2022年，湖南规模以上电子信息制造业营业收入达4314亿元，比2021年增长20.2%。在长沙，湖南三安半导体有限责任公司拥有中国首条、世界第三条碳化硅全产业链整合研发与制造平台。图为技术人员在三安半导体车间内操作。朱莉/摄
“功率半导体要‘大火’。”中国汽车芯片产业创新战略联盟日前在湖南长沙成立汽车功率半导体分会，并举行了发展研讨会，联盟理事长、分会首任理事长董扬表示，功率半导体的发展前景广阔，重要原因就是驶上了高速发展的新能源汽车赛道。
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汽车功率半导体产业正迎来向上发展的重要机遇期。湖南三安等龙头企业的国产碳化硅功率芯片正在大规模搭上新能源汽车的快车，并且即将应用在主驱这一新能源汽车的“心脏”上。为了满足新能源整车企业的需要，企业正在通过技术创新和规模生产不断提升“中国芯”的品质，同时降低成本。
与此同时，无论是半导体企业，还是整车企业，都意识到当前迫在眉睫的事情是加强产业链上中下游合作，通过建立良好的产业生态来让彼此受益。
缺芯：碳化硅功率芯片项目耗钱耗时耗人
“功率芯片是新能源汽车整车成功的关键因素。”中国汽车芯片产业
创新战略联盟秘书长原诚寅在研讨会上表示。
汽车正在从汽油等化石能源驱动向电动化、网联化、智能化转换。在这个重大变化中，汽车功率半导体作为新能源汽车离不开的器件，重要性与日俱增。在整车企业看来，新能源汽车产业已然进入了“半导体定义汽车”的阶段。
原诚寅认为，汽车芯片是一个足够有想象力的市场，汽车产业变革趋势不可逆转，会产生新机遇和新增长点，汽车产业的核心价值链将会逐步从传统制造业转到高新技术行业。
2022年是全球新能源汽车产业发展具有标志性意义的一年。中国新能源汽车产业发展势头正劲，全年新能源汽车销售688.7万辆，比2021年几近翻倍；产销量连续8年保持全球第一；新能源汽车新车销量占汽车新车总销量的25.6%。
董扬特别看重市场的力量。他以汽车动力电池过去10年走过的历程为例分析，正是旺盛的需求不断催生相关领域的进步，10年过后，动力电池产业建立起来了，人才队伍也形成了。他认为，如今汽车功率半导体的产业基础强于10年前的动力电池。
近两年，新能源汽车产业对芯片的需求猛增。放眼全球，芯片供不应求，缺芯问题影响到世界汽车产业，大众、丰田、日产等汽车巨头纷纷遭遇缺芯难题。
功率半导体是汽车芯片几大类产品中非常重要的一环，广泛用于转换器、充电器、逆变器等实现能量转换的关键零部件中。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是第三代半导体的代表。湖南三安半导体销售副总经理张真榕援引市场调查机构Yole Group的报告向本报记者分析，碳化硅功率器件市场规模将由2021年的10.9亿美元增长至2027年的62.97亿美元，复合增长率达34%。TrendForce集邦咨询预计，2026年车用碳化硅功率器件市场规模将攀升至39.4亿美元。
张真榕分析，预计到2025年，全球2000万辆新能源汽车中，如果15%~30%的B级以上轿车采用碳化硅功率芯片，那么缺口将达150万~300万片。
碳化硅功率芯片的巨大缺口，吸引了国内不少企业进场投资。在此次会议上，博世中国执行副总裁徐大全提醒，要警惕产业盲目扩张，“如果建太多厂，中间一定会有重复浪费。大家全面开花，未来会自己把自己打败”。
业内也有观点认为，尽管经常听到有关碳化硅功率半导体项目的消息，但从实际效果看，却是“雷声大雨点小”。真正落地并实现有效产出的并不多，部分项目每月仅达到两三千片的产量，而且并非所有碳化硅产品都能达到车规级。
碳化硅芯片项目耗钱耗时耗人，缺芯问题与项目投资巨大、回报周期长相关。据了解，碳化硅芯片项目投资建设期约为18~24个月，要经历设备导入调试、工艺开发与验证、产品研发与验证等一长串过程。2022年投资的项目，到2025年才会释放产能。
“上车”：碳化硅功率芯片装入电动车的“心脏”
此次会议在湖南召开，而电子信息制造业正是湖南着力培育壮大的“新三样”产业之一。2022年，湖南规模以上电子信息制造业营业收入达4314亿元，比2021年增长20.2%。
在长沙，湖南三安半导体有限责任公司拥有中国首条、世界第三条碳化硅全产业链整合研发与制造平台。在湖南湘江新区占地千亩的湖南三安超级工厂，总投资达160亿元，2021年6月点亮投产，同年11月量产下线碳化硅肖特基二极管全系列产品。本报记者在工厂透过车间的玻璃窗看到，从“碳化硅晶体生长”到“器件封测”的量产线全线贯通。据介绍，湖南三安半导体项目一期工程的6英寸碳化硅晶圆年产能达到20万片，二期工程预计2023年年底投产，达产后6英寸碳化硅晶圆每年将突破50万片。
资料显示，湖南三安的碳化硅衬底/外延产品已批量交付国际功率半导体龙头企业；2022年车规级和工业级碳化硅功率半导体出货突破1亿颗；碳化硅车规MOS芯片已与知名整车厂和整车厂一级供应商（Tier1）签署累计近70亿元的长期订单。
湖南三安国产碳化硅汽车应用的步伐持续加快。主驱是电动车的“心脏”，本报记者了解到，湖南三安用于主驱的碳化硅功率芯片验证进度良好，2023年四季度有望正式“上车”，预计2024年6月将在某品牌新能源汽车主驱上看到湖南三安的身影。
事实上，湖南三安的碳化硅功率半导体不仅瞄准新能源汽车，还在光伏储能、数据中心、5G、轨道交通、电网等多领域广泛得到应用。
有数据表明，新能源汽车市场已经超过碳化硅器件总市场的40%，预计将在2025年达到60%以上。张真榕解释，车规级碳化硅功率半导体的技术标准高于工业级，对品控、可靠性、安全性和环境适应性的要求相当严格。
在功率半导体领域，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和碳化硅（SiC）是两大主流。新能源汽车以往一直使用绝缘栅双极型晶体管功率芯片，2018年特斯拉开始将碳化硅带到其Model3车型上。紧随其后，比亚迪、蔚来、小鹏、吉利等国内车企在自家的新款高端电动车里装上了碳化硅芯片。2020年，比亚迪的“汉”在电机控制器中就使用了碳化硅功率模块。
在电动汽车内部，电池提供直流电，电机需要交流电。因此，电控环节的逆变器就要将直流电转换交流电，绝缘栅双极型晶体管或碳化硅功率器件恰恰是逆变器的核心。
两者对比，碳化硅热传递性好，绝缘能力强，小型化下功率密度也更高。正是凭借高压场景中的特长，为了提升加速度、降低系统成本、实现轻量化，近年来，新能源整车企业广泛引入碳化硅功率芯片，应用在逆变器、充电桩、车载充电器等高压充放电环节。备受关注的是，碳化硅的能源转换效率出色，自身性能的提升可以成倍地带来电动车续航里程的增加，这对缓解人们对电动车的“续航焦虑”大有帮助。
中国第一汽车股份有限公司研发总院功率电子开发部部长赵永强在此次会议上表示，新能源汽车行业对电驱动系统的技术要求飞速提升，电驱集成化趋势明确，以碳化硅为代表的材料迭代成为重要突破方向。对电动车动力性、舒适性、经济性和800伏应用的迫切需求可以通过碳化硅得以满足。
降本：在汽车上更大规模应用的关键
前进之路上，成本成为碳化硅进一步扩大应用范围的主要制约。
有研究显示，特斯拉Model3的主驱动逆变器采用48个碳化硅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），总成本是传统方案绝缘栅双极型晶体管的3~5倍。据此推算，平均2辆特斯拉的纯电动车就需要用一片6英寸碳化硅晶圆。
尽管市场上还没有看到在大电流领域比碳化硅更好的接近量产的替代品，但是马斯克不久前宣布特斯拉汽车将减少碳化硅使用量，这也被认为是“价格屠夫”向零部件传导成本压力的无奈之举。
目前国内新能源汽车行业的通常做法是，售价20万元以内的电动车用绝缘栅双极型晶体管，20万元以上的高端车型用碳化硅功率芯片。
业内形成共识，降低成本是国产碳化硅功率半导体在汽车上大规模应用的关键，未来一定要想办法把成本降下来。
张真榕告诉本报记者，车用碳化硅的成本受制于多方面因素，包括晶体质量、晶体生长速度、晶体切磨抛光带来的损耗等，这些是企业界和科研机构需要共同攻克的课题。其中，碳化硅衬底占碳化硅芯片成本的一半以上，降低衬底成本是整体降本的重点。
据了解，碳化硅要在2300摄氏度以上高温的黑箱中制造，温度和压力控制出现微小失误都会造成失败。要想扩大晶片尺寸，生产难度就会呈几何式增长。
为了降低碳化硅功率半导体的成本，湖南三安采用了多种方法。第一，专注技术创新，提高生产效率和良率，张真榕认为这是降低成本的主要途径；第二，规模化生产，湖南三安提供从晶体生长、衬底制备、外延生长、芯片制程到封装测试的全产业链制造服务，大规模生产带来成本下降，集中快速生产单一爆款的优势也很明显，企业二期工程的投产将进一步强化规模效益；第三，生产设备和材料实现国产化，湖南三安已经开始在多个制造环节对接国内装备，这不仅是为了降本，也是因为在疫情期间，进口设备运输不畅，国外工程技术人员来往受困，这也坚定了企业寻找国内替代装备的决心。
张真榕同时提醒，降本并非所有碳化硅生产的首要任务，对高端产品，企业更将追求极致性能。
三安光电是湖南三安的母公司，也是世界级的LED芯片巨头企业。张真榕从三安光电多年的产业经验类比分析，20年前LED芯片的价格为每片200美元，随着产业发展，现在的成本只是当时的5%，参照其经验，未来碳化硅的成本也将逐年降低。
协同：产业链上中下游合作迫在眉睫
尽管生机勃勃，但是中国第三代半导体行业整体发展尚未成熟，在衬底材料生产效率、芯片性能效率、封装水准和良率等方面仍待提升，国产碳化硅器件也还要跨过高可靠性的门槛。
赵永强表示，中国整车企业要给国产半导体提升改进的机会和空间，引导国产碳化硅器件大规模“上车”。业内人士分析说，这正是源于产业内部“鸡生蛋”还是“蛋生鸡”的老问题——只有大量应用，国产半导体才能在实践中持续完善，但是车企也希望国产半导体生产工艺达到极高水准后再“上车”。
汽车产业的传统供应模式正在发生改变。汽油车开发周期是5年，电动车缩短至两年一代。而且，车规级芯片在“上车”前的送样验证大约需要两年时间。因此，无论整车企业还是芯片企业，都面临产品的快速迭代，承受时间紧迫的压力，这要求上下游相互配合，整条产业链共同应对。
事实上，新能源整车企业担心全球碳化硅产能扩张低于市场需求快速增长，也都在各自寻求与上游企业的深度合作。据了解，目前国内汽车功率半导体产品还以标准品应用为主，但定制开发已经开始。
尽管如此，从整个产业观察，国内上中下游尚未形成协同发展的局面。“碳化硅应用于车辆属于系统工程。”赵永强认为，只有整车、零部件、原材料生产企业的全产业链共同合作，中国新能源汽车方能领跑国际。
比亚迪汽车副总工程师刘源建议，尽快建立对汽车功率芯片检测、验证的完整体系。
据悉，此次成立的汽车功率半导体分会就是为了促进产业协同合作，推动关键技术的快速突破，打通标准制订等各个环节。分会成员涵盖了境内从事功率半导体衬底、外延、晶圆、器件、模块、封测等业务的优势企业，汽车整车企业，零部件供应商，科研院所，高校及行业组织。
“产业需要建立朋友圈。”董扬表示，要加快构建有竞争力的车规级功率半导体产业链，努力让中国的功率半导体产业在世界上占有一席之地乃至领先位置。
