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自從特斯拉宣布旗艦車型Model 3將搭載意法半導(dǎo)體的碳化硅功率器件之后，碳化硅就一夜成名，成為了各大企業(yè)爭(zhēng)相追逐的新趨勢(shì)。目前，碳化硅已經(jīng)毫無疑問地成為了新能源汽車的標(biāo)配?？删驮诮?，在特斯拉的歷史首次“投資者日”活動(dòng)上，卻爆出重磅消息，特斯拉的下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅使用，此舉引起了業(yè)界轟動(dòng)和廣泛討論，莫非碳化硅要成也特斯拉，敗也特斯拉了？
特斯拉高管在“投資者日”活動(dòng)上宣布 將碳化硅使用量減少75%
特斯拉找到了新捷徑？
究其根本，問題還是出在成本上。在“投資者日”活動(dòng)上，特斯拉表示，2022年Model 3的成本已經(jīng)降低了30%，但下一代汽車的生產(chǎn)成本還將降低超過50%。而降低驅(qū)動(dòng)單元的造價(jià)就是其中的關(guān)鍵一環(huán)。據(jù)了解，特斯拉可以通過碳化硅器件、電池等多個(gè)方面的技術(shù)優(yōu)化，將驅(qū)動(dòng)單元的成本降低約1000美元，并且表示即便減少了75％的碳化硅器件用量，依舊不會(huì)損害汽車的性能或效率。
乍一看，特斯拉像是想舍棄碳化硅技術(shù)，其實(shí)不然，特斯拉只是覺得碳化硅晶體管成本太高且晶圓尺寸很難擴(kuò)展，同時(shí)也擔(dān)心碳化硅器件的產(chǎn)能供應(yīng)問題。所以，特斯拉將不斷提升自身的碳化硅研發(fā)技術(shù)，優(yōu)化功率模塊設(shè)計(jì)，從而減少碳化硅器件用量。
SwissSEM Technologies AG公司CTO Arnost Kopta也表示，碳化硅MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的整體性能優(yōu)于硅IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），這是一個(gè)不容爭(zhēng)議的事實(shí)。但是，與IGBT相比，由于原材料、加工和產(chǎn)量等因素，碳化硅目前的總成本仍然較高。碳化硅的一些優(yōu)勢(shì)也難以被充分利用。因此，碳化硅MOSFET和硅IGBT這兩種主要器件將共存很長(zhǎng)時(shí)間，市場(chǎng)份額會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的總成本來劃分，且隨著時(shí)間的推移，市場(chǎng)會(huì)變得更加成熟。
2021年-2027 年（預(yù)測(cè)）碳化硅功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)占比
數(shù)據(jù)來源：YOLE
賽迪顧問新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理李龍表示，在特斯拉的發(fā)展戰(zhàn)略中，降低單車成本無疑是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額這一目標(biāo)最有效直接的手段，并且特斯拉希望將下一代電動(dòng)汽車的生產(chǎn)成本再降50%。特斯拉是全球首家在電動(dòng)汽車上使用碳化硅器件的車企，所采用的是意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET器件。以Model 3為例，一輛Model 3使用48顆碳化硅器件，而碳化硅器件價(jià)格大約是硅器件的3-5倍，減少碳化硅的用量可以實(shí)現(xiàn)制造成本的下降。
2022年特斯拉全球交付量約為131萬輛，增長(zhǎng)約40.9%，而特斯拉交付第四個(gè)100萬輛僅用了7個(gè)月時(shí)間。特斯拉希望2030年年產(chǎn)量達(dá)到2000萬輛，這就意味著，未來幾年，特斯拉電動(dòng)汽車的年產(chǎn)量增速需要保持在40%左右。按照每3輛車消耗1片6英寸碳化硅晶圓測(cè)算，2022年特斯拉大約消耗了43.6萬片，而目前全球6英寸碳化硅總產(chǎn)量約為60萬片，再考慮其他車企和汽車外其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ蓟璧男枨螅蓟韫┙o壓力較大。
氮化鎵將成為新趨勢(shì)？
相較于碳化硅被特斯拉“背刺”，同為寬禁帶半導(dǎo)體代表的氮化鎵卻得到了汽車芯片大廠的青睞。就在特斯拉召開投資者日的同一天，汽車芯片龍頭企業(yè)英飛凌宣布，以8.3億美元收購(gòu)氮化鎵功率半導(dǎo)體制造商GaN Systems，意在加強(qiáng)其氮化鎵產(chǎn)品組合，進(jìn)一步鞏固英飛凌在電源系統(tǒng)領(lǐng)域的地位。目前，雙方已簽署最終協(xié)議。
2021年-2027年（預(yù)測(cè)）氮化鎵功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)營(yíng)收
數(shù)據(jù)來源：YOLE
據(jù)了解，GaN Systems是專注于氮化鎵功率半導(dǎo)體的廠商，可以滿足包括消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電源、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)電機(jī)和汽車電子等領(lǐng)域的產(chǎn)品需求。英飛凌首席執(zhí)行官Jochen Hanebeck表示：“氮化鎵技術(shù)的突破正在為節(jié)能減碳提供全新的解決方案。氮化鎵技術(shù)在移動(dòng)充電樁、數(shù)據(jù)中心電源、住宅太陽能逆變器和電動(dòng)汽車車載充電器等應(yīng)用中的采用正盛，市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛。收購(gòu)GaN Systems將顯著加速英飛凌的氮化鎵技術(shù)路線圖?！?/p>
隨著AI、5G通信、新能源汽車等技術(shù)的發(fā)展，氮化鎵功率器件在速度、效率、耐高溫等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件，在功率系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。市場(chǎng)調(diào)研組織Yole預(yù)計(jì)，到2027年，氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到20億美元，而2021年僅為1.26億美元。電動(dòng)汽車將成為氮化鎵功率器件的下一波增長(zhǎng)點(diǎn)，預(yù)計(jì)到2027年，氮化鎵功率器件在電動(dòng)汽車的市場(chǎng)規(guī)模將超過2.27億美元，2021—2027年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到99%。
“新能源汽車中的部分應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于電壓的需求在650V~1000V，因此，新能源汽車領(lǐng)域也成為了碳化硅和氮化鎵的主要競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，例如電源驅(qū)動(dòng)、車載充電OBC以及車載DCDC。”復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院研究員雷光寅向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹到。
從商業(yè)領(lǐng)域看，碳化硅和氮化鎵的潛力市場(chǎng)均主要集中在新能源汽車電力電子器件。預(yù)計(jì)到2025年，全球應(yīng)用于新能源汽車的碳化硅和氮化鎵電力電子器件市場(chǎng)規(guī)模有望超過25億美元。李龍表示，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在提升續(xù)航里程和減少電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)體積等，而氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)計(jì)在2025年前后逐步開始鋪開，其主要市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為大幅縮短新能源汽車的充電時(shí)間，以及減少電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)體積等。
雖然，在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅的市場(chǎng)應(yīng)用仍更勝一籌，但是隨著中低壓氮化鎵技術(shù)不斷成熟，競(jìng)爭(zhēng)力不斷提升，將大大加速氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域的生態(tài)發(fā)展。據(jù)了解，全球功率器件約68%的應(yīng)用在0~900V的區(qū)間，該電壓區(qū)間也是氮化鎵的主要適用領(lǐng)域。據(jù)測(cè)算，全球氮化鎵功率器件的潛在市場(chǎng)規(guī)模約300億美元。未來，中低壓氮化鎵功率器件將有望在消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域中煥發(fā)更大的活力。
盡管近期氮化鎵在車用市場(chǎng)確實(shí)有所突破，一些供應(yīng)商已經(jīng)開始與車企合作驗(yàn)證產(chǎn)品。但TrendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕指出，從整體來看，由于可靠性等原因，當(dāng)前氮化鎵車用市場(chǎng)仍不成熟，短期內(nèi)將以車載充電器（OBC）作為突破點(diǎn)，這幾年可能會(huì)有小批量滲透，在400V系統(tǒng)中與碳化硅形成一定競(jìng)爭(zhēng)，但在800V系統(tǒng)，氮化鎵還做不到。
碳化硅不會(huì)曇花一現(xiàn)
盡管特斯拉減量碳化硅一事鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，但其他企業(yè)間關(guān)于碳化硅的合作其實(shí)依舊頻繁。汽車方面，安森美與大眾汽車簽屬戰(zhàn)略協(xié)議，為大眾汽車提供Elite碳化硅1200V主逆變器功率模組，另外該系列產(chǎn)品也被起亞汽車選中，用于EV6 GT車型，還與寶馬達(dá)成長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議，為其提供碳化硅芯片；而Wolfspeed與奔馳深化合作關(guān)系，提供其電動(dòng)汽車所需的碳化硅功率器件。再生能源方面，安森美也與Ampt合作，提供太陽能與儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化器所需的碳化硅MOSFET；而英飛凌的Cool碳化硅已導(dǎo)入臺(tái)達(dá)電的雙向逆變器中，應(yīng)用于太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電三合一系統(tǒng)，另外也助力布魯姆能源的燃料電池和電解系統(tǒng)效率提升。英飛凌還在持續(xù)擴(kuò)大與碳化硅供應(yīng)商的合作，已與日本材料供應(yīng)商Resonac簽署了一項(xiàng)全新的多年供應(yīng)和合作協(xié)議。
數(shù)據(jù)來源：YOLE
幾家碳化硅龍頭大廠在宣布新的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，例如，Wolfspeed計(jì)劃與汽車零部件供應(yīng)商采埃孚合作，投資30億美元在德國(guó)薩爾州建設(shè)半導(dǎo)體廠；Resonac宣布，將在2026年前，把用于功率半導(dǎo)體的碳化硅外延片產(chǎn)能提高到每月5萬片，達(dá)到目前水平的5倍，并且開始投資研發(fā)下一代8英寸碳化硅晶圓技術(shù)。
安森美總裁Hassane EI-Khoury表示，安森美碳化硅業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)速度快于企業(yè)其他部門。他表示：“2023年安森美最大的增長(zhǎng)將來自于碳化硅在電動(dòng)車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，在未來3年預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)40億美元的碳化硅收入?！?/p>
TrendForce集邦咨詢?cè)谧钚掳l(fā)布的調(diào)研報(bào)告中預(yù)測(cè)，隨著安森美、英飛凌等與汽車、能源企業(yè)合作項(xiàng)目的不斷增多，碳化硅功率器件的前兩大應(yīng)用為新能源汽車與再生能源領(lǐng)域，分別在2022年已達(dá)到10.9億美元及2.1億美元，占碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值約67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到22.8億美元，年增長(zhǎng)41.4%。
TrendForce集邦咨詢預(yù)測(cè)，至2026年，碳化硅功率器件市場(chǎng)產(chǎn)值可望達(dá)到53.3億美元。主流應(yīng)用仍倚重電動(dòng)汽車及再生能源，電動(dòng)汽車產(chǎn)值可達(dá)39.8億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約38%；再生能源達(dá)4.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約19%。
龔瑞驕表示，最近主要是受到了特斯拉大幅縮減碳化硅用量消息的影響，市場(chǎng)出現(xiàn)了一些悲觀情緒。但感覺市場(chǎng)反應(yīng)有些過度。碳化硅擁有優(yōu)越的電氣特性，傳統(tǒng)的硅材料無法比擬。碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢(shì)，尤其是在800V充電架構(gòu)之下，硅基IGBT已經(jīng)達(dá)到性能的極限，很難滿足主驅(qū)逆變器的技術(shù)需求。從下游應(yīng)用來看，碳化硅組件是電動(dòng)汽車制造商未來必須考慮的核心組件，另外光伏儲(chǔ)能場(chǎng)景也在加速導(dǎo)入，因此近幾年碳化硅市場(chǎng)將維持供不應(yīng)求態(tài)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)熱度不會(huì)降低。
李龍同樣認(rèn)為碳化硅在電動(dòng)汽車市場(chǎng)的應(yīng)用不會(huì)受到影響。安森美、英飛凌等國(guó)際碳化硅領(lǐng)域龍頭企業(yè)紛紛將電動(dòng)汽車列為企業(yè)的戰(zhàn)略方向，側(cè)面說明，碳化硅器件相較于硅基器件，依然為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)方案的最優(yōu)解。碳化硅器件能夠提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間，在高溫高頻環(huán)境下保持更好的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升電動(dòng)汽車的整車性能。因此長(zhǎng)期看，若未來碳化硅的成本能夠進(jìn)一步降低、產(chǎn)品良率和產(chǎn)能供給提升，則碳化硅相較硅基器件的各項(xiàng)性能優(yōu)勢(shì)會(huì)促使碳化硅器件成為車規(guī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
此外，各大企業(yè)也在碳化硅技術(shù)研發(fā)方面不斷精進(jìn)，英飛凌科技全球高級(jí)副總裁、大中華區(qū)總裁、英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉表示，自2018年收購(gòu)擁有碳化硅冷切割技術(shù)的初創(chuàng)公司SILTECTRA以來，通過技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)材料損耗降低和成本降低。未來，同一碳化硅晶錠產(chǎn)出的晶圓數(shù)量將是現(xiàn)在的四倍。
