碳化硅：為電動車降本之前，先為自己降本

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作者|解碼工作室 來源|解碼Decode(ID：kankeji001)

碳化硅（SiC）上一次被送上熱搜，還是今年3月特斯拉宣布單車減用75%的碳化硅。

這個由特斯拉一手帶起來的產(chǎn)業(yè)，也因馬斯克一句話差點塌房，全球碳化硅龍頭Wolfspeed今年股價已跌去三分之二。

Wolfspeed與碳化硅概念股的暴跌，主因肯定是特斯拉的背刺，但市場的悲觀情緒發(fā)酵也少不了錯誤解讀的推波助瀾，事實是特斯拉只是減少使用，不是不用。

就在特斯拉官宣后一個禮拜，寶馬就官宣了與安森美簽署長期供貨協(xié)議，后者的750V Elite SiC模塊將“上車”寶馬的400V電動動力傳動系統(tǒng)。

在那之后，奔馳、大眾等一眾車企紛紛與Wolfspeed、英飛凌合作，以確保碳化硅產(chǎn)品的穩(wěn)定供應。東吳證券測算，今年1-8月特斯拉以外的其他車企已貢獻25%的碳化硅車型銷量。

據(jù)法國市場調(diào)研機構(gòu)Yole統(tǒng)計, 全球碳化硅功率器件市場規(guī)模預計從2021 年的10.9億美元，增長至2027年的62.97億美元，年均復合增長率達34%。其中，汽車應用主導SiC市場，占整個功率SiC器件市場75%以上。

但是，市場肉眼可見的增速卻帶不動產(chǎn)業(yè)半死不活的股價，碳化硅就成了一個謎一般的存在：一邊是特斯拉減量市場哀嚎遍野，一邊又有大量車企賣力著墨宣傳。

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為什么是碳化硅？

碳化硅作為第三代半導體材料，適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，一度被視為新能源汽車領(lǐng)域的理想材料。

而在汽車市場，則是特斯拉打響了上車的第一槍。

2018年，特斯拉在第四款車型Model 3中, 將主逆變器由傳統(tǒng)的硅基IGBT替換為意法半導體（ST）公司生產(chǎn)的SiC MOSFET功率模塊。

在三電系統(tǒng)取代發(fā)動機與變速箱成為一輛汽車的心臟之后，電控環(huán)節(jié)的逆變器也就跟著成為一個重要零部件。它的價值在于，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程中，為應用系統(tǒng)“降本+增效”：

碳化硅相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高（ST測算為3.4%，小鵬測算為3%~4%），電動汽車續(xù)航距離可延長5-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本；

碳化硅的高頻特性可使逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸可大幅減少，可聽噪聲的降低能減少電機鐵損。

按照蔚來工程師提供的數(shù)據(jù)，ET7上的180kW永磁同步電機（主驅(qū)電機）采用了碳化硅（SiC）功率模塊后，相比傳統(tǒng)硅基模塊（IGBT）電流提升30%，綜合功率效率≧91.5%；

碳化硅可承受更高電壓，在電機功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。

此外，由于碳化硅逆變器體積較小，還可搭載成本更低的冷卻系統(tǒng)，從而降低整車成本。

2019年，保時捷發(fā)布了全球首款搭載800V電壓平臺的汽車，由此開啟了碳化硅在電車市場的又一價值：快充。

相比400V電壓平臺，800V高壓平臺可支持汽車有更長時間的快速充電。在800V甚至更高電壓水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，性能更好的碳化硅功率器件成為其理想替代。

簡而言之，碳化硅性能優(yōu)越、體積小，而且節(jié)能效果明顯，還提升了有效續(xù)航，所以一舉成為新能源汽車市場的香餑餑。特斯拉之后，比亞迪、蔚來、小鵬、華為等眾多車企、供應商紛紛將碳化硅裝車。

那么問題又來了，既然碳化硅這么好，為何特斯拉要減量呢？

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碳化硅也有掣肘

特斯拉的減量基本來自兩個層面，一個是碳化硅的價格偏高，不符合特斯拉整體的降本策略，民生證券此前測算過，Model 3主驅(qū)動逆變器采用的48個碳化硅MOSFET總成本為5000元，相當于傳統(tǒng)方案硅基IGBT的3-5倍。

這顯然不是一向以成本定價的特斯拉想要的，于是用定制化模塊封裝技術(shù)替代了部分碳化硅。

另外一個則是產(chǎn)能問題。

據(jù)市場估算，預計平均2輛特斯拉純電動車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產(chǎn)能在40萬~60萬片。這意味著，全球碳化硅的總產(chǎn)能可能都不夠特斯拉一家消耗。

而限制碳化硅量產(chǎn)的一個重要因素就是技術(shù)，尤其是襯底的制備技術(shù)。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈自上而下包括襯底、外延、器件設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等環(huán)節(jié)，其中，在碳化硅器件制造成本結(jié)構(gòu)中，占比最大的就是襯底成本約46%，是當前的有效產(chǎn)能瓶頸、降本瓶頸環(huán)節(jié)。

襯底成本之所以高，一方面源自昂貴的時間成本，比如生長溫度要比硅高兩倍的2000攝氏度以上；7天才能長出2cm的碳化硅晶棒，而傳統(tǒng)的硅材料只需3天就可以長成一根晶棒。

另一方面，碳化硅襯底需要復雜的加工工藝，其中最影響良率的就是因碳化硅極高的硬度，導致在切割的時候非常容易崩邊。

所以有一種說法是，碳化硅價格較高限制應用放量，襯底是產(chǎn)業(yè)鏈的核心降本環(huán)節(jié)。

而碳化硅襯底環(huán)節(jié)到底如何降本，這是一個尚無定論的事情。簡單來說，存在多條技術(shù)升級和迭代路徑。

從性能參數(shù)優(yōu)化方面來說，降低位錯缺陷、微管缺陷是關(guān)鍵技術(shù)方向。

碳化硅器件制造是在襯底外延生長的外延層上實現(xiàn)，而位錯缺陷（TD）、微管缺陷（MP）等碳化硅晶體關(guān)鍵技術(shù)指標，也會延伸至外延層、從而影響器件品質(zhì)。

所以，降低襯底缺陷就是襯底廠商積累know-how的關(guān)鍵技術(shù)方向。

一方面，SiC MOS對晶體材料的品質(zhì)要求高于SiC SBD，對晶體缺陷指標要求更高；另一方面，降低襯底晶體缺陷指標能夠提升器件制造良率、品質(zhì)，從而降低器件制造成本。

從襯底尺寸來說，8英寸襯底有待規(guī)?；慨a(chǎn)。

但這個很難，1990年2英寸的碳化硅晶圓就已研制成功，但直到2015年，業(yè)界才出現(xiàn)8英寸的碳化硅晶圓。

Wolfspeed的8英寸SiC襯底，也是耗費了7年時間才得以量產(chǎn)。當前全球市場上，成熟產(chǎn)業(yè)化的碳化硅晶圓仍為4英寸和6英寸。

根據(jù)WolfSpeed 2021年投資日的報告，碳化硅襯底從6英寸到8英寸，單片襯底制備的芯片數(shù)量由448顆增長至845顆，邊緣損失占比由14%減少至7%，可用面積幾乎增加一倍，合格芯片產(chǎn)量則增加80-90％。

因此8英寸乃至更高英寸是未來關(guān)鍵技術(shù)方向。

根據(jù)行家說三代半數(shù)據(jù)，除Wolfspeed外，其他國際SiC大廠預計將于2-3年內(nèi)量產(chǎn)8英寸SiC襯底，同時2022年以來，以天岳先進為代表的國產(chǎn)襯底廠商均已成功研發(fā)8英寸SiC襯底樣片，且天岳先進已于23H1實現(xiàn)小批量銷售。

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產(chǎn)能和國產(chǎn)化

由于襯底制備難度高，導致碳化硅產(chǎn)品的良率普遍不高。去年8月，露笑科技就曾表示，其50%碳化硅良率已達到全球一流水平。

良率一直是困擾碳化硅產(chǎn)能的最大難題，以國產(chǎn)SiC襯底龍頭天岳先進為例，盡管持續(xù)提升工藝水平，但直至2021年6月晶棒良率也僅有50%，襯底良率為75%，而傳統(tǒng)硅器件整體良率可高達99%。

為此產(chǎn)業(yè)的做法以規(guī)模平衡良率。據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，2022年國外有30個碳化硅相關(guān)項目擴產(chǎn)或投產(chǎn)，總投資金額超過800億人民幣，新增襯底產(chǎn)能超過250萬片。

在最先進的8英寸SiC晶圓量產(chǎn)方面，2022年4月，Wolfspeed位于紐約的莫霍克谷SiC制造工廠正式開業(yè)，成為全行業(yè)首個實現(xiàn)8英寸SiC 晶圓量產(chǎn)的企業(yè)。意法半導體（ST）于2021年6月瑞典北雪平工廠成功制造出世界首批量產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓片。

II-VI半導體于2015年7月展示了8吋導電型SiC襯底，2019年推出8吋半絕緣SiC襯底，2021年4月，II-VI表示，未來5年內(nèi)，將SiC襯底的生產(chǎn)能力提高5至10倍，8吋SiC量產(chǎn)時間預計為2024年。羅姆作為最早一批展示8英寸SiC襯底的廠商之一，將原定于2025年量產(chǎn)節(jié)點，提前至2023年。

此外，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，國內(nèi)外已有十余家企業(yè)將8英寸SiC晶圓量產(chǎn)提上日程，但大部分還處于樣品或小規(guī)模量產(chǎn)的階段。

在最受關(guān)注的國產(chǎn)化層面，也取得了一定進展。

除蔚來ET7搭載進口品牌SiC功率模塊外，其余三個品牌均采用國內(nèi)自研SiC功率模塊：吉利Smart精靈#1采用芯聚能模塊，小鵬G9 SiC模塊自2022年9月由斯達半導提供；比亞迪模塊自供。

國內(nèi)廠商也逐漸開始供應國外器件，比如天岳先進，2021年之前其客戶主要為無線電探測、信息通信行業(yè)廠商，供應半絕緣型SiC襯底，2022年部分產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至導電型襯底后，陸續(xù)與國家電網(wǎng)、英飛凌、博世集團等達成合作，且上汽、小鵬、廣汽等車企也通過參與配售的方式與其加強綁定。

而在資本領(lǐng)域，車企和相關(guān)公司也早早開始布局。據(jù)愛集微統(tǒng)計，2021年，超20家SiC企業(yè)完成總規(guī)模超17億元融資；2022年，超26家SiC企業(yè)完成總規(guī)模超16億元融資。2023上半年，SiC企業(yè)融資創(chuàng)新高：超25家相關(guān)企業(yè)完成新一輪融資，總規(guī)模超85億元，涵蓋外延、襯底、器件、設(shè)備等環(huán)節(jié)。

比如，比亞迪投資了天域半導體和天科合達，小鵬投資了瞻芯電子。華為哈勃共投資了5家碳化硅相關(guān)企業(yè)，遍布碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈。

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尾聲

而隨著產(chǎn)能提高，碳化硅價格也有望在2025年或2026年實現(xiàn)下調(diào)。以襯底為例，目前國內(nèi)襯底價格主要集中在5000到8000元，其中國外品牌價格在7-8千，六寸國產(chǎn)在5-6千元，明年預計會降至4000元以下。

這一預測基本取決于8英寸襯底的大規(guī)模量產(chǎn)，WolfSpeed預測，到2024年使用其8英寸襯底生產(chǎn)的MOSFET芯片成本將較2022年使用6英寸襯底下降63%，其中28%來自生產(chǎn)受益（良率提升），25%來自規(guī)模效應，10%來自自動化水平提升。

由于國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較晚，從以往SiC襯底量產(chǎn)節(jié)點來看，國際上4英寸SiC襯底量產(chǎn)時間比國內(nèi)早10年左右，而6英寸拉近了差距，量產(chǎn)時間差大約在7年左右。不過隨著產(chǎn)學研結(jié)合的模式鋪開，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資熱潮，國內(nèi)SiC襯底有望加速追趕國際領(lǐng)先水平。

參考資料

[1] 碳化硅（SiC）半導體專家交流紀要，DT半導體

[2] 碳化硅——得襯底者得天下 國產(chǎn)化進度究竟如何？中國半導體論壇

[3] 創(chuàng)三年之最！碳化硅上半年融資超85億元，集微網(wǎng) 

[4] 金屬新材料行業(yè)專題報告：碳化硅：第三代半導體之星，浙商證券

[5] 造神者推倒神像：碳化硅的崛起和塌房，遠川研究所

[6] 特斯拉帶火的碳化硅產(chǎn)業(yè)，未來有星辰大海嗎？九鼎投資

[7] 電子行業(yè)深度報告：碳化硅車型密集發(fā)布，關(guān)注國產(chǎn)襯底廠商擴產(chǎn)、器件廠商上車進展，東吳證券

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：解碼Decode(ID：kankeji001)，作者：解碼工作室