这两年，第三代半导体材料碳化硅（SiC）在业内如雷贯耳。
(资料图片仅供参考)
行业玩家大肆扩产，资本市场也是闻风而动，与碳化硅擦点边的标的都是扶摇直上。
有媒体将2021年誉为“碳化硅爆发元年”，又将2022年誉为“碳化硅功率芯片应用的新元年”，今年还没等来新口号，等到的却是特斯拉在投资者日上宣称“下一代汽车平台将减少75%碳化硅使用量”的规划。
此消息一出，瞬间引发了产业界和资本市场的恐慌，特拉斯自身股价也下跌了5%以上，搅起SiC市场一池春水。
01、特斯拉“突变”，醉翁之意不在酒？
特斯拉之所以有如此强的能量，是因为特斯拉2018年在Model 3中开创了使用碳化硅的先河，被视为碳化硅上车的风向标。
在过去五年中，碳化硅市场的增长在很大程度上依赖于特斯拉，也是当今最大的采购商。而作为碳化硅上车的先驱者和电动汽车领域的带动者，在吸引各大车企如火如荼地导入碳化硅时，特斯拉又突然调转枪口，颇有种“背刺”的感觉。
那么，我们该如何解读75%的含义？
特斯拉这一举动会对行业产生什么影响？
碳化硅不香了吗？
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一连串问题接踵而来。行业对此进行了多种分析和解读，笔者也跟业内人士进行了求证和探讨，基本可以归纳为以下几种理解：
1）特斯拉宣称的75%指的是成本下降或面积下降。
从成本角度看，碳化硅最大的成本在材料端，2016年6英寸碳化硅衬底价格在2万元一片，现在大概6000元左右，下降幅度挺大。从材料和工艺来讲，碳化硅良率提升、厚度变薄、面积变小，能缩减成本。
从面积下降来看，特斯拉的碳化硅供应商ST（意法半导体）最新一代产品面积正好比上一代减少75%。但是器件体积减小，会提高对散热方面的要求，所以特斯拉可能会改进其封装能力，使用双面水冷技术来获得更好的散热能力和热泵效率。
2）整车平台升级至800V高压，改用1200V规格碳化硅器件。
目前，特斯拉Model 3采用的是400V架构和650V碳化硅MOS，如果升级至800V电压架构，需要配套升级至1200V碳化硅MOS，器件用量可以下降一半，即从48颗减少到24颗。
3）除了技术升级带来的用量减少外，还有观点认为，特斯拉将采用硅基IGBT+碳化硅MOS的方案，变相减少碳化硅的使用量。
综合来看，特斯拉公开声明消息传出后，一度带崩相关板块，但无论是用量减少还是面积减少，最终体现在特斯拉身上的就是成本下降。或许特斯拉更重要的是想对产业链放风，考虑到现在产能比较紧张，让大家能够把价格和成本降下来。
正如云岫资本合伙人兼CTO赵占祥所言，“这可以看成传达的潜台词是向碳化硅产业表示，目前价格太贵，且有效产能太小。”
因此，对于碳化硅产业不必过分担忧。事实上，碳化硅巨头正忙着扩产并购，无论是Wolfspeed、意法半导体、英飞凌、安森美，还是国内产业链公司都在积极推进建厂、验证等工作。
数据来源：清枫资本
同时，SiC也是2022年各大企业的营收增长利器，各大企业纷纷表示会继续提高对SiC的投资。
意法半导体表示，SiC产能扩产预计将占2023全年资本主要支出；Wolfspeed预计在2024年前将SiC产能扩充30倍，计划2027财年实现SiC市场40亿美元营收；英飞凌预计到2027年将产能增加10倍。
安森美半导体表示2023年的SiC产能已经销售一空，收入预计将从2022年的3亿美元增加到10亿美元大关。未来三年，安森美将为SiC提供40亿美元的承诺收入，为了达成目标，安森美已经将生产SiC的晶圆厂产能翻了一番，并计划在2023年再次翻番，然后在2024年再次翻番。
三菱电机宣布将之前宣布的截至2026年3月的投资计划翻一番，达到约2600亿日元，主要用于建设新的晶圆厂，以增加SiC功率半导体的生产；罗姆也表示，预计2025年能将SiC产能相比2021年提升6倍。
此外，以三安光电、比亚迪半导体、斯达半导体、中车时代、泰科天润、华润微、士兰微、基本半导体、派恩杰等在内的本土厂商，也正在迈向SiC功率半导体“芯”征程。
可见，整个产业未有停下脚步的迹象，SiC市场前景仍然非常乐观。
TrendForce集邦咨询在调研报告中预测，随着上述企业扩产与应用市场的明朗化，预计将推动2023年整体碳化硅功率元件市场产值达22.8亿美元，年成长41.4%。至2026年碳化硅功率元件市场产值可望达53.3亿美元。市场前景广阔。
能看到，行业大厂都在大举投入碳化硅产能建置。尽管特斯拉的声明引起行业轰动，但产业链厂商的动态足以说明，SiC 市场前景仍然非常乐观。
那么，推动SiC市场快速增长的原因有哪些？我们来看一下。
02、为何看好碳化硅市场？
汽车架构变革，需求激增
作为第三代半导体材料，碳化硅相较于硅材料，具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点，适合制造高温、高压、高频、大功率的器件。
在应用场景方面，电动汽车是碳化硅最大的下游应用市场，涉及到功率器件的应用包括电驱、OBC、DC/DC和非车载充电桩等。其中，碳化硅器件主要应用于电驱中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。微型轻量化的SiC器件还可以减少因车辆本身重量而导致的能耗。
这些优势已在特斯拉Model 3的设计中得到了很好的体现，给每辆车带来了500-1000美元的成本节约。
SiC凭借优良特性正在成为各大车厂追捧的香饽饽，目前全球有超过20家车企在车载充电系统中使用碳化硅。
TrendForce指出，目前电动车用芯片约1000颗，其中30 颗为第三代半导体元件（绝大多数为SiC）。未来车用功率元件将持续成长，预估第三代半导体器件的需求也会大幅增长，至少将达到100颗的规模。
800V架构趋势下SiC加速取代硅基IGBT
另一方面，快充是汽车另一个大规模增长领域。
随着过去几年电动汽车的发展趋势，更长的续航里程是客户的主要需求之一。然而，这反过来又产生了对快速直流充电的需求，以减少在充电站的等待时间。800V EV是满足需求的解决方案，并已经从2021年开始渗透市场。
如果说800V会是未来新能源汽车市场的主流，那么碳化硅犹如催化剂，可以将800V高压平台的优势释放得更加充分。这也就是SiC器件发挥重要作用的地方。
尤其是在800V架构之下，硅基IGBT已经达到性能的极限，能耗大幅上升，很难满足主驱逆变器的技术需求，碳化硅取代硅基IGBT成为不可逆的趋势。
图源：行家说三代半
在800V架构下，采用碳化硅器件优势明显：
首先，碳化硅器件可以大幅减少电池的成本或提升电池续航能力。业界普遍认为，单纯将IGBT替换为碳化硅，主驱逆变器的效率能提升5%-10%，前不久理想汽车在电话会议中提到，800V+SiC可以将效率提升15%。以2021年电池成本132美元/kWh来算，假设采用碳化硅将效率提升10%，那么一辆100kWh的电动汽车，在同样的续航里程情况下，电池成本可以节省1320美元。
其次，尽管碳化硅器件的成本比硅基IGBT高，但是由于节省无源元器件、冷却系统等成本，整体主驱逆变器的系统综合成本却比硅基方案系统成本更低。
图源：行家说三代半
另外，碳化硅还有助缩小驱动电机的尺寸和重量。由于碳化硅的频率比硅基IGBT更高，因此汽车厂商转而采用高速电机可将电机重量减少三分之一左右。
同时，IGBT近期出现较大程度缺货，不仅价格连涨，业界更以“不是价格多高的问题，而是根本买不到”来形容缺货盛况。DIGITIMES数据更是表示，IGBT缺货问题至少在2024年中前难以解决，这也给碳化硅器件替代IGBT提供了更多机会和时间窗口。
综合来看，SiC功率器件凭借上述特点和优势，正在成为电动汽车性能致胜的一大依赖技术， SiC芯片供应商正成为车企争相绑定的“宠儿”。
碳化硅成本高的“表”与“里”
此外，成本高一直是碳化硅被吐槽的弊病。
因为碳化硅在生产环节存在单晶生产周期长、环境要求高、良率低等问题，碳化硅衬底的生产中的长晶环节需要在高温、真空环境中进行，对温场稳定性要求高，并且其生长速度比硅材料有数量级的差异。因此，碳化硅衬底生产工艺难度大，良率不高。
这直接导致了碳化硅衬底价格高、产能低的问题。
从成本角度来看，有数据统计，2016年6英寸碳化硅衬底的价格在2万元左右，现在最便宜的单价是6000元左右，行业巨头Wolfspeed的单价仍高达1.3万元。虽然其价格呈逐年下降趋势，但对比硅材料还是有着很大差距，对应到成品器件上也是如此。
中科院电工所这张SiC MOSFET和IGBT价格对比图也鲜明地说明了这一点。
资料来源：中国科学院电工研究所
然而，在车企眼中，“碳化硅贵”只是一个局部问题，在系统层面它反而可以节省成本。
上文有提到，尽管单独看车规级碳化硅芯片的成本有所增加，但使用碳化硅器件节省的电池、被动元器件、冷却系统等系统成本，会超过增加的成本，同时使用效率和用户体验也有明显的提升。这也是未来车规级碳化硅芯片会在需求端持续高速增长的关键原因之一。
与此同时，业界也正在从诸多途径来尝试进一步降低成本，包括新型晶体生长法、高效率晶圆加工技术，以及晶圆尺寸迈向8英寸。
与硅基晶圆发展路径相同，未来碳化硅衬底也将持续提升晶片尺寸，降低单位面积芯片成本，推进碳化硅器件的成本下降。
据Wolfspeed数据，在相同尺寸的芯片下，8英寸衬底片可切出的芯片数量相比6英寸衬底片提高约90%，同时降低约7%的边缘浪费，带来生产力和效率的大幅提升。伴随着尺寸扩张带来的规模效应以及自动化产线带来的相关成本的降低，Wolfspeed预计至2024年，8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于2022年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%，这将持续推进碳化硅产品的降价，加速对硅基器件的替代。
碳化硅衬底尺寸越大、良率越高，其单位成本就越低。当前国内SiC衬底的主流尺寸为4或6英寸，而Wolfspeed、ST等国际大厂早已开始或已经实现8英寸衬底的量产。扩径有着极高的技术壁垒，不同尺寸的SiC衬底之间有大约5年的差距
在Yole的功率SiC预测中，6英寸仍将是未来五年的领先平台。但在降低成本及更大晶圆直径的拉动下，8英寸SiC晶圆被认为是扩大生产规模的关键步骤，目标显然是提高产量并在下一轮竞争中获得优势。
同时在这个过程中，碳化硅材料和整体器件成本有望显著下降，提升下游客户的替代意愿，进而拉升碳化硅功率器件的市场渗透率。
综合以上几点因素来看，碳化硅市场即将迎来加速扩张阶段。但有一点需要明确的是，SiC尽管有诸多性能优势，但其并不能全面替代硅基器件，因为很多优势在消费类电子产品中并不明显，并且很多领域并不需要特别高的器件性能就能实现功能满足。相反地，SiC晶圆制备困难、产量低、成本高，且刻蚀困难等原因也是其发展的阻碍要素。
因此，SiC在可预见的未来并不会全面替代硅材料，两者将长期并存、交叉互补。
03、国产碳化硅奋起，弯道超车好机遇？
TrendForce表示，目前车用SiC功率元件市场，主要由欧美IDM大厂掌控，关键供应商意法半导体、安森美半导体、Wolfspeed、英飞凌及罗姆等在此领域深耕已久，与各大车企及Tier1厂商互动密切。
但是在蓬勃发展的电动汽车需求和半导体自给自足的长期目标的推动下，中国也在致力于发展SiC产业。早在2021年3月发布的最新五年计划（2021-2025）中，北京就将SiC确定为“第三代半导体”中最有前途的技术之一，认为碳化硅对中国的“新基建”至关重要。
SiC在中国的发展势头源于强劲的电动车需求。自从比亚迪在2020年推出汉EV——中国第一辆基于SiC主逆变器的电动车以来，从蔚来、小鹏这些造车新势力到上汽、北汽、吉利等众多中国电动车OEM正在推出基于SiC器件的车型，这也给本土供应商提供了新的发展机会。
从产业模式看，与国外产业链主要以纵向多环节整合为主不同，国内产业链相对较为分散，除三安光电以及中电科下属研究所采用产业链全覆盖模式之外，更多厂商选择专注于产业链中某个特定环节。
碳化硅本土产业链概览
目前我国碳化硅产业整体处于早期阶段，但本土企业已开始加大布局力度，在技术升级与下游客户导入上均实现突破，国产替代正有序推进。虽然缺乏领先的IDM企业，但国产厂商在SiC衬底、外延片、器件和封装方面都有很好的定位，可以通过利用整体制造能力来弥补不足。
相较国外的碳化硅公司，国内的相关企业更具备弯道超车的优势，这点从材料、芯片和模块等产品角度也能看到，双方差异远没有传统硅产业那么大，只是在产能和晶圆规模上还有不少需要追赶的空间，首要目标还是解决产能被预订一空的问题。在打通上下游产业链的前提下，中国的汽车、工业与储能作为当前市场经济下仍然维持稳健的态势，这对碳化硅产业的普及提供更多机遇。
从行业竞争角度来看，美欧日为主导，海外厂商例如Wolfspeed已突破8英寸节点，国内企业还处于4、6英寸衬底导入阶段。但是国内企业目前正在加速追赶，不断突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈，开发新工艺和新技术，降低材料的缺陷密度、提高产品良率和降低成本，专利和市占率持续提升，国内碳化硅产业化带有“学研”基因极为突出。
同时，资本市场已经开始采取长线策略，近期不少碳化硅相关的公司在投融资上的动作都不小。据财联社创投通数据显示，2022年至今，碳化硅领域一级市场累计完成73起投资。其中，国资LP方面，来自深圳、苏州、上海和杭州的国资机构尤为活跃，并倾向于投资支持本地的碳化硅相关企业的融资发展。
对于一个正处于产业化起步加速阶段的行业来说，势必需要更多更持续的资本投入，才能继续搅动整个市场。从2023年的碳化硅投融资现状来看，无论是头部企业还是初创公司，仍在享受着资本注入带来的快速发展红利。
04、结语
尽管特斯拉减量碳化硅一事闹得沸沸扬扬，但碳化硅产业链厂商在扩产以及与车企合作方面依旧频繁。
可见，碳化硅在电动汽车市场的应用不会受到影响。碳化硅领域企业纷纷将电动汽车列为企业的战略方向，这也从侧面说明，碳化硅器件相较于硅基器件，依然为电动汽车电驱动方案的最优解。碳化硅器件能够提升电动汽车的续航里程、缩短充电时间，在高温高频环境下保持更好的稳定性，进而提升电动汽车的整车性能。
若未来碳化硅的成本能够进一步降低、产品良率和产能供给提升，碳化硅相较硅基器件的各项性能优势会促使碳化硅器件成为车规领域的主流产品。
从另一个角度来看，如果特斯拉真的要减少碳化硅器件用量，这反而会使得碳化硅器件供应商能够服务更多的汽车企业，其他车企的主流车型将较少受限于碳化硅器件的产能供应，导入碳化硅的节奏也会加快。
这将进一步推动碳化硅技术的进步和普及，为碳化硅行业的发展提供新的前进方向和路径，有利于碳化硅在汽车更广泛领域的普及化应用。
总而言之，特斯拉“风波”，并没有给碳化硅产业带来不利影响，甚至在行业的聚焦下更增添了几分热度。
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