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相識碳化硅
2018年，Tesla率先在自家Model 3的逆變器上，搭載了意法半導(dǎo)體提供的650V 碳化硅（SiC）MOSFET，開啟了一眾汽車廠商踴躍加入SiC大軍的局面。筆者當(dāng)年也接觸過SiC的相關(guān)項(xiàng)目，聽一口操著中國臺灣腔的口音，悉數(shù)碳化硅器件的種種優(yōu)點(diǎn)與廣闊市場前景。
時(shí)隔多年，雖不知九死一生的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目后續(xù)如何，但碳化硅的相關(guān)特性為越來越多的人所知曉，應(yīng)用路徑也愈發(fā)清晰。從半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士，到汽車發(fā)燒友，甚至是有意購入新能源汽車的論壇水友，都能聊幾句搭載碳化硅器件的汽車表現(xiàn)出的優(yōu)異性能。
所謂人紅是非多，新的半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)品火了，也會帶來大量的關(guān)注。同時(shí)還有資本市場的預(yù)期與炒作，兩者之間的界線也比較模糊。因此，也不難有聲音對此進(jìn)行質(zhì)疑，認(rèn)為碳化硅的市場容量不夠大，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展跑的遠(yuǎn)不如資本市場的腳步。
筆者理解這種質(zhì)疑的態(tài)度，但不支持完全否定碳化硅在半導(dǎo)體國產(chǎn)化中所應(yīng)有的一席之地。今天，我們就一起來看看碳化硅的應(yīng)用、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
淺談碳化硅
所謂碳化硅，作為第三代半導(dǎo)體，由于其本身的材料特性，具有更寬的禁帶寬度、更高的熱導(dǎo)率、更高的擊穿電場、更高的電子遷移率等優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出良好的耐熱性、導(dǎo)熱性和耐高壓性等，使得其制成的器件具備低能耗、小體積、高效率等優(yōu)點(diǎn)。
可以說，在性能上比硅基器件哪哪都好，唯一的缺點(diǎn)是成熟的制造產(chǎn)業(yè)鏈尚在成形中，因此包括工藝、良率、價(jià)格在內(nèi)的多個(gè)因素，還有很大的改善或下降空間。
在商業(yè)化的應(yīng)用中，對于性能和價(jià)格的平衡，本身就不是一件容易的事。碳化硅的研究開發(fā)歷史也已有30年，雖然業(yè)界很早就認(rèn)識到碳化硅的性能占有絕對優(yōu)勢，但是價(jià)格一直不太友好，量產(chǎn)更是不敢想，因此未被市場充分重視。
市場“大餅”與主流應(yīng)用
近些年，隨著碳化硅價(jià)格的逐步下探，工藝和良率的不斷改進(jìn)，整個(gè)市場的需求也在冉冉升起。
目前，整個(gè)碳化硅行業(yè)仍處在擴(kuò)張期。碳化硅功率器件的市場規(guī)模在2018年時(shí)僅為4億美元，2021年則已增長至9.3億美元。IHS Markit預(yù)計(jì)，碳化硅功率器件的市場規(guī)模到 2027 年將超過 100 億美元，即2018-2021年CAGR為32.48%，2021-2027預(yù)計(jì)CAGR為48.57%。增速的持續(xù)擴(kuò)大顯而易見。
那這到底是市場的“畫餅充饑”，還是分析機(jī)構(gòu)的合理推測？一方面要看碳化硅下游的應(yīng)用空間如何；另一方面，也要看碳化硅廠商們具體是怎么做的。
目前，主要應(yīng)用包括新能源汽車、光伏、5G等領(lǐng)域。
碳化硅器件在新能源汽車方面的應(yīng)用，主要包括電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逆變器、車載DC/DC、電動汽車車載充電系統(tǒng)等等。對于應(yīng)用碳化硅器件的整車而言，具體表現(xiàn)在加速度、系統(tǒng)成本、續(xù)航里程及輕量化等多個(gè)方面。
提升加速度：特斯拉采用碳化硅器件后，實(shí)現(xiàn)了2.1s百公里加速度車型的量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了全球現(xiàn)階段最快的量產(chǎn)車型；比亞迪則憑借搭載碳化硅模塊的漢，百公里加速度也做到了3.9s。
降低系統(tǒng)成本：據(jù)悉，采用碳化硅MOSFET的驅(qū)動逆變器，會在器件上增加成本75-200美元，但可以在電池、無源器件、冷卻系統(tǒng)等多方面節(jié)約成本525-850美元，相同續(xù)航里程下單車節(jié)省200美元以上。
增加續(xù)航里程：英飛凌研究數(shù)據(jù)表明，在 25℃結(jié)溫下，SiC MOFET關(guān)斷損耗大約是 Si-IGBT 的 20%；在 175℃結(jié)溫下， SiC MOSFET 關(guān)斷損耗僅為Si-IGBT 的 10%。因此，碳化硅器件通過導(dǎo)通/開關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，同時(shí)增加了續(xù)航里程。
推進(jìn)輕量化：以Rohm的碳化硅逆變器為例，使用 SiC 模組后，主逆變器尺寸降低 43%，重量降低 6kg，推進(jìn)了汽車輕量化的步伐。
除了車身本體應(yīng)用外，充電樁也是碳化硅的應(yīng)用方向之一。目前，終端消費(fèi)者對于新能源汽車的續(xù)航里程焦慮仍然存在。解決方案中，除了增加續(xù)航里程外，如何縮短充電時(shí)間也是當(dāng)前主要的關(guān)注點(diǎn)之一。目前主流的方案，是從主機(jī)廠端、充電樁端推廣并實(shí)現(xiàn)800V超級快充。
從400V到800V升級的過程中，碳化硅組件能夠提高充電樁的最高工作溫度、可承載的最大電壓和整體功率密度，同時(shí)可以降低傳導(dǎo)損失及電流泄露。因此，愈發(fā)成為這些快速充電樁設(shè)計(jì)的絕佳選擇，這就為碳化硅的應(yīng)用提供了廣闊的空間，妥妥的增量市場。
圖、車企800V快充技術(shù)布局
從上圖中可以看到，主流的新能源車企幾乎都在2021年就開始布局800V高壓平臺，未來幾年則是具體落地的時(shí)間，碳化硅器件的應(yīng)用需求也會在后面逐步提上來。這也是為何過去兩年談到的更多的是概念，而看不到真正業(yè)績兌現(xiàn)的原因。業(yè)績的滯后，并非傳播“碳化硅純粹炒作”的借口。
另外，碳化硅在光伏逆變器中也表現(xiàn)較為優(yōu)異，能夠?qū)⒛孀兤鞯南到y(tǒng)轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定保持在96%-99%，同時(shí)還可以優(yōu)化系統(tǒng)的能量損耗及設(shè)備的使用壽命。
當(dāng)前，碳化硅功率器件已被批量使用在光伏逆變系統(tǒng)中。因此，光伏領(lǐng)域的市場空間更多是來自于整個(gè)光伏行業(yè)的市場空間，增速也基本與光伏行業(yè)發(fā)展的增速驅(qū)動。并不像汽車領(lǐng)域那種，隨著新能源汽車滲透率不斷提高，而發(fā)生的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性變化。
另外，碳化硅的應(yīng)用方向還包括軌道交通、5G等領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，但大多增速一般，與新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用增速相比，略顯乏力，不再一一贅述。
雙雙改名，國際碳化硅廠商們的算盤
再來看到國際碳化硅廠商們的具體措施，前有Wolfspeed改名，并押注碳化硅襯底，后有安森美all in 碳化硅產(chǎn)業(yè)，去半導(dǎo)體化，改logo。
Wolfspeed作為碳化硅襯底的行業(yè)龍頭，占全球市場份額60%以上，普遍受到關(guān)注。而2015年之前，這家公司名字叫CREE，主營業(yè)務(wù)以LED照明相關(guān)為主，后來押注碳化硅襯底的同時(shí)，把名字也改了，給人耳目一新的感覺。
當(dāng)前，Wolfspeed預(yù)計(jì)2023年將規(guī)劃全球最大的碳化硅材料工廠（Siler City），同時(shí)建立功率三代半Fab，對應(yīng)2023財(cái)年的資本開支投資額達(dá)10億美元（2021年該規(guī)劃投資額為2.3億美金），大幅提升了2023財(cái)年的資本開支。
安森美則是全球汽車半導(dǎo)體龍頭。2021年，安森美收購碳化硅廠商GTAT，將碳化硅作為長期的核心點(diǎn)。同時(shí)，在名稱上由原來的“安森美半導(dǎo)體”改為“安森美”，看似去半導(dǎo)體化了。但實(shí)際是為了進(jìn)一步貼合汽車方向的業(yè)務(wù)，切入點(diǎn)從整個(gè)半導(dǎo)體方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)往碳化硅。模式上，由IDM轉(zhuǎn)向Fab-liter模式，實(shí)際上是賣掉一些其他業(yè)務(wù)的產(chǎn)線，而進(jìn)一步增設(shè)碳化硅的相關(guān)產(chǎn)線。
2022年9月，安森美在捷克擴(kuò)建的 SiC 工廠落成，未來兩年內(nèi)產(chǎn)能將逐步提高 16倍，為CEO El-Khoury保證碳化硅端到端的供應(yīng)能力提供了支撐，也印證了安森美在all in 碳化硅的道路上越走越遠(yuǎn)的戰(zhàn)略。
Yole統(tǒng)計(jì)，安森美2021年碳化硅器件端的份額占比達(dá)7%。雖然安森美是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體巨頭，但其實(shí)轉(zhuǎn)型碳化硅，甚至all in 碳化硅也是近兩年才實(shí)施的策略。轉(zhuǎn)型后，公司公告顯示，僅碳化硅的合同金額，自2022Q2起算，未來三年便可給該公司帶來40億美元的營收。
Wolfspeed和安森美，一家是碳化硅襯底的龍頭企業(yè)，另一家則是轉(zhuǎn)向碳化硅器件的黑馬，都在轉(zhuǎn)型的同時(shí)改了名，這或許是巧合，但在碳化硅業(yè)務(wù)方向上增加的資本開支以及擴(kuò)產(chǎn)，則是實(shí)實(shí)在在的企業(yè)策略，而非嘴上說說。
另外，還有一些國際廠商也在碳化硅方向加注。Coherent（原II-VI）計(jì)劃在五年內(nèi)將SiC 襯底（含8英寸）生產(chǎn)能力提高 5 至 10 倍；ROHM宣稱將投資超過38億人民幣，擴(kuò)大5倍的碳化硅產(chǎn)能；SK集團(tuán)也計(jì)劃在SiC半導(dǎo)體晶圓業(yè)務(wù)上投資約38.22億元人民幣；Bosch、Shawa Denko、 Silicon Works、Yes Power Technix 等也相繼宣布了SiC的相關(guān)投入、擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。
圖、2021年全球化合物半導(dǎo)體廠商碳化硅擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目
姍姍來遲的國產(chǎn)碳化硅
圖、國內(nèi)外廠商研發(fā)不同尺寸襯底時(shí)間線
面對國際廠商對碳化硅市場的虎視眈眈，甚至勢在必得，國產(chǎn)碳化硅則起步較晚，好在迭代速度在線，產(chǎn)品迭代相比國際廠商更快，主要體現(xiàn)在4英寸產(chǎn)品、6英寸產(chǎn)品上。8英寸產(chǎn)品方面，Wolfspeed用時(shí)5年，時(shí)間周期均短于前兩代產(chǎn)品，呈現(xiàn)加速趨勢。對天岳先進(jìn)而言，雖然8英寸研發(fā)也同樣用時(shí)5年，但時(shí)間周期均長于前兩代產(chǎn)品，呈減緩趨勢。似乎隨著研發(fā)難度的提升，迭代速度有所降低。天科合達(dá)更是自2014年6英寸產(chǎn)品研發(fā)成功后，直至2020年才開始8英寸的研發(fā)。國產(chǎn)頭部企業(yè)尚且如此，對于整個(gè)國產(chǎn)碳化硅襯底行業(yè)來說，任重而道遠(yuǎn)。
另外，產(chǎn)品覆蓋面廣的三安光電，也在積極布局碳化硅。2022中報(bào)顯示，其子公司湖南三安碳化硅產(chǎn)能為6000片/月。碳化硅MOSFET產(chǎn)品已送樣數(shù)十家客戶驗(yàn)證，代工業(yè)務(wù)已與龍頭新能源汽車配套企業(yè)合作。
國產(chǎn)IDM大廠士蘭微則在2022年10月公告，計(jì)劃定增募集15億元進(jìn)行碳化硅功率器件的產(chǎn)線建設(shè)，旨在建成2000片/月的6英寸產(chǎn)線；IGBT“小王子”斯達(dá)半導(dǎo)，也表示22年3季度，其乘用車主驅(qū)用SiC MOSFET模塊一開始批量裝車應(yīng)用。
總的來說，能聽到國產(chǎn)碳化硅相關(guān)廠商的一些聲音，但激起的水花并不大。國產(chǎn)碳化硅行業(yè)姍姍來遲有很多因素，但至少目前還有不少企業(yè)仍在努力追趕。對于碳化硅這塊高速增長的市場，國外大廠們早已摩拳擦掌。國內(nèi)的行業(yè)更需要的是理性的聲音，業(yè)內(nèi)人士的建設(shè)性意見，而不是博取眼球的全盤否認(rèn)。
國產(chǎn)新能源汽車崛起甚至領(lǐng)先全球，已是不爭的事實(shí)。碳化硅作為其中一環(huán)，國產(chǎn)化進(jìn)程如果真的漸漸落寞，或許就將成為下一個(gè)被卡的“脖子”。
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