马斯克爆减SiC用量，该慌的不应是碳化硅企业

来源:芯世相发布时间:2023-03-201430浏览

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75%与10万亿。
马斯克在投资者日上抛出了两个骇人的数字，比起改造地球的天马行空，75%显然更令业界瞩目。
因为马斯克宣称下一代汽车平台可以减少75%的碳化硅用量，消息一出，碳化硅产业“慌了”。特斯拉是碳化硅上车的先驱者，也是电动汽车领域的带动者，而现在要大减使用量，颇有种“背刺”的感觉。
这两年碳化硅风声很大，业界普遍看好其前景，难道这就降温了？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？
阅读本文，你将了解：
1. 特斯拉为什么要用碳化硅？2. 特斯拉为什么要减少用量？3. 特斯拉会采取哪些办法？4. 对行业有哪些影响？

01

特斯拉的“叛逆”

2018年，特斯拉率先将碳化硅导入Model 3，被视为碳化硅上车的风向标。此后，各大新能源车企开始布局碳化硅器件。2020年，比亚迪将自研的碳化硅MOS应用在汉EV四驱版上，功率密度提升一倍，输出功率达到了200KW。
特斯拉为什么选择碳化硅？
碳化硅是第三代半导体材料，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。
电动汽车中涉及到功率器件应用包括电驱、OBC、DC/DC和非车载充电桩。碳化硅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。碳化硅的稳定性以及其他特性，使芯片制造商能够将能量损失减少一半以上。碳化硅芯片还擅长散热，为小型逆变器铺平了道路。
日本名古屋大学教授山本正义指出，这些优势在特斯拉 Model 3 的设计中得到了很好的体现。“Model 3 的空气阻力系数与跑车一样低。缩小逆变器的规模使其具有流线型的设计。”
高盛公司表示，采用碳化硅可将电池成本减少300至600美元，由于碳化硅替代硅可以减少逆变器80%的损失，同时，汽车冷却系统负担也减少，带来每辆车500-1000美元的成本节约。除电池外，车外充电特别是快充是另一个大规模增长领域。
简而言之，碳化硅是个做事麻利、帮省钱还不占地方的“三好”半导体材料，特别适合新能源汽车这种在有限空间里需要极致性能的场景。

特斯拉 Model 3 大获成功，把碳化硅推到了台前，一跃成为各大车企的心头好。也就在各大车企如火如荼地导入碳化硅时，特斯拉又突然调转枪头，玩得就是一手叛逆。
这又是为何？
对于年产百万规模的特斯拉而言，持续稳定的供应能力和降本是不变的宗旨，如同马斯克说的那样：
“没有车企可以做到特斯拉的成本。”
但显然，碳化硅产业链不太能满足特斯拉的需求。
作为次新一代的半导体材料，碳化硅产业比起硅材料还是略显“青涩”，它可以帮车企在综合成本上省钱，但是它自己并不是个省油的灯。
碳化硅上游产业链包括原材料、衬底材料及外延材料，中游包括芯片结构设计、芯片制造、器件及模块。从制造成本结构来看，衬底成本最大，占比达47%，良率损失占比32%；其次是外延成本，占比为23%。这两大工序是碳化硅器件的重要组成部分。

碳化硅在生产环节存在单晶生产周期长、环境要求高、良率低的问题。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。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。虽然碳化硅的价格呈现逐年下降的趋势，但对比硅材料还是有着很大的差距，对应到成品器件上，也是如此。

贸泽电子、得捷公开报价显示，几家主流大厂的650V 产品价格在去年上半年整体增长40.16%，其中 ST 价格上涨了 70%，UnitedSiC、Wolfspeed 分别增长43.61%、35.14%。而 1200V 产品价格的涨幅较 2021 年明显收窄，ST、ROHM 平均价格涨幅在 5%以内。

从上面这张图，我们可以看到碳化硅 MOS的单价从2018年到2022年上半年降低了55%，但对比硅基IGBT的单价，有着近5倍的差距。
单价高之外，现货率不高、供应紧张也是碳化硅 MOS面临的问题，2021 年底，产品缺少现货（正常库存比例小于60%），且交货周期均较长，达到 30 周以上。而光特斯拉一家车企所需要的碳化硅恐吃掉全球大部分的产能。
有机构估算，平均2辆特斯拉就要消耗一片6寸的碳化硅晶圆，以年产能100万辆的Model 3或者Y来计算，特斯拉一年需要超50万片晶圆，但目前全球晶圆总产能也不过在40-60万片，也就意味着特斯拉一年快要消耗掉全球总产能。
要知道特斯拉的目标是年产2000万辆，特斯拉的行动似乎是对着碳化硅产业喊话：
你们又贵又少，但我有的是办法。

02

特斯拉的减肥方法

“瘦身”75%意味着什么？
对于Model 3而言，就是从原先48颗MOS，锐减到只有12颗。少了36颗，特斯拉怎么做到保证性能不变？这是业内最关心的点。
因此，也有观点对“数量”持怀疑态度，认为特斯拉再怎样也无法只用12颗MOS撑起原先的性能。基于碳化硅器件的技术迭代，减少75%的芯片面积显得更为贴切。
无论是数量还是芯片面积的减少，对于特斯拉“减肥”的方法，业内普遍认为有以下三种：
1. 整车平台升级至800V高压，改用1200V规格碳化硅器件2. 特斯拉在封装技术上有新突破，很有可能使用双面水冷技术来获得更好的散热能力3. 碳化硅 MOS与硅基IGBT混用
具体来看，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，那么器件用量可以下降一半。
此外，近年来，意法半导体的碳化硅MOS尺寸一直在缩小，如果按照第 3 代产品的面积是第 2 代的 1/4 来算，芯片面积刚刚好缩小了 75%。因此，也有人猜测特斯拉抛弃了ST的平面MOS改用罗姆最新的第四代沟槽MOS，只算芯片面积也正好少了75%。
碳化硅芯片的缩小会导致发热密度急剧增加，因而要求同等功率下，其单位面积导热能力要求提高 3-7 倍。碳化硅导热系数和熔点较高，其耐受结温超 500℃。目前大多碳化硅器件标称最高结温在 200℃左右，并未发挥碳化硅器件良好性能。
对此，芯智库专家猜测，特斯拉采用双面水冷的封装技术可能性比较大，这个技术已经有小批量生产能力了，国内封装厂已经看到样件。双面水冷技术不仅可以提升碳化硅性能，还可以提升热泵效率。
除了技术升级带来的用量减少外，另一种观点认为，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。
但芯智库专家指出，混合使用可以让IGBT和MOS工作各自性能最优的模式下，以此带来的烧结工艺、驱动及时序控制等问题也具有很大的挑战性。
综合来看，特斯拉升级800V平台，且使用新的碳化硅封装技术来改善碳化硅单管或模块的性能和散热能力，最终减少用量和整体体积是比较主流的观点。

03

对产业会有什么影响？

无论是用量减少还是面积减少，最终在特斯拉身上体现的就是成本下降，这是马斯克最愿意看到的，这也是各大车企最不愿意看到的。
芯智库专家指出，特斯拉降价后实际上冲击了很多车厂，目前只有特斯拉能保持30%的毛利，它的降价逼得很多车企做亏本买卖。如果碳化硅成本不断下降，特斯拉将打开新的成本空间。
业界盛传新的特斯拉汽车定价在20万元以下，主打的就是一个便宜。而这个新车型也会基于新的平台打造，也就是“瘦身”过后的平台，在成本路上剑走偏锋的特斯拉，或许会对20万元以下的汽车市场造成冲击。
至于碳化硅产业则不必担忧。
“目前暂时还没有看到在大电流领域比碳化硅更好的接近量产的替代品。”天鹰资本执行董事章金伟在接受媒体采访时表示，“特斯拉可能主要从成本角度来考虑，从长期看，依然看好碳化硅的发展。”
碳化硅产业巨头也正忙着扩产并购，无论是Wolfspeed、意法半导体、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。整个产业未有停下脚步的迹象。
集邦咨询最新研究数据显示，随着安森美（onsemi）、英飞凌（Infineon）等与汽车、能源业者合作项目明朗化，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。主流应用仍倚重电动汽车及再生能源，电动汽车产值可达39.8亿美元、CAGR约38%；再生能源达4.1亿美元、CAGR约19%。
安森美总裁兼首席执行官（CEO）Hassane El-Khoury认为，未来5-10年，碳化硅的市场还是会比较紧缺，不会出现产能过剩的情况。

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