说起近几年较火的材料，碳化硅绝对算是其中的一个，而这其中，各种涉及碳化硅的消息几乎都与半导体有关。

碳化硅是第三代半导体材料，在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能。

但是除了关注在半导体方向的发展应用外，碳化硅实质上是一种优良的陶瓷、耐火、磨削材料，虽然其在传统领域的市场潜力远远没有半导体领域那么大，但不可否认的是，碳化硅材料目前仍是很多传统领域应用性能更佳的材料。

可以说，目前还没有哪种材料像碳化硅这样，在传统产业领域和新兴产业领域都受到如此青睐。


第三代半导体材料，蕴藏巨大潜力

三代半导体主要是 碳化硅（SiC） 和 氮化镓（GaN），与第一二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，所以又叫宽禁带半导体材料，特别适用于 5G 射频器件和高电压功率器件。

碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，具备4大性能优势：一是有更大的禁带宽度，可以保证材料在高温高压下耐受更高的工作温度和电压以及更低的导通损耗；二是有更高的击穿电场，在相同耐压值下导通损耗更小，结构可以更加简化；同时碳化硅的高热导率可以有效传导热量，降低器件温度；四是碳化硅的电子饱和漂移速率是硅的两倍，有助于将器件小型化并提高工作频率。

以 SiC 等为代表的第三代半导体材料被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，并且碳化硅晶片应用为节能减排和新能源领域带来巨大变革。据了解，碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件将被广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网等现代工业领域。

碳化硅的功能性应用

碳化硅广泛的应用领域主要分为高温应用领域、加热与热交换工业领域、腐蚀环境下的应用、磨削领域、耐磨损机械领域、有色冶金领域、光学应用领域、半导体领域等等，具体的应用形式主要包括以下几个方面。


1.结构/功能陶瓷

碳化硅陶瓷是一种重要的陶瓷材料，具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，它是从20世纪60年代开始发展起来的。

另外，由于碳化硅陶瓷突出的高温强度、优良的抗高温抗蠕变能力以及抗热震性，使其成为火箭、飞机、汽车发动机和燃气轮机中热机部件的主要材料之一。


2.高级耐火材料

碳化硅耐火材料具有机械强度高、热传导率大、耐磨损性和耐热震性好、抗渣性和抗氧化性以及部分熔融金属抵抗性强等特征，已被广泛地应用于钢铁、冶金、石油、化学、硅酸盐和航空航天等工业领域，并日益展示出其它耐火材料无法比拟的优点。

如在刚刚结束的第十四届珠海航展上，就有第三代碳化硅纤维材料展出，并大放异彩。据长沙高新区官网显示，本次珠海航展上展出的碳化硅纤维材料主要应用于航空发动机热端部件以及导 弹热结构部件等。

在高档日用陶瓷、卫生瓷、高压电瓷、玻璃等产业中的辊道窑、隧道窑、梭式窑中，通常选用碳化硅陶瓷作为高温窑具材料，如碳化硅横梁适用于工业窑炉中的承重结构架，它高温力学性能优异，抗高温蠕变性好，长期使用不弯曲变形。


3.磨料

碳化硅硬度仅次于金刚石和六方氮化硼，是一种常用的磨料。由于其超硬的性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，广泛应用于机械加工行业。

目前市场上，用于新能源汽车的大多数功率半导体都是硅基器件，其中新能源汽车是碳化硅功率器件市场的主要增长驱动。

新能源汽车系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC－DC）和非车载充电桩。将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC时，大概可以减少整车功耗5％－10％，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本。

目前很多车企推出的800V高压平台都是基于SiC研发的。据了解，已经有多家企业已经发布自身快充布局方案，并且自 2021 年起已经陆续有相关车型发布：保时捷推出首款 800V 快充平台电车；比亚迪 e平台 3.0 发布，对应概念车型 ocean－X；吉利极氪 001 搭载 800V 快充平台；同时华为发布其 AI 闪充全栈高压平台， 预计到 2025 年将实现 5min 快充。

现在每辆纯电动使用的功率半导体价值约400美元，而传统燃油车使用的功率器半导体的价值约为70美元，是纯电动汽车的六分之一。随着新能源汽车的发展的市占率的增加，对第三代功率器件的需求量也会日益增加，预计未来几年SiC器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。

多领域助推 碳化硅市场需求饱满

如今，碳化硅上车迎来大发展时代。随着成本持续下探，汽车传动系统、动力电池、充电基础设施等对SiC相关器件的需求水涨船高，特斯拉、比亚迪、小鹏G9、蔚来ET5/ET7等搭载碳化硅车型快速放量，带动碳化硅需求急剧上升。

意法半导体CEO也曾在7月受访时表示，公司已与20家车企达成合作，将SiC MOSFET用于汽车动力总成电动化。

新能源车单车便有13处零部件需使用SiC器件； SiC更是电驱系统向高电压升级的核“芯”，有望解决电动车里程焦虑及充电速度慢两大核心痛点。

从整车性能看，搭载碳化硅后，车辆损耗可降低80%，充电速度增加2倍，功率密度提高，体积减小。

从车辆各模块来看，车载充电OBC/直流快充中，碳化硅器件将助力电动汽车充电模块性能提升；电机驱动/逆变器中，SiC高耐压、宽禁带和高导热率特性使得SiC更适合应用在高功率密度和高开关频率的场合；DC-DC中，SiC二极管能较好平衡耐压和效率问题，同时提升集成度。

除去新能源汽车产业链之外，SiC的主要应用场景还包括光伏逆变器、工业变频器等。例如，锦浪科技此前曾表示，公司已在二极管及MOSFET器件上，同时推进SiC替代IGBT，其中直流侧替代相对更快；且明年已订下不少SiC器件，几乎所有产品系列都将用到。

在多应用助推之下，碳化硅市场需求饱满，汽车市场的确定性增长，叠加储能等新兴领域出现。中金公司预计，2022-2024年，SiC器件有望迎来增速较快的三年周期。

从供需而言，东吴证券表示，2021年碳化硅器件端，安森美份额为7%，预计未来将持续提升；CR5之外份额为12%，本土化率目前较低。分析师预计，到2025年，全球碳化硅器件市场规模有望达74.3亿美元。2025年前，供需将持续趋紧，本土化将留有一定的发展窗口期。

从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料，且碳化硅技术更为成熟。



文章来源： 克洛智动未来，科创板日报，碳化硅研习社