碳化硅：为电动车降本之前，先为自己降本

　　碳化硅(SiC)上一次被送上热搜，还是今年3月特斯拉宣布单车减用75%的碳化硅。

　　这个由特斯拉一手带起来的产业，也因马斯克一句话差点塌房，全球碳化硅龙头Wolfspeed今年股价已跌去三分之二。

　　Wolfspeed与碳化硅概念股的暴跌，主因肯定是特斯拉的背刺，但市场的悲观情绪发酵也少不了错误解读的推波助澜，事实是特斯拉只是减少使用，不是不用。

　　就在特斯拉官宣后一个礼拜，宝马就官宣了与安森美签署长期供货协议，后者的750V Elite SiC模块将“上车”宝马的400V电动动力传动系统。

　　在那之后，奔驰、大众等一众车企纷纷与Wolfspeed、英飞凌合作，以确保碳化硅产品的稳定供应。东吴证券测算，今年1-8月特斯拉以外的其他车企已贡献25%的碳化硅车型销量。

　　据法国市场调研机构Yole统计, 全球碳化硅功率器件市场规模预计从2021 年的10.9亿美元，增长至2027年的62.97亿美元，年均复合增长率达34%。其中，汽车应用主导SiC市场，占整个功率SiC器件市场75%以上。

　　但是，市场肉眼可见的增速却带不动产业半死不活的股价，碳化硅就成了一个谜一般的存在：一边是特斯拉减量市场哀嚎遍野，一边又有大量车企卖力着墨宣传。

　　为什么是碳化硅?

　　碳化硅作为第三代半导体材料，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，一度被视为新能源汽车领域的理想材料。

　　而在汽车市场，则是特斯拉打响了上车的第一枪。

　　2018年，特斯拉在第四款车型Model 3中, 将主逆变器由传统的硅基IGBT替换为意法半导体(ST)公司生产的SiC MOSFET功率模块。

　　在三电系统取代发动机与变速箱成为一辆汽车的心脏之后，电控环节的逆变器也就跟着成为一个重要零部件。它的价值在于，将直流电转换为交流电的过程中，为应用系统“降本+增效”：

　　碳化硅相比硅基IGBT功率转换效率更高(ST测算为3.4%，小鹏测算为3%~4%)，电动汽车续航距离可延长5-10%，即在同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本;

　　碳化硅的高频特性可使逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸可大幅减少，可听噪声的降低能减少电机铁损。

　　按照蔚来工程师提供的数据，ET7上的180kW永磁同步电机(主驱电机)采用了碳化硅(SiC)功率模块后，相比传统硅基模块(IGBT)电流提升30%，综合功率效率≧91.5%;

　　碳化硅可承受更高电压，在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。

　　此外，由于碳化硅逆变器体积较小，还可搭载成本更低的冷却系统，从而降低整车成本。

　　2019年，保时捷发布了全球首款搭载800V电压平台的汽车，由此开启了碳化硅在电车市场的又一价值：快充。

　　相比400V电压平台，800V高压平台可支持汽车有更长时间的快速充电。在800V甚至更高电压水平的平台上，原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限，性能更好的碳化硅功率器件成为其理想替代。

　　简而言之，碳化硅性能优越、体积小，而且节能效果明显，还提升了有效续航，所以一举成为新能源汽车市场的香饽饽。特斯拉之后，比亚迪、蔚来、小鹏、华为等众多车企、供应商纷纷将碳化硅装车。

　　那么问题又来了，既然碳化硅这么好，为何特斯拉要减量呢?

　　碳化硅也有掣肘

　　特斯拉的减量基本来自两个层面，一个是碳化硅的价格偏高，不符合特斯拉整体的降本策略，民生证券此前测算过，Model 3主驱动逆变器采用的48个碳化硅MOSFET总成本为5000元，相当于传统方案硅基IGBT的3-5倍。

　　这显然不是一向以成本定价的特斯拉想要的，于是用定制化模块封装技术替代了部分碳化硅。

　　另外一个则是产能问题。

　　据市场估算，预计平均2辆特斯拉纯电动车就需要一片6寸SiC晶圆。以年产能100万辆Model 3/Y计，特斯拉一年需要超50万片6寸晶圆，而目前全球SiC晶圆总年产能在40万~60万片。这意味着，全球碳化硅的总产能可能都不够特斯拉一家消耗。

　　而限制碳化硅量产的一个重要因素就是技术，尤其是衬底的制备技术。

　　碳化硅产业链自上而下包括衬底、外延、器件设计、晶圆制造、模块封装等环节，其中，在碳化硅器件制造成本结构中，占比最大的就是衬底成本约46%，是当前的有效产能瓶颈、降本瓶颈环节。

　　衬底成本之所以高，一方面源自昂贵的时间成本，比如生长温度要比硅高两倍的2000摄氏度以上;7天才能长出2cm的碳化硅晶棒，而传统的硅材料只需3天就可以长成一根晶棒。

　　另一方面，碳化硅衬底需要复杂的加工工艺，其中最影响良率的就是因碳化硅极高的硬度，导致在切割的时候非常容易崩边。

　　所以有一种说法是，碳化硅价格较高限制应用放量，衬底是产业链的核心降本环节。

　　而碳化硅衬底环节到底如何降本，这是一个尚无定论的事情。简单来说，存在多条技术升级和迭代路径。

　　从性能参数优化方面来说，降低位错缺陷、微管缺陷是关键技术方向。

　　碳化硅器件制造是在衬底外延生长的外延层上实现，而位错缺陷(TD)、微管缺陷(MP)等碳化硅晶体关键技术指标，也会延伸至外延层、从而影响器件品质。

　　所以，降低衬底缺陷就是衬底厂商积累know-how的关键技术方向。

　　一方面，SiC MOS对晶体材料的品质要求高于SiC SBD，对晶体缺陷指标要求更高;另一方面，降低衬底晶体缺陷指标能够提升器件制造良率、品质，从而降低器件制造成本。

　　从衬底尺寸来说，8英寸衬底有待规模化量产。

　　但这个很难，1990年2英寸的碳化硅晶圆就已研制成功，但直到2015年，业界才出现8英寸的碳化硅晶圆。

　　Wolfspeed的8英寸SiC衬底，也是耗费了7年时间才得以量产。当前全球市场上，成熟产业化的碳化硅晶圆仍为4英寸和6英寸。

　　根据WolfSpeed 2021年投资日的报告，碳化硅衬底从6英寸到8英寸，单片衬底制备的芯片数量由448颗增长至845颗，边缘损失占比由14%减少至7%，可用面积几乎增加一倍，合格芯片产量则增加80-90%。

　　因此8英寸乃至更高英寸是未来关键技术方向。

　　根据行家说三代半数据，除Wolfspeed外，其他国际SiC大厂预计将于2-3年内量产8英寸SiC衬底，同时2022年以来，以天岳先进为代表的国产衬底厂商均已成功研发8英寸SiC衬底样片，且天岳先进已于23H1实现小批量销售。

　　产能和国产化

　　由于衬底制备难度高，导致碳化硅产品的良率普遍不高。去年8月，露笑科技就曾表示，其50%碳化硅良率已达到全球一流水平。

　　良率一直是困扰碳化硅产能的最大难题，以国产SiC衬底龙头天岳先进为例，尽管持续提升工艺水平，但直至2021年6月晶棒良率也仅有50%，衬底良率为75%，而传统硅器件整体良率可高达99%。

　　为此产业的做法以规模平衡良率。据《2022碳化硅(SiC)产业调研白皮书》，2022年国外有30个碳化硅相关项目扩产或投产，总投资金额超过800亿人民币，新增衬底产能超过250万片。

　　在最先进的8英寸SiC晶圆量产方面，2022年4月，Wolfspeed位于纽约的莫霍克谷SiC制造工厂正式开业，成为全行业首个实现8英寸SiC 晶圆量产的企业。意法半导体(ST)于2021年6月瑞典北雪平工厂成功制造出世界首批量产8英寸碳化硅晶圆片。

　　II-VI半导体于2015年7月展示了8吋导电型SiC衬底，2019年推出8吋半绝缘SiC衬底，2021年4月，II-VI表示，未来5年内，将SiC衬底的生产能力提高5至10倍，8吋SiC量产时间预计为2024年。罗姆作为最早一批展示8英寸SiC衬底的厂商之一，将原定于2025年量产节点，提前至2023年。

　　此外，根据Yole的数据，国内外已有十余家企业将8英寸SiC晶圆量产提上日程，但大部分还处于样品或小规模量产的阶段。

　　在最受关注的国产化层面，也取得了一定进展。

　　除蔚来ET7搭载进口品牌SiC功率模块外，其余三个品牌均采用国内自研SiC功率模块：吉利Smart精灵#1采用芯聚能模块，小鹏G9 SiC模块自2022年9月由斯达半导提供;比亚迪模块自供。

　　国内厂商也逐渐开始供应国外器件，比如天岳先进，2021年之前其客户主要为无线电探测、信息通信行业厂商，供应半绝缘型SiC衬底，2022年部分产能转移至导电型衬底后，陆续与国家电网、英飞凌、博世集团等达成合作，且上汽、小鹏、广汽等车企也通过参与配售的方式与其加强绑定。

　　而在资本领域，车企和相关公司也早早开始布局。据爱集微统计，2021年，超20家SiC企业完成总规模超17亿元融资;2022年，超26家SiC企业完成总规模超16亿元融资。2023上半年，SiC企业融资创新高：超25家相关企业完成新一轮融资，总规模超85亿元，涵盖外延、衬底、器件、设备等环节。

　　比如，比亚迪投资了天域半导体和天科合达，小鹏投资了瞻芯电子。华为哈勃共投资了5家碳化硅相关企业，遍布碳化硅全产业链。

　　尾声

　　而随着产能提高，碳化硅价格也有望在2025年或2026年实现下调。以衬底为例，目前国内衬底价格主要集中在5000到8000元，其中国外品牌价格在7-8千，六寸国产在5-6千元，明年预计会降至4000元以下。

　　这一预测基本取决于8英寸衬底的大规模量产，WolfSpeed预测，到2024年使用其8英寸衬底生产的MOSFET芯片成本将较2022年使用6英寸衬底下降63%，其中28%来自生产受益(良率提升)，25%来自规模效应，10%来自自动化水平提升。

　　由于国内相关产业起步较晚，从以往SiC衬底量产节点来看，国际上4英寸SiC衬底量产时间比国内早10年左右，而6英寸拉近了差距，量产时间差大约在7年左右。不过随着产学研结合的模式铺开，以及相关产业的投资热潮，国内SiC衬底有望加速追赶国际领先水平。

　　参考资料

　　[1] 碳化硅(SiC)半导体专家交流纪要，DT半导体

　　[2] 碳化硅——得衬底者得天下 国产化进度究竟如何?中国半导体论坛

　　[3] 创三年之最!碳化硅上半年融资超85亿元，集微网

　　[4] 金属新材料行业专题报告：碳化硅：第三代半导体之星，浙商证券

　　[5] 造神者推倒神像：碳化硅的崛起和塌房，远川研究所

　　[6] 特斯拉带火的碳化硅产业，未来有星辰大海吗?九鼎投资

　　[7] 电子行业深度报告：碳化硅车型密集发布，关注国产衬底厂商扩产、器件厂商上车进展，东吴证券