本
文
摘
要
相识碳化硅
2018年，Tesla率先在自家Model 3的逆变器上，搭载了意法半导体提供的650V 碳化硅（SiC）MOSFET，开启了一众汽车厂商踊跃加入SiC大军的局面。笔者当年也接触过SiC的相关项目，听一口操着台湾腔的口音，悉数碳化硅器件的种种优点与广阔市场前景。 时隔多年，虽不知九死一生的创业项目后续如何，但碳化硅的相关特性为越来越多的人所知晓，应用路径也愈发清晰。从半导体业内人士，到汽车发烧友，甚至是有意购入新能源汽车的论坛水友，都能聊几句搭载碳化硅器件的汽车表现出的优异性能。 所谓人红是非多，新的半导体技术及产品火了，也会带来大量的关注。同时还有资本市场的预期与炒作，两者之间的界线也比较模糊。因此，也不难有声音对此进行质疑，认为碳化硅的市场容量不够大，国内相关产业链的发展跑的远不如资本市场的脚步。 笔者理解这种质疑的态度，但不支持完全否定碳化硅在半导体国产化中所应有的一席之地。今天，我们就一起来看看碳化硅的应用、现状及发展趋势。 浅谈碳化硅所谓碳化硅，作为第三代半导体，由于其本身的材料特性，具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的击穿电场、更高的电子迁移率等优势，从而表现出良好的耐热性、导热性和耐高压性等，使得其制成的器件具备低能耗、小体积、高效率等优点。 可以说，在性能上比硅基器件哪哪都好，唯一的缺点是成熟的制造产业链尚在成形中，因此包括工艺、良率、价格在内的多个因素，还有很大的改善或下降空间。 在商业化的应用中，对于性能和价格的平衡，本身就不是一件容易的事。碳化硅的研究开发历史也已有30年，虽然业界很早就认识到碳化硅的性能占有绝对优势，但是价格一直不太友好，量产更是不敢想，因此未被市场充分重视。市场“大饼”与主流应用近些年，随着碳化硅价格的逐步下探，工艺和良率的不断改进，整个市场的需求也在冉冉升起。
图、碳化硅功率器件市场空间及预测
目前，整个碳化硅行业仍处在扩张期。碳化硅功率器件的市场规模在2018年时仅为4亿美元，2021年则已增长至9.3亿美元。IHS Markit预计，碳化硅功率器件的市场规模到 2027 年将超过 100 亿美元，即2018-2021年CAGR为32.48%，2021-2027预计CAGR为48.57%。增速的持续扩大显而易见。 那这到底是市场的“画饼充饥”，还是分析机构的合理推测？一方面要看碳化硅下游的应用空间如何；另一方面，也要看碳化硅厂商们具体是怎么做的。 目前，主要应用包括新能源汽车、光伏、5G等领域。 碳化硅器件在新能源汽车方面的应用，主要包括电机驱动系统逆变器、车载DC/DC、电动汽车车载充电系统等等。对于应用碳化硅器件的整车而言，具体表现在加速度、系统成本、续航里程及轻量化等多个方面。
图、SiC 器件应用于新能源车载模块
提升加速度：特斯拉采用碳化硅器件后，实现了2.1s百公里加速度车型的量产，实现了全球现阶段最快的量产车型；比亚迪则凭借搭载碳化硅模块的汉，百公里加速度也做到了3.9s。 降低系统成本：据悉，采用碳化硅MOSFET的驱动逆变器，会在器件上增加成本75-200美元，但可以在电池、无源器件、冷却系统等多方面节约成本525-850美元，相同续航里程下单车节省200美元以上。 增加续航里程：英飞凌研究数据表明，在 25℃结温下，SiC MOFET关断损耗大约是 Si-IGBT 的 20%；在 175℃结温下， SiC MOSFET 关断损耗仅为Si-IGBT 的 10%。因此，碳化硅器件通过导通/开关两个维度降低损耗，同时增加了续航里程。 推进轻量化：以Rohm的碳化硅逆变器为例，使用 SiC 模组后，主逆变器尺寸降低 43%，重量降低 6kg，推进了汽车轻量化的步伐。 除了车身本体应用外，充电桩也是碳化硅的应用方向之一。目前，终端消费者对于新能源汽车的续航里程焦虑仍然存在。解决方案中，除了增加续航里程外，如何缩短充电时间也是当前主要的关注点之一。目前主流的方案，是从主机厂端、充电桩端推广并实现800V超级快充。 从400V到800V升级的过程中，碳化硅组件能够提高充电桩的最高工作温度、可承载的最大电压和整体功率密度，同时可以降低传导损失及电流泄露。因此，愈发成为这些快速充电桩设计的绝佳选择，这就为碳化硅的应用提供了广阔的空间，妥妥的增量市场。
图、车企800V快充技术布局
从上图中可以看到，主流的新能源车企几乎都在2021年就开始布局800V高压平台，未来几年则是具体落地的时间，碳化硅器件的应用需求也会在后面逐步提上来。这也是为何过去两年谈到的更多的是概念，而看不到真正业绩兑现的原因。业绩的滞后，并非传播“碳化硅纯粹炒作”的借口。 另外，碳化硅在光伏逆变器中也表现较为优异，能够将逆变器的系统转换效率稳定保持在96%-99%，同时还可以优化系统的能量损耗及设备的使用寿命。 当前，碳化硅功率器件已被批量使用在光伏逆变系统中。因此，光伏领域的市场空间更多是来自于整个光伏行业的市场空间，增速也基本与光伏行业发展的增速驱动。并不像汽车领域那种，随着新能源汽车渗透率不断提高，而发生的内部结构性变化。 另外，碳化硅的应用方向还包括轨道交通、5G等领域的相关应用，但大多增速一般，与新能源汽车领域的应用增速相比，略显乏力，不再一一赘述。 双双改名，国际碳化硅厂商们的算盘再来看到国际碳化硅厂商们的具体措施，前有Wolfspeed改名，并 *** 碳化硅衬底，后有安森美all in 碳化硅产业，去半导体化，改logo。 Wolfspeed作为碳化硅衬底的行业龙头，占全球市场份额60%以上，普遍受到关注。而2015年之前，这家公司名字叫CREE，主营业务以LED照明相关为主，后来 *** 碳化硅衬底的同时，把名字也改了，给人耳目一新的感觉。 当前，Wolfspeed预计2023年将规划全球最大的碳化硅材料工厂（Siler City），同时建立功率三代半Fab，对应2023财年的资本开支投资额达10亿美元（2021年该规划投资额为2.3亿美金），大幅提升了2023财年的资本开支。 安森美则是全球汽车半导体龙头。2021年，安森美收购碳化硅厂商GTAT，将碳化硅作为长期的核心点。同时，在名称上由原来的“安森美半导体”改为“安森美”，看似去半导体化了。但实际是为了进一步贴合汽车方向的业务，切入点从整个半导体方向进一步转往碳化硅。模式上，由IDM转向Fab-liter模式，实际上是卖掉一些其他业务的产线，而进一步增设碳化硅的相关产线。 2022年9月，安森美在捷克扩建的 SiC 工厂落成，未来两年内产能将逐步提高 16倍，为CEO El-Khoury保证碳化硅端到端的供应能力提供了支撑，也印证了安森美在all in 碳化硅的道路上越走越远的战略。 Yole统计，安森美2021年碳化硅器件端的份额占比达7%。虽然安森美是传统的半导体巨头，但其实转型碳化硅，甚至all in 碳化硅也是近两年才实施的策略。转型后，公司公告显示，仅碳化硅的合同金额，自2022Q2起算，未来三年便可给该公司带来40亿美元的营收。 Wolfspeed和安森美，一家是碳化硅衬底的龙头企业，另一家则是转向碳化硅器件的黑马，都在转型的同时改了名，这或许是巧合，但在碳化硅业务方向上增加的资本开支以及扩产，则是实实在在的企业策略，而非嘴上说说。 另外，还有一些国际厂商也在碳化硅方向加注。Coherent（原II-VI）计划在五年内将SiC 衬底（含8英寸）生产能力提高 5 至 10 倍；ROHM宣称将投资超过38亿人民币，扩大5倍的碳化硅产能；SK集团也计划在SiC半导体晶圆业务上投资约38.22亿元人民币；Bosch、Shawa Denko、 Silicon Works、Yes Power Technix 等也相继宣布了SiC的相关投入、扩产计划。
图、2021年全球化合物半导体厂商碳化硅扩产项目
姗姗来迟的国产碳化硅
图、国内外厂商研发不同尺寸衬底时间线
面对国际厂商对碳化硅市场的虎视眈眈，甚至势在必得，国产碳化硅则起步较晚，好在迭代速度在线，产品迭代相比国际厂商更快，主要体现在4英寸产品、6英寸产品上。8英寸产品方面，Wolfspeed用时5年，时间周期均短于前两代产品，呈现加速趋势。对天岳先进而言，虽然8英寸研发也同样用时5年，但时间周期均长于前两代产品，呈减缓趋势。似乎随着研发难度的提升，迭代速度有所降低。天科合达更是自2014年6英寸产品研发成功后，直至2020年才开始8英寸的研发。国产头部企业尚且如此，对于整个国产碳化硅衬底行业来说，任重而道远。 另外，产品覆盖面广的三安光电，也在积极布局碳化硅。2022中报显示，其子公司湖南三安碳化硅产能为6000片/月。碳化硅MOSFET产品已送样数十家客户验证，代工业务已与龙头新能源汽车配套企业合作。 国产IDM大厂士兰微则在2022年10月公告，计划定增募集15亿元进行碳化硅功率器件的产线建设，旨在建成2000片/月的6英寸产线；IGBT“小王子”斯达半导，也表示22年3季度，其乘用车主驱用SiC MOSFET模块一开始批量装车应用。 总的来说，能听到国产碳化硅相关厂商的一些声音，但激起的水花并不大。国产碳化硅行业姗姗来迟有很多因素，但至少目前还有不少企业仍在努力追赶。对于碳化硅这块高速增长的市场，国外大厂们早已摩拳擦掌。国内的行业更需要的是理性的声音，业内人士的建设性意见，而不是博取眼球的全盘否认。 国产新能源汽车崛起甚至领先全球，已是不争的事实。碳化硅作为其中一环，国产化进程如果真的渐渐落寞，或许就将成为下一个被卡的“脖子”。
