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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，筆者認為更多還是從節(jié)省成本的角度考慮。碳化硅市場大有前景，但國產(chǎn)廠商還需要更多的努力來改變現(xiàn)狀。
新能源汽車市場的快速發(fā)展為碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的機遇。SiC的優(yōu)異性能在電動汽車、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。電動汽車采用SiC方案帶來了多項優(yōu)勢，包括降低能耗、縮小模塊尺寸、降低物料成本和縮短充電時間。因此，SiC在逆變器、OBC、車載DC-DC等領(lǐng)域的需求將大幅增長。
頭部新能源汽車特斯拉的決定對碳化硅產(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"的標簽，并定價超過30萬元。然而，特斯拉的減少使用碳化硅的舉動引發(fā)了行業(yè)的震動。碳化硅概念股紛紛下跌，全球碳化硅龍頭wolfspeed股價一度腰斬。
在日前特斯拉宣布減少對碳化硅75%的使用后，引起了碳化硅行業(yè)地震。特斯拉動力系統(tǒng)工程副總裁指出，特斯拉實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，小鵬投資了瞻芯電子等。
然而，在汽車市場不斷降價的背景下，國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)利潤本就薄弱，對碳化硅的信心能夠持續(xù)多久仍然存在疑問。在這個背景下，與非研究院對于車規(guī)級碳化硅產(chǎn)業(yè)重新進行了盤點和梳理。
新能源汽車800V高壓平臺推動碳化硅快速普及
全球SiC產(chǎn)業(yè)鏈布局以美國、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95%份額。預(yù)計2027年碳化硅功率器件市場超100億美元。
SiC功率器件市場格局（2020年），來源：中國寬禁帶功率半導(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，預(yù)計將爆發(fā)式增長。汽車市場正在積極搶占碳化硅產(chǎn)能。預(yù)計到2026年，車用碳化硅功率元件市場將達到39.8億美元。中國車用碳化硅市場正在發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)包括充電設(shè)施普及、電網(wǎng)升級需求、碳化硅元件高價、碳化硅襯底供應(yīng)短缺等。中國的SiC汽車市場預(yù)計到2025年將超過45億元，國際市場預(yù)計將超過100億元。新能源汽車市場的增長將推動SiC市場的發(fā)展。
新能源汽車市場SiC、GaN功率市場規(guī)模（億元），來源：CASA
中國的SiC汽車市場預(yù)計將以30.6%的復(fù)合年增長率增長，2020年市場規(guī)模15.8億元，到2025年將超過45億元。在國際上，SiC汽車市場預(yù)計將以38.0％的復(fù)合年增長率增長，到2025年市場規(guī)模將超過100億元。折算成晶圓，國內(nèi)2020年新能源汽車市場6英寸SiC晶圓需求量超過4萬片，預(yù)計到2025年需求量將增長到近30萬片。同期，國際新能源汽車市場6英寸SiC晶圓需求量從2020年的5萬片增長到2025年的60萬片。新能源汽車市場的這種增長勢頭將進一步推動SiC市場的發(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、儲能領(lǐng)域占比由2020年22%縮小至12%。充電樁、電源PFC、UPS、電機驅(qū)動及軌道交通等領(lǐng)域2025年占比分別為9%、6%、3%、3%及4%。
電動汽功率器件碳化硅方案與硅方案成本預(yù)測，來源：國金證券研究所
假設(shè)未來五年碳化硅模塊價格每年下降10%，IGBT價格每年下降5%，電池成本每年下降10%，中性預(yù)計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，開始爆發(fā)式增長。在實現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢之前，碳化硅從售價相對高昂的車型開始被逐步采用，這部分需求也足夠拉動行業(yè)快速增長。
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)計車用碳化硅功率元件市場規(guī)模將從2022年的10.9億美元增長至2026年的39.8億美元，年均復(fù)合增長率達到38%。在2022年，90%的市場份額主要來自于蔚來汽車等主要廠商，主要用于高價值的逆變器。另外，分立的碳化硅MOSFET在OBC中占據(jù)了6%的份額。
車規(guī)級碳化硅國際玩家，來源：Trendforce
為了解決充電焦慮的問題，800V的系統(tǒng)實際上被各大業(yè)汽車業(yè)界所看好。目前，800V是碳化硅在汽車市場中的主要應(yīng)用場景。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)計到2022年，800V系統(tǒng)在整個市場中的滲透率將達到3%，并由現(xiàn)代汽車等車型提供支持。到2026年，預(yù)計這一比例將進一步提升至約15%，推動碳化硅市場發(fā)展。龔瑞驕認為，盡管800V平臺被認為是SiC的領(lǐng)域，并且具有高效率和快速充電的優(yōu)勢，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)示著未來可能會發(fā)展成雙向OBC的趨勢。
車規(guī)級碳化硅玩家盤點
在2018年，特斯拉Model3首次采用了24個由意法半導(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)計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC車用功率半導(dǎo)體對硅基IGBT的全面替代。
車廠和零部件廠圍繞碳化硅的布局進展，來源：搜狐汽車研究室
其中值得重點關(guān)注的廠商包括國外的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項目SiC獨家合作伙伴；與德爾福合作，開展汽車SiC器件研究；與ABB合作，推動SiC器件進入電力、機車牽引、新能源汽車領(lǐng)域；與宇通合作，推動SiC在大巴車的應(yīng)用。產(chǎn)品優(yōu)勢方面，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，比標準肖特基勢壘二極管更穩(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。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功率器件市場中，英飛凌以13.3%的市場份額位列全球市場第四位。
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；與大眾汽車集團合作，成為FSAT項目合作伙伴。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，在電源管理及射頻領(lǐng)域搶占市場先機。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，推進在電動汽車動力系統(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的場景應(yīng)用。平面MOSFET利用全新的第三代SiC技術(shù)平臺，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上車的風向標事件。持續(xù)加大投資，擴大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)增長計劃，意法半導(dǎo)體計劃于2024年將SiC晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍。
羅姆SiC產(chǎn)品在電動汽車的應(yīng)用，來源：羅姆官網(wǎng)
羅姆在SiC器件市場份額居于前三，重點研發(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器件市場市場份額占比前三的國外傳統(tǒng)功率龍頭公司。通過在日本國內(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個型號，該系列產(chǎn)品支持汽車電子產(chǎn)品可靠性標準AEC_x0002_Q101，而且產(chǎn)品陣容豐富，擁有13個機型。
目前羅姆公司針對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，目前已有多家客戶正進行評估。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。
國產(chǎn)車規(guī)級碳化硅面臨的挑戰(zhàn)？
在中國，現(xiàn)在量產(chǎn)純電動汽車主驅(qū)模塊的僅有比亞迪、芯聚能和斯達、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、晶圓制造、模塊封裝、驅(qū)動應(yīng)用等核心技術(shù)，并建立了完備的國內(nèi)國外雙循環(huán)供應(yīng)鏈體系?；景雽?dǎo)體自主研發(fā)的汽車級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，成為國內(nèi)第一批碳化硅模塊量產(chǎn)上車的頭部企業(yè)。
斯達半導(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)化項目，年產(chǎn)8萬顆車規(guī)級全SiC功率模組生產(chǎn)線和研發(fā)測試中心；2021年3月宣布使用募集資金向全資子公司斯達微電子增資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)化項目；此外積極布局蓬勃發(fā)展的新能源汽車市場，斯達半導(dǎo)體宣布其SiC模塊與小鵬汽車達成合作，進入其800V高壓平臺，成長空間廣闊；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，汽車市場競爭激烈，各大廠商積極爭奪產(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車主逆變器方面與第三方的合作情況。同時，汽車業(yè)者也在尋求多元化供應(yīng)商體系以防范供應(yīng)鏈風險。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)者對碳化硅的未來非?？春谩?/p>
國產(chǎn)車規(guī)級碳化硅市場總結(jié)，來源：Trendforce
中國汽車市場對碳化硅的需求也在快速增長，許多國內(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、芯塔等廠商專注于碳化硅市場，已經(jīng)實現(xiàn)在汽車OBC中的應(yīng)用，或處于驗證階段。
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，暫時只有60度電以上的車廠會考慮使用。隨著襯底和外延成本降低，這個閾值應(yīng)該會下降。2021年至2027年間，碳化硅功率器件的市場規(guī)模和年復(fù)合增長率達到了30%。目前，碳化硅市場仍被國外巨頭所壟斷，如ST等，不過在中國已有三家公司量產(chǎn)電動車所使用的都是進口的碳化硅芯片。這些國際公司都有大規(guī)模的布局，比如英飛凌，它計劃到2027年碳化硅的產(chǎn)能增加10倍，銷售額達到30億美元?？偨Y(jié)來說，碳化硅市場大有前景，但國產(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)計和工藝的進階。同時周曉陽也特別解讀了特斯拉在其投資人會議上宣布的關(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向。
周曉陽將向大家詳細介紹芯聚能的業(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向。周曉陽認為，盡管碳化硅目前市場供不應(yīng)求且價格偏高，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，由于當時的碳化硅成本較高，其提出的價格遭到多家企業(yè)拒絕。ST公司最后接受了這一合作，促進了其在功率器件及碳化硅市場的占有率提升。
現(xiàn)在的實際情況是，全球車廠對碳化硅功率器件的需求遠超供應(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。對于特斯拉聲稱要減少75%的碳化硅用量，主講者認為這可能是指芯片面積，并提出了通過提高電機效率、功率密度和封裝技術(shù)，以及增加母線電壓和改進電驅(qū)系統(tǒng)等手段來實現(xiàn)這一目標。周曉陽認為，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一步降低，競爭力將提高，市場應(yīng)用范圍也會進一步拓展。這對碳化硅行業(yè)來說是利好消息，將有助于推動行業(yè)的發(fā)展。
下載ECAD模型
