特斯拉虛晃一槍，碳化硅還有未來嗎

郭勇

從三元鋰電池到磷酸鐵鋰電池，作為新能源汽車領(lǐng)域的現(xiàn)象級品牌，特斯拉一舉一動都會對行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2018年，特斯拉捧紅了第三代半導(dǎo)體材料碳化硅，時隔4年，當(dāng)全產(chǎn)業(yè)鏈都在期盼碳化硅落地時，特斯拉卻拋出“計劃減少75%碳化硅晶體管用量”的“天雷”……

特斯拉虛晃一槍

“我們下一代平臺將減少75%的碳化硅。”總市值超6000億美元的特斯拉，日前在投資者活動日上的只字片語讓整個汽車和科技圈驚出一身冷汗。

2018年，特斯拉率先在Model3上應(yīng)用碳化硅，被視為碳化硅上車的風(fēng)向標(biāo)。據(jù)“GaN世界”的報道，按照這個估算若循序漸進(jìn)采用碳化硅后，平均2輛Tesla的純電動車就需要一片6英寸碳化硅晶圓。而2021年時，全球碳化硅晶圓總年產(chǎn)能在40萬-60萬片，結(jié)合業(yè)內(nèi)良率平均約50%估算，2021年碳化硅晶圓全球有效產(chǎn)能僅20萬-30萬片，可特斯拉在2022年的全球銷量就超過了100萬輛，這意味著全球碳化硅晶圓總年產(chǎn)能如果不能出現(xiàn)爆發(fā)式增長的話，單特斯拉一家的需求就無法滿足，更何況在特斯拉率先應(yīng)用碳化硅后，不少車企都表示也將跟進(jìn)。

2020年，比亞迪將自研的碳化硅MOS應(yīng)用在漢EV四驅(qū)版上，而2022年底，車企對碳化硅的追捧達(dá)到了一個小高潮——

2022年9月，小鵬汽車G9旗艦SUV正式上市，G9搭載800V高壓碳化硅平臺，主要賣點(diǎn)就是超級快充。

2022年9月，極氪智能旗下威睿電動汽車技術(shù)有限公司正式發(fā)布了600kW超充技術(shù)，并已實現(xiàn)量產(chǎn)。

2022年11月，哪吒汽車發(fā)布“浩智戰(zhàn)略2025”，包括浩智超算、浩智電驅(qū)、浩智增程三大技術(shù)品牌。

車企本就是碳化硅的主要消費(fèi)市場，而根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)YoleDéveloppement資料顯示，許多車廠持續(xù)對基于碳化硅組件的主逆變器（Inverter）、車載充電單元（OBC）及DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行驗證，準(zhǔn)備搭載在未來推出的車款上。車用碳化硅組件市場將維持快速增長的步伐，預(yù)計到2025年，市場規(guī)模將達(dá)15億美元，2019-2025年間的復(fù)合年增率（CAGR）為38%。

面對如此極具潛力的市場，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)紛紛布局。巨頭安森美（onsemi）以4.15億美元收購碳化硅制造商GTAdvancedTechnologies（GTAT）。此一交易將使安森美能更好地確保和增加碳化硅供應(yīng)，滿足市場對碳化硅方案快速增長需求，包括EV、EV充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施。英飛凌（Infineon）則是與日本晶圓制造商昭和電工簽訂供應(yīng)契約（兩年合約），供應(yīng)包括磊晶在內(nèi)的各種碳化硅材料，英飛凌可借此獲得更多基材，以滿足對碳化硅型產(chǎn)品日益增長的需求。同樣積極布局碳化硅的意法半導(dǎo)體（ST），則是宣布制造出首批8英寸（200mm）碳化硅晶圓，且首批8英寸碳化硅晶圓品質(zhì)十分優(yōu)良，對芯片良率和晶體位錯誤之缺陷非常低。

然而，就在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈積極看好并大舉投入碳化硅產(chǎn)業(yè)時，特斯拉卻在前不久的投資者大會上拋出驚人消息——“在其下一代動力平臺中，價格昂貴的碳化硅為關(guān)鍵部件。但特斯拉找到一種方式可以減少75%的碳化硅用量，同時不影響整車的性能和效率?！?/p>

特斯拉用量銳減，一石激起千層浪，全球碳化硅大廠股價應(yīng)聲大跌，碳化硅冉冉升起的“明日之星”身份開始受到質(zhì)疑，產(chǎn)業(yè)是否會被顛覆成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

難以撼動的碳化硅大趨勢

“對于寬禁帶半導(dǎo)體，我想行業(yè)從技術(shù)、整體來看應(yīng)該是有共識的?！睂τ趯捊麕О雽?dǎo)體市場前景，英飛凌科技高級副總裁、汽車電子事業(yè)部大中華區(qū)負(fù)責(zé)人曹彥飛對界面新聞記者表示，行業(yè)過去對汽車領(lǐng)域碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用已有兩三年，基本共識是硅器件目前在汽車中占有的份額仍非常大，中長期來看仍然非?？春谩?/p>

碳化硅、氮化鎵等被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度（帶隙）指的就是能使價電子脫離束縛的最小能量，是半導(dǎo)體的一個重要參量。和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，更寬的帶隙允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

事實上，碳化硅一直被譽(yù)為“第三代半導(dǎo)體之星”，在禁帶寬度、擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率等指標(biāo)上具有顯著優(yōu)勢，可滿足現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等。

而在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅尤其符合電動汽車快充需求。目前電動汽車?yán)m(xù)航里程已經(jīng)普遍達(dá)到500公里以上，基本可以解決大部分人的出行需求，但充電補(bǔ)能問題仍是新能源汽車普及的最大阻礙。這兩年，車廠集體將目光投向800V高壓快充。目前，電動汽車快充主流產(chǎn)品，即傳統(tǒng)硅基IGBT功率器件，正在逼近材料特性極限，而下一代半導(dǎo)體材料碳化硅是更好的材料，尤其是800V以上高壓時，性能優(yōu)勢更加明顯。

800V高壓系統(tǒng)通常指整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550～930V的系統(tǒng)，相較于600V平臺，在同等充電功率下，工作電流更小，節(jié)省線束體積，降低電路內(nèi)阻損耗，提高充電效率和安全率；在同等電流的情況下，800V平臺可大幅提升總功率，顯著提高充電速度，已成為快速直流電充電的新解決方案。對于直流快速充電樁來說，充電電壓升級至800V會帶來充電樁中的碳化硅功率器件需求大增。與MOSFET/IGBT單管設(shè)計的15～30kW相比，碳化硅模塊可將充電模塊功率提高至60kW以上，且和硅基功率器件相比，碳化硅功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢。

據(jù)CASAResearch數(shù)據(jù)，2020年碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率為10%，隨著光伏電壓等級的提升，碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預(yù)計2048年將達(dá)到85%的滲透率。

除新能源汽車領(lǐng)域需求巨大外，半絕緣型碳化硅器件同樣是“5G時代的強(qiáng)大心臟”。5G通信基站應(yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，對微波射頻器件提出了更高要求，而半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段的優(yōu)異表現(xiàn)使其成為5G時代基站應(yīng)用的候選技術(shù)。

據(jù)YoleDevelopment預(yù)測，2025年全球射頻器件市場將超過250億美元，功率在3W以上的射頻器件市場中，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場約50%的份額。

從終端消費(fèi)市場技術(shù)更迭和需求變化來看，即便特斯拉下一代驅(qū)動單元將減少75%碳化硅消息會對整個行業(yè)造成一定沖擊，但這個沖擊畢竟是短期的，第三代半導(dǎo)體對新能源汽車、工業(yè)及通信等科技產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義重大，世界各個國家和地區(qū)均在努力推進(jìn)相關(guān)發(fā)展工作。

碳化硅背后的第三代半導(dǎo)體之爭

當(dāng)前制約碳化硅器件大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素在于高成本，碳化硅襯底制造難度大、良率低為主要原因。全球碳化硅市場呈美國、歐洲、日本三足鼎立的格局。得益于先發(fā)優(yōu)勢，全球碳化硅襯底市場被美、日、歐等企業(yè)所主導(dǎo)，其中技術(shù)領(lǐng)先、市場占有率高的有Wolfspeed（原CREE）、II-VI（貳陸）、碳化硅rystal（ROHM）等，上述三家公司全球市場占有率總和超過90%，其中Wolfspeed一家獨(dú)大，襯底市占率超過60%，國內(nèi)龍頭企業(yè)僅天科合達(dá)和天岳先進(jìn)占據(jù)少量全球碳化硅襯底市場份額。從碳化硅器件市場上看，STM（意法半導(dǎo)體）與Infineon（英飛凌）占據(jù)超過50%的全球碳化硅功率器件市場份額。

而我國在碳化硅領(lǐng)域起步較晚，當(dāng)前國內(nèi)廠商在碳化硅襯底產(chǎn)品上與國外龍頭仍存在一定差距。國內(nèi)主要以4英寸碳化硅襯底為主，僅少數(shù)企業(yè)如天岳先進(jìn)、露笑科技等實現(xiàn)6英寸襯底的銷售，而多家國際一線廠商已實現(xiàn)6英寸碳化硅襯底的穩(wěn)定供應(yīng)，Wolfspeed、英飛凌和羅姆等正積極布局8英寸碳化硅襯底生產(chǎn)線，量產(chǎn)指日可待。

除企業(yè)間的技術(shù)和市場競爭外，各國為爭奪第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域話語權(quán)，也拋出了各種計劃，如歐洲的SPEED計劃、MANGA計劃，美國的SWITCHES計劃、NEXT計劃，日本的新一代功率電子項目等，均意在通過政府資助、企業(yè)加強(qiáng)投資等方式推動新一代化合物半導(dǎo)體落地。

不過早在2016年，中國“十三五”規(guī)劃中就將碳化硅列入重點(diǎn)項目，隨后科技部、發(fā)改委等四部門又將碳化硅襯底技術(shù)列入重點(diǎn)突破領(lǐng)域。同時，中國亦在大力推動碳化硅行業(yè)發(fā)展，國資不斷支持國內(nèi)廠商立項融資。而產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)也積極“抱團(tuán)”合作，共同推動我國碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如在碳化硅領(lǐng)域出手最頻繁的車企當(dāng)數(shù)比亞迪。2022年至今，其與上汽集團(tuán)共同投資了瞻芯電子、天域半導(dǎo)體，并加碼了邑文電子C+輪融資；小鵬汽車與旗下風(fēng)投平臺星航資本戰(zhàn)略投資了瞻芯電子；廣汽資本加碼了基本半導(dǎo)體；吉利控股與博原資本投資了芯聚能半導(dǎo)體；寧德時代也對碳化硅有所布局，其于去年6月投資了碳化硅襯底企業(yè)重投天科；半導(dǎo)體龍頭韋豪創(chuàng)芯則投資了碳化硅功率器件領(lǐng)域的青禾晶元。

在眾多企業(yè)的努力下，我國碳化硅產(chǎn)業(yè)同國際巨頭的差距正在逐步縮小。科友半導(dǎo)體于2022年10月在6英寸碳化硅晶體厚度上實現(xiàn)40毫米的突破，后又在12月份宣布，通過自主設(shè)計制造的電阻長晶爐產(chǎn)出直徑超過8英寸的碳化硅單晶。晶盛機(jī)電在2022年8月宣布首顆N型SiC晶體成功出爐，預(yù)計2023年第二季度將實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。中國本是全球功率半導(dǎo)體最大的市場，占據(jù)了40%以上的世界市場份額。在下一代功率器件賽道，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)有望快速趕超。