马斯克看衰的车规级SiC，到底前景如何？
前言：碳化硅上车现在主要面临两大问题：一是昂贵，二是供应短缺。特斯拉减少使用碳化硅的比例，笔者认为更多还是从节省成本的角度考虑。碳化硅市场大有前景，但国产厂商还需要更多的努力来改变现状。
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新能源汽车市场的快速发展为碳化硅（SiC）产业带来了巨大的机遇。SiC的优异性能在电动汽车、白色家电和工业应用领域发挥了重要作用，尤其是在新能源汽车领域，SiC的应用显著提升了能效并有效降低了能耗。电动汽车采用SiC方案带来了多项优势，包括降低能耗、缩小模块尺寸、降低物料成本和缩短充电时间。因此，SiC在逆变器、OBC、车载DC-DC等领域的需求将大幅增长。
头部新能源汽车特斯拉的决定对碳化硅产业产生了重大影响。2018年，特斯拉首次宣布在Model 3中采用碳化硅芯片，随后比亚迪、小鹏和吉利等国内厂商纷纷效仿。因此，采用碳化硅芯片的车型都被赋予了"高端"和"豪华"的标签，并定价超过30万元。然而，特斯拉的减少使用碳化硅的举动引发了行业的震动。碳化硅概念股纷纷下跌，全球碳化硅龙头wolfspeed股价一度腰斩。
在日前特斯拉宣布减少对碳化硅75%的使用后，引起了碳化硅行业地震。特斯拉动力系统工程副总裁指出，特斯拉实际上采用了定制化的模块封装技术，在减少碳化硅使用的同时保持了相同的散热效果。这意味着特斯拉并非完全弃用碳化硅，而是减少了使用量。其他一些车企暂时无法掌握该技术的情况下，不得不一边与Wolfspeed保持合作关系，一边积极寻找替代方案。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等。
然而，在汽车市场不断降价的背景下，国内汽车产业利润本就薄弱，对碳化硅的信心能够持续多久仍然存在疑问。在这个背景下，与非研究院对于车规级碳化硅产业重新进行了盘点和梳理。
新能源汽车800V高压平台推动碳化硅快速普及
全球SiC产业链布局以美国、日本等为主，广泛应用于5G通信、卫星、新能源汽车、光伏发电领域。中国虽然起步较晚，但正在加速发展。全球前六大碳化硅企业包括ST、英飞凌、Wolfspeed、ROHM、Onsemi和Mitsubishi，占市场95%份额。预计2027年碳化硅功率器件市场超100亿美元。
SiC功率器件市场格局（2020年），来源：中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟
随着碳化硅模块价格逐年下降，全碳化硅方案相比硅方案在成本上具有优势，预计将爆发式增长。汽车市场正在积极抢占碳化硅产能。预计到2026年，车用碳化硅功率元件市场将达到39.8亿美元。中国车用碳化硅市场正在发展，面临的挑战包括充电设施普及、电网升级需求、碳化硅元件高价、碳化硅衬底供应短缺等。中国的SiC汽车市场预计到2025年将超过45亿元，国际市场预计将超过100亿元。新能源汽车市场的增长将推动SiC市场的发展。
新能源汽车市场SiC、GaN功率市场规模（亿元），来源：CASA
中国的SiC汽车市场预计将以30.6%的复合年增长率增长，2020年市场规模15.8亿元，到2025年将超过45亿元。在国际上，SiC汽车市场预计将以38.0％的复合年增长率增长，到2025年市场规模将超过100亿元。折算成晶圆，国内2020年新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量超过4万片，预计到2025年需求量将增长到近30万片。同期，国际新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量从2020年的5万片增长到2025年的60万片。新能源汽车市场的这种增长势头将进一步推动SiC市场的发展。
SiC功率器件下游应用，来源：TrendForce
新能源汽车占比迅速上升，将占半壁江山。根据TrendForce数据显示，SiC功率应用市场中，新能源汽车领域由2020年的44%上升至2025年的62%，2025年光伏、储能领域占比由2020年22%缩小至12%。充电桩、电源PFC、UPS、电机驱动及轨道交通等领域2025年占比分别为9%、6%、3%、3%及4%。
电动汽功率器件碳化硅方案与硅方案成本预测，来源：国金证券研究所
假设未来五年碳化硅模块价格每年下降10%，IGBT价格每年下降5%，电池成本每年下降10%，中性预计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗8%，仅考虑相同续航下节省的电池成本，而忽略节省的散热系统成本缩减、无源器件成本缩减以及更好能效节省的使用成本，从2025年开始全碳化硅方案相比硅方案就具有综合物料成本优势，开始爆发式增长。在实现综合成本优势之前，碳化硅从售价相对高昂的车型开始被逐步采用，这部分需求也足够拉动行业快速增长。
随着越来越多的汽车制造商将碳化硅技术应用于电驱系统，预计车用碳化硅功率元件市场规模将从2022年的10.9亿美元增长至2026年的39.8亿美元，年均复合增长率达到38%。在2022年，90%的市场份额主要来自于蔚来汽车等主要厂商，主要用于高价值的逆变器。另外，分立的碳化硅MOSFET在OBC中占据了6%的份额。
车规级碳化硅国际玩家，来源：Trendforce
为了解决充电焦虑的问题，800V的系统实际上被各大业汽车业界所看好。目前，800V是碳化硅在汽车市场中的主要应用场景。800V系统被广泛看好，以解决充电焦虑问题。TrendForce分析师龚瑞骄预计到2022年，800V系统在整个市场中的渗透率将达到3%，并由现代汽车等车型提供支持。到2026年，预计这一比例将进一步提升至约15%，推动碳化硅市场发展。龚瑞骄认为，尽管800V平台被认为是SiC的领域，并且具有高效率和快速充电的优势，但系统成本增加以及需要解决原有充电桩能给800V车充电的问题，都是阻碍800V平台发展的因素。尽管如此，SiC仍然被视为新能源汽车核心技术之一，预示着未来可能会发展成双向OBC的趋势。
车规级碳化硅玩家盘点
在2018年，特斯拉Model3首次采用了24个由意法半导体供应的SiCMOSFET单管模块。2020年，比亚迪汉EV成为国内首款采用自主开发SiC模块的车型，比硅基IGBT提升3%-8%的电控效率。蔚来2021年新车也采用了SiC模块。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。
车厂和零部件厂围绕碳化硅的布局进展，来源：搜狐汽车研究室
其中值得重点关注的厂商包括国外的Wolfspeed。Wolfspeed是SiC和GaN解决方案的主要供应商，产品覆盖SiC和GaN材料、功率器件、射频器件等。英飞凌自1992年研发SiC功率器件，2020年市场份额全球第四。产品包括低压MOS、高压MOS，以及IGBT等。Wolfspeed与大众汽车合作，成为FAST项目SiC独家合作伙伴；与德尔福合作，开展汽车SiC器件研究；与ABB合作，推动SiC器件进入电力、机车牵引、新能源汽车领域；与宇通合作，推动SiC在大巴车的应用。产品优势方面，Wolfspeed是SiCMOSFET、肖特基二极管和功率模块的全球领导者。分立SiCMOSFET可实现更高的开关频率并减小电感器、电容器、滤波器和变压器等组件的尺寸；SiC肖特基二极管采用MPS（合并PiN肖特基）设计，比标准肖特基势垒二极管更稳健可靠；SiC功率模块方面能提供从SiC材料到封装的垂直整合优势。目前正在纽约马西建造世界上最大的SiC制造厂，将显著提高SiC和GaN业务的产能。
英飞凌SiC产品发展路线，来源：英飞凌公告
英飞凌作为欧洲老牌半导体企业，自1992年开始研发SiC功率器件，并不断推出SiC领域相关新器件。2020年SiC功率器件市场中，英飞凌以13.3%的市场份额位列全球市场第四位。
英飞凌积极布局产业链，与上下游相关企业达成合作意向。与Wolfspeed(Cree)签订1亿美元合同，锁定6英寸SiC晶圆；与GTAT签订5年期SiC晶棒供应协议；收购赛普拉斯，成为全球第一大车用半导体供应商；与大众汽车集团合作，成为FSAT项目合作伙伴。在产品方面，英飞凌凭借更高功率密度，更加小巧、轻便的设计，在电源管理及射频领域抢占市场先机。目前公司的硅产品包括低压MOS、高压MOS，以及IGBT等。2018年英飞凌收购了初创公司Siltectra的冷切割创新技术，可使单片晶圆产出的芯片数量翻倍。在中低功率SiC器件方面，2020年英飞凌在1200V系列基础上，发布了TO-247封装的650VCoolSiC™MOSFET，进一步完善了产品组合。
特斯拉Model3采用意法半导体650VSiCMOSFET器件，来源：特斯拉官网
2021年12月10日，意法半导体推出第三代STPOWERSiC(SiC)MOSFET晶体管，推进在电动汽车动力系统功率设备的前沿应用，及在其他以高功率密度、高能效、高可靠性为重要目标的场景应用。平面MOSFET利用全新的第三代SiC技术平台，意法半导体为晶体管行业树立了新的品质因数(FoM)标杆。2018年，特斯拉全球率先在Model3电驱主逆变器上，采用了意法半导体供应的650VSiCMOSFET器件，被视为SiC上车的风向标事件。持续加大投资，扩大SiC产能（包括意大利Catania和新加坡工厂），不断垂直整合供应链。为了支持汽车和工业客户的业务增长计划，意法半导体计划于2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍。
罗姆SiC产品在电动汽车的应用，来源：罗姆官网
罗姆在SiC器件市场份额居于前三，重点研发8英寸SiC产品罗姆成立于1958年，是全球知名的半导体厂商，也是SiC器件市场市场份额占比前三的国外传统功率龙头公司。通过在日本国内外工厂投建新厂房和更新制造设备等举措，致力于不断增强产能。罗姆于2019年推出的经典SiC器件产品SiCMOSFET，其中“SCT3xxxxxHR系列”共10个型号，该系列产品支持汽车电子产品可靠性标准AEC_x0002_Q101，而且产品阵容丰富，拥有13个机型。
目前罗姆公司针对SiC主驱逆变器应用研发了最新一代的SiC器件，具有业界顶尖的RonA，现在已经有了样品，即将推向市场，目前已有多家客户正进行评估。在封装方面，罗姆支持双面散热模块，支持银烧结技术，对可靠性和散热方面都有非常好的改善。另外，罗姆作为少数几家IDM模式厂商之一，具备衬底、外延、器件、模块垂直一体化布局，正着力开发8英寸SiC产品。
国产车规级碳化硅面临的挑战？
在中国，现在量产纯电动汽车主驱模块的仅有比亚迪、芯聚能和斯达、基本半导体等少数几家。其中芯聚能的产品已在吉利和奔驰合作的Smart车型等上量产，去年上了一万辆车，至今已交付近4万块。基本半导体自2017年开始布局车用碳化硅器件研发和生产，目前已掌握碳化硅芯片设计、晶圆制造、模块封装、驱动应用等核心技术，并建立了完备的国内国外双循环供应链体系。基本半导体自主研发的汽车级碳化硅功率模块已收获了近20家整车厂和Tier1电控客户的定点，成为国内第一批碳化硅模块量产上车的头部企业。
斯达半导量产光伏SiC器件及车规SiC模块；投建全SiC功率模组产业化项目，年产8万颗车规级全SiC功率模组生产线和研发测试中心；2021年3月宣布使用募集资金向全资子公司斯达微电子增资19.78亿元，用于高压特色工艺功率芯片和SiC芯片研发及产业化项目；2021年8月宣布投资5亿元在SiC芯片研发及产业化项目；此外积极布局蓬勃发展的新能源汽车市场，斯达半导体宣布其SiC模块与小鹏汽车达成合作，进入其800V高压平台，成长空间广阔；与Wolfspeed（CREE)合作开发的1200VSiC模块已被宇通客车应用于新能源汽车电控系统。
近年来，汽车市场竞争激烈，各大厂商积极争夺产能，并与汽车制造商展开合作。表中列举了一些厂商在电动车主逆变器方面与第三方的合作情况。同时，汽车业者也在寻求多元化供应商体系以防范供应链风险。例如，特斯拉与ST合作后，与onsemi和比亚迪合作，还有蔚来与wolfspeed的合作。
此外，汽车行业通过投资或合资参与供应链建设。今年发生了两件值得关注的事件。首先是采埃孚与wolfspeed在德国共同投资30亿美元建设FAB和研发中心。另一件是纬湃科技向onsemi投资2.5亿美元购买新的碳化硅设备，以支持onsemi的碳化硅产品发展。这些迹象表明，汽车业者对碳化硅的未来非常看好。
国产车规级碳化硅市场总结，来源：Trendforce
中国汽车市场对碳化硅的需求也在快速增长，许多国内车企如上汽、北汽和广汽都在重视本土碳化硅供应链的投资。瞻芯、泰科天润、芯塔等厂商专注于碳化硅市场，已经实现在汽车OBC中的应用，或处于验证阶段。
值得一提的是，碳化硅上车现在主要面临两大问题：一是昂贵，二是供应短缺，暂时只有60度电以上的车厂会考虑使用。随着衬底和外延成本降低，这个阈值应该会下降。2021年至2027年间，碳化硅功率器件的市场规模和年复合增长率达到了30%。目前，碳化硅市场仍被国外巨头所垄断，如ST等，不过在中国已有三家公司量产电动车所使用的都是进口的碳化硅芯片。这些国际公司都有大规模的布局，比如英飞凌，它计划到2027年碳化硅的产能增加10倍，销售额达到30亿美元。总结来说，碳化硅市场大有前景，但国产厂商还需要更多的努力来改变现状。至于特斯拉减少使用碳化硅的比例，特斯拉在投资日上并没有解释通过何种技术去实现减少75%碳化硅的使用量，若马斯克没有说大话，我们猜测该技术可能还在研发阶段，短时期内还无法大批量地代替碳化硅应用在下一代汽车上。笔者认为更多还是从节省成本的角度考虑，对于碳化硅的未来前景，业界仍然保持信心。