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特斯拉等电动汽车公司纷纷采用碳化硅芯片,芯片产业会放弃硅吗?

2021-09-06 14:59 浏览:

数十年来,储量丰富、易于加工的硅一直是芯片的首选材料,但追求能效的电动汽车行业正在削弱硅材料在芯片领域的主导地位。电动汽车制造商特斯拉正是这种变化的催化剂,其已经在部分Model 3电动汽车中用上了碳化硅(SiC)芯片,成为第一家在量产汽车中使用碳化硅芯片的电动汽车公司。这一举措不仅提振了碳化硅芯片在电动汽车供应链中的地位,也对整个芯片行业产生了一定影响。

日本芯片制造商罗姆半导体集团首席战略官Kazuhide Ino表示:“目前芯片制造商还在合力打造碳化硅市场,但我们已经进入了相互竞争的阶段。”

碳化硅顾名思义含有硅元素和碳元素,其化学键比硅更强,是世界上第三硬的物质。碳化硅的加工需要更先进的技术,但这种材料的稳定性和其他特性让芯片能耗比标准硅片减少了一半以上。

碳化硅芯片的散热性能也很好,从而使得逆变器体积更小。作为电动汽车的关键部件,逆变器可以调节电机功率。

“Model 3的空气阻力系数和跑车一样低,”日本名古屋大学教授山本正义说。“进一步缩小逆变器使流线型外观设计成为可能。”

特斯拉的举动影响了整个芯片行业。今年6月份,德国芯片制造商英飞凌推出一款用于电动汽车逆变器的碳化硅芯片模块。

英飞凌一名经理表示:“碳化硅芯片领域不断拓展的时间显然比我们预期更近了。”

现代汽车将在新一代电动汽车上使用英飞凌制造的碳化硅芯片。据称,与硅材质芯片相比,这些芯片可以使车辆行驶里程增加5%以上。

今年6月份,法国汽车制造商雷诺与瑞士意法半导体签署了一项协议,从2026年开始供应碳化硅芯片。该协议还包括供应用氮化镓(GaN)材料制造的芯片,氮化镓是制造芯片的另一种替代材料。

市场研究公司Yole Developpement预测,2026年碳化硅电源芯片市场将比2020年增长6倍,达到44.8亿美元。

此外,有利于碳化硅芯片领域的一大因素是其与硅芯片的价格差距正在不断缩小。山本正义说,大规模生产和其他因素使两者之间的成本差距缩小了一倍左右,而五年前两种芯片的差距还有10倍之多。随着一些芯片供应商开始生产更大的碳化硅晶圆,这一差距可能会进一步缩小。

罗姆一直是碳化硅芯片领域的领导者,在2010年批量生产出世界上第一种碳化硅晶体管。2009年其收购的德国子公司SiCrystal能够生产碳化硅晶圆,这让罗姆具备了整个碳化硅芯片的生产能力。罗姆的目标是到2025年占到全球碳化硅芯片市场份额的30%。公司计划将产能扩大五倍以上,最近在日本福冈县一家工厂新开了一条生产线。

罗姆还表示,许多即将上市的电动汽车都将使用该公司生产的碳化硅芯片。

硅并不是第一种芯片材料。1947年,贝尔实验室开创性地发明了晶体管,之后便使用锗制造晶体管芯片。20世纪60年代,随着芯片工业的发展,硅逐步取代了锗。

作为硅的替代品,碳化硅在制造芯片方面也有竞争对手。氮化镓有可能将能耗减少到硅芯片的十分之一左右。这种材料目前主要用于制造蓝色发光二极管。虽然氮化镓芯片已经被用于充电设备,但目前还需要与包括硅在内的其他材料一起使用,因此尚未充分发挥其应用潜力。

寻找硅的替代品反映出人们在改善芯片性能方面已经接近极限。要开发体积更小、功能更强的电子产品,就需要蚀刻出更小的电路图案。现在主流芯片制造工艺是5纳米,预计芯片上晶体管密度大约每两年翻一番的摩尔定律正在经受前所未有的考验。

能效需求也推动了芯片材料的创新。电动汽车、数据中心和数字经济的其他基础设施都在不断增加。如果不采取措施提高能源效率,将产生巨大的电力需求缺口。

美国初创公司Lab 91是德克萨斯大学奥斯汀分校的衍生机构,正在开发在芯片晶圆上覆盖石墨烯的技术。早期试验已经取得成功,公司正在与芯片制造商进行谈判,以评估这种技术量产的可行性。石墨烯在从电动汽车、LED屏幕到智能手机摄像头图像传感器等广泛应用中都拥有提高芯片性能的潜力。

钻石被一些人称为终极芯片材料,是一种可能改变芯片产业游戏规则但造价高昂的替代品。总部位于东京的Adamant Namiki Precision Jewel公司已经开发出用钻石生产电源芯片的技术。从理论上讲,钻石材质芯片的能耗可以降低到硅芯片的五万分之一。但是,降低钻石材质芯片的成本是一个关键难题,目前其价格是硅芯片的几千倍。