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“快充法宝”碳化硅

(相关资料图)

在动力电池已经卷至瓶颈时，要解决电车里程焦虑，快充和换电是当前最常见的两种解决之道，而快充的实现与碳化硅（SiC）这一宽禁带半导体材料商业化加速息息相关。

我们对半导体应该不陌生，但什么是宽禁带半导体材料？半导体之所以称为半导体，当然是因为它本身不导电，只是在一定的状况下才可以导电。而半导体之所以能在绝缘体和导体之间切换，是因为被原子核束缚的电子接受一定能量之后，可以从价电带迁移到导电带成为自由电子，从而导电。禁带宽度（即带隙）指的就是能使价电子脱离束缚的最小能量，因此禁带宽度越窄，半导体越容易在温度升高、受到辐射等情况下，成为导体；相反，禁带宽度越宽，半导体则需要更多的能量输入才能导电。

简单来说，禁带宽度是半导体的一个重要参量，华南理工大学电力学院教授王学梅解释，和传统半导体材料相比，更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压、辐射条件下与更快的开关频率下运行，因此业内现在的共识是，宽禁带半导体材料如碳化硅有“无可比拟的电气性能”，在大功率、高频电子元器件等领域有广泛应用的空间，比如在移动通信、智能电网、高速轨道交通等行业。

不过受限于技术、成本等因素，碳化硅在过去40余年中大多数时间坐于“冷板凳”，仅应用于部分工业、光伏等场景，市场规模并不大。直到碳化硅开始“上车”。

新能源汽车之所以能成为碳化硅目前应用的主要领域，也要拜特斯拉所“赐”。2018年，特斯拉首次在其高续航版Model 3的主驱逆变器中采用了碳化硅芯片，不仅验证了碳化硅的确能用在汽车上，还顺便打破了快充的天花板，其他车厂不得不迅速跟随，产业需求随之拉动。

业内人士告诉记者，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，最高可以30分钟内充电80%，较其上代车型提高了一倍。传统硅器件在高压下容易被击穿、短路，功率损耗也大，而碳化硅制成的功率器件能承受650-3300伏的电压冲击。从测试数据来看，800伏高压平台的车型，采用碳化硅器件后总体效率可提高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传统硅基器件的十分之一，因而还能降低电驱系统的体积和重量，意味着新能源汽车电池体积更小、重量更轻。

截至目前，保时捷、比亚迪、蔚来、小鹏、吉利、现代等中高端车型都已在电驱中采用了碳化硅器件。根据集邦咨询数据，2022年全球碳化硅功率元件市场规模达亿美元，预计2026年将增长到亿美元；但是观察来看，现今碳化硅的大规模上车阻碍颇多，首当其冲的便是产能。

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产能有限，国际大厂押注中国市场

从市场自主的反应我们往往能窥得最真实的发展脉络。最近一则合资建厂的消息在国内碳化硅产业链中引起大量讨论：意法半导体(STM)将和三安光电股份有限公司（下简称三安光电）在重庆建立一座8英寸碳化硅器件合资工厂，总投资32亿美元，其中包括未来5年的资本开支24亿美元。预计该合资项目将于2025年第四季度投产，于2028年全面建成。

在全球供应链安全风险高企的背景下，两家公司合作显然是在市场驱动下做出的谨慎决策——一个有接近中国市场的需求，另一个有足够的产能和对国内新能源主机厂的熟悉度，意法半导体选择与三安光电合作而非自建也是必然。毕竟在供需不平衡的市场中，谁先抢得先机谁就掌握主动权。

意法半导体是全球重要的电子元器件厂商，在MCU、模拟芯片和传感器等领域有着完整的产品组合，其产品广泛应用于计算、消费电子、IoT和智能汽车等领域。

而在碳化硅器件领域，意法半导体更是欧洲有名的大厂，在全球碳化硅器件市场中，瓜分走超40%的市场份额，位居第一；不过在中国，意法仅有一家位于深圳的封测厂，主要专注后端产能，最重要的衬底（芯片最底层的载体）制作研发均在欧洲。

三安光电则是国内为数不多的，具备长晶、衬底制作、外延生长（一种制备高质量碳化硅薄膜的技术）、芯片制备、封装的全流程生产能力的一体化厂商，其湖南三安工厂去年一期6英寸晶圆产能已经达到20万片。最重要的是，三安光电的产品已经得到国内新能源主机厂认可，公司去年的年报显示，湖南三安与理想汽车2022年合资成立的苏州斯科半导体规划年产240万只碳化硅功率模块，现正处于设备安装调试阶段。

三安光电产业布局 图源：企查查

有半导体业界人士私下形容“三安光电之于意法半导体，犹如富士康之于苹果”，和意法合作将有助于三安光电确立碳化硅晶圆代工市场的优势地位；而意法亦将更接近中国市场，获得可靠的产能保障。

今年3月，特斯拉曾在股东大会上抱怨过碳化硅的价格昂贵和产能不足，并放话要在不影响汽车性能或效率的前提下，“减少该部件75%的用量”。这一说法最初被市场理解为对碳化硅的逐步放弃，事实上，特斯拉并非真的要大幅减少碳化硅器件数量，而是指要通过技术迭代，将芯片面积和总成本降低，以应对碳化硅产能有限的困境。

浙商证券分析师施毅在研报中算过一笔账，一个新势力电车品牌月销3万台汽车，如果主驱动、车载充电器、空调压缩机等都使用碳化硅器件，可能每月就需要近6000片6英寸碳化硅晶圆，需求量极大。

到2027年，全球应用于电动汽车领域的碳化硅衬底数量将达到140万片 图源：Yole数据

因此，扩产成了今年产业链共识。积极锁定上游碳化硅衬底产能的不止意法半导体。七月初汽车半导体头部供应商之一瑞萨电子，宣布与国际碳化硅大厂Wolfspeed签订了一份为期10年的碳化硅晶圆的供应协议，以高达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；市场占比排第二的英飞凌也在今年5月与中国碳化硅供应商北京天科合达签订了长期供货协议，根据协议天科合达将为英飞凌供应用于生产碳化硅半导体的6英寸碳化硅衬底和晶锭。

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未解之题

从国际大厂的布局可以看出，中国“超大芯片市场”的地位短期内不会改变，大幅扩产的成果也将在未来3至5年间得到验证；但是，碳化硅生产技术本身的挑战依然存在，且短期内除了做大晶圆尺寸外并无法可解。

碳化硅之所以无法像硅晶体一样快速扩产，最重要的技术原因在于其结晶技术对良率的限制。王雪梅教授讲解中提到过，碳化硅粉未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，良率就会出现问题。目前，全球碳化硅大厂的良率也仅为50%-60%，尽管业界都在研究如何加快晶体的生长速度，但目前没有看到较好的改进办法。

在不良率高企的情况下，为了降低成本，更多厂商选择不断突破晶圆尺寸。一般来说，碳化硅衬底尺寸越大，能够切割的芯片越多，成本也就越低，这也是厂商纷纷冲击8英寸晶圆的原因。

但是8英寸衬底的制造对制备工艺要求更高，温度、压力稍有控制失误就可能导致碳化硅材料各类参数出现误差。如今国内碳化硅厂商基本还是以6英寸碳化硅晶圆为主，国际大厂虽然都在积极推进8英寸晶圆产线建设，但现阶段仅Wolfspeed一家步入量产，且实际进展缓慢。

Wolfspeed曾预计，伴随着尺寸扩张带来的规模效应以及自动化产线带来的相关成本的降低，至2024年，8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于去年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%，这将持续推进碳化硅产品的降价，从而打开应用市场。

碳化硅单晶衬底正向8英寸进化 图源：天岳先进

国产替代也是另一个市场关注的重点。从规模、工艺、企业市值和盈利能力等角度看，中国半导体的确存在明显不足，但国内较为完备的碳化硅产业生态，决定了我们在碳化硅领域与国际先进水平的差距并不算大。

施毅指出，在汽车领域，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出现，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主场，但是市场所在往往会决定技术进步的落点，“中国仍是全球最大的新能源汽车市场，这给了国内厂商技术升级迭代的好机会，未来在产业政策的支持下，国内厂商有望实现一定突破”。