2018年,特斯拉在Model 3上破天荒的“一擲千金”,在主逆變器中安裝了24個由意法半導體生產的碳化硅(SiC)MOSFET 功率模塊。
當時,一塊SiC芯片的價格要比傳統硅芯片貴十倍左右,即使如今SiC售價有所下降,但SiC芯片的價格也是同等硅器件的數倍。
一直以來,特斯拉都是電動汽車市場的先驅,尤其在成本控制上幾乎到了“喪心病狂”的地步,采用模塊化平臺、壓鑄一體成型后車體、優化電池包設計、放棄激光雷達,只要能夠壓縮成本,幾乎無所不用其極。
但如此“吝嗇”的特斯拉卻愿意在幾塊小小的SiC芯片上花費重金,究竟原因何在?就為了顯著提升續航能力。
相較于Model S上使用的IGBT模塊,Model 3所采用的SiC芯片能夠為逆變器帶來5-8%的效率提升,即逆變器效率從82%提升至90%,大幅改善續航能力。此外,SiC器件在高溫下表現更好,哪怕達到200度的高溫,也能維持正常功率,保證長時間的高效率輸出。
正是基于這些優勢,馬斯克最終將更昂貴的碳化硅應用到Model 3性能版上,由此帶動了一場SiC替代傳統硅基器件的產業革命。
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一戰成名的第三代半導體
隨著Model 3的成功,SiC一戰成名,功率模塊開始迅速“上車”。
自此之后,SiC正式成為豐田、比亞迪、蔚來、通用、大眾、雷諾-日產-三菱等車企的重點布局方向。SiC這一較為生疏的名詞,也逐漸被市場所熟知。
實際上,SiC屬于第三代半導體,這已經是半導體行業發生的第二次產業突破。
第一代即是以硅和鍺等元素為代表的單質半導體材料,它的發現直接推動了人類通信、航空光伏技術的發展。
雖然被稱為第一代半導體產品,但硅基半導體材料今日依然是產量最大、應用最廣的半導體材料,90%以上的半導體產品是用硅基材料制作的。
第二代半導體材料以砷化鎵、磷化銦為代表,相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能,被廣泛應用于光電子和微電子領域,是制作發光二極管的關鍵襯底。
第三代半導體材料以SiC和氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料,適用于高溫、高壓、高頻率場景,同時具有電能消耗較少的優勢。
值得注意的是,三代半導體之間并非彼此完全替代的關系,而是更類似于相互補充。每一代產品之間均有著各自的優勢,僅在部分場景實現對傳統產品的替換。
例如SiC耐高壓,材料擊穿電場強度是硅的10倍;同時熱導率比硅更高,對散熱的要求更低;適用高頻場景,碳化硅的飽和電子漂移速率是硅的2倍,這決定了碳化硅器件可以實現更高的工作頻率和更高的功率密度。
這意味著,SiC可以減少能耗損失,提高能源轉化效率,SiC材料能夠實現在射頻器件和功率器件上對硅基材料的性能完美替代。
在此之前,硅基IGBT統治了高壓高電流場景,而硅基MOSFET效率遠不如IGBT,僅適用于低壓場景。不過,硅基IGBT也存在一些缺點,比如無法承受高頻工況、功耗較大等。
SiC出現后,由于具備耐高壓、耐高頻的特性,因此僅用結構更簡單的MOSFET器件就能覆蓋現在IGBT耐壓水平,同時規避硅基IGBT的缺點,耗能更少。數據統計顯示,相同規格的碳化硅基 MOSFET較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大降低 70%。
正是因此在Model 3上的成功,讓第三代半導體迅速商業化落地,由此也讓資本市場注意到了小小元器件的價值。
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SiC的“奇點時刻”
盡管SiC存在諸多性能上的優勢,但明顯過高的成本依然限制了它的全面應用。
硅晶圓制造工藝成熟,硅基器件成本極低。與之相對,目前商用SiC襯底制備需要用到物理氣相傳輸法(簡稱PVT法),這種方法需要極高溫度,同時生長周期長、控制難度大,良品率低。此外,SiC硬度極高且脆性高,切割耗時遠遠高于普通硅片。
這些原因綜合起來,造成了碳化硅的高成本難題。
目前來看,SiC器件成本仍是硅基產品數倍。但考慮到SiC器件的低能耗優勢,以及量產和技術成熟帶來的成本下降趨勢,在新能源時代,SiC即將迎來屬于它的性價比“奇點時刻”。
新能源時代將是SiC的大舞臺。在新能源汽車行業,SiC可用于驅動和控制電機的逆變器、車載充電器和快速充電樁等。
在逆變器上,一輛使用SiC功率器件的電動汽車,在同等電池條件下,續航能夠提升5-10%。這也是目前碳化硅在新能源汽車應用最多的市場。而在充電和快充領域,隨著成本的降低,碳化硅器件的應用也在逐漸深入。
此前,小鵬布局的800V高壓快充平臺,即配置SiC芯片,用以在高壓場景中發揮關鍵性能。
與此同時,新能源革命還帶來了更多應用場景,光電、風電等不規律發電模式,以及配套的儲能體系,將成為SiC器件有待開發的龐大市場。
如在光伏發電上,目前光伏逆變器龍頭企業已采用SiC功率器件替代硅器件。新基建中,特高壓輸電工程對SiC器件具有重大需求。
廣而言之,未來SiC將在固態變壓器、柔性交流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。
據Yole預測,SiC器件應用空間將從2020年的6億美金快速增長至2030年的100億美金。華為預計,在2030年光伏逆變器的SiC滲透率將從目前的2%增長至70%以上,在充電基礎設施、電動汽車領域的滲透率超過80%,通信電源、服務器電源將全面推廣應用。
樂觀估計,屬于SiC的大時代即將來臨。
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國產半導體的突破口
從更高維度分析,以SiC為代表的第三代半導體材料,有望成為中國半導體行業的突破口。
以硅基IGBT為例,全球IGBT等元器件目前仍以英飛凌、安森美、三菱、富士等為主。數據顯示,2019年IGBT模組市場份額CR10占比81．10%,其中僅斯達半導為國內企業,占比僅2．50%。
雖然在新能源汽車IGBT細分領域上,斯達半導和比亞迪等企業市場份額占比較大。但在全球硅片產能整體受限的情況下,IGBT產品配額十分匱乏,國產化替代步伐并不算快。
而SiC跳出了硅片大局,并不受制于全球硅片產能問題。更重要的是,全球第三代半導體目前總體處于發展初期階段,國內企業與國際巨頭差距并不大。
縱觀整個產業鏈,SiC的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度,制造環節對設備要求相對較低,投資額相對較小,主要關鍵之一在上游材料端。
國際巨頭具有領先優勢,如現已更名Wolfspeed的科銳公司,已經完成碳化硅全產業鏈的覆蓋,能夠量產8英寸碳化硅襯底。
雖然目前國內企業僅能生產4英寸和6英寸襯底,但從它們的量產時間上看,落后國際巨頭的時間由10年以上縮短至7年,差距正在不斷縮小。
以全球半絕緣型SiC(即用做氮化鎵射頻器件襯底)市場份額看,2020年美國科銳和貳陸公司市場份額分別為33%和35%,而山東天岳市場份額已達30%,排名全球第三。
山東天岳在半絕緣型碳化硅市場上份額逼近國際巨頭
在導電性SiC晶片(即用作功率器件襯底)上,國際巨頭優勢較大,但國內企業也在努力追趕。2018年,國內天科合達和山東天岳市場份額分別為1．7%和0．5%,天科合達排名全球第六。
新能源大時代,國內是最大的新能源汽車市場,更是最大的能源使用國之一,在此催化下,國產SiC產業鏈有望實現更快發展,甚至成為我國在半導體行業的突破口。
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誰在提前布局SiC?
顯而易見,SiC產業鏈已經成為資本熱捧的風口。
由上至下,SiC產業鏈可以分為襯底、外延、器件和應用四大環節。
襯底環節,山東天岳、天科合達已經成為國內龍頭,其中,山東天岳科創板IPO已獲通過,將成為碳化硅襯底第一股。其他公司方面,天科合達申請主動終止了IPO申請,河北同光晶體也傳出科創板IPO計劃。
在外延和器件環節,市場參與者眾多。外延環節主要有瀚天天成、東莞天域等,器件環節有泰科天潤、中車時代電氣、綠能芯創、上海瞻芯等企業,同時覆蓋這兩個環節的更有中電科十三所、中電科五十五所、基本半導體等。
風口之下,SiC也已成為國內上市公司投資布局重點方向。
目前,三安光電已宣布總投資160億元,將打造國內首條、全球第三條SiC垂直整合產業鏈,覆蓋襯底、外延和器件三大環節。這種模式目前僅科銳和羅姆兩大公司采用,其他國際巨頭們也正在通過投資并購等方式實現全產業鏈布局。
露笑科技計劃總投資100億布局SiC產業項目,目前已經開啟6英寸導電性SiC襯底小批量試生產;光伏晶體設備生產商晶盛機電也宣布31．34億元投資SiC襯底晶片生產基地項目,設計產能年產40萬片6英寸及以上尺寸的導電型和半絕緣型SiC襯底晶片;鳳凰光學碳化硅外延材料也已具備量產能力。
此外,華潤微、斯達半導等半導體企業也在布局SiC襯底和器件環節。其中,華潤微SiC產品即將發布。
SiC也迎來科技巨頭密集押注。據山東天岳招股書,華為旗下哈勃投資是山東天岳第四大股東,發行后持有6．34%股權;同時,哈勃投資也是天科合達第四大股東,IPO終止前持有4．82%股權。除此之外,華為還投資了瀚天天成以及東莞天域兩大碳化硅外延龍頭企業。
此外,小米旗下湖北小米長江產業基金也在今年10月底投資SiC器件企業上海瞻芯,持股6．80%;TCL資本參與了SiC器件企業泰科天潤的D輪融資。
可以看到,SiC已經成為科技巨頭和資本布局的重點方向。隨著核心技術路線更為成熟,其降成本路徑已經顯現,在新能源大局和國產半導體崛起契機下,SiC有望開啟千億級藍海市場。
