特斯拉宣布SiC用量大砍75！碳化硅真的会失势吗？

　　来源：EETOP综合整理自technews、TrendForce
　　第三代半导体体用于电动车正如火如荼，全球电动车大厂特斯拉(Tesla)却突然宣布，下一代的电动车传动系统碳化硅(SiC) 用量大减75%，因借创新技术找到下一代电动车动力系统减少使用碳化硅的方法，也不会牺牲效能。这消息直接冲击全球第三代半导体厂商股价，牵动厂商布局。
　　根据TrendForce的预估，电动车市场2023 年的成长率将达到36.2%，若不把hybrid 车款纳入计算，纯电动车市场的成长率更惊人，有近4 成的年成长力道。
　　这也是为什么在各种消费性用芯片都进入库存修正，就连服务器成长引擎也熄火时，第三代半导体需求依旧火热，包含wolfspeed、英飞凌等大厂也都大举投入新厂建置。从TrendForce 估计来看，SiC（碳化硅）占功率半导体元件市场比重会从2021 年的4.1%，到2025 年上升至12.4%，而GaN 的占比则将从2021 年的0.5%，在2025 年提升至4.8%。
　　特斯拉的决定对碳化硅大厂的影响几何？
　　以车用半导体领导厂商英飞凌 （Infineon）为例， 英飞凌受访时表示，虽然不知道特斯拉减少碳化硅会改采什么技术，也不清楚特斯拉从什么时候开始，但市场发展来看，不论传统车厂或新电动车厂，都对碳化硅需求强劲。英飞凌持有先进技术也不断扩厂，看不出特斯拉计划对英飞凌第三类半导体布局有任何影响。
　　英飞凌大中华区汽车电子事业部资深经理何吉哲表示，碳化硅之所以被电动车大量采用，因相较硅基半导体更适合车用。首先，碳化硅具更低电阻，电流传导时减少耗损，不但使电动车电池电量更高效率使用，也不会造成高电阻产生热的问题，不用花费太多成本设计散热系统，降低成本与车辆重量同时，也能使电动车有更高行驶里程。
　　其次，碳化硅相较硅基半导体能承受更高温，高达200°C，超越传统硅基半导体因封装技术无法承受高温，也更适合高温汽车电子运作。第三，碳化硅可承受高电压达1200V，减少硅基半导体开关切换时的电流损耗，解决散热问题，还使电动车电池使用更有效率，车辆控制设计更简单。最后，碳化硅芯片面积具耐高温、高压、低电阻特性，可设计更小，多出来的空间让电动车乘坐空间更舒适，或电池做更大，达更高行驶里程。
　　根据研究单位的报告显示，基于第三类半导体各项特性优势，未来5年内在每两部车辆当中，将会有一部是搭载第三类半导体的电动车。这情况也将使得第三类半导体在电动车市场中，于2027年到2030年间用量超过硅基半导体。
　　现阶段，发展最积极的当属中国大陆，其第三代半导体渗透率在2022年已达26.5%，之后才为欧洲的15.8%，排名第三的美国则为6.8%。而带领第三类半导体在电动车市场发展的重点，在于逆变器、车用充电器（OBC）、以及车用直流降压模组（DC-DC）等三项产品上。而这些应用，绝大多数都会是以碳化硅为主，氮化镓（GaN）则会比较多应用在车用充电器（OBC）、车用降压模块（DC-DC），但比例就较碳化硅要小得多。
　　何吉哲指出，从硅基半导体、氮化镓、碳化硅等在电动车市场上的使用来看，应用上的重点考量会是以能承受的电流与电压大小做进一步的取舍。其中，硅基半导体用在 25V~6.5KV 的电压范围产品上。至于，碳化硅在许多方面呈现与硅基半导体互补的状态，作业范围落在 650V~3.3KV 的范围间。而但于氮化镓则是以80V~650V的应用，以中等电压的范围为主，适合取代硅基半导体的部分使用。
　　特斯拉的减用，SiC 真的会因而失势吗？
　　第三代半导体正是所谓的宽禁带半导体，其中，SiC和GaN 的带隙宽度分别达到3.2eV、3.4eV，因此当遇到高温、高压、高电流时，跟一、二代半导体比起来，第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电，特性更稳定，能源转换也更好。GaN 元件目前常见于应用在如充电器、基地台、5G 通讯相关等高频产品；SiC 则是出现在高压、大电流的应用场景，例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿能发电设备。
　　SiC 已逐渐在电动车主驱逆变器中扮演要角，未来随着电气架构将往800V迈进，而耐高压SiC 功率元件预料将成为主驱逆变器标配。就连GaN也从消费性电子领域正摩拳擦掌要进入电动车领域与SiC争夺市场大饼。
　　事实上，SiC 能在电动车领域独领风骚，甚至供不应求，其推手正是最先采用SiC 的特斯拉。特斯拉早在2018 年开始在Model 3上采用SiC，成功将逆变器体积缩小，并且打造出更流线的车体，进而吸引其他车厂跟进采用SiC 元件。
　　也正因为如此，当特斯拉在今年3 月初举行的投资人日中，公布其下一代动力系统设计中将减少75% 的SiC 设计时，立刻为第三代半导体市场投下一颗核弹，引发市场对于SiC 未来发展性的猜疑。
　　然而，SiC 真的会因而失势吗？从短期来看，特斯拉并未公布更多计划时程等细节，就有分析师不讳言，特斯拉减用，其他车厂还是会继续使用，SiC 目前供不应求的格局仍难以改变。若将时间拉长，就有分析师认为，特斯拉会持续透过升级封装方式，或是采用异于目前平面结构（Planar）的沟槽结构（Trench）SiC技术，达到减用的目标。这也意味着特斯拉要达到目标，SiC 技术除了技术提升之外，如何让元件制造成本下降，也将是未来发展关键要素。
　　第三代半导体如何上车
　　尽管特斯拉的动向让火热的第三代半导体市场，好似突然被浇了一头冷水。但其实就现在全球供应商都还积极布局技术发展、并亟欲解决产能瓶颈的状况来看，第三代半导体的前景仍相当可期。
　　若拆解目前第三代半导体在电动车上的应用，目前仍以用于主驱逆变器、车载充电器（OBC）、DC/DC 转换器的SiC 为主。TrendForce 分析师就指出，目前电动车用芯片约1000 颗，其中30 颗为第三代半导体元件（绝大多数为SiC）。未来车用功率元件将持续成长，预估第三代半导体元件的需求也会大幅成长，至少将达到100 颗的规模。
　　其中，除了SiC未来将成为主驱逆变器的主流元件外，车载充电器、DC/DC 转换器可能从采用SiC 转为采用GaN 元件。其他像是车载娱乐系统、光达、BMS、压缩机等也都是潜在采用第三代半导体元件的区块。
　　图片来源：technews
　　不过，SiC 与GaN 在导入电动车上，仍有其各自需解决的问题。早在2018 年即因特斯拉的采用而成为主驱逆变器芯片新星的SiC，因其材料稀缺，加上制程复杂昂贵，目前要克服的仍是产能不足的困境。相较之下，GaN则是要在功率等级、高压等级与可靠性上取得更多的技术突破，同时要能通过车厂冗长的认证时间，并建立产能与生态圈，才能真正吃下电动车市场大饼。
　　截然不同的供应链组成
　　摊开供应链的分布，SiC 芯片多由IDM 厂提供，以意法半导体、英飞凌、Wolfspeed 等为主导厂商。相较之下，车用GaN 元件主要供应商主要为IC 设计公司，包含近期被英飞凌收购的GaN Systems、安世半导体（Nexperia）、Transphorm、EPC 等，而其芯片制造则主要由台积电、世界先进、汉磊等公司代工。