碳化硅是实现高压快充的利器，但结晶技术瓶颈局限了产能，电动车何时不再里程焦虑？
7月3日，广汽埃安旗下高端车型——昊铂GT正式上市，号称中国第2000万辆下线新能源汽车。昊铂GT称，其采用800伏高压快充解决方案，可实现充电15分钟、续航450公里。
“里程焦虑”是新能源汽车的先天短板，也是人们在购买决策上从燃油车转向电动车的一大顾虑。为治愈用户的这一心结，各大新能源车企不遗余力，官宣的电池容量和里程数据节节攀升，难免令人忧其“水分”。而在当前大部分纯电动汽车官宣达到电池容量50—80千瓦时、续航里程400—600公里后，征服用户的关键则在于充电效率——看谁能在最快时间内充够电量。
在充电桩电流既定的情况下，电压越高、充电速度越快。目前，电动汽车电压平台普遍为400伏，车企的目标是将电压平台提升到800伏甚至更高，这样充电速度大幅加快。信达证券预计，2025年，全球800伏架构新能源汽车销量或达370万辆。据市场调研机构Counterpoint统计，2022年全球新能源汽车销量约在1020万辆。Counterpoint研究副总监Brady进一步预测，2023年，全球汽车领域碳化硅应用规模为23亿美元，到2026年将增长到40亿美元。
碳化硅（SiC）是实现800伏及以上高压快充平台的“秘诀”。碳化硅是一种宽禁带半导体材料，由二氧化硅和碳在2000摄氏度以上的高温下化学合成。用碳化硅制造的功率器件能承受650—3300伏的电压冲击，而传统硅器件在高压下容易被击穿、短路，功率损耗也大。从目前行业测试数据看， 800伏高压平台的车型，采用碳化硅器件总体效率可提高5%到10%——即同等电池容量，采用碳化硅器件的汽车续航可增加5%到10%。此外，同等性能的碳化硅器件尺寸约为硅器件的十分之一，因而还能降低电驱系统的体积和重量。
2018年，特斯拉首次在高续航版Model 3的主驱逆变器中采用碳化硅芯片。Brady对财新回忆称，高续航版Model 3最初是400伏电压平台，2018年采用碳化硅芯片之后，可以30分钟充电50%—80%。“虽然现在这个充电速度不算快，但当时相较上代车型提高了1倍。”此外，碳化硅芯片让特斯拉的电池体积更小、重量更轻，功耗降低。
随着特斯拉Model 3打破快充“天花板”，其他车厂如不快速跟进，无疑坐等淘汰。2020年，比亚迪电动车型“汉”高配版搭载了碳化硅模块，是国产汽车首款采用碳化硅的车型，官方也称将功率密度提升了1倍。截至目前，蔚来、小鹏、保时捷、吉利、现代、广汽等中高端车型都已在电驱中采用了碳化硅器件，主打“充电一二十分钟、续航数百公里”。据财新了解，上述广汽埃安昊铂采用的就是基于碳化硅模块的快充方案。
但整体来看，国内车企尚未大规模应用碳化硅器件，原因一是碳化硅器件贵，比如主驱芯片，用碳化硅去做要比传统芯片价格高3—5倍；二是碳化硅产能不足，许多车企买不到足量的碳化硅芯片。
碳化硅生产技术本身的挑战，限制了产能迅速扩张。Brady介绍，碳化硅粉末须在高温生长炉里汽化，之后通过不同梯度的降温使之结晶。温度降得快、生长速度快，但良率会出现问题。尽管业界都在研究如何加快晶体的生长速度，但目前没有看到很好的改进办法。此外，碳化硅代工厂的工艺、产线良率也影响扩产。目前，全球碳化硅大厂的良率也仅为50%—60%。
产能瓶颈下，国际车厂纷纷与国外碳化硅大厂进行产能绑定，全球碳化硅供应链大厂能卖给中国企业的衬底、芯片数量受限，而国内的技术能力和产能仍需时日。中科创星董事总经理卢小保以理想汽车举例，理想汽车6月销量3万多台，如果全部都用碳化硅器件，可能每月就需要5000多片6英寸碳化硅晶圆，而当前国内没有任何一条碳化硅产线，可以每月提供这么多碳化硅晶圆。
在当前国内外高科技“脱钩”、供应链安全等风险高企的环境下，碳化硅供应链国产替代也成为中国资本市场关注的风潮。卢小保认为，中国的碳化硅产业链虽与国际先进水平技术上仍有差距，但已“能用”。半导体没有黑科技，都是磨出来的。当前国内碳化硅产业链，技术人才、资金、客户需求（场景）以及供应链都比较完备，来自国外的“卡脖子”风险只会加速国产替代。
碳化硅已发展了40多年，此前一直应用于工业、光伏等场景，受限于技术、成本等因素，市场规模并不大。特斯拉验证了碳化硅确实能用在汽车上，产业需求随之被拉动起来。
一名碳化硅产业的资深人士向财新透露，特斯拉早在2015年前后就开始做碳化硅模块的研发测试，最终能在2018年规模“上车”，原因之一是欧洲碳化硅大厂意法半导体给出了在当时看来“前所未有的低价”。即便如此，碳化硅主驱器件仍比传统硅器件贵几倍。Brady认为，特斯拉最初走高端路线，规划新车型在中国售价在50万元左右，要对标宝马、奔驰，所以有动力采用效率更好但更贵的碳化硅器件。
在特斯拉采用碳化硅之后，同行迅速觉察到风向。奔驰、宝马、大众、丰田等厂商纷纷与意法半导体、英飞凌等全球碳化硅大厂签订合作协议，锁定产能。
从意法半导体的订单数可以一窥车厂对碳化硅的热情。意法半导体向财新介绍，目前其碳化硅器件全球市场份额超过50%，已和85家客户签下了约130个碳化硅项目，其中约60%是汽车项目，应用在超过500万辆乘用车上。
目前，在汽车领域，碳化硅主要应用于主驱逆变器、车载充电器、电源转换系统等。中国的碳化硅厂商主要在车载充电器、电源转换系统等场景“上车”；而技术门槛更高、市场规模更大的主驱场景，几乎是意法半导体、英飞凌、罗姆、安森美四家国际公司的天下，难见国产碳化硅厂商的身影。
国产碳化硅厂商也在“曲线”上主驱。2016年在深圳创立的碳化硅企业“基本半导体”，最早从工业电源类产品起家，之后进入充电桩、光伏、储能等行业。2018年，基本半导体开始研发应用于主驱的碳化硅器件。2022年11月，该公司与日本碳化硅大厂罗姆达成战略合作协议，共同开发应用于汽车主驱市场的碳化硅模块。目前，该公司已获得多家车厂的20多个车型定点。“有些客户的车在2023年批量出货，还有一些将在2024年以后大批量出货。” 基本半导体总经理和巍巍对财新称。
“现在主驱场景下，国内器件厂商买意法半导体、罗姆等碳化硅芯片，封装之后再拿去车厂测试，其实是主流。不是说国内没有自研的碳化硅芯片，而是车厂出于安全性考虑，需要长周期的测试。即便国产碳化硅芯片也通过测试了，车企对于没有大批量应用过的芯片仍有不信任情绪。”一名碳化硅行业资深人士直言，“有海外经过大批量验证的先进芯片，谁敢下决策用国产的？一旦批量生产出了问题，谁担责？”他透露，国内最追求性价比和自主产业链的某头部车厂，当前也是购买德国汽车零件供应商博世的碳化硅芯片，再封装成主驱模块。
在一名国产碳化硅器件厂商高管看来，国内碳化硅厂商大批量做车规级功率器件的经验还不足。他坦言，其所在团队曾与车厂交流，车厂要求0 PPM（百万分之一）的缺陷率，也就是说100万辆车里一个都不能坏，“至今我都很困惑，这怎么实现？”他认为，在车规级测试中，很多坑可能需要踩过一遍才知道，国产碳化硅厂商的成长需要时间。
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多名碳化硅行业人士预计，由于新能源车开发、验证周期普遍要一两年，大多数国产厂商自研的碳化硅芯片规模上汽车主驱的时间点大概要到2025年前后。
国产碳化硅厂商积极布局之际，国际大厂亦在加码“上车”。6月7日，意法半导体声明称，已和中国化合物半导体企业三安光电（ 600703.SH ）签署协议，双方将于重庆新建一个8英寸碳化硅器件合资工厂，总投资32亿美元，其中未来五年的资本开支为24亿美元。据财新了解，该工厂建成后将主要给特斯拉供货。
和巍巍认为，新能源车使用碳化硅器件是大势所趋。在800伏高电压下，若按一辆车采用碳化硅器件之后提高5%的效率来计算，整车系统成本可以下降三四千元，完全可以弥补碳化硅器件与传统硅器件的价差。车厂算得过来这笔账之后，碳化硅会加速“上车”。他估算，假设2025年国内新能源汽车销量达到1500万辆，售价20万元以上的中高端车型采用碳化硅芯片，那么大概是40%的渗透率。每辆车的碳化硅芯片模块成本大概是3000元，这意味着碳化硅仅在汽车领域市场规模就高达百亿元。
也有声音担忧碳化硅“上车”操之过急。“现在碳化硅概念有营销因素。对于车企，续航里程长、充电快是卖点。大家旗舰车型都在搞碳化硅，你不搞就被人比下去了。问题是，即便特斯拉在主驱应用碳化硅器件的时间也只有五年，车规级碳化硅产品可靠性仍需更多周期来检验。”一名半导体国资投资人向财新指出。
碳化硅当前的结晶技术，决定了其很难像硅晶体那样快速扩产。目前，碳化硅晶体生长速度仅为0.2—0.5毫米/小时，7天才能生长2厘米左右，最高仅能生长3—5厘米；而硅晶体72小时即可生长至2—3米。更重要的是，碳化硅衬底对晶体的要求高，需要严格控制硅碳比、生长温度梯度及气流气压等参数，才能生长出理想晶体。稍有差池，生长出来的晶体就可能无法使用。
碳化硅产业链包括上游的衬底、外延，中游的器件设计、制造及封测，下游的模块应用等主要环节。衬底俗称“裸晶圆”，是芯片最底层的载体，没有衬底犹如作画没有底层的白纸，因而衬底的产能是碳化硅器件规模化应用的基础瓶颈。
“大家都在抢衬底。”前述半导体国资投资人说，“Wolfspeed这种国际一线大厂的优质衬底还是买不到；国内天岳先进（ 688234.SH ）、天科合达这种二线厂的衬底能买到，但交期也很漫长，它们的产能也被英飞凌等大厂包了不少。预计未来一两年，碳化硅衬底仍处于供不应求的状态。”（相关厂商企业资料、产能计划，见财新数据通《【数据深阅读】碳化硅国产供应链待突破 哪些中国厂商在布局？》）
在3月的特斯拉股东大会上，特斯拉车辆动力总成负责人Colin Campbell表示，碳化硅是非常好的半导体，但是价格昂贵并且难以大规模生产，因此特斯拉将在不影响汽车性能或效率的前提下，减少该部件75%的用量。多名半导体行业人士认为，特斯拉此番表态并不是要大幅减少碳化硅器件数量，而是通过碳化硅器件的技术迭代升级，将芯片面积和总成本降低。从特斯拉的抱怨可以窥见碳化硅产能有限的窘境。
几乎所有的碳化硅衬底厂商都在大幅扩产，中游厂商则纷纷向上游厂商签合约锁定产能。美国时间7月5日，汽车半导体头部供应商之一瑞萨电子，宣布与Wolfspeed签订了一份为期十年的碳化硅晶圆的供应协议。瑞萨已向Wolfspeed支付了高达20亿美元的定金，锁定了其仍在扩建的位于美国北卡罗来纳州工厂的产能。Wolfspeed此前曾表示要将现有碳化硅产能扩大10倍。
在国内，三安光电、天岳先进、天科合达等厂商也在加速扩产。以三安光电和意法半导体在重庆的合资工厂为例，规划达产后每周生产8英寸碳化硅晶圆1万片。以此计算，该工厂年产能超过50万片。三安光电还将在重庆设立全资子公司，为合资公司供应衬底。该项目总投资70亿元，其中注册资本为18亿元，湖南三安以自有资金分期缴纳出资，首期出资5亿—10亿元。达产后规划年产8英寸碳化硅衬底48万片。此外，三安光电2020年成立的子公司湖南三安碳化硅一期6英寸晶圆年产能已达到20万片，二期将于年底开通，通线后两期产能合计为50万片。
据国泰君安研报统计，2022年，全球主要厂商等效6英寸碳化硅衬底产能为218.5万片，到今年底，这一数字将达到357.8万片，同比增长64%。国泰君安预计，到2026年，这一数字将增长至839.2万片。
三安光电向财新测算，假设2025年全球新能源车销量为2000万辆，中档车以上会采用碳化硅，届时碳化硅缺口将达到150万—300万片等效6英寸晶圆。“大家虽然都有扩产，但固定资产投入、有效产能达标的并不多，中低端碳化硅可能出现结构性过剩，但高端碳化硅仍会稀缺。”三安光电称。
无论硅还是碳化硅，衬底的尺寸越大，能够切割出来的芯片越多、成本越低，而晶圆尺寸的扩大依赖于技术突破。目前，碳化硅衬底直径多为4英寸、6英寸，8英寸制备工艺仍不成熟。而硅衬底8英寸、12英寸的制备工艺都很成熟。
为降低碳化硅成本、提升芯片产能，包括Wolfspeed在内的国际碳化硅大厂正不断深入8英寸工艺。据Wolfspeed的资料，相较于6英寸碳化硅衬底，8英寸碳化硅衬底可以生产的芯片数从448颗增加至845颗，增幅为75%。美国碳化硅衬底厂商GTAT公司预计，8英寸衬底的引入，将使整体碳化硅器件成本降低20%—35%。
但随着衬底产线向8英寸工艺迈进，其生长难度亦呈几何式增长，温度和压力的控制稍有失误，就有可能导致碳化硅材料的微管密度、错位密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等参数出现差错。
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除了衬底质量、良率待进一步提升优化，器件制造环节也并非一蹴而就。卢小保向财新解释，碳化硅产线扩产需要增购设备，而设备一般有半年的交货周期，甚至个别设备都买不到。产线建好之后，工艺的拉通、磨合、改善以及良率的提升，通常需要半年到一年时间。在产线拉通、产品产出达标后，还要给客户送样、客户验证，尤其车厂验证周期基本上要一年，再逐步放量。所以一个新厂从确定建设到产品规模出货，没有三四年是做不到的。
“很多创业公司动不动就讲建设产线，产能一个月几万片甚至10万、20万片。其实产线一旦开了，各项开支巨大，在没有真正客户需求时，大家谁也不敢真正地上产能。而站在客户角度，你没有可靠的产能保障，没有合格的出货历史数据，谁也不敢轻易把大单给你。”卢小保称。
中国的碳化硅产业起步于2000年左右。2016年起，国家将第三代半导体提升到新的政策高度。2016年7月，国务院推出了《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》，首次提到要“加快第三代半导体芯片技术与器件的研发”；2019年11月，工业和信息化部印发了《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中碳化硅外延片、碳化硅单晶衬底等第三代半导体产品进入目录；2021年8月，工信部又宣布将碳化硅复合材料、碳基复合材料等，纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。
地方政府对碳化硅项目的支持也纷纷落地。据民生证券统计，2018年，国内碳化硅相关投资项目签署额仅50亿元，到2020年这一数字就达到了463亿元，其中接近九成项目有地方政府投资或补贴。
在产业政策支持下，国内碳化硅产业链各个环节都有企业在布局。卢小保分析称，在碳化硅供应链里，衬底价值是最高的，其次是制造。在衬底领域，国内天科合达、天岳先进两家较为领先，技术水准和产能跟国外差距都不算大，同光、烁科等企业也在努力进步。衬底行业技术门槛高、规模效应明显，格局初步稳定。在制造领域，代工厂主要比拼的是设备能力、流程管控、人员素质三方面能力，要求的是性能够好且成本更低，更关键的是产品质量的稳定性。国内也有很多碳化硅的工艺产线在建设，比如上华、积塔、中芯集成（ 688469.SH ）等。长期来看，体系能力更强的代工厂会更有竞争力。
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5月3日，英飞凌宣布与天科合达、天岳先进达成6英寸碳化硅晶圆衬底供货协议，长期目标是天科合达、天岳先进的供货占比达两位数。英飞凌还表示，未来将在8英寸领域与天科合达有合作。“尽管两家厂商为英飞凌供应的衬底可能只是应用于低端产品，但至少说明国产衬底受到国际大厂的认可，是可以用的。”一名北京的半导体行业人士称。
单点布局之外，国内还涌现出了衬底、外延、制造、设计一体化的厂商。比如三安光电起家于LED灯芯片，2014年就在厦门投资建设了4英寸晶圆试产线，最初只有外延芯片生产，此后不断扩张，2020年以3.82亿元对价收购了北电新材，解决了原材料问题，形成了从衬底、外延、芯片设计、制造、特种封装的全产业链布局，月产能约为2000片。目前其主要的碳化硅产能位于湖南三安。2022年报显示，湖南三安具备长晶、衬底制作、外延生长、芯片制备、封装的全流程生产能力，碳化硅年产能已经达到20万片，湖南三安二期工程将于2023年贯通，达产后两期年产能将达到50万片。
和巍巍认为，国外的功率半导体大厂基本都是IDM（垂直整合制造）模式。IDM模式前期投入大，但产线调通之后，无论从产品更新迭代还是成本、效率提升的角度，都具备长期的优势。而无晶圆厂、仅设计公司的Fabless虽然避免了前期重资产投资，但是也存在产能、工艺迭代等问题。目前，国内碳化硅设计公司很多，代工厂产能紧俏，不少碳化硅企业都去中国台湾的晶圆厂汉磊去代工。
IDM模式现在较受资本追捧。上述国资半导体投资人对财新介绍，随着天岳先进2022年1月成功登陆科创板，碳化硅赛道越发狂热，很多碳化硅公司基本是两三个月就融资一轮。业内某Fabless初创公司估值两个月翻了一番。不过，从2022年下半年开始，一级市场投资人更为务实，资本偏好也从能够快速设计出产品、委外加工的Fabless模式，转向能够控制上游材料成本的IDM模式。
一名钻研碳化硅多年的学者对财新称，IDM模式需要“顶级配置”，不适合创业公司。“一方面是资金配置高，一开始就得投10亿元，每年还得至少投1亿元运营；一方面创业公司的产品是否有竞争力、技术水平能否及时迭代，把产线填满?”他认为，未来，在中国的碳化硅产业，一定是“Fabless+代工厂”和IDM共存的局面。
卢小保直言，IDM模式更多是算经济账，追求规模效应。国外IDM大厂是各个环节都做到了90分，才能最终生产出95—100分的产品；如果各环节做不到90分，甚至还有环节是70分，最终可能生产出来的只能是60—70分的产品。
Brady表示，中国在碳化硅产业链条上布局较为全面，虽然目前较国际先进水平还有差距，但差距并不像硅产业链那么大。更重要的是，市场在哪里，技术就有机会在哪里生根。中国是全球最大的新能源汽车市场，这给了中国碳化硅厂商成长机会。他预计，三五年内，中国碳化硅产业有机会实现跃升，并在汽车领域追赶国际大厂。
上述学者则认为，整体来看，中国现在的碳化硅产业水平相当于Wolfspeed在2020年左右的水平，某些公司有望在2023年接近Wolfspeed的水平。一些碳化硅芯片的关键生产设备目前仍存在被“卡脖子”的风险，比如高能的离子注入机，目前只有美国的两家厂商能做，国产厂商虽然也有样机在实验，但还无法量产，要走到真正的“能用”仍有一定距离。不过，国产碳化硅设备厂商近几年技术进步速度很快，加上国产碳化硅代工厂给了它们更多机会，预计未来几年内会看到突破。
本文转自于 财新网
