碳化硅廠商瘋狂擴(kuò)產(chǎn)，電動(dòng)車即將進(jìn)入快充時(shí)代？

2023-08-07 17:58:22來源：騰訊網(wǎng)

碳化硅廠商瘋狂擴(kuò)產(chǎn)，電動(dòng)車即將進(jìn)入快充時(shí)代？

(資料圖片)

“快充法寶”碳化硅

在動(dòng)力電池已經(jīng)卷至瓶頸時(shí)，要解決電車?yán)锍探箲]，快充和換電是當(dāng)前最常見的兩種解決之道，而快充的實(shí)現(xiàn)與碳化硅（SiC）這一寬禁帶半導(dǎo)體材料商業(yè)化加速息息相關(guān)。

我們對半導(dǎo)體應(yīng)該不陌生，但什么是寬禁帶半導(dǎo)體材料？半導(dǎo)體之所以稱為半導(dǎo)體，當(dāng)然是因?yàn)樗旧聿粚?dǎo)電，只是在一定的狀況下才可以導(dǎo)電。而半導(dǎo)體之所以能在絕緣體和導(dǎo)體之間切換，是因?yàn)楸辉雍耸`的電子接受一定能量之后，可以從價(jià)電帶遷移到導(dǎo)電帶成為自由電子，從而導(dǎo)電。禁帶寬度（即帶隙）指的就是能使價(jià)電子脫離束縛的最小能量，因此禁帶寬度越窄，半導(dǎo)體越容易在溫度升高、受到輻射等情況下，成為導(dǎo)體；相反，禁帶寬度越寬，半導(dǎo)體則需要更多的能量輸入才能導(dǎo)電。

簡單來說，禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要參量，華南理工大學(xué)電力學(xué)院教授王學(xué)梅解釋，和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓、輻射條件下與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行，因此業(yè)內(nèi)現(xiàn)在的共識是，寬禁帶半導(dǎo)體材料如碳化硅有“無可比擬的電氣性能”，在大功率、高頻電子元器件等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的空間，比如在移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通等行業(yè)。

不過受限于技術(shù)、成本等因素，碳化硅在過去40余年中大多數(shù)時(shí)間坐于“冷板凳”，僅應(yīng)用于部分工業(yè)、光伏等場景，市場規(guī)模并不大。直到碳化硅開始“上車”。

新能源汽車之所以能成為碳化硅目前應(yīng)用的主要領(lǐng)域，也要拜特斯拉所“賜”。2018年，特斯拉首次在其高續(xù)航版Model 3的主驅(qū)逆變器中采用了碳化硅芯片，不僅驗(yàn)證了碳化硅的確能用在汽車上，還順便打破了快充的天花板，其他車廠不得不迅速跟隨，產(chǎn)業(yè)需求隨之拉動(dòng)。

業(yè)內(nèi)人士告訴記者，高續(xù)航版Model 3最初是400伏電壓平臺，2018年采用碳化硅芯片之后，最高可以30分鐘內(nèi)充電80%，較其上代車型提高了一倍。傳統(tǒng)硅器件在高壓下容易被擊穿、短路，功率損耗也大，而碳化硅制成的功率器件能承受650-3300伏的電壓沖擊。從測試數(shù)據(jù)來看，800伏高壓平臺的車型，采用碳化硅器件后總體效率可提高5%到10%，即同等電池容量，采用碳化硅器件的汽車?yán)m(xù)航可增加5%到10%。

此外，同等性能的碳化硅器件尺寸約為傳統(tǒng)硅基器件的十分之一，因而還能降低電驅(qū)系統(tǒng)的體積和重量，意味著新能源汽車電池體積更小、重量更輕。

截至目前，保時(shí)捷、比亞迪、蔚來、小鵬、吉利、現(xiàn)代等中高端車型都已在電驅(qū)中采用了碳化硅器件。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2022年全球碳化硅功率元件市場規(guī)模達(dá)16.1億美元，預(yù)計(jì)2026年將增長到53.3億美元；但是觀察來看，現(xiàn)今碳化硅的大規(guī)模上車阻礙頗多，首當(dāng)其沖的便是產(chǎn)能。

產(chǎn)能有限，國際大廠押注中國市場

從市場自主的反應(yīng)我們往往能窺得最真實(shí)的發(fā)展脈絡(luò)。最近一則合資建廠的消息在國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中引起大量討論：意法半導(dǎo)體(STM)將和三安光電股份有限公司（下簡稱三安光電）在重慶建立一座8英寸碳化硅器件合資工廠，總投資32億美元，其中包括未來5年的資本開支24億美元。預(yù)計(jì)該合資項(xiàng)目將于2025年第四季度投產(chǎn)，于2028年全面建成。

在全球供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)高企的背景下，兩家公司合作顯然是在市場驅(qū)動(dòng)下做出的謹(jǐn)慎決策——一個(gè)有接近中國市場的需求，另一個(gè)有足夠的產(chǎn)能和對國內(nèi)新能源主機(jī)廠的熟悉度，意法半導(dǎo)體選擇與三安光電合作而非自建也是必然。畢竟在供需不平衡的市場中，誰先搶得先機(jī)誰就掌握主動(dòng)權(quán)。

意法半導(dǎo)體是全球重要的電子元器件廠商，在MCU、模擬芯片和傳感器等領(lǐng)域有著完整的產(chǎn)品組合，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于計(jì)算、消費(fèi)電子、IoT和智能汽車等領(lǐng)域。

而在碳化硅器件領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體更是歐洲有名的大廠，在全球碳化硅器件市場中，瓜分走超40%的市場份額，位居第一；不過在中國，意法僅有一家位于深圳的封測廠，主要專注后端產(chǎn)能，最重要的襯底（芯片最底層的載體）制作研發(fā)均在歐洲。

三安光電則是國內(nèi)為數(shù)不多的，具備長晶、襯底制作、外延生長（一種制備高質(zhì)量碳化硅薄膜的技術(shù)）、芯片制備、封裝的全流程生產(chǎn)能力的一體化廠商，其湖南三安工廠去年一期6英寸晶圓產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到20萬片。最重要的是，三安光電的產(chǎn)品已經(jīng)得到國內(nèi)新能源主機(jī)廠認(rèn)可，公司去年的年報(bào)顯示，湖南三安與理想汽車2022年合資成立的蘇州斯科半導(dǎo)體規(guī)劃年產(chǎn)240萬只碳化硅功率模塊，現(xiàn)正處于設(shè)備安裝調(diào)試階段。

三安光電產(chǎn)業(yè)布局圖源：企查查

有半導(dǎo)體業(yè)界人士私下形容“三安光電之于意法半導(dǎo)體，猶如富士康之于蘋果”，和意法合作將有助于三安光電確立碳化硅晶圓代工市場的優(yōu)勢地位；而意法亦將更接近中國市場，獲得可靠的產(chǎn)能保障。

今年3月，特斯拉曾在股東大會(huì)上抱怨過碳化硅的價(jià)格昂貴和產(chǎn)能不足，并放話要在不影響汽車性能或效率的前提下，“減少該部件75%的用量”。這一說法最初被市場理解為對碳化硅的逐步放棄，事實(shí)上，特斯拉并非真的要大幅減少碳化硅器件數(shù)量，而是指要通過技術(shù)迭代，將芯片面積和總成本降低，以應(yīng)對碳化硅產(chǎn)能有限的困境。

浙商證券分析師施毅在研報(bào)中算過一筆賬，一個(gè)新勢力電車品牌月銷3萬臺汽車，如果主驅(qū)動(dòng)、車載充電器、空調(diào)壓縮機(jī)等都使用碳化硅器件，可能每月就需要近6000片6英寸碳化硅晶圓，需求量極大。

到2027年，全球應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域的碳化硅襯底數(shù)量將達(dá)到140萬片圖源：Yole數(shù)據(jù)

因此，擴(kuò)產(chǎn)成了今年產(chǎn)業(yè)鏈共識。積極鎖定上游碳化硅襯底產(chǎn)能的不止意法半導(dǎo)體。七月初汽車半導(dǎo)體頭部供應(yīng)商之一瑞薩電子，宣布與國際碳化硅大廠Wolfspeed簽訂了一份為期10年的碳化硅晶圓的供應(yīng)協(xié)議，以高達(dá)20億美元的定金鎖定了其仍在擴(kuò)建的位于美國北卡羅來納州工廠的產(chǎn)能；市場占比排第二的英飛凌也在今年5月與中國碳化硅供應(yīng)商北京天科合達(dá)簽訂了長期供貨協(xié)議，根據(jù)協(xié)議天科合達(dá)將為英飛凌供應(yīng)用于生產(chǎn)碳化硅半導(dǎo)體的6英寸碳化硅襯底和晶錠。

未解之題

從國際大廠的布局可以看出，中國“超大芯片市場”的地位短期內(nèi)不會(huì)改變，大幅擴(kuò)產(chǎn)的成果也將在未來3至5年間得到驗(yàn)證；但是，碳化硅生產(chǎn)技術(shù)本身的挑戰(zhàn)依然存在，且短期內(nèi)除了做大晶圓尺寸外并無法可解。

碳化硅之所以無法像硅晶體一樣快速擴(kuò)產(chǎn)，最重要的技術(shù)原因在于其結(jié)晶技術(shù)對良率的限制。王雪梅教授講解中提到過，碳化硅粉未須在高溫生長爐里汽化，之后通過不同梯度的降溫使之結(jié)晶，溫度降得快、生長速度快，良率就會(huì)出現(xiàn)問題。目前，全球碳化硅大廠的良率也僅為50%-60%，盡管業(yè)界都在研究如何加快晶體的生長速度，但目前沒有看到較好的改進(jìn)辦法。

在不良率高企的情況下，為了降低成本，更多廠商選擇不斷突破晶圓尺寸。一般來說，碳化硅襯底尺寸越大，能夠切割的芯片越多，成本也就越低，這也是廠商紛紛沖擊8英寸晶圓的原因。

但是8英寸襯底的制造對制備工藝要求更高，溫度、壓力稍有控制失誤就可能導(dǎo)致碳化硅材料各類參數(shù)出現(xiàn)誤差。如今國內(nèi)碳化硅廠商基本還是以6英寸碳化硅晶圓為主，國際大廠雖然都在積極推進(jìn)8英寸晶圓產(chǎn)線建設(shè)，但現(xiàn)階段僅Wolfspeed一家步入量產(chǎn)，且實(shí)際進(jìn)展緩慢。

Wolfspeed曾預(yù)計(jì)，伴隨著尺寸擴(kuò)張帶來的規(guī)模效應(yīng)以及自動(dòng)化產(chǎn)線帶來的相關(guān)成本的降低，至2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于去年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，這將持續(xù)推進(jìn)碳化硅產(chǎn)品的降價(jià)，從而打開應(yīng)用市場。

碳化硅單晶襯底正向8英寸進(jìn)化圖源：天岳先進(jìn)

國產(chǎn)替代也是另一個(gè)市場關(guān)注的重點(diǎn)。從規(guī)模、工藝、企業(yè)市值和盈利能力等角度看，中國半導(dǎo)體的確存在明顯不足，但國內(nèi)較為完備的碳化硅產(chǎn)業(yè)生態(tài)，決定了我們在碳化硅領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平的差距并不算大。

施毅指出，在汽車領(lǐng)域，中國的碳化硅廠商主要在車載充電器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等場景出現(xiàn)，而技術(shù)門檻更高、市場規(guī)模更大的主驅(qū)場景，幾乎是意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆、安森美四家國際公司的主場，但是市場所在往往會(huì)決定技術(shù)進(jìn)步的落點(diǎn)，“中國仍是全球最大的新能源汽車市場，這給了國內(nèi)廠商技術(shù)升級迭代的好機(jī)會(huì)，未來在產(chǎn)業(yè)政策的支持下，國內(nèi)廠商有望實(shí)現(xiàn)一定突破”。

編輯｜張毅

審核｜吳新

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