特斯拉宣布SiC用量大砍75%！碳化硅真的會失勢嗎？
2023-03-15 11:54:12 EETOP第三代半導體體用于電動車正如火如荼，全球電動車大廠特斯拉(Tesla)卻突然宣布，下一代的電動車傳動系統碳化硅(SiC) 用量大減75%，因借創新技術找到下一代電動車動力系統減少使用碳化硅的方法，也不會犧牲效能。這消息直接沖擊全球第三代半導體廠商股價，牽動廠商布局。
根據TrendForce的預估，電動車市場2023 年的成長率將達到36.2%，若不把hybrid 車款納入計算，純電動車市場的成長率更驚人，有近4 成的年成長力道。
這也是為什么在各種消費性用芯片都進入庫存修正，就連服務器成長引擎也熄火時，第三代半導體需求依舊火熱，包含wolfspeed、英飛凌等大廠也都大舉投入新廠建置。從TrendForce 估計來看，SiC（碳化硅）占功率半導體元件市場比重會從2021 年的4.1%，到2025 年上升至12.4%，而GaN 的占比則將從2021 年的0.5%，在2025 年提升至4.8%。
特斯拉的決定對碳化硅大廠的影響幾何？
以車用半導體領導廠商英飛凌 （Infineon）為例， 英飛凌受訪時表示，雖然不知道特斯拉減少碳化硅會改采什么技術，也不清楚特斯拉從什么時候開始，但市場發展來看，不論傳統車廠或新電動車廠，都對碳化硅需求強勁。英飛凌持有先進技術也不斷擴廠，看不出特斯拉計劃對英飛凌第三類半導體布局有任何影響。
英飛凌大中華區汽車電子事業部資深經理何吉哲表示，碳化硅之所以被電動車大量采用，因相較硅基半導體更適合車用。首先，碳化硅具更低電阻，電流傳導時減少耗損，不但使電動車電池電量更高效率使用，也不會造成高電阻產生熱的問題，不用花費太多成本設計散熱系統，降低成本與車輛重量同時，也能使電動車有更高行駛里程。
其次，碳化硅相較硅基半導體能承受更高溫，高達200°C，超越傳統硅基半導體因封裝技術無法承受高溫，也更適合高溫汽車電子運作。第三，碳化硅可承受高電壓達1200V，減少硅基半導體開關切換時的電流損耗，解決散熱問題，還使電動車電池使用更有效率，車輛控制設計更簡單。最后，碳化硅芯片面積具耐高溫、高壓、低電阻特性，可設計更小，多出來的空間讓電動車乘坐空間更舒適，或電池做更大，達更高行駛里程。
根據研究單位的報告顯示，基于第三類半導體各項特性優勢，未來5年內在每兩部車輛當中，將會有一部是搭載第三類半導體的電動車。這情況也將使得第三類半導體在電動車市場中，于2027年到2030年間用量超過硅基半導體。
現階段，發展最積極的當屬中國大陸，其第三代半導體滲透率在2022年已達26.5%，之后才為歐洲的15.8%，排名第三的美國則為6.8%。而帶領第三類半導體在電動車市場發展的重點，在于逆變器、車用充電器（OBC）、以及車用直流降壓模組（DC-DC）等三項產品上。而這些應用，絕大多數都會是以碳化硅為主，氮化鎵（GaN）則會比較多應用在車用充電器（OBC）、車用降壓模塊（DC-DC），但比例就較碳化硅要小得多。
何吉哲指出，從硅基半導體、氮化鎵、碳化硅等在電動車市場上的使用來看，應用上的重點考量會是以能承受的電流與電壓大小做進一步的取舍。其中，硅基半導體用在 25V~6.5KV 的電壓范圍產品上。至于，碳化硅在許多方面呈現與硅基半導體互補的狀態，作業范圍落在 650V~3.3KV 的范圍間。而但于氮化鎵則是以80V~650V的應用，以中等電壓的范圍為主，適合取代硅基半導體的部分使用。
特斯拉的減用，SiC 真的會因而失勢嗎？
第三代半導體正是所謂的寬禁帶半導體，其中，SiC和GaN 的帶隙寬度分別達到3.2eV、3.4eV，因此當遇到高溫、高壓、高電流時，跟一、二代半導體比起來，第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換也更好。GaN 元件目前常見于應用在如充電器、基地臺、5G 通訊相關等高頻產品；SiC 則是出現在高壓、大電流的應用場景，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備。
SiC 已逐漸在電動車主驅逆變器中扮演要角，未來隨著電氣架構將往800V邁進，而耐高壓SiC 功率元件預料將成為主驅逆變器標配。就連GaN也從消費性電子領域正摩拳擦掌要進入電動車領域與SiC爭奪市場大餅。
事實上，SiC 能在電動車領域獨領風騷，甚至供不應求，其推手正是最先采用SiC 的特斯拉。特斯拉早在2018 年開始在Model 3上采用SiC，成功將逆變器體積縮小，并且打造出更流線的車體，進而吸引其他車廠跟進采用SiC 元件。
也正因為如此，當特斯拉在今年3 月初舉行的投資人日中，公布其下一代動力系統設計中將減少75% 的SiC 設計時，立刻為第三代半導體市場投下一顆核彈，引發市場對于SiC 未來發展性的猜疑。
然而，SiC 真的會因而失勢嗎？從短期來看，特斯拉并未公布更多計劃時程等細節，就有分析師不諱言，特斯拉減用，其他車廠還是會繼續使用，SiC 目前供不應求的格局仍難以改變。若將時間拉長，就有分析師認為，特斯拉會持續透過升級封裝方式，或是采用異于目前平面結構（Planar）的溝槽結構（Trench）SiC技術，達到減用的目標。這也意味著特斯拉要達到目標，SiC 技術除了技術提升之外，如何讓元件制造成本下降，也將是未來發展關鍵要素。
第三代半導體如何上車
盡管特斯拉的動向讓火熱的第三代半導體市場，好似突然被澆了一頭冷水。但其實就現在全球供應商都還積極布局技術發展、并亟欲解決產能瓶頸的狀況來看，第三代半導體的前景仍相當可期。
若拆解目前第三代半導體在電動車上的應用，目前仍以用于主驅逆變器、車載充電器（OBC）、DC/DC 轉換器的SiC 為主。TrendForce 分析師就指出，目前電動車用芯片約1000 顆，其中30 顆為第三代半導體元件（絕大多數為SiC）。未來車用功率元件將持續成長，預估第三代半導體元件的需求也會大幅成長，至少將達到100 顆的規模。
其中，除了SiC未來將成為主驅逆變器的主流元件外，車載充電器、DC/DC 轉換器可能從采用SiC 轉為采用GaN 元件。其他像是車載娛樂系統、光達、BMS、壓縮機等也都是潛在采用第三代半導體元件的區塊。
圖片來源：technews
不過，SiC 與GaN 在導入電動車上，仍有其各自需解決的問題。早在2018 年即因特斯拉的采用而成為主驅逆變器芯片新星的SiC，因其材料稀缺，加上制程復雜昂貴，目前要克服的仍是產能不足的困境。相較之下，GaN則是要在功率等級、高壓等級與可靠性上取得更多的技術突破，同時要能通過車廠冗長的認證時間，并建立產能與生態圈，才能真正吃下電動車市場大餅。
截然不同的供應鏈組成
攤開供應鏈的分布，SiC 芯片多由IDM 廠提供，以意法半導體、英飛凌、Wolfspeed 等為主導廠商。相較之下，車用GaN 元件主要供應商主要為IC 設計公司，包含近期被英飛凌收購的GaN Systems、安世半導體（Nexperia）、Transphorm、EPC 等，而其芯片制造則主要由臺積電、世界先進、漢磊等公司代工。
