導體有限責任公司擁有中國首條、世界第三條碳化硅全產業鏈整合研發與制造平臺。圖為技術人員在三安半導體車間內操作。朱莉/攝
“功率半導體要‘大火’。”中國汽車芯片產業創新戰略聯盟日前在湖南長沙成立汽車功率半導體分會，并舉行了發展研討會，聯盟理事長、分會首任理事長董揚表示，功率半導體的發展前景廣闊，重要原因就是駛上了高速發展的新能源汽車賽道。
【資料圖】
汽車功率半導體產業正迎來向上發展的重要機遇期。湖南三安等龍頭企業的國產碳化硅功率芯片正在大規模搭上新能源汽車的快車，并且即將應用在主驅這一新能源汽車的“心臟”上。為了滿足新能源整車企業的需要，企業正在通過技術創新和規模生產不斷提升“中國芯”的品質，同時降低成本。
與此同時，無論是半導體企業，還是整車企業，都意識到當前迫在眉睫的事情是加強產業鏈上中下游合作，通過建立良好的產業生態來讓彼此受益。
缺芯：碳化硅功率芯片項目耗錢耗時耗人
“功率芯片是新能源汽車整車成功的關鍵因素。”中國汽車芯片產業
創新戰略聯盟秘書長原誠寅在研討會上表示。
汽車正在從汽油等化石能源驅動向電動化、網聯化、智能化轉換。在這個重大變化中，汽車功率半導體作為新能源汽車離不開的器件，重要性與日俱增。在整車企業看來，新能源汽車產業已然進入了“半導體定義汽車”的階段。
原誠寅認為，汽車芯片是一個足夠有想象力的市場，汽車產業變革趨勢不可逆轉，會產生新機遇和新增長點，汽車產業的核心價值鏈將會逐步從傳統制造業轉到高新技術行業。
2022年是全球新能源汽車產業發展具有標志性意義的一年。中國新能源汽車產業發展勢頭正勁，全年新能源汽車銷售688.7萬輛，比2021年幾近翻倍；產銷量連續8年保持全球第一；新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的25.6%。
董揚特別看重市場的力量。他以汽車動力電池過去10年走過的歷程為例分析，正是旺盛的需求不斷催生相關領域的進步，10年過后，動力電池產業建立起來了，人才隊伍也形成了。他認為，如今汽車功率半導體的產業基礎強于10年前的動力電池。
近兩年，新能源汽車產業對芯片的需求猛增。放眼全球，芯片供不應求，缺芯問題影響到世界汽車產業，大眾、豐田、日產等汽車巨頭紛紛遭遇缺芯難題。
功率半導體是汽車芯片幾大類產品中非常重要的一環，廣泛用于轉換器、充電器、逆變器等實現能量轉換的關鍵零部件中。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是第三代半導體的代表。湖南三安半導體銷售副總經理張真榕援引市場調查機構Yole Group的報告向本報記者分析，碳化硅功率器件市場規模將由2021年的10.9億美元增長至2027年的62.97億美元，復合增長率達34%。TrendForce集邦咨詢預計，2026年車用碳化硅功率器件市場規模將攀升至39.4億美元。
張真榕分析，預計到2025年，全球2000萬輛新能源汽車中，如果15%~30%的B級以上轎車采用碳化硅功率芯片，那么缺口將達150萬~300萬片。
碳化硅功率芯片的巨大缺口，吸引了國內不少企業進場投資。在此次會議上，博世中國執行副總裁徐大全提醒，要警惕產業盲目擴張，“如果建太多廠，中間一定會有重復浪費。大家全面開花，未來會自己把自己打敗”。
業內也有觀點認為，盡管經常聽到有關碳化硅功率半導體項目的消息，但從實際效果看，卻是“雷聲大雨點小”。真正落地并實現有效產出的并不多，部分項目每月僅達到兩三千片的產量，而且并非所有碳化硅產品都能達到車規級。
碳化硅芯片項目耗錢耗時耗人，缺芯問題與項目投資巨大、回報周期長相關。據了解，碳化硅芯片項目投資建設期約為18~24個月，要經歷設備導入調試、工藝開發與驗證、產品研發與驗證等一長串過程。2022年投資的項目，到2025年才會釋放產能。
“上車”：碳化硅功率芯片裝入電動車的“心臟”
此次會議在湖南召開，而電子信息制造業正是湖南著力培育壯大的“新三樣”產業之一。2022年，湖南規模以上電子信息制造業營業收入達4314億元，比2021年增長20.2%。
在長沙，湖南三安半導體有限責任公司擁有中國首條、世界第三條碳化硅全產業鏈整合研發與制造平臺。在湖南湘江新區占地千畝的湖南三安超級工廠，總投資達160億元，2021年6月點亮投產，同年11月量產下線碳化硅肖特基二極管全系列產品。本報記者在工廠透過車間的玻璃窗看到，從“碳化硅晶體生長”到“器件封測”的量產線全線貫通。據介紹，湖南三安半導體項目一期工程的6英寸碳化硅晶圓年產能達到20萬片，二期工程預計2023年年底投產，達產后6英寸碳化硅晶圓每年將突破50萬片。
資料顯示，湖南三安的碳化硅襯底/外延產品已批量交付國際功率半導體龍頭企業；2022年車規級和工業級碳化硅功率半導體出貨突破1億顆；碳化硅車規MOS芯片已與知名整車廠和整車廠一級供應商（Tier1）簽署累計近70億元的長期訂單。
湖南三安國產碳化硅汽車應用的步伐持續加快。主驅是電動車的“心臟”，本報記者了解到，湖南三安用于主驅的碳化硅功率芯片驗證進度良好，2023年四季度有望正式“上車”，預計2024年6月將在某品牌新能源汽車主驅上看到湖南三安的身影。
事實上，湖南三安的碳化硅功率半導體不僅瞄準新能源汽車，還在光伏儲能、數據中心、5G、軌道交通、電網等多領域廣泛得到應用。
有數據表明，新能源汽車市場已經超過碳化硅器件總市場的40%，預計將在2025年達到60%以上。張真榕解釋，車規級碳化硅功率半導體的技術標準高于工業級，對品控、可靠性、安全性和環境適應性的要求相當嚴格。
在功率半導體領域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和碳化硅（SiC）是兩大主流。新能源汽車以往一直使用絕緣柵雙極型晶體管功率芯片，2018年特斯拉開始將碳化硅帶到其Model3車型上。緊隨其后，比亞迪、蔚來、小鵬、吉利等國內車企在自家的新款高端電動車里裝上了碳化硅芯片。2020年，比亞迪的“漢”在電機控制器中就使用了碳化硅功率模塊。
在電動汽車內部，電池提供直流電，電機需要交流電。因此，電控環節的逆變器就要將直流電轉換交流電，絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅功率器件恰恰是逆變器的核心。
兩者對比，碳化硅熱傳遞性好，絕緣能力強，小型化下功率密度也更高。正是憑借高壓場景中的特長，為了提升加速度、降低系統成本、實現輕量化，近年來，新能源整車企業廣泛引入碳化硅功率芯片，應用在逆變器、充電樁、車載充電器等高壓充放電環節。備受關注的是，碳化硅的能源轉換效率出色，自身性能的提升可以成倍地帶來電動車續航里程的增加，這對緩解人們對電動車的“續航焦慮”大有幫助。
中國第一汽車股份有限公司研發總院功率電子開發部部長趙永強在此次會議上表示，新能源汽車行業對電驅動系統的技術要求飛速提升，電驅集成化趨勢明確，以碳化硅為代表的材料迭代成為重要突破方向。對電動車動力性、舒適性、經濟性和800伏應用的迫切需求可以通過碳化硅得以滿足。
降本：在汽車上更大規模應用的關鍵
前進之路上，成本成為碳化硅進一步擴大應用范圍的主要制約。
有研究顯示，特斯拉Model3的主驅動逆變器采用48個碳化硅MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），總成本是傳統方案絕緣柵雙極型晶體管的3~5倍。據此推算，平均2輛特斯拉的純電動車就需要用一片6英寸碳化硅晶圓。
盡管市場上還沒有看到在大電流領域比碳化硅更好的接近量產的替代品，但是馬斯克不久前宣布特斯拉汽車將減少碳化硅使用量，這也被認為是“價格屠夫”向零部件傳導成本壓力的無奈之舉。
目前國內新能源汽車行業的通常做法是，售價20萬元以內的電動車用絕緣柵雙極型晶體管，20萬元以上的高端車型用碳化硅功率芯片。
業內形成共識，降低成本是國產碳化硅功率半導體在汽車上大規模應用的關鍵，未來一定要想辦法把成本降下來。
張真榕告訴本報記者，車用碳化硅的成本受制于多方面因素，包括晶體質量、晶體生長速度、晶體切磨拋光帶來的損耗等，這些是企業界和科研機構需要共同攻克的課題。其中，碳化硅襯底占碳化硅芯片成本的一半以上，降低襯底成本是整體降本的重點。
據了解，碳化硅要在2300攝氏度以上高溫的黑箱中制造，溫度和壓力控制出現微小失誤都會造成失敗。要想擴大晶片尺寸，生產難度就會呈幾何式增長。
為了降低碳化硅功率半導體的成本，湖南三安采用了多種方法。第一，專注技術創新，提高生產效率和良率，張真榕認為這是降低成本的主要途徑；第二，規模化生產，湖南三安提供從晶體生長、襯底制備、外延生長、芯片制程到封裝測試的全產業鏈制造服務，大規模生產帶來成本下降，集中快速生產單一爆款的優勢也很明顯，企業二期工程的投產將進一步強化規模效益；第三，生產設備和材料實現國產化，湖南三安已經開始在多個制造環節對接國內裝備，這不僅是為了降本，也是因為在疫情期間，進口設備運輸不暢，國外工程技術人員來往受困，這也堅定了企業尋找國內替代裝備的決心。
張真榕同時提醒，降本并非所有碳化硅生產的首要任務，對高端產品，企業更將追求極致性能。
三安光電是湖南三安的母公司，也是世界級的LED芯片巨頭企業。張真榕從三安光電多年的產業經驗類比分析，20年前LED芯片的價格為每片200美元，隨著產業發展，現在的成本只是當時的5%，參照其經驗，未來碳化硅的成本也將逐年降低。
協同：產業鏈上中下游合作迫在眉睫
盡管生機勃勃，但是中國第三代半導體行業整體發展尚未成熟，在襯底材料生產效率、芯片性能效率、封裝水準和良率等方面仍待提升，國產碳化硅器件也還要跨過高可靠性的門檻。
趙永強表示，中國整車企業要給國產半導體提升改進的機會和空間，引導國產碳化硅器件大規模“上車”。業內人士分析說，這正是源于產業內部“雞生蛋”還是“蛋生雞”的老問題——只有大量應用，國產半導體才能在實踐中持續完善，但是車企也希望國產半導體生產工藝達到極高水準后再“上車”。
汽車產業的傳統供應模式正在發生改變。汽油車開發周期是5年，電動車縮短至兩年一代。而且，車規級芯片在“上車”前的送樣驗證大約需要兩年時間。因此，無論整車企業還是芯片企業，都面臨產品的快速迭代，承受時間緊迫的壓力，這要求上下游相互配合，整條產業鏈共同應對。
事實上，新能源整車企業擔心全球碳化硅產能擴張低于市場需求快速增長，也都在各自尋求與上游企業的深度合作。據了解，目前國內汽車功率半導體產品還以標準品應用為主，但定制開發已經開始。
盡管如此，從整個產業觀察，國內上中下游尚未形成協同發展的局面。“碳化硅應用于車輛屬于系統工程。”趙永強認為，只有整車、零部件、原材料生產企業的全產業鏈共同合作，中國新能源汽車方能領跑國際。
比亞迪汽車副總工程師劉源建議，盡快建立對汽車功率芯片檢測、驗證的完整體系。
據悉，此次成立的汽車功率半導體分會就是為了促進產業協同合作，推動關鍵技術的快速突破，打通標準制訂等各個環節。分會成員涵蓋了境內從事功率半導體襯底、外延、晶圓、器件、模塊、封測等業務的優勢企業，汽車整車企業，零部件供應商，科研院所，高校及行業組織。
“產業需要建立朋友圈。”董揚表示，要加快構建有競爭力的車規級功率半導體產業鏈，努力讓中國的功率半導體產業在世界上占有一席之地乃至領先位置。
營業執照公示信息