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缺芯催促國產(chǎn)碳化硅半導(dǎo)體加速“上車”

時間:2023-04-18 21:10:06       來源:中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報

2022年,湖南規(guī)模以上電子信息制造業(yè)營業(yè)收入達(dá)4314億元,比2021年增長20.2%。在長沙,湖南三安半導(dǎo)體有限責(zé)任公司擁有中國首條、世界第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈整合研發(fā)與制造平臺。圖為技術(shù)人員在三安半導(dǎo)體車間內(nèi)操作。朱莉/攝

“功率半導(dǎo)體要‘大火’?!敝袊囆酒a(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在湖南長沙成立汽車功率半導(dǎo)體分會,并舉行了發(fā)展研討會,聯(lián)盟理事長、分會首任理事長董揚(yáng)表示,功率半導(dǎo)體的發(fā)展前景廣闊,重要原因就是駛上了高速發(fā)展的新能源汽車賽道。


【資料圖】

汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正迎來向上發(fā)展的重要機(jī)遇期。湖南三安等龍頭企業(yè)的國產(chǎn)碳化硅功率芯片正在大規(guī)模搭上新能源汽車的快車,并且即將應(yīng)用在主驅(qū)這一新能源汽車的“心臟”上。為了滿足新能源整車企業(yè)的需要,企業(yè)正在通過技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模生產(chǎn)不斷提升“中國芯”的品質(zhì),同時降低成本。

與此同時,無論是半導(dǎo)體企業(yè),還是整車企業(yè),都意識到當(dāng)前迫在眉睫的事情是加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作,通過建立良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)來讓彼此受益。

缺芯:碳化硅功率芯片項目耗錢耗時耗人

“功率芯片是新能源汽車整車成功的關(guān)鍵因素?!敝袊囆酒a(chǎn)業(yè)

創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長原誠寅在研討會上表示。

汽車正在從汽油等化石能源驅(qū)動向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化轉(zhuǎn)換。在這個重大變化中,汽車功率半導(dǎo)體作為新能源汽車離不開的器件,重要性與日俱增。在整車企業(yè)看來,新能源汽車產(chǎn)業(yè)已然進(jìn)入了“半導(dǎo)體定義汽車”的階段。

原誠寅認(rèn)為,汽車芯片是一個足夠有想象力的市場,汽車產(chǎn)業(yè)變革趨勢不可逆轉(zhuǎn),會產(chǎn)生新機(jī)遇和新增長點(diǎn),汽車產(chǎn)業(yè)的核心價值鏈將會逐步從傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)到高新技術(shù)行業(yè)。

2022年是全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有標(biāo)志性意義的一年。中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭正勁,全年新能源汽車銷售688.7萬輛,比2021年幾近翻倍;產(chǎn)銷量連續(xù)8年保持全球第一;新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的25.6%。

董揚(yáng)特別看重市場的力量。他以汽車動力電池過去10年走過的歷程為例分析,正是旺盛的需求不斷催生相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步,10年過后,動力電池產(chǎn)業(yè)建立起來了,人才隊伍也形成了。他認(rèn)為,如今汽車功率半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)于10年前的動力電池。

近兩年,新能源汽車產(chǎn)業(yè)對芯片的需求猛增。放眼全球,芯片供不應(yīng)求,缺芯問題影響到世界汽車產(chǎn)業(yè),大眾、豐田、日產(chǎn)等汽車巨頭紛紛遭遇缺芯難題。

功率半導(dǎo)體是汽車芯片幾大類產(chǎn)品中非常重要的一環(huán),廣泛用于轉(zhuǎn)換器、充電器、逆變器等實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵零部件中。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是第三代半導(dǎo)體的代表。湖南三安半導(dǎo)體銷售副總經(jīng)理張真榕援引市場調(diào)查機(jī)構(gòu)Yole Group的報告向本報記者分析,碳化硅功率器件市場規(guī)模將由2021年的10.9億美元增長至2027年的62.97億美元,復(fù)合增長率達(dá)34%。TrendForce集邦咨詢預(yù)計,2026年車用碳化硅功率器件市場規(guī)模將攀升至39.4億美元。

張真榕分析,預(yù)計到2025年,全球2000萬輛新能源汽車中,如果15%~30%的B級以上轎車采用碳化硅功率芯片,那么缺口將達(dá)150萬~300萬片。

碳化硅功率芯片的巨大缺口,吸引了國內(nèi)不少企業(yè)進(jìn)場投資。在此次會議上,博世中國執(zhí)行副總裁徐大全提醒,要警惕產(chǎn)業(yè)盲目擴(kuò)張,“如果建太多廠,中間一定會有重復(fù)浪費(fèi)。大家全面開花,未來會自己把自己打敗”。

業(yè)內(nèi)也有觀點(diǎn)認(rèn)為,盡管經(jīng)常聽到有關(guān)碳化硅功率半導(dǎo)體項目的消息,但從實(shí)際效果看,卻是“雷聲大雨點(diǎn)小”。真正落地并實(shí)現(xiàn)有效產(chǎn)出的并不多,部分項目每月僅達(dá)到兩三千片的產(chǎn)量,而且并非所有碳化硅產(chǎn)品都能達(dá)到車規(guī)級。

碳化硅芯片項目耗錢耗時耗人,缺芯問題與項目投資巨大、回報周期長相關(guān)。據(jù)了解,碳化硅芯片項目投資建設(shè)期約為18~24個月,要經(jīng)歷設(shè)備導(dǎo)入調(diào)試、工藝開發(fā)與驗(yàn)證、產(chǎn)品研發(fā)與驗(yàn)證等一長串過程。2022年投資的項目,到2025年才會釋放產(chǎn)能。

“上車”:碳化硅功率芯片裝入電動車的“心臟”

此次會議在湖南召開,而電子信息制造業(yè)正是湖南著力培育壯大的“新三樣”產(chǎn)業(yè)之一。2022年,湖南規(guī)模以上電子信息制造業(yè)營業(yè)收入達(dá)4314億元,比2021年增長20.2%。

在長沙,湖南三安半導(dǎo)體有限責(zé)任公司擁有中國首條、世界第三條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈整合研發(fā)與制造平臺。在湖南湘江新區(qū)占地千畝的湖南三安超級工廠,總投資達(dá)160億元,2021年6月點(diǎn)亮投產(chǎn),同年11月量產(chǎn)下線碳化硅肖特基二極管全系列產(chǎn)品。本報記者在工廠透過車間的玻璃窗看到,從“碳化硅晶體生長”到“器件封測”的量產(chǎn)線全線貫通。據(jù)介紹,湖南三安半導(dǎo)體項目一期工程的6英寸碳化硅晶圓年產(chǎn)能達(dá)到20萬片,二期工程預(yù)計2023年年底投產(chǎn),達(dá)產(chǎn)后6英寸碳化硅晶圓每年將突破50萬片。

資料顯示,湖南三安的碳化硅襯底/外延產(chǎn)品已批量交付國際功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè);2022年車規(guī)級和工業(yè)級碳化硅功率半導(dǎo)體出貨突破1億顆;碳化硅車規(guī)MOS芯片已與知名整車廠和整車廠一級供應(yīng)商(Tier1)簽署累計近70億元的長期訂單。

湖南三安國產(chǎn)碳化硅汽車應(yīng)用的步伐持續(xù)加快。主驅(qū)是電動車的“心臟”,本報記者了解到,湖南三安用于主驅(qū)的碳化硅功率芯片驗(yàn)證進(jìn)度良好,2023年四季度有望正式“上車”,預(yù)計2024年6月將在某品牌新能源汽車主驅(qū)上看到湖南三安的身影。

事實(shí)上,湖南三安的碳化硅功率半導(dǎo)體不僅瞄準(zhǔn)新能源汽車,還在光伏儲能、數(shù)據(jù)中心、5G、軌道交通、電網(wǎng)等多領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用。

有數(shù)據(jù)表明,新能源汽車市場已經(jīng)超過碳化硅器件總市場的40%,預(yù)計將在2025年達(dá)到60%以上。張真榕解釋,車規(guī)級碳化硅功率半導(dǎo)體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高于工業(yè)級,對品控、可靠性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性的要求相當(dāng)嚴(yán)格。

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域,絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和碳化硅(SiC)是兩大主流。新能源汽車以往一直使用絕緣柵雙極型晶體管功率芯片,2018年特斯拉開始將碳化硅帶到其Model3車型上。緊隨其后,比亞迪、蔚來、小鵬、吉利等國內(nèi)車企在自家的新款高端電動車?yán)镅b上了碳化硅芯片。2020年,比亞迪的“漢”在電機(jī)控制器中就使用了碳化硅功率模塊。

在電動汽車內(nèi)部,電池提供直流電,電機(jī)需要交流電。因此,電控環(huán)節(jié)的逆變器就要將直流電轉(zhuǎn)換交流電,絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅功率器件恰恰是逆變器的核心。

兩者對比,碳化硅熱傳遞性好,絕緣能力強(qiáng),小型化下功率密度也更高。正是憑借高壓場景中的特長,為了提升加速度、降低系統(tǒng)成本、實(shí)現(xiàn)輕量化,近年來,新能源整車企業(yè)廣泛引入碳化硅功率芯片,應(yīng)用在逆變器、充電樁、車載充電器等高壓充放電環(huán)節(jié)。備受關(guān)注的是,碳化硅的能源轉(zhuǎn)換效率出色,自身性能的提升可以成倍地帶來電動車?yán)m(xù)航里程的增加,這對緩解人們對電動車的“續(xù)航焦慮”大有幫助。

中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院功率電子開發(fā)部部長趙永強(qiáng)在此次會議上表示,新能源汽車行業(yè)對電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要求飛速提升,電驅(qū)集成化趨勢明確,以碳化硅為代表的材料迭代成為重要突破方向。對電動車動力性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和800伏應(yīng)用的迫切需求可以通過碳化硅得以滿足。

降本:在汽車上更大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵

前進(jìn)之路上,成本成為碳化硅進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍的主要制約。

有研究顯示,特斯拉Model3的主驅(qū)動逆變器采用48個碳化硅MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管),總成本是傳統(tǒng)方案絕緣柵雙極型晶體管的3~5倍。據(jù)此推算,平均2輛特斯拉的純電動車就需要用一片6英寸碳化硅晶圓。

盡管市場上還沒有看到在大電流領(lǐng)域比碳化硅更好的接近量產(chǎn)的替代品,但是馬斯克不久前宣布特斯拉汽車將減少碳化硅使用量,這也被認(rèn)為是“價格屠夫”向零部件傳導(dǎo)成本壓力的無奈之舉。

目前國內(nèi)新能源汽車行業(yè)的通常做法是,售價20萬元以內(nèi)的電動車用絕緣柵雙極型晶體管,20萬元以上的高端車型用碳化硅功率芯片。

業(yè)內(nèi)形成共識,降低成本是國產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體在汽車上大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵,未來一定要想辦法把成本降下來。

張真榕告訴本報記者,車用碳化硅的成本受制于多方面因素,包括晶體質(zhì)量、晶體生長速度、晶體切磨拋光帶來的損耗等,這些是企業(yè)界和科研機(jī)構(gòu)需要共同攻克的課題。其中,碳化硅襯底占碳化硅芯片成本的一半以上,降低襯底成本是整體降本的重點(diǎn)。

據(jù)了解,碳化硅要在2300攝氏度以上高溫的黑箱中制造,溫度和壓力控制出現(xiàn)微小失誤都會造成失敗。要想擴(kuò)大晶片尺寸,生產(chǎn)難度就會呈幾何式增長。

為了降低碳化硅功率半導(dǎo)體的成本,湖南三安采用了多種方法。第一,專注技術(shù)創(chuàng)新,提高生產(chǎn)效率和良率,張真榕認(rèn)為這是降低成本的主要途徑;第二,規(guī)?;a(chǎn),湖南三安提供從晶體生長、襯底制備、外延生長、芯片制程到封裝測試的全產(chǎn)業(yè)鏈制造服務(wù),大規(guī)模生產(chǎn)帶來成本下降,集中快速生產(chǎn)單一爆款的優(yōu)勢也很明顯,企業(yè)二期工程的投產(chǎn)將進(jìn)一步強(qiáng)化規(guī)模效益;第三,生產(chǎn)設(shè)備和材料實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,湖南三安已經(jīng)開始在多個制造環(huán)節(jié)對接國內(nèi)裝備,這不僅是為了降本,也是因?yàn)樵谝咔槠陂g,進(jìn)口設(shè)備運(yùn)輸不暢,國外工程技術(shù)人員來往受困,這也堅定了企業(yè)尋找國內(nèi)替代裝備的決心。

張真榕同時提醒,降本并非所有碳化硅生產(chǎn)的首要任務(wù),對高端產(chǎn)品,企業(yè)更將追求極致性能。

三安光電是湖南三安的母公司,也是世界級的LED芯片巨頭企業(yè)。張真榕從三安光電多年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)類比分析,20年前LED芯片的價格為每片200美元,隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展,現(xiàn)在的成本只是當(dāng)時的5%,參照其經(jīng)驗(yàn),未來碳化硅的成本也將逐年降低。

協(xié)同:產(chǎn)業(yè)鏈上中下游合作迫在眉睫

盡管生機(jī)勃勃,但是中國第三代半導(dǎo)體行業(yè)整體發(fā)展尚未成熟,在襯底材料生產(chǎn)效率、芯片性能效率、封裝水準(zhǔn)和良率等方面仍待提升,國產(chǎn)碳化硅器件也還要跨過高可靠性的門檻。

趙永強(qiáng)表示,中國整車企業(yè)要給國產(chǎn)半導(dǎo)體提升改進(jìn)的機(jī)會和空間,引導(dǎo)國產(chǎn)碳化硅器件大規(guī)?!吧宪嚒薄I(yè)內(nèi)人士分析說,這正是源于產(chǎn)業(yè)內(nèi)部“雞生蛋”還是“蛋生雞”的老問題——只有大量應(yīng)用,國產(chǎn)半導(dǎo)體才能在實(shí)踐中持續(xù)完善,但是車企也希望國產(chǎn)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝達(dá)到極高水準(zhǔn)后再“上車”。

汽車產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)供應(yīng)模式正在發(fā)生改變。汽油車開發(fā)周期是5年,電動車縮短至兩年一代。而且,車規(guī)級芯片在“上車”前的送樣驗(yàn)證大約需要兩年時間。因此,無論整車企業(yè)還是芯片企業(yè),都面臨產(chǎn)品的快速迭代,承受時間緊迫的壓力,這要求上下游相互配合,整條產(chǎn)業(yè)鏈共同應(yīng)對。

事實(shí)上,新能源整車企業(yè)擔(dān)心全球碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)張低于市場需求快速增長,也都在各自尋求與上游企業(yè)的深度合作。據(jù)了解,目前國內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)品還以標(biāo)準(zhǔn)品應(yīng)用為主,但定制開發(fā)已經(jīng)開始。

盡管如此,從整個產(chǎn)業(yè)觀察,國內(nèi)上中下游尚未形成協(xié)同發(fā)展的局面?!疤蓟钁?yīng)用于車輛屬于系統(tǒng)工程。”趙永強(qiáng)認(rèn)為,只有整車、零部件、原材料生產(chǎn)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈共同合作,中國新能源汽車方能領(lǐng)跑國際。

比亞迪汽車副總工程師劉源建議,盡快建立對汽車功率芯片檢測、驗(yàn)證的完整體系。

據(jù)悉,此次成立的汽車功率半導(dǎo)體分會就是為了促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作,推動關(guān)鍵技術(shù)的快速突破,打通標(biāo)準(zhǔn)制訂等各個環(huán)節(jié)。分會成員涵蓋了境內(nèi)從事功率半導(dǎo)體襯底、外延、晶圓、器件、模塊、封測等業(yè)務(wù)的優(yōu)勢企業(yè),汽車整車企業(yè),零部件供應(yīng)商,科研院所,高校及行業(yè)組織。

“產(chǎn)業(yè)需要建立朋友圈?!倍瓝P(yáng)表示,要加快構(gòu)建有競爭力的車規(guī)級功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈,努力讓中國的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在世界上占有一席之地乃至領(lǐng)先位置。

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