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前言：碳化硅上車現(xiàn)在主要面臨兩大問題：一是昂貴，二是供應(yīng)短缺。特斯拉減少使用碳化硅的比例，筆者認(rèn)為更多還是從節(jié)省成本的角度考慮。碳化硅市場(chǎng)大有前景，但國(guó)產(chǎn)廠商還需要更多的努力來改變現(xiàn)狀。
新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展為碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的機(jī)遇。SiC的優(yōu)異性能在電動(dòng)汽車、白色家電和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，SiC的應(yīng)用顯著提升了能效并有效降低了能耗。電動(dòng)汽車采用SiC方案帶來了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括降低能耗、縮小模塊尺寸、降低物料成本和縮短充電時(shí)間。因此，SiC在逆變器、OBC、車載DC-DC等領(lǐng)域的需求將大幅增長(zhǎng)。
頭部新能源汽車特斯拉的決定對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了重大影響。2018年，特斯拉首次宣布在Model 3中采用碳化硅芯片，隨后比亞迪、小鵬和吉利等國(guó)內(nèi)廠商紛紛效仿。因此，采用碳化硅芯片的車型都被賦予了"高端"和"豪華"的標(biāo)簽，并定價(jià)超過30萬元。然而，特斯拉的減少使用碳化硅的舉動(dòng)引發(fā)了行業(yè)的震動(dòng)。碳化硅概念股紛紛下跌，全球碳化硅龍頭wolfspeed股價(jià)一度腰斬。
在日前特斯拉宣布減少對(duì)碳化硅75%的使用后，引起了碳化硅行業(yè)地震。特斯拉動(dòng)力系統(tǒng)工程副總裁指出，特斯拉實(shí)際上采用了定制化的模塊封裝技術(shù)，在減少碳化硅使用的同時(shí)保持了相同的散熱效果。這意味著特斯拉并非完全棄用碳化硅，而是減少了使用量。其他一些車企暫時(shí)無法掌握該技術(shù)的情況下，不得不一邊與Wolfspeed保持合作關(guān)系，一邊積極尋找替代方案。比亞迪投資了天域半導(dǎo)體和天科合達(dá)，小鵬投資了瞻芯電子等。
然而，在汽車市場(chǎng)不斷降價(jià)的背景下，國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)本就薄弱，對(duì)碳化硅的信心能夠持續(xù)多久仍然存在疑問。在這個(gè)背景下，與非研究院對(duì)于車規(guī)級(jí)碳化硅產(chǎn)業(yè)重新進(jìn)行了盤點(diǎn)和梳理。
新能源汽車800V高壓平臺(tái)推動(dòng)碳化硅快速普及
全球SiC產(chǎn)業(yè)鏈布局以美國(guó)、日本等為主，廣泛應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星、新能源汽車、光伏發(fā)電領(lǐng)域。中國(guó)雖然起步較晚，但正在加速發(fā)展。全球前六大碳化硅企業(yè)包括ST、英飛凌、Wolfspeed、ROHM、Onsemi和Mitsubishi，占市場(chǎng)95%份額。預(yù)計(jì)2027年碳化硅功率器件市場(chǎng)超100億美元。
SiC功率器件市場(chǎng)格局（2020年），來源：中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
隨著碳化硅模塊價(jià)格逐年下降，全碳化硅方案相比硅方案在成本上具有優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將爆發(fā)式增長(zhǎng)。汽車市場(chǎng)正在積極搶占碳化硅產(chǎn)能。預(yù)計(jì)到2026年，車用碳化硅功率元件市場(chǎng)將達(dá)到39.8億美元。中國(guó)車用碳化硅市場(chǎng)正在發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)包括充電設(shè)施普及、電網(wǎng)升級(jí)需求、碳化硅元件高價(jià)、碳化硅襯底供應(yīng)短缺等。中國(guó)的SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2025年將超過45億元，國(guó)際市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過100億元。新能源汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)將推動(dòng)SiC市場(chǎng)的發(fā)展。
新能源汽車市場(chǎng)SiC、GaN功率市場(chǎng)規(guī)模（億元），來源：CASA
中國(guó)的SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以30.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模15.8億元，到2025年將超過45億元。在國(guó)際上，SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以38.0％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2025年市場(chǎng)規(guī)模將超過100億元。折算成晶圓，國(guó)內(nèi)2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量超過4萬片，預(yù)計(jì)到2025年需求量將增長(zhǎng)到近30萬片。同期，國(guó)際新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量從2020年的5萬片增長(zhǎng)到2025年的60萬片。新能源汽車市場(chǎng)的這種增長(zhǎng)勢(shì)頭將進(jìn)一步推動(dòng)SiC市場(chǎng)的發(fā)展。
SiC功率器件下游應(yīng)用，來源：TrendForce
新能源汽車占比迅速上升，將占半壁江山。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，SiC功率應(yīng)用市場(chǎng)中，新能源汽車領(lǐng)域由2020年的44%上升至2025年的62%，2025年光伏、儲(chǔ)能領(lǐng)域占比由2020年22%縮小至12%。充電樁、電源PFC、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及軌道交通等領(lǐng)域2025年占比分別為9%、6%、3%、3%及4%。
電動(dòng)汽功率器件碳化硅方案與硅方案成本預(yù)測(cè)，來源：國(guó)金證券研究所
假設(shè)未來五年碳化硅模塊價(jià)格每年下降10%，IGBT價(jià)格每年下降5%，電池成本每年下降10%，中性預(yù)計(jì)全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗8%，僅考慮相同續(xù)航下節(jié)省的電池成本，而忽略節(jié)省的散熱系統(tǒng)成本縮減、無源器件成本縮減以及更好能效節(jié)省的使用成本，從2025年開始全碳化硅方案相比硅方案就具有綜合物料成本優(yōu)勢(shì)，開始爆發(fā)式增長(zhǎng)。在實(shí)現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢(shì)之前，碳化硅從售價(jià)相對(duì)高昂的車型開始被逐步采用，這部分需求也足夠拉動(dòng)行業(yè)快速增長(zhǎng)。
隨著越來越多的汽車制造商將碳化硅技術(shù)應(yīng)用于電驅(qū)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)車用碳化硅功率元件市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的10.9億美元增長(zhǎng)至2026年的39.8億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到38%。在2022年，90%的市場(chǎng)份額主要來自于蔚來汽車等主要廠商，主要用于高價(jià)值的逆變器。另外，分立的碳化硅MOSFET在OBC中占據(jù)了6%的份額。
車規(guī)級(jí)碳化硅國(guó)際玩家，來源：Trendforce
為了解決充電焦慮的問題，800V的系統(tǒng)實(shí)際上被各大業(yè)汽車業(yè)界所看好。目前，800V是碳化硅在汽車市場(chǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景。800V系統(tǒng)被廣泛看好，以解決充電焦慮問題。TrendForce分析師龔瑞驕預(yù)計(jì)到2022年，800V系統(tǒng)在整個(gè)市場(chǎng)中的滲透率將達(dá)到3%，并由現(xiàn)代汽車等車型提供支持。到2026年，預(yù)計(jì)這一比例將進(jìn)一步提升至約15%，推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)發(fā)展。龔瑞驕認(rèn)為，盡管800V平臺(tái)被認(rèn)為是SiC的領(lǐng)域，并且具有高效率和快速充電的優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)成本增加以及需要解決原有充電樁能給800V車充電的問題，都是阻礙800V平臺(tái)發(fā)展的因素。盡管如此，SiC仍然被視為新能源汽車核心技術(shù)之一，預(yù)示著未來可能會(huì)發(fā)展成雙向OBC的趨勢(shì)。
車規(guī)級(jí)碳化硅玩家盤點(diǎn)
在2018年，特斯拉Model3首次采用了24個(gè)由意法半導(dǎo)體供應(yīng)的SiCMOSFET單管模塊。2020年，比亞迪漢EV成為國(guó)內(nèi)首款采用自主開發(fā)SiC模塊的車型，比硅基IGBT提升3%-8%的電控效率。蔚來2021年新車也采用了SiC模塊。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn)SiC車用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代。
車廠和零部件廠圍繞碳化硅的布局進(jìn)展，來源：搜狐汽車研究室
其中值得重點(diǎn)關(guān)注的廠商包括國(guó)外的Wolfspeed。Wolfspeed是SiC和GaN解決方案的主要供應(yīng)商，產(chǎn)品覆蓋SiC和GaN材料、功率器件、射頻器件等。英飛凌自1992年研發(fā)SiC功率器件，2020年市場(chǎng)份額全球第四。產(chǎn)品包括低壓MOS、高壓MOS，以及IGBT等。Wolfspeed與大眾汽車合作，成為FAST項(xiàng)目SiC獨(dú)家合作伙伴；與德爾福合作，開展汽車SiC器件研究；與ABB合作，推動(dòng)SiC器件進(jìn)入電力、機(jī)車牽引、新能源汽車領(lǐng)域；與宇通合作，推動(dòng)SiC在大巴車的應(yīng)用。產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)方面，Wolfspeed是SiCMOSFET、肖特基二極管和功率模塊的全球領(lǐng)導(dǎo)者。分立SiCMOSFET可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率并減小電感器、電容器、濾波器和變壓器等組件的尺寸；SiC肖特基二極管采用MPS（合并PiN肖特基）設(shè)計(jì)，比標(biāo)準(zhǔn)肖特基勢(shì)壘二極管更穩(wěn)健可靠；SiC功率模塊方面能提供從SiC材料到封裝的垂直整合優(yōu)勢(shì)。目前正在紐約馬西建造世界上最大的SiC制造廠，將顯著提高SiC和GaN業(yè)務(wù)的產(chǎn)能。
英飛凌SiC產(chǎn)品發(fā)展路線，來源：英飛凌公告
英飛凌作為歐洲老牌半導(dǎo)體企業(yè)，自1992年開始研發(fā)SiC功率器件，并不斷推出SiC領(lǐng)域相關(guān)新器件。2020年SiC功率器件市場(chǎng)中，英飛凌以13.3%的市場(chǎng)份額位列全球市場(chǎng)第四位。
英飛凌積極布局產(chǎn)業(yè)鏈，與上下游相關(guān)企業(yè)達(dá)成合作意向。與Wolfspeed(Cree)簽訂1億美元合同，鎖定6英寸SiC晶圓；與GTAT簽訂5年期SiC晶棒供應(yīng)協(xié)議；收購賽普拉斯，成為全球第一大車用半導(dǎo)體供應(yīng)商；與大眾汽車集團(tuán)合作，成為FSAT項(xiàng)目合作伙伴。在產(chǎn)品方面，英飛凌憑借更高功率密度，更加小巧、輕便的設(shè)計(jì)，在電源管理及射頻領(lǐng)域搶占市場(chǎng)先機(jī)。目前公司的硅產(chǎn)品包括低壓MOS、高壓MOS，以及IGBT等。2018年英飛凌收購了初創(chuàng)公司Siltectra的冷切割創(chuàng)新技術(shù)，可使單片晶圓產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍。在中低功率SiC器件方面，2020年英飛凌在1200V系列基礎(chǔ)上，發(fā)布了TO-247封裝的650VCoolSiC?MOSFET，進(jìn)一步完善了產(chǎn)品組合。
特斯拉Model3采用意法半導(dǎo)體650VSiCMOSFET器件，來源：特斯拉官網(wǎng)
2021年12月10日，意法半導(dǎo)體推出第三代STPOWERSiC(SiC)MOSFET晶體管，推進(jìn)在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)功率設(shè)備的前沿應(yīng)用，及在其他以高功率密度、高能效、高可靠性為重要目標(biāo)的場(chǎng)景應(yīng)用。平面MOSFET利用全新的第三代SiC技術(shù)平臺(tái)，意法半導(dǎo)體為晶體管行業(yè)樹立了新的品質(zhì)因數(shù)(FoM)標(biāo)桿。2018年，特斯拉全球率先在Model3電驅(qū)主逆變器上，采用了意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650VSiCMOSFET器件，被視為SiC上車的風(fēng)向標(biāo)事件。持續(xù)加大投資，擴(kuò)大SiC產(chǎn)能（包括意大利Catania和新加坡工廠），不斷垂直整合供應(yīng)鏈。為了支持汽車和工業(yè)客戶的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)計(jì)劃，意法半導(dǎo)體計(jì)劃于2024年將SiC晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍。
羅姆SiC產(chǎn)品在電動(dòng)汽車的應(yīng)用，來源：羅姆官網(wǎng)
羅姆在SiC器件市場(chǎng)份額居于前三，重點(diǎn)研發(fā)8英寸SiC產(chǎn)品羅姆成立于1958年，是全球知名的半導(dǎo)體廠商，也是SiC器件市場(chǎng)市場(chǎng)份額占比前三的國(guó)外傳統(tǒng)功率龍頭公司。通過在日本國(guó)內(nèi)外工廠投建新廠房和更新制造設(shè)備等舉措，致力于不斷增強(qiáng)產(chǎn)能。羅姆于2019年推出的經(jīng)典SiC器件產(chǎn)品SiCMOSFET，其中“SCT3xxxxxHR系列”共10個(gè)型號(hào)，該系列產(chǎn)品支持汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC_x0002_Q101，而且產(chǎn)品陣容豐富，擁有13個(gè)機(jī)型。
目前羅姆公司針對(duì)SiC主驅(qū)逆變器應(yīng)用研發(fā)了最新一代的SiC器件，具有業(yè)界頂尖的RonA，現(xiàn)在已經(jīng)有了樣品，即將推向市場(chǎng)，目前已有多家客戶正進(jìn)行評(píng)估。在封裝方面，羅姆支持雙面散熱模塊，支持銀燒結(jié)技術(shù)，對(duì)可靠性和散熱方面都有非常好的改善。另外，羅姆作為少數(shù)幾家IDM模式廠商之一，具備襯底、外延、器件、模塊垂直一體化布局，正著力開發(fā)8英寸SiC產(chǎn)品。
國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)碳化硅面臨的挑戰(zhàn)？
在中國(guó)，現(xiàn)在量產(chǎn)純電動(dòng)汽車主驅(qū)模塊的僅有比亞迪、芯聚能和斯達(dá)、基本半導(dǎo)體等少數(shù)幾家。其中芯聚能的產(chǎn)品已在吉利和奔馳合作的Smart車型等上量產(chǎn)，去年上了一萬輛車，至今已交付近4萬塊?；景雽?dǎo)體自2017年開始布局車用碳化硅器件研發(fā)和生產(chǎn)，目前已掌握碳化硅芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等核心技術(shù)，并建立了完備的國(guó)內(nèi)國(guó)外雙循環(huán)供應(yīng)鏈體系?；景雽?dǎo)體自主研發(fā)的汽車級(jí)碳化硅功率模塊已收獲了近20家整車廠和Tier1電控客戶的定點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)第一批碳化硅模塊量產(chǎn)上車的頭部企業(yè)。
斯達(dá)半導(dǎo)量產(chǎn)光伏SiC器件及車規(guī)SiC模塊；投建全SiC功率模組產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，年產(chǎn)8萬顆車規(guī)級(jí)全SiC功率模組生產(chǎn)線和研發(fā)測(cè)試中心；2021年3月宣布使用募集資金向全資子公司斯達(dá)微電子增資19.78億元，用于高壓特色工藝功率芯片和SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目；2021年8月宣布投資5億元在SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目；此外積極布局蓬勃發(fā)展的新能源汽車市場(chǎng)，斯達(dá)半導(dǎo)體宣布其SiC模塊與小鵬汽車達(dá)成合作，進(jìn)入其800V高壓平臺(tái)，成長(zhǎng)空間廣闊；與Wolfspeed（CREE)合作開發(fā)的1200VSiC模塊已被宇通客車應(yīng)用于新能源汽車電控系統(tǒng)。
近年來，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各大廠商積極爭(zhēng)奪產(chǎn)能，并與汽車制造商展開合作。表中列舉了一些廠商在電動(dòng)車主逆變器方面與第三方的合作情況。同時(shí)，汽車業(yè)者也在尋求多元化供應(yīng)商體系以防范供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。例如，特斯拉與ST合作后，與onsemi和比亞迪合作，還有蔚來與wolfspeed的合作。
此外，汽車行業(yè)通過投資或合資參與供應(yīng)鏈建設(shè)。今年發(fā)生了兩件值得關(guān)注的事件。首先是采埃孚與wolfspeed在德國(guó)共同投資30億美元建設(shè)FAB和研發(fā)中心。另一件是緯湃科技向onsemi投資2.5億美元購買新的碳化硅設(shè)備，以支持onsemi的碳化硅產(chǎn)品發(fā)展。這些跡象表明，汽車業(yè)者對(duì)碳化硅的未來非?？春谩?/p>
國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)碳化硅市場(chǎng)總結(jié)，來源：Trendforce
中國(guó)汽車市場(chǎng)對(duì)碳化硅的需求也在快速增長(zhǎng)，許多國(guó)內(nèi)車企如上汽、北汽和廣汽都在重視本土碳化硅供應(yīng)鏈的投資。瞻芯、泰科天潤(rùn)、芯塔等廠商專注于碳化硅市場(chǎng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在汽車OBC中的應(yīng)用，或處于驗(yàn)證階段。
值得一提的是，碳化硅上車現(xiàn)在主要面臨兩大問題：一是昂貴，二是供應(yīng)短缺，暫時(shí)只有60度電以上的車廠會(huì)考慮使用。隨著襯底和外延成本降低，這個(gè)閾值應(yīng)該會(huì)下降。2021年至2027年間，碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模和年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了30%。目前，碳化硅市場(chǎng)仍被國(guó)外巨頭所壟斷，如ST等，不過在中國(guó)已有三家公司量產(chǎn)電動(dòng)車所使用的都是進(jìn)口的碳化硅芯片。這些國(guó)際公司都有大規(guī)模的布局，比如英飛凌，它計(jì)劃到2027年碳化硅的產(chǎn)能增加10倍，銷售額達(dá)到30億美元。總結(jié)來說，碳化硅市場(chǎng)大有前景，但國(guó)產(chǎn)廠商還需要更多的努力來改變現(xiàn)狀。
特斯拉減少75%碳化硅意味著什么？
2023年6月18日，在由芯謀研究在廣州南沙舉辦的，南沙國(guó)際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇的汽車芯片分論壇上，來自廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司的CEO周曉陽和廣汽資本總經(jīng)理袁鋒共同探討了碳化硅發(fā)展的現(xiàn)狀和前景、新能源汽車上碳化硅器件的應(yīng)用以及碳化硅器件封裝設(shè)計(jì)和工藝的進(jìn)階。同時(shí)周曉陽也特別解讀了特斯拉在其投資人會(huì)議上宣布的關(guān)于碳化硅用量減少75%的決策意味著什么，以及特斯拉未來的可能動(dòng)向。
周曉陽將向大家詳細(xì)介紹芯聚能的業(yè)務(wù)情況，并討論他還將解讀特斯拉在其投資人會(huì)議上宣布的關(guān)于碳化硅用量減少75%的決策意味著什么，以及特斯拉的可能動(dòng)向。周曉陽認(rèn)為，盡管碳化硅目前市場(chǎng)供不應(yīng)求且價(jià)格偏高，但其在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景仍然被看好。特斯拉在model3生產(chǎn)中就曾尋求采用碳化硅器件模塊，然而，由于當(dāng)時(shí)的碳化硅成本較高，其提出的價(jià)格遭到多家企業(yè)拒絕。ST公司最后接受了這一合作，促進(jìn)了其在功率器件及碳化硅市場(chǎng)的占有率提升。
現(xiàn)在的實(shí)際情況是，全球車廠對(duì)碳化硅功率器件的需求遠(yuǎn)超供應(yīng)，馬斯克的言論也意在提醒碳化硅行業(yè)需努力降低成本并提高供應(yīng)量。對(duì)于特斯拉聲稱要減少75%的碳化硅用量，主講者認(rèn)為這可能是指芯片面積，并提出了通過提高電機(jī)效率、功率密度和封裝技術(shù)，以及增加母線電壓和改進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)等手段來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。周曉陽認(rèn)為，這并不意味著碳化硅行業(yè)的前景黯淡，相反，如果能夠?qū)崿F(xiàn)這些技術(shù)革新，那么碳化硅的成本將進(jìn)一步降低，競(jìng)爭(zhēng)力將提高，市場(chǎng)應(yīng)用范圍也會(huì)進(jìn)一步拓展。這對(duì)碳化硅行業(yè)來說是利好消息，將有助于推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。
下載ECAD模型
