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75%與10萬(wàn)億。
馬斯克在投資者日上拋出了兩個(gè)駭人的數(shù)字，比起改造地球的天馬行空，75%顯然更令業(yè)界矚目。
因?yàn)轳R斯克宣稱下一代汽車平臺(tái)可以減少75%的碳化硅用量，消息一出，碳化硅產(chǎn)業(yè)“慌了”。特斯拉是碳化硅上車的先驅(qū)者，也是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的帶動(dòng)者，而現(xiàn)在要大減使用量，頗有種“背刺”的感覺(jué)。
這兩年碳化硅風(fēng)聲很大，業(yè)界普遍看好其前景，難道這就降溫了？我們?cè)撊绾谓庾x75%的含義？特斯拉這一舉動(dòng)會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生什么影響？
閱讀本文，你將了解：
1. 特斯拉為什么要用碳化硅？
2. 特斯拉為什么要減少用量？
3. 特斯拉會(huì)采取哪些辦法？
4. 對(duì)行業(yè)有哪些影響？
特斯拉的“叛逆”
2018年，特斯拉率先將碳化硅導(dǎo)入Model 3，被視為碳化硅上車的風(fēng)向標(biāo)。此后，各大新能源車企開(kāi)始布局碳化硅器件。2020年，比亞迪將自研的碳化硅MOS應(yīng)用在漢EV四驅(qū)版上，功率密度提升一倍，輸出功率達(dá)到了200KW。
特斯拉為什么選擇碳化硅？
碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，相較于硅材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射等特點(diǎn)，適合制造高溫、高壓、高頻、大功率的器件。
電動(dòng)汽車中涉及到功率器件應(yīng)用包括電驅(qū)、OBC、DC/DC和非車載充電樁。碳化硅主要應(yīng)用于電驅(qū)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。碳化硅的穩(wěn)定性以及其他特性，使芯片制造商能夠?qū)⒛芰繐p失減少一半以上。碳化硅芯片還擅長(zhǎng)散熱，為小型逆變器鋪平了道路。
日本名古屋大學(xué)教授山本正義指出，這些優(yōu)勢(shì)在特斯拉 Model 3 的設(shè)計(jì)中得到了很好的體現(xiàn)。“Model 3 的空氣阻力系數(shù)與跑車一樣低。縮小逆變器的規(guī)模使其具有流線型的設(shè)計(jì)。”
高盛公司表示，采用碳化硅可將電池成本減少300至600美元，由于碳化硅替代硅可以減少逆變器80%的損失，同時(shí)，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)負(fù)擔(dān)也減少，帶來(lái)每輛車500-1000美元的成本節(jié)約。除電池外，車外充電特別是快充是另一個(gè)大規(guī)模增長(zhǎng)領(lǐng)域。
簡(jiǎn)而言之，碳化硅是個(gè)做事麻利、幫省錢還不占地方的“三好”半導(dǎo)體材料，特別適合新能源汽車這種在有限空間里需要極致性能的場(chǎng)景。
特斯拉 Model 3 大獲成功，把碳化硅推到了臺(tái)前，一躍成為各大車企的心頭好。也就在各大車企如火如荼地導(dǎo)入碳化硅時(shí)，特斯拉又突然調(diào)轉(zhuǎn)槍頭，玩得就是一手叛逆。
這又是為何？
對(duì)于年產(chǎn)百萬(wàn)規(guī)模的特斯拉而言，持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)能力和降本是不變的宗旨，如同馬斯克說(shuō)的那樣：
“沒(méi)有車企可以做到特斯拉的成本。”
但顯然，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈不太能滿足特斯拉的需求。
作為次新一代的半導(dǎo)體材料，碳化硅產(chǎn)業(yè)比起硅材料還是略顯“青澀”，它可以幫車企在綜合成本上省錢，但是它自己并不是個(gè)省油的燈。
碳化硅上游產(chǎn)業(yè)鏈包括原材料、襯底材料及外延材料，中游包括芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片制造、器件及模塊。從制造成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，襯底成本最大，占比達(dá)47%，良率損失占比32%；其次是外延成本，占比為23%。這兩大工序是碳化硅器件的重要組成部分。
碳化硅在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在單晶生產(chǎn)周期長(zhǎng)、環(huán)境要求高、良率低的問(wèn)題。碳化硅襯底的生產(chǎn)中的長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)需要在高溫、真空環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)溫場(chǎng)穩(wěn)定性要求高，并且其生長(zhǎng)速度比硅材料有數(shù)量級(jí)的差異。因此，碳化硅襯底生產(chǎn)工藝難度大，良率不高。
這直接導(dǎo)致了碳化硅襯底價(jià)格高、產(chǎn)能低的問(wèn)題。2016年，6英寸碳化硅襯底的價(jià)格在2萬(wàn)元左右，現(xiàn)在最便宜的單價(jià)是6000元左右，行業(yè)巨頭Wolfspeed的單價(jià)仍高達(dá)1.3萬(wàn)元。雖然碳化硅的價(jià)格呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，但對(duì)比硅材料還是有著很大的差距，對(duì)應(yīng)到成品器件上，也是如此。
貿(mào)澤電子、得捷公開(kāi)報(bào)價(jià)顯示，幾家主流大廠的650V 產(chǎn)品價(jià)格在去年上半年整體增長(zhǎng)40.16%，其中 ST 價(jià)格上漲了 70%，UnitedSiC、Wolfspeed 分別增長(zhǎng)43.61%、35.14%。而 1200V 產(chǎn)品價(jià)格的漲幅較 2021 年明顯收窄，ST、ROHM 平均價(jià)格漲幅在 5%以內(nèi)。
從上面這張圖，我們可以看到碳化硅 MOS的單價(jià)從2018年到2022年上半年降低了55%，但對(duì)比硅基IGBT的單價(jià)，有著近5倍的差距。
單價(jià)高之外，現(xiàn)貨率不高、供應(yīng)緊張也是碳化硅 MOS面臨的問(wèn)題，2021 年底，產(chǎn)品缺少現(xiàn)貨（正常庫(kù)存比例小于60%），且交貨周期均較長(zhǎng)，達(dá)到 30 周以上。而光特斯拉一家車企所需要的碳化硅恐吃掉全球大部分的產(chǎn)能。
有機(jī)構(gòu)估算，平均2輛特斯拉就要消耗一片6寸的碳化硅晶圓，以年產(chǎn)能100萬(wàn)輛的Model 3或者Y來(lái)計(jì)算，特斯拉一年需要超50萬(wàn)片晶圓，但目前全球晶圓總產(chǎn)能也不過(guò)在40-60萬(wàn)片，也就意味著特斯拉一年快要消耗掉全球總產(chǎn)能。
要知道特斯拉的目標(biāo)是年產(chǎn)2000萬(wàn)輛，特斯拉的行動(dòng)似乎是對(duì)著碳化硅產(chǎn)業(yè)喊話：
你們又貴又少，但我有的是辦法。
特斯拉的減肥方法
“瘦身”75%意味著什么？
對(duì)于Model 3而言，就是從原先48顆MOS，銳減到只有12顆。少了36顆，特斯拉怎么做到保證性能不變？這是業(yè)內(nèi)最關(guān)心的點(diǎn)。
因此，也有觀點(diǎn)對(duì)“數(shù)量”持懷疑態(tài)度，認(rèn)為特斯拉再怎樣也無(wú)法只用12顆MOS撐起原先的性能?；谔蓟杵骷募夹g(shù)迭代，減少75%的芯片面積顯得更為貼切。
無(wú)論是數(shù)量還是芯片面積的減少，對(duì)于特斯拉“減肥”的方法，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為有以下三種：
1. 整車平臺(tái)升級(jí)至800V高壓，改用1200V規(guī)格碳化硅器件
2. 特斯拉在封裝技術(shù)上有新突破，很有可能使用雙面水冷技術(shù)來(lái)獲得更好的散熱能力
3. 碳化硅 MOS與硅基IGBT混用
具體來(lái)看，特斯拉Model 3采用的是400V架構(gòu)和650V碳化硅MOS，如果升級(jí)至800V電壓架構(gòu)，需要配套升級(jí)至1200V碳化硅MOS，那么器件用量可以下降一半。
此外，近年來(lái)，意法半導(dǎo)體的碳化硅MOS尺寸一直在縮小，如果按照第 3 代產(chǎn)品的面積是第 2 代的 1/4 來(lái)算，芯片面積剛剛好縮小了 75%。因此，也有人猜測(cè)特斯拉拋棄了ST的平面MOS改用羅姆最新的第四代溝槽MOS，只算芯片面積也正好少了75%。
碳化硅芯片的縮小會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱密度急劇增加，因而要求同等功率下，其單位面積導(dǎo)熱能力要求提高 3-7 倍。碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)和熔點(diǎn)較高，其耐受結(jié)溫超 500℃。目前大多碳化硅器件標(biāo)稱最高結(jié)溫在 200℃左右，并未發(fā)揮碳化硅器件良好性能。
對(duì)此，芯智庫(kù)專家猜測(cè)，特斯拉采用雙面水冷的封裝技術(shù)可能性比較大，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)有小批量生產(chǎn)能力了，國(guó)內(nèi)封裝廠已經(jīng)看到樣件。雙面水冷技術(shù)不僅可以提升碳化硅性能，還可以提升熱泵效率。
除了技術(shù)升級(jí)帶來(lái)的用量減少外，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，特斯拉將采用硅基IGBT+碳化硅MOS的方案，變相減少碳化硅的使用量。
但芯智庫(kù)專家指出，混合使用可以讓IGBT和MOS工作各自性能最優(yōu)的模式下，以此帶來(lái)的燒結(jié)工藝、驅(qū)動(dòng)及時(shí)序控制等問(wèn)題也具有很大的挑戰(zhàn)性。
綜合來(lái)看，特斯拉升級(jí)800V平臺(tái)，且使用新的碳化硅封裝技術(shù)來(lái)改善碳化硅單管或模塊的性能和散熱能力，最終減少用量和整體體積是比較主流的觀點(diǎn)。
對(duì)產(chǎn)業(yè)會(huì)有什么影響？
無(wú)論是用量減少還是面積減少，最終在特斯拉身上體現(xiàn)的就是成本下降，這是馬斯克最愿意看到的，這也是各大車企最不愿意看到的。
芯智庫(kù)專家指出，特斯拉降價(jià)后實(shí)際上沖擊了很多車廠，目前只有特斯拉能保持30%的毛利，它的降價(jià)逼得很多車企做虧本買賣。如果碳化硅成本不斷下降，特斯拉將打開(kāi)新的成本空間。
業(yè)界盛傳新的特斯拉汽車定價(jià)在20萬(wàn)元以下，主打的就是一個(gè)便宜。而這個(gè)新車型也會(huì)基于新的平臺(tái)打造，也就是“瘦身”過(guò)后的平臺(tái)，在成本路上劍走偏鋒的特斯拉，或許會(huì)對(duì)20萬(wàn)元以下的汽車市場(chǎng)造成沖擊。
至于碳化硅產(chǎn)業(yè)則不必?fù)?dān)憂。
“目前暫時(shí)還沒(méi)有看到在大電流領(lǐng)域比碳化硅更好的接近量產(chǎn)的替代品。”天鷹資本執(zhí)行董事章金偉在接受媒體采訪時(shí)表示，“特斯拉可能主要從成本角度來(lái)考慮，從長(zhǎng)期看，依然看好碳化硅的發(fā)展?！?/p>
碳化硅產(chǎn)業(yè)巨頭也正忙著擴(kuò)產(chǎn)并購(gòu)，無(wú)論是Wolfspeed、意法半導(dǎo)體、安森美，還是國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈公司，都在積極推進(jìn)建廠、驗(yàn)證等工作。整個(gè)產(chǎn)業(yè)未有停下腳步的跡象。
集邦咨詢最新研究數(shù)據(jù)顯示，隨著安森美（onsemi）、英飛凌（Infineon）等與汽車、能源業(yè)者合作項(xiàng)目明朗化，預(yù)計(jì)將推動(dòng)2023年整體碳化硅功率元件市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá)22.8億美元，年成長(zhǎng)41.4%。至2026年碳化硅功率元件市場(chǎng)產(chǎn)值可望達(dá)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、CAGR約38%；再生能源達(dá)4.1億美元、CAGR約19%。
安森美總裁兼首席執(zhí)行官（CEO）Hassane El-Khoury認(rèn)為，未來(lái)5-10年，碳化硅的市場(chǎng)還是會(huì)比較緊缺，不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的情況。
