碳化硅|当新能源遇上半导体
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作者:文雨,编辑:小市妹
价格维持不变,集成电路上可容纳的元件数目大约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将同步提升一倍。
过去几十年,芯片产业的进阶严格遵循这一人为约定,但当台积电宣布突破1nm制程的时候,摩尔定律在理论上已经走进了死胡同。
若要延续这一趋势,必须在底层材料上形成突破。
【跳跃式升级】
发展至今,半导体材料已历经多次迭代。
第一代半导体材料主要是硅和锗,上世纪60年代之后,硅基半导体逐渐成为主流,直到现在依然是应用最为广泛的半导体材料,全球95%以上的芯片是以硅片为基础材料制成的。
第二半导体材料的代表是砷化镓,可以制造更高频、高速的集成电路,但以目前的需求来看,砷化镓材料的禁带宽度依然较小。
第三代半导体材料应时代而生,以碳化硅、氮化镓为代表的材料可以制备耐高压、高频的功率器件,其中碳化硅是综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。
碳化硅并非原有技术的渐进改良,而是一次跳跃式升级。
相同规格下,碳化硅基MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10,导通电阻是后者的1/100。与硅基IGBT相比,碳化硅基MOSFET的总能量损耗可降低70%。
碳化硅的性能优势在各个新能源产业中体现的淋漓尽致。
应用在风力发电领域,可提高效率20%。
应用在光伏逆变器,可将转换效率从96%提升至99%以上,并且降低能量损耗超50%,提升设备循环寿命50倍。
最重要的是在新能源车上的应用。
2016年,在成本控制上近乎“变态”的特斯拉一反常态,率先在Model3的主逆变器上安了24个由意法半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块。要知道,当时碳化硅功率器件的价格是同等硅器件的十倍。
后来的事实证明,马斯克的眼光还是一如既往的犀利。
根据福特汽车的测算,相比于传统硅芯片,由碳化硅制成芯片驱动的新能源汽车,能量损耗大约降低5倍左右。到目前为止,纯电动汽车中已有超40%以上采用SiC技术,自主品牌中第一个吃螃蟹的是比亚迪。
使用自主研发制造的SiCMOSFET控制模块后,比亚迪汉EV车型的性能在去年明显提升,功率达到363Kw,实现百公里加速3.9s,续航里程延长至605公里。
不只是新能源产业,碳化硅在家电、通讯、航空、高铁、工业电机等领域均有重大作用。
但直到现在,碳化硅的普及程度依然很低。
【渐进式渗透】
根据Yole的数据,2021年,第三代半导体基功率器件的市场占比只有约6%,其中SiC基功率器件占比5%左右,市场规模大约8.5亿美元。
性能好,但渗透率低,原因只有一个:贵。
CASA的数据显示,2020年,650V的SiCMOSFET与SiIGBT的价格比大约是4:1,SiC逆变器模块是硅基逆变器价格的2-3倍。
新能源产业附加值高,成本承受能力强,所以率先导入了第三代半导体材料,但很多行业价格敏感性高,只能等待成本的进一步下降。
对于任何一项新技术,成本都是左右产业化的核心变量。于碳化硅而言,碳粉提纯难度高、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢等因素共同决定着成本刚性。
首先,高质量SiC晶体的基础是要有高纯度的碳粉,但提纯过程对工艺要求极高,合成也需要时间摸索。
其次,碳化硅晶体的生长速度非常慢。碳化硅7天才能生长2cm左右,作为对比,2-3天就能拉出约2m长的8英寸硅棒。
最后,由于碳化硅硬度高,不仅切割耗时长,而且良率低。一般来说,硅片的切割只需几小时,而碳化硅片则要上百小时。
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