碳化硅：為電動車降本之前，先為自己降本

　　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)法國市場調研機構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。

　　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?

　　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，尤其是襯底的制備技術。

　　碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈自上而下包括襯底、外延、器件設計、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構中，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、微管缺陷是關鍵技術方向。

　　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)等碳化硅晶體關鍵技術指標，也會延伸至外延層、從而影響器件品質。

　　所以，降低襯底缺陷就是襯底廠商積累know-how的關鍵技術方向。

　　一方面，SiC MOS對晶體材料的品質要求高于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，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)�；�量產(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鍵技術方向。

　　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。

　　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)調研白皮書》，2022年國外有30個碳化硅相關項目擴產(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，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。

　　而在資本領域，車企和相關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家碳化硅相關企業(yè)，遍布碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈。

　　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。以襯底為例，目前國內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。

　　由于國內相關產(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)學研結合的模式鋪開，以及相關產(chǎn)業(yè)的投資熱潮，國內SiC襯底有望加速追趕國際領先水平。

　　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，關注國產(chǎn)襯底廠商擴產(chǎn)、器件廠商上車進展，東吳證券