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碳化硅:为电动车降本之前,先为自己降本
2023-12-11 来源:解码Decode
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关键词:英飞凌意法半导体碳化硅


碳化硅(SiC)上一次被送上热搜,还是今年3月特斯拉宣布单车减用75%的碳化硅。


这个由特斯拉一手带起来的产业,也因马斯克一句话差点塌房,全球碳化硅龙头Wolfspeed今年股价已跌去三分之二。


Wolfspeed与碳化硅概念股的暴跌,主因肯定是特斯拉的背刺,但市场的悲观情绪发酵也少不了错误解读的推波助澜,事实是特斯拉只是减少使用,不是不用。


就在特斯拉官宣后一个礼拜,宝马就官宣了与安森美签署长期供货协议,后者的750V Elite SiC模块将“上车”宝马的400V电动动力传动系统。


在那之后,奔驰、大众等一众车企纷纷与Wolfspeed、英飞凌合作,以确保碳化硅产品的稳定供应。东吴证券测算,今年1-8月特斯拉以外的其他车企已贡献25%的碳化硅车型销量。


据法国市场调研机构Yole统计, 全球碳化硅功率器件市场规模预计从2021 年的10.9亿美元,增长至2027年的62.97亿美元,年均复合增长率达34%。其中,汽车应用主导SiC市场,占整个功率SiC器件市场75%以上。


但是,市场肉眼可见的增速却带不动产业半死不活的股价,碳化硅就成了一个谜一般的存在:一边是特斯拉减量市场哀嚎遍野,一边又有大量车企卖力着墨宣传。


1、为什么是碳化硅?


碳化硅作为第三代半导体材料,适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,一度被视为新能源汽车领域的理想材料。


而在汽车市场,则是特斯拉打响了上车的第一枪。


2018年,特斯拉在第四款车型Model 3中, 将主逆变器由传统的硅基IGBT替换为意法半导体(ST)公司生产的SiC MOSFET功率模块。



在三电系统取代发动机与变速箱成为一辆汽车的心脏之后,电控环节的逆变器也就跟着成为一个重要零部件。它的价值在于,将直流电转换为交流电的过程中,为应用系统“降本+增效”:


碳化硅相比硅基IGBT功率转换效率更高(ST测算为3.4%,小鹏测算为3%~4%),电动汽车续航距离可延长5-10%,即在同样续航里程的情况下可削减电池容量,降低电池成本;


碳化硅的高频特性可使逆变器线圈、电容小型化,电驱尺寸可大幅减少,可听噪声的降低能减少电机铁损。


按照蔚来工程师提供的数据,ET7上的180kW永磁同步电机(主驱电机)采用了碳化硅(SiC)功率模块后,相比传统硅基模块(IGBT)电流提升30%,综合功率效率≧91.5%;


碳化硅可承受更高电压,在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度,从而使得束线轻量化,节省安装空间。


此外,由于碳化硅逆变器体积较小,还可搭载成本更低的冷却系统,从而降低整车成本。


2019年,保时捷发布了全球首款搭载800V电压平台的汽车,由此开启了碳化硅在电车市场的又一价值:快充。


相比400V电压平台,800V高压平台可支持汽车有更长时间的快速充电。在800V甚至更高电压水平的平台上,原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限,性能更好的碳化硅功率器件成为其理想替代。


简而言之,碳化硅性能优越、体积小,而且节能效果明显,还提升了有效续航,所以一举成为新能源汽车市场的香饽饽。特斯拉之后,比亚迪、蔚来、小鹏、华为等众多车企、供应商纷纷将碳化硅装车。


那么问题又来了,既然碳化硅这么好,为何特斯拉要减量呢?


2、碳化硅也有掣肘


特斯拉的减量基本来自两个层面,一个是碳化硅的价格偏高,不符合特斯拉整体的降本策略,民生证券此前测算过,Model 3主驱动逆变器采用的48个碳化硅MOSFET总成本为5000元,相当于传统方案硅基IGBT的3-5倍。


这显然不是一向以成本定价的特斯拉想要的,于是用定制化模块封装技术替代了部分碳化硅。


另外一个则是产能问题。


据市场估算,预计平均2辆特斯拉纯电动车就需要一片6寸SiC晶圆。以年产能100万辆Model 3/Y计,特斯拉一年需要超50万片6寸晶圆,而目前全球SiC晶圆总年产能在40万~60万片。这意味着,全球碳化硅的总产能可能都不够特斯拉一家消耗。


而限制碳化硅量产的一个重要因素就是技术,尤其是衬底的制备技术。


碳化硅产业链自上而下包括衬底、外延、器件设计、晶圆制造、模块封装等环节,其中,在碳化硅器件制造成本结构中,占比最大的就是衬底成本约46%,是当前的有效产能瓶颈、降本瓶颈环节。


衬底成本之所以高,一方面源自昂贵的时间成本,比如生长温度要比硅高两倍的2000摄氏度以上;7天才能长出2cm的碳化硅晶棒,而传统的硅材料只需3天就可以长成一根晶棒。


另一方面,碳化硅衬底需要复杂的加工工艺,其中最影响良率的就是因碳化硅极高的硬度,导致在切割的时候非常容易崩边。


所以有一种说法是,碳化硅价格较高限制应用放量,衬底是产业链的核心降本环节。


而碳化硅衬底环节到底如何降本,这是一个尚无定论的事情。简单来说,存在多条技术升级和迭代路径。


从性能参数优化方面来说,降低位错缺陷、微管缺陷是关键技术方向。


碳化硅器件制造是在衬底外延生长的外延层上实现,而位错缺陷(TD)、微管缺陷(MP)等碳化硅晶体关键技术指标,也会延伸至外延层、从而影响器件品质。


所以,降低衬底缺陷就是衬底厂商积累know-how的关键技术方向。


一方面,SiC MOS对晶体材料的品质要求高于SiC SBD,对晶体缺陷指标要求更高;另一方面,降低衬底晶体缺陷指标能够提升器件制造良率、品质,从而降低器件制造成本。


从衬底尺寸来说,8英寸衬底有待规模化量产。


但这个很难,1990年2英寸的碳化硅晶圆就已研制成功,但直到2015年,业界才出现8英寸的碳化硅晶圆。


Wolfspeed的8英寸SiC衬底,也是耗费了7年时间才得以量产。当前全球市场上,成熟产业化的碳化硅晶圆仍为4英寸和6英寸。


根据WolfSpeed 2021年投资日的报告,碳化硅衬底从6英寸到8英寸,单片衬底制备的芯片数量由448颗增长至845颗,边缘损失占比由14%减少至7%,可用面积几乎增加一倍,合格芯片产量则增加80-90%。


因此8英寸乃至更高英寸是未来关键技术方向。


根据行家说三代半数据,除Wolfspeed外,其他国际SiC大厂预计将于2-3年内量产8英寸SiC衬底,同时2022年以来,以天岳先进为代表的国产衬底厂商均已成功研发8英寸SiC衬底样片,且天岳先进已于23H1实现小批量销售。


3、产能和国产化


由于衬底制备难度高,导致碳化硅产品的良率普遍不高。去年8月,露笑科技就曾表示,其50%碳化硅良率已达到全球一流水平。


良率一直是困扰碳化硅产能的最大难题,以国产SiC衬底龙头天岳先进为例,尽管持续提升工艺水平,但直至2021年6月晶棒良率也仅有50%,衬底良率为75%,而传统硅器件整体良率可高达99%。


为此产业的做法以规模平衡良率。据《2022碳化硅(SiC)产业调研白皮书》,2022年国外有30个碳化硅相关项目扩产或投产,总投资金额超过800亿人民币,新增衬底产能超过250万片。


在最先进的8英寸SiC晶圆量产方面,2022年4月,Wolfspeed位于纽约的莫霍克谷SiC制造工厂正式开业,成为全行业首个实现8英寸SiC 晶圆量产的企业。意法半导体(ST)于2021年6月瑞典北雪平工厂成功制造出世界首批量产8英寸碳化硅晶圆片。


II-VI半导体于2015年7月展示了8吋导电型SiC衬底,2019年推出8吋半绝缘SiC衬底,2021年4月,II-VI表示,未来5年内,将SiC衬底的生产能力提高5至10倍,8吋SiC量产时间预计为2024年。罗姆作为最早一批展示8英寸SiC衬底的厂商之一,将原定于2025年量产节点,提前至2023年。



此外,根据Yole的数据,国内外已有十余家企业将8英寸SiC晶圆量产提上日程,但大部分还处于样品或小规模量产的阶段。


在最受关注的国产化层面,也取得了一定进展。


除蔚来ET7搭载进口品牌SiC功率模块外,其余三个品牌均采用国内自研SiC功率模块:吉利Smart精灵#1采用芯聚能模块,小鹏G9 SiC模块自2022年9月由斯达半导提供;比亚迪模块自供。


国内厂商也逐渐开始供应国外器件,比如天岳先进,2021年之前其客户主要为无线电探测、信息通信行业厂商,供应半绝缘型SiC衬底,2022年部分产能转移至导电型衬底后,陆续与国家电网、英飞凌、博世集团等达成合作,且上汽、小鹏、广汽等车企也通过参与配售的方式与其加强绑定。


而在资本领域,车企和相关公司也早早开始布局。据爱集微统计,2021年,超20家SiC企业完成总规模超17亿元融资;2022年,超26家SiC企业完成总规模超16亿元融资。2023上半年,SiC企业融资创新高:超25家相关企业完成新一轮融资,总规模超85亿元,涵盖外延、衬底、器件、设备等环节。


比如,比亚迪投资了天域半导体和天科合达,小鹏投资了瞻芯电子。华为哈勃共投资了5家碳化硅相关企业,遍布碳化硅全产业链。


4、尾声


而随着产能提高,碳化硅价格也有望在2025年或2026年实现下调。以衬底为例,目前国内衬底价格主要集中在5000到8000元,其中国外品牌价格在7-8千,六寸国产在5-6千元,明年预计会降至4000元以下。


这一预测基本取决于8英寸衬底的大规模量产,WolfSpeed预测,到2024年使用其8英寸衬底生产的MOSFET芯片成本将较2022年使用6英寸衬底下降63%,其中28%来自生产受益(良率提升),25%来自规模效应,10%来自自动化水平提升。


由于国内相关产业起步较晚,从以往SiC衬底量产节点来看,国际上4英寸SiC衬底量产时间比国内早10年左右,而6英寸拉近了差距,量产时间差大约在7年左右。不过随着产学研结合的模式铺开,以及相关产业的投资热潮,国内SiC衬底有望加速追赶国际领先水平。



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