碳化硅：為電動車降本之前，先為自己降本_風聞
解码工作室-12-08 09:25
這個由特斯拉一手帶起來的產業，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。
就在特斯拉官宣後一個禮拜，寶馬就官宣了與安森美簽署長期供貨協議，後者的750V Elite SiC模塊將“上車”寶馬的400V電動動力傳動系統。
在那之後，奔馳、大眾等一眾車企紛紛與Wolfspeed、英飛凌合作，以確保碳化硅產品的穩定供應。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。
據法國市場調研機構Yole統計, 全球碳化硅功率器件市場規模預計從2021 年的10.9億美元，增長至2027年的62.97億美元，年均複合增長率達34%。其中，汽車應用主導SiC市場，佔整個功率SiC器件市場75%以上。
但是，市場肉眼可見的增速卻帶不動產業半死不活的股價，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着墨宣傳。
為什麼是碳化硅？
碳化硅作為第三代半導體材料，適合製作高温、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, 將主逆變器由傳統的硅基IGBT替換為意法半導體（ST）公司生產的SiC MOSFET功率模塊。
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%），電動汽車續航距離可延長5-10%，即在同樣續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據，ET7上的180kW永磁同步電機（主驅電機）採用了碳化硅（SiC）功率模塊後，相比傳統硅基模塊（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，節省安裝空間。
此外，由於碳化硅逆變器體積較小，還可搭載成本更低的冷卻系統，從而降低整車成本。
2019年，保時捷發佈了全球首款搭載800V電壓平台的汽車，由此開啓了碳化硅在電車市場的又一價值：快充。
相比400V電壓平台，800V高壓平台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台上，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，碳化硅性能優越、體積小，而且節能效果明顯，還提升了有效續航，所以一舉成為新能源汽車市場的香餑餑。特斯拉之後，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。
那麼問題又來了，既然碳化硅這麼好，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主驅動逆變器採用的48個碳化硅MOSFET總成本為5000元，相當於傳統方案硅基IGBT的3-5倍。
這顯然不是一向以成本定價的特斯拉想要的，於是用定製化模塊封裝技術替代了部分碳化硅。
另外一個則是產能問題。
據市場估算，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晶圓總年產能在40萬~60萬片。這意味着，全球碳化硅的總產能可能都不夠特斯拉一家消耗。
而限制碳化硅量產的一個重要因素就是技術，尤其是襯底的製備技術。
碳化硅產業鏈自上而下包括襯底、外延、器件設計、晶圓製造、模塊封裝等環節，其中，在碳化硅器件製造成本結構中，佔比最大的就是襯底成本約46%，是當前的有效產能瓶頸、降本瓶頸環節。
襯底成本之所以高，一方面源自昂貴的時間成本，比如生長温度要比硅高兩倍的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，碳化硅襯底需要複雜的加工工藝，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。
所以有一種説法是，碳化硅價格較高限制應用放量，襯底是產業鏈的核心降本環節。
而碳化硅襯底環節到底如何降本，這是一個尚無定論的事情。簡單來説，存在多條技術升級和迭代路徑。
從性能參數優化方面來説，降低位錯缺陷、微管缺陷是關鍵技術方向。
碳化硅器件製造是在襯底外延生長的外延層上實現，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於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製造良率、品質，從而降低器件製造成本。
從襯底尺寸來説，8英寸襯底有待規模化量產。
但這個很難，1990年2英寸的碳化硅晶圓就已研製成功，但直到2015年，業界才出現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。當前全球市場上，成熟產業化的碳化硅晶圓仍為4英寸和6英寸。
根據WolfSpeed 2021年投資日的報告，碳化硅襯底從6英寸到8英寸，單片襯底製備的芯片數量由448顆增長至845顆，邊緣損失佔比由14%減少至7%，可用面積幾乎增加一倍，合格芯片產量則增加80-90％。
因此8英寸乃至更高英寸是未來關鍵技術方向。
根據行家説三代半數據，除Wolfspeed外，其他國際SiC大廠預計將於2-3年內量產8英寸SiC襯底，同時2022年以來，以天嶽先進為代表的國產襯底廠商均已成功研發8英寸SiC襯底樣片，且天嶽先進已於23H1實現小批量銷售。
產能和國產化
由於襯底製備難度高，導致碳化硅產品的良率普遍不高。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能的最大難題，以國產SiC襯底龍頭天嶽先進為例，儘管持續提升工藝水平，但直至2021年6月晶棒良率也僅有50%，襯底良率為75%，而傳統硅器件整體良率可高達99%。
為此產業的做法以規模平衡良率。據《2022碳化硅（SiC）產業調研白皮書》，2022年國外有30個碳化硅相關項目擴產或投產，總投資金額超過800億人民幣，新增襯底產能超過250萬片。
在最先進的8英寸SiC晶圓量產方面，2022年4月，Wolfspeed位於紐約的莫霍克谷SiC製造工廠正式開業，成為全行業首個實現8英寸SiC 晶圓量產的企業。意法半導體（ST）於2021年6月瑞典北雪平工廠成功製造出世界首批量產8英寸碳化硅晶圓片。
II-VI半導體於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襯底的生產能力提高5至10倍，8吋SiC量產時間預計為2024年。羅姆作為最早一批展示8英寸SiC襯底的廠商之一，將原定於2025年量產節點，提前至2023年。
在最受關注的國產化層面，也取得了一定進展。
除蔚來ET7搭載進口品牌SiC功率模塊外，其餘三個品牌均採用國內自研SiC功率模塊：吉利Smart精靈#1採用芯聚能模塊，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，比如天嶽先進，2021年之前其客户主要為無線電探測、信息通信行業廠商，供應半絕緣型SiC襯底，2022年部分產能轉移至導電型襯底後，陸續與國家電網、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佈局。據愛集微統計，2021年，超20家SiC企業完成總規模超17億元融資；2022年，超26家SiC企業完成總規模超16億元融資。2023上半年，SiC企業融資創新高：超25家相關企業完成新一輪融資，總規模超85億元，涵蓋外延、襯底、器件、設備等環節。
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，遍佈碳化硅全產業鏈。
尾聲
而隨着產能提高，碳化硅價格也有望在2025年或2026年實現下調。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7-8千，六寸國產在5-6千元，明年預計會降至4000元以下。
這一預測基本取決於8英寸襯底的大規模量產，WolfSpeed預測，到2024年使用其8英寸襯底生產的MOSFET芯片成本將較2022年使用6英寸襯底下降63%，其中28%來自生產受益（良率提升），25%來自規模效應，10%來自自動化水平提升。
由於國內相關產業起步較晚，從以往SiC襯底量產節點來看，國際上4英寸SiC襯底量產時間比國內早10年左右，而6英寸拉近了差距，量產時間差大約在7年左右。不過隨着產學研結合的模式鋪開，以及相關產業的投資熱潮，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 國產化進度究竟如何？中國半導體論壇
[3] 創三年之最！碳化硅上半年融資超85億元，集微網
[4] 金屬新材料行業專題報告：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業，未來有星辰大海嗎？九鼎投資
[7] 電子行業深度報告：碳化硅車型密集發佈，關注國產襯底廠商擴產、器件廠商上車進展，東吳證券