前言:碳化硅上車現(xiàn)在主要面臨兩大問(wèn)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(rèn)為更多還是從節(jié)省成本的角度考慮。碳化硅市場(chǎng)大有前景,但國(guó)產(chǎn)廠商還需要更多的努力來(lái)改變現(xiàn)狀。
新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展為碳化硅(SiC)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。SiC的優(yōu)異性能在電動(dòng)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(dòng)汽車采用SiC方案帶來(lái)了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),包括降低能耗、縮小模塊尺寸、降低物料成本和縮短充電時(shí)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(zhǎng)。
頭部新能源汽車特斯拉的決定對(duì)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(guó)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(biāo)簽,并定價(jià)超過(guò)30萬(wàn)元。然而,特斯拉的減少使用碳化硅的舉動(dòng)引發(fā)了行業(yè)的震動(dòng)。碳化硅概念股紛紛下跌,全球碳化硅龍頭wolfspeed股價(jià)一度腰斬。
在日前特斯拉宣布減少對(duì)碳化硅75%的使用后,引起了碳化硅行業(yè)地震。特斯拉動(dòng)力系統(tǒng)工程副總裁指出,特斯拉實(shí)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(shí)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(shí)無(wú)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(dá),小鵬投資了瞻芯電子等。
然而,在汽車市場(chǎng)不斷降價(jià)的背景下,國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)本就薄弱,對(duì)碳化硅的信心能夠持續(xù)多久仍然存在疑問(wèn)。在這個(gè)背景下,與非研究院對(duì)于車規(guī)級(jí)碳化硅產(chǎn)業(yè)重新進(jìn)行了盤(pán)點(diǎn)和梳理。
新能源汽車800V高壓平臺(tái)推動(dòng)碳化硅快速普及
全球SiC產(chǎn)業(yè)鏈布局以美國(guó)、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(guó)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(chǎng)95%份額。預(yù)計(jì)2027年碳化硅功率器件市場(chǎng)超100億美元。
SiC功率器件市場(chǎng)格局(2020年),來(lái)源:中國(guó)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(jià)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(shì),預(yù)計(jì)將爆發(fā)式增長(zhǎng)。汽車市場(chǎng)正在積極搶占碳化硅產(chǎn)能。預(yù)計(jì)到2026年,車用碳化硅功率元件市場(chǎng)將達(dá)到39.8億美元。中國(guó)車用碳化硅市場(chǎng)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(jí)需求、碳化硅元件高價(jià)、碳化硅襯底供應(yīng)短缺等。中國(guó)的SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2025年將超過(guò)45億元,國(guó)際市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)100億元。新能源汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)將推動(dòng)SiC市場(chǎng)的發(fā)展。
新能源汽車市場(chǎng)SiC、GaN功率市場(chǎng)規(guī)模(億元),來(lái)源:CASA
中國(guó)的SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以30.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),2020年市場(chǎng)規(guī)模15.8億元,到2025年將超過(guò)45億元。在國(guó)際上,SiC汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以38.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),到2025年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億元。折算成晶圓,國(guó)內(nèi)2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量超過(guò)4萬(wàn)片,預(yù)計(jì)到2025年需求量將增長(zhǎng)到近30萬(wàn)片。同期,國(guó)際新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量從2020年的5萬(wàn)片增長(zhǎng)到2025年的60萬(wàn)片。新能源汽車市場(chǎng)的這種增長(zhǎng)勢(shì)頭將進(jìn)一步推動(dòng)SiC市場(chǎng)的發(fā)展。
SiC功率器件下游應(yīng)用,來(lái)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(chǎng)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(chǔ)能領(lǐng)域占比由2020年22%縮小至12%。充電樁、電源PFC、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及軌道交通等領(lǐng)域2025年占比分別為9%、6%、3%、3%及4%。
電動(dòng)汽功率器件碳化硅方案與硅方案成本預(yù)測(cè),來(lái)源:國(guó)金證券研究所
假設(shè)未來(lái)五年碳化硅模塊價(jià)格每年下降10%,IGBT價(jià)格每年下降5%,電池成本每年下降10%,中性預(yù)計(jì)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(wú)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(kāi)始全碳化硅方案相比硅方案就具有綜合物料成本優(yōu)勢(shì),開(kāi)始爆發(fā)式增長(zhǎng)。在實(shí)現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢(shì)之前,碳化硅從售價(jià)相對(duì)高昂的車型開(kāi)始被逐步采用,這部分需求也足夠拉動(dòng)行業(yè)快速增長(zhǎng)。
隨著越來(lái)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(jì)車用碳化硅功率元件市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的10.9億美元增長(zhǎng)至2026年的39.8億美元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到38%。在2022年,90%的市場(chǎng)份額主要來(lái)自于蔚來(lái)汽車等主要廠商,主要用于高價(jià)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(jí)碳化硅國(guó)際玩家,來(lái)源:Trendforce
為了解決充電焦慮的問(wèn)題,800V的系統(tǒng)實(shí)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(chǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景。800V系統(tǒng)被廣泛看好,以解決充電焦慮問(wèn)題。TrendForce分析師龔瑞驕預(yù)計(jì)到2022年,800V系統(tǒng)在整個(gè)市場(chǎng)中的滲透率將達(dá)到3%,并由現(xiàn)代汽車等車型提供支持。到2026年,預(yù)計(jì)這一比例將進(jìn)一步提升至約15%,推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)發(fā)展。龔瑞驕認(rèn)為,盡管800V平臺(tái)被認(rèn)為是SiC的領(lǐng)域,并且具有高效率和快速充電的優(yōu)勢(shì),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(wèn)題,都是阻礙800V平臺(tái)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(lái)可能會(huì)發(fā)展成雙向OBC的趨勢(shì)。
車規(guī)級(jí)碳化硅玩家盤(pán)點(diǎn)
在2018年,特斯拉Model3首次采用了24個(gè)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(guó)內(nèi)首款采用自主開(kāi)發(fā)SiC模塊的車型,比硅基IGBT提升3%-8%的電控效率。蔚來(lái)2021年新車也采用了SiC模塊。預(yù)計(jì)到2023年,比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中,實(shí)現(xiàn)SiC車用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代。
車廠和零部件廠圍繞碳化硅的布局進(jìn)展,來(lái)源:搜狐汽車研究室
其中值得重點(diǎn)關(guān)注的廠商包括國(guó)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(chǎng)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(xiàng)目SiC獨(dú)家合作伙伴;與德?tīng)柛:献?,開(kāi)展汽車SiC器件研究;與ABB合作,推動(dòng)SiC器件進(jìn)入電力、機(jī)車牽引、新能源汽車領(lǐng)域;與宇通合作,推動(dòng)SiC在大巴車的應(yīng)用。產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)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(jì),比標(biāo)準(zhǔn)肖特基勢(shì)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(shì)。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(lái)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(kāi)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(chǎng)中,英飛凌以13.3%的市場(chǎng)份額位列全球市場(chǎng)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(dá)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(gòu)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(tuán)合作,成為FSAT項(xiàng)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(jì),在電源管理及射頻領(lǐng)域搶占市場(chǎng)先機(jī)。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(gòu)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(jìn)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(lái)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(jìn)在電動(dòng)汽車動(dòng)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(biāo)的場(chǎng)景應(yīng)用。平面MOSFET利用全新的第三代SiC技術(shù)平臺(tái),意法半導(dǎo)體為晶體管行業(yè)樹(shù)立了新的品質(zhì)因數(shù)(FoM)標(biāo)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(fēng)向標(biāo)事件。持續(xù)加大投資,擴(kuò)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(zhǎng)計(jì)劃,意法半導(dǎo)體計(jì)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(dòng)汽車的應(yīng)用,來(lái)源:羅姆官網(wǎng)
羅姆在SiC器件市場(chǎng)份額居于前三,重點(diǎn)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(chǎng)市場(chǎng)份額占比前三的國(guó)外傳統(tǒng)功率龍頭公司。通過(guò)在日本國(guó)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(qiáng)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(gè)型號(hào),該系列產(chǎn)品支持汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC_x0002_Q101,而且產(chǎn)品陣容豐富,擁有13個(gè)機(jī)型。
目前羅姆公司針對(duì)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(chǎng),目前已有多家客戶正進(jìn)行評(píng)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(duì)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(kāi)發(fā)8英寸SiC產(chǎn)品。
國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)碳化硅面臨的挑戰(zhàn)?
在中國(guó),現(xiàn)在量產(chǎn)純電動(dòng)汽車主驅(qū)模塊的僅有比亞迪、芯聚能和斯達(dá)、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(wàn)輛車,至今已交付近4萬(wàn)塊?;景雽?dǎo)體自2017年開(kāi)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(jì)、晶圓制造、模塊封裝、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等核心技術(shù),并建立了完備的國(guó)內(nèi)國(guó)外雙循環(huán)供應(yīng)鏈體系?;景雽?dǎo)體自主研發(fā)的汽車級(jí)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(diǎn),成為國(guó)內(nèi)第一批碳化硅模塊量產(chǎn)上車的頭部企業(yè)。
斯達(dá)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(xiàng)目,年產(chǎn)8萬(wàn)顆車規(guī)級(jí)全SiC功率模組生產(chǎn)線和研發(fā)測(cè)試中心;2021年3月宣布使用募集資金向全資子公司斯達(dá)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(xiàng)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(xiàng)目;此外積極布局蓬勃發(fā)展的新能源汽車市場(chǎng),斯達(dá)半導(dǎo)體宣布其SiC模塊與小鵬汽車達(dá)成合作,進(jìn)入其800V高壓平臺(tái),成長(zhǎng)空間廣闊;與Wolfspeed(CREE)合作開(kāi)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(lái),汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,各大廠商積極爭(zhēng)奪產(chǎn)能,并與汽車制造商展開(kāi)合作。表中列舉了一些廠商在電動(dòng)車主逆變器方面與第三方的合作情況。同時(shí),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(fēng)險(xiǎn)。例如,特斯拉與ST合作后,與onsemi和比亞迪合作,還有蔚來(lái)與wolfspeed的合作。
此外,汽車行業(yè)通過(guò)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(guó)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(gòu)買(mǎi)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(duì)碳化硅的未來(lái)非??春?。
國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)碳化硅市場(chǎng)總結(jié),來(lái)源:Trendforce
中國(guó)汽車市場(chǎng)對(duì)碳化硅的需求也在快速增長(zhǎng),許多國(guó)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(rùn)、芯塔等廠商專注于碳化硅市場(chǎng),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在汽車OBC中的應(yīng)用,或處于驗(yàn)證階段。
值得一提的是,碳化硅上車現(xiàn)在主要面臨兩大問(wèn)題:一是昂貴,二是供應(yīng)短缺,暫時(shí)只有60度電以上的車廠會(huì)考慮使用。隨著襯底和外延成本降低,這個(gè)閾值應(yīng)該會(huì)下降。2021年至2027年間,碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模和年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了30%。目前,碳化硅市場(chǎng)仍被國(guó)外巨頭所壟斷,如ST等,不過(guò)在中國(guó)已有三家公司量產(chǎn)電動(dòng)車所使用的都是進(jìn)口的碳化硅芯片。這些國(guó)際公司都有大規(guī)模的布局,比如英飛凌,它計(jì)劃到2027年碳化硅的產(chǎn)能增加10倍,銷售額達(dá)到30億美元??偨Y(jié)來(lái)說(shuō),碳化硅市場(chǎng)大有前景,但國(guó)產(chǎn)廠商還需要更多的努力來(lái)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(guó)際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇的汽車芯片分論壇上,來(lái)自廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司的CEO周曉陽(yáng)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(jì)和工藝的進(jìn)階。同時(shí)周曉陽(yáng)也特別解讀了特斯拉在其投資人會(huì)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(lái)的可能動(dòng)向。
周曉陽(yáng)將向大家詳細(xì)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(huì)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(dòng)向。周曉陽(yáng)認(rèn)為,盡管碳化硅目前市場(chǎng)供不應(yīng)求且價(jià)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(dāng)時(shí)的碳化硅成本較高,其提出的價(jià)格遭到多家企業(yè)拒絕。ST公司最后接受了這一合作,促進(jìn)了其在功率器件及碳化硅市場(chǎng)的占有率提升。
現(xiàn)在的實(shí)際情況是,全球車廠對(duì)碳化硅功率器件的需求遠(yuǎn)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(duì)于特斯拉聲稱要減少75%的碳化硅用量,主講者認(rèn)為這可能是指芯片面積,并提出了通過(guò)提高電機(jī)效率、功率密度和封裝技術(shù),以及增加母線電壓和改進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。周曉陽(yáng)認(rèn)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(jìn)一步降低,競(jìng)爭(zhēng)力將提高,市場(chǎng)應(yīng)用范圍也會(huì)進(jìn)一步拓展。這對(duì)碳化硅行業(yè)來(lái)說(shuō)是利好消息,將有助于推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。