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碳化硅到底有多火？被稱為“千億風(fēng)口”的原因是啥？
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-10-24 14:45:50
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今年以來，各省、地方相繼出臺(tái)第十四個(gè)五年規(guī)劃和二O三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要等發(fā)展規(guī)劃，其中先進(jìn)陶瓷被多個(gè)省份寫入發(fā)展規(guī)劃之中，其中碳化硅及相關(guān)材料受到“重點(diǎn)照顧”，這預(yù)示著碳化硅產(chǎn)業(yè)勢(shì)必將迎來新一階段快速發(fā)展時(shí)期。 碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，在禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優(yōu)越的電氣性能。 但是除了關(guān)注在半導(dǎo)體方向的發(fā)展應(yīng)用外，碳化硅實(shí)質(zhì)上是一種優(yōu)良的陶瓷、耐火、磨削材料，雖然其在傳統(tǒng)領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有半導(dǎo)體領(lǐng)域那么大，但不可否認(rèn)的是，碳化硅材料目前仍是很多傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用性能最佳的材料。 可以說，目前還沒有哪種材料像碳化硅這樣，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都受到如此青睞。 碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域 碳化硅廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域主要分為高溫應(yīng)用領(lǐng)域、加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域、腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用、磨削領(lǐng)域、耐磨損機(jī)械領(lǐng)域、有色冶金領(lǐng)域、光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域、半導(dǎo)體領(lǐng)域等等，具體的應(yīng)用形式主要包括以下幾個(gè)方面。 結(jié)構(gòu)/功能陶瓷 碳化硅陶瓷是一種重要的陶瓷材料，具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，如高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，它是從20世紀(jì)60年代 開始發(fā)展起來的，世界各國(guó)對(duì)其十分重視。 另外，由于碳化硅陶瓷突出的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性，使其成為火箭、飛機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中熱機(jī)部件的主要材料之一。 高級(jí)耐火材料 碳化硅耐火材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱傳導(dǎo)率大、耐磨損性和耐熱震性好、抗渣性和抗氧化性以及部分熔融金屬抵抗性強(qiáng)等特征，已被廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、化學(xué)、硅酸鹽和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，并日益展示出其它耐火材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 如在剛剛結(jié)束的第十四屆珠海航展上，就有第三代碳化硅纖維材料展出，并大放異彩。據(jù)長(zhǎng)沙高新區(qū)官網(wǎng)顯示，本次珠海航展上展出的碳化硅纖維材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件以及導(dǎo) 彈熱結(jié)構(gòu)部件等。 在高檔日用陶瓷、衛(wèi)生瓷、高壓電瓷、玻璃等產(chǎn)業(yè)中的輥道窯、隧道窯、梭式窯中，通常選用碳化硅陶瓷作為高溫窯具材料，如碳化硅橫梁適用于工業(yè)窯爐中的承重結(jié)構(gòu)架，它高溫力學(xué)性能優(yōu)異，抗高溫蠕變性好，長(zhǎng)期使用不彎曲變形。 磨料 碳化硅硬度僅次于金剛石和六方氮化硼，是一種常用的磨料。由于其超硬的性能，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。 第三代半導(dǎo)體材料 第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦稱為高溫半導(dǎo)體材料。 從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體材料，且碳化硅技術(shù)最為成熟，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。碳化硅正是目前新材料產(chǎn)業(yè)中最火的材料。 經(jīng)預(yù)測(cè)，碳化硅半導(dǎo)體市場(chǎng)在 2025年將達(dá)到 25 億美元（約合人民幣 164.38 億元）的市場(chǎng)規(guī)模。其中新能源汽車行業(yè)將是碳化硅市場(chǎng)最大的驅(qū)動(dòng)力，到 2025 年，新能源汽車與充電樁領(lǐng)域的碳化硅市場(chǎng)將達(dá)到 17.78 億美元（約合人民幣 116.81 億元），約占碳化硅半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的七成。 可以說，碳化硅已經(jīng)成為半導(dǎo)體這個(gè)千億市場(chǎng)的風(fēng)口！ 新能源汽車推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)爆發(fā) 隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)體器件的需求日益增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃料汽車中，半導(dǎo)體器件的平均價(jià)值為355美元，而新能源汽車中，半導(dǎo)體器件的價(jià)值為695美元，幾乎翻了一番，其中，功率器件的增長(zhǎng)最為顯著，從17美元增加到265美元，增長(zhǎng)幅度近15倍。 目前市場(chǎng)上，用于新能源汽車的大多數(shù)功率半導(dǎo)體都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。2019年，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體電力電子設(shè)備應(yīng)用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域取得了快速進(jìn)展。全球有20多家汽車制造商在其車載充電器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆變器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模塊。 碳化硅在光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用 在太陽能應(yīng)用中，基于硅器件的傳統(tǒng)逆變器的成本約占系統(tǒng)的10%，但卻是導(dǎo)致系統(tǒng)能量損耗的主要原因之一。將碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器可將轉(zhuǎn)換效率從96%提高到99%以上，能源消耗降幅50%以上，并且設(shè)備使用壽命能夠提升50%，達(dá)到減少系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)設(shè)備壽命和降低制造成本的效果。 高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是太陽能逆變器的未來發(fā)展趨勢(shì)。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品有望逐步取代硅基器件。 碳化硅“絕配”800V 充電10分鐘，續(xù)航300公里。近日，小鵬汽車推出其走量車型G6，該車型搭載800V高壓平臺(tái)，充電1分鐘可增加5%的續(xù)航。 不只是小鵬汽車。當(dāng)下，高壓快充成為越來越多國(guó)內(nèi)外主流車企深度布局電動(dòng)化的路線選擇，推動(dòng)車規(guī)級(jí)碳化硅站上“新風(fēng)口”。業(yè)內(nèi)專家表示，碳化硅是800V電壓平臺(tái)下功率器件的首要選擇。800V高壓碳化硅平臺(tái)既可以提高電池充電速度，又能夠提高整車運(yùn)行效率，在同等電池容量情況下延長(zhǎng)續(xù)航里程，成為緩解電動(dòng)汽車“里程焦慮”的一劑良藥。 續(xù)航低、充電慢一直以來都是困擾新能源汽車車主和車企的兩大難題。要解決這些問題，一方面需要提高電池續(xù)航里程，另一方面則是要加快充電速度。800V高壓碳化硅平臺(tái)的誕生，就是為了實(shí)現(xiàn)快充。 小鵬汽車800V高壓SiC碳化硅平臺(tái) “整車選擇高壓架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充的必經(jīng)之路，800V左右的高壓在當(dāng)前可支撐實(shí)現(xiàn)2C快充。”華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司智能電動(dòng)領(lǐng)域副總裁彭鵬表示，對(duì)于一輛搭載100kW電量的電動(dòng)汽車而言，在當(dāng)前400V電壓平臺(tái)、250A電流下，需要30分鐘才能充電30%至80%，而如果電壓提升到800V，15分鐘能實(shí)現(xiàn)電池充滿，達(dá)到4C的效率，基本滿足現(xiàn)階段消費(fèi)者的快充需求。 要構(gòu)建800V高壓平臺(tái)，碳化硅功率器件是關(guān)鍵。一位業(yè)內(nèi)人士告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢(shì)，尤其是在800V充電架構(gòu)之下，硅基IGBT已接近性能極限，很難滿足主驅(qū)逆變器的技術(shù)需求。 劉朝輝介紹，碳化硅材料性能優(yōu)越，耐高溫、高壓、高頻，是800V電壓平臺(tái)下功率器件的首要選擇。采用SiC MOSFET可以減小開關(guān)損耗、提高工作頻率，增加系統(tǒng)功率密度，超越采用IGBT器件系統(tǒng)的性能。 小鵬汽車功率系統(tǒng)負(fù)責(zé)人表示：“采用碳化硅的高壓電機(jī)控制器，CLTC（中國(guó)輕型汽車行駛工況續(xù)航）工況能量轉(zhuǎn)換效率可提高3%~4%，實(shí)現(xiàn)整車?yán)m(xù)航里程的提升。” 盡管碳化硅成本過高問題一直飽受詬病，但多位業(yè)內(nèi)專家指出，整車廠一般不會(huì)單一考慮單個(gè)功率器件成本變化，而是更加關(guān)注整車成本變化。碳化硅方案能夠提升整車系統(tǒng)效率，并未提高整車成本。 目前，碳化硅市場(chǎng)還面臨一些挑戰(zhàn)，如成本較高、工藝不夠成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等。為了解決這些問題，行業(yè)內(nèi)的企業(yè)正在加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，加快市場(chǎng)應(yīng)用推廣。同時(shí)，政 府也出臺(tái)了一系列政策，支持碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 總的來說，隨著應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)和工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新風(fēng)口。在未來的發(fā)展中，碳化硅行業(yè)需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同和創(chuàng)新應(yīng)用，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，為推動(dòng)新能源汽車、智能電網(wǎng)、5G通信等領(lǐng)域的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，政 府和企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)的支持和投入，共同推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和壯大。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_533966.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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