紧抓最后时间“窗口” 车用碳化硅产业链“暗潮汹涌”

7月5日，瑞萨电子宣布与Wolfspeed达成晶圆供应协议。据悉，瑞萨电子将交付20亿美元定金，以获得Wolfspeed碳化硅（SiC）裸晶圆和外延片为期10年的供应，并将于2025年开始碳化硅功率半导体的规模化生产。
　　在有新能源汽车行业“风向标”之称的特斯拉宣布未来将大幅削减用量之后，碳化硅并没有就此跌落“神坛”。相反，随着全球特别是中国新能源汽车市场渗透率的快速提升，强劲的上车需求叠加巨大的产能缺口，这条“赛道”愈发呈现出欣欣向荣之势。
　　长约签不停 抢先锁定供应
　　罗兰贝格全球合伙人时帅指出，碳化硅元器件核心的优势突出。第一，能量损耗低，导通电阻可至少降低至原来的1/100，开关频率更快，电控系统效率可提高至99.5％；耐高压／耐高温，更易被击穿，可支持800V甚至1200V整车平台，带来更强的电气化功能支持以及更优的能耗；轻量化，尺寸可大幅减小至原来的1/10，因此功率模块体积更小、更紧凑。
　　更进一步来说，碳化硅的应用能够非常直接地提升新能源汽车的续驶里程。假设纯电动汽车逆变器的功率模块全部采用碳化硅元器件，整车续驶里程可增加5％～10％。此外，碳化硅的应用也是搭建高压平台（800V及以上）的前提条件，从而实现对超级快充功能的支持（4C及以上）；同时，还能带来更强大的智能化／电气化功能。
　　正因如此，汽车产业链上游的芯片企业和一级零部件供应商正在疯狂押注碳化硅，纷纷签署长期供货协议。日前，意法半导体和三安光电拟出资32亿美元（约合人民币228亿元）在重庆合资建造一座8英寸碳化硅外延、芯片代工厂。项目计划于2025年完成阶段性建设并逐步投产，2028年达产，规划达产后生产8英寸碳化硅晶圆1万片／周。同时，三安光电将利用自有碳化硅衬底工艺，单独建造和运营一个新的8英寸碳化硅衬底制造厂，以满足该合资厂的衬底需求。
　　今年5月初，英飞凌分别与国内碳化硅材料供应商天科合达、天岳先进签订长期协议，以获取高质量且具有竞争力的6英寸碳化硅晶圆和晶锭，预计两家公司的供应量都将占到英飞凌长期需求量的两位数份额。
　　这不应该解读为零星一两家企业采取行动的独立事件。今年2月，采埃孚与意法半导体达成碳化硅技术合作关系，将就此获得世界一流碳化硅技术供应商的长期协助；当月，采埃孚还与Wolfspeed建立战略合作伙伴关系，计划建立联合创新实验室，推动碳化硅系统和设备技术在出行、工业和能源应用领域的进步；4月，采埃孚宣布，自2025年起将从意法半导体采购碳化硅器件，集成到当年投入批量生产的新型模块化逆变器架构中。
　　今年5月底，纬湃科技与安森美宣布了一项长达10年的碳化硅产品供应协议，价值19亿美元；6月，其又与罗姆签署碳化硅功率元器件长期供货合作协议，双方在2024～2030年的交易额将超过1300亿日元。
　　在中科院战略咨询院产业科技创新中心汽车行业特聘研究员鹿文亮看来，碳化硅的生产工艺较难、产能较低、成本较高，供应很不稳定，这很有可能成为限制汽车行业大规模应用的关键因素。
　　从这个意义上说，产业链上下游的合作就变得更加不可或缺。通过合作可以显著加快产品投产速度，缩短交付周期，实现“以快取胜”；同时，长期供货协议的合作方式能保证整个供应链的稳定，形成互为配套、互为支撑的产业链供应链网络，进而不断满足高速增长的市场需求。
　　扩产增资 产业链联动加强
　　第三代半导体在新能源汽车领域的应用如雨后春笋般快速发展，其中碳化硅可谓独领风骚。有市场研究报告显示，基于新材料的各项特性优势以及新能源汽车的快速普及，未来5年内，平均在每两辆电动汽车中，就会有一辆采用第三代半导体元器件。这一市场发展趋势将使第三代半导体在电动汽车领域的使用量，于2027～2030年超过硅基半导体。
　　但不得不指出的是，现阶段，车规级碳化硅的产能远远不能满足实际的市场需求。安森美方面甚至表示，未来5～10年，碳化硅市场仍将呈现产品较为紧缺的状况，不会出现产能过剩。
　　为了避免有效产能与市场需求的错位，各大企业都在疯狂扩产，加速“跑马圈地”。记者了解到，意法半导体计划2024年将衬底的内部供应比率提升至40％，2030年实现50亿美元以上的碳化硅营收目标。英飞凌预计到2027年碳化硅产能将增长10倍，目标是在2030年占据30％的市场份额。安森美2022～2023年在碳化硅方面的资本支出将达到总收入的12％～20％，其中75％～80％将用于产能扩张。博世收购了美国加州芯片制造商TSI半导体的关键资产，将扩大其在美国的车用碳化硅芯片生产规模。SK公司表示，将投资1200亿韩元，成为韩国电动汽车碳化硅功率半导体公司YesPower Technix的控股股东，持有其95.8％的股份。罗姆计划到2025财年（截至2026年3月）最高向碳化硅功率半导体领域投资2200亿日元，这个数字已增至2021财年计划的4倍。Wolfspeed则宣布，将在德国萨尔州建设一座高度自动化、采用前沿技术的200mm晶圆制造工厂。据悉，该工厂不仅将是Wolfspeed在欧洲的首座工厂，也将成为全球最大、最先进的碳化硅元器件制造工厂。
　　2019年以来，国内也涌现出一批碳化硅企业。在由衬底、外延、器件和应用四大部分组成的碳化硅产业链中，衬底和外延占据最主要的价值，难度也最高。据不完全统计，国内从事碳化硅衬底研制的企业已超过30家，它们都在不断借助扩产、产业链布局、上市等方式抢占市场。
　　除上游企业的扩产、增资、合作之外，为寻求供应链稳定，下游车企与上游半导体厂商之间的关系也更为紧密。去年11月，湖南三安与某新能源汽车客户签署了长达四年（2024～2027年）、价值38亿元的碳化硅芯片大单。
　　进入2023年，车企纷纷与碳化硅厂商加强结盟，以获得长期的供货保证。有消息称，Wolfspeed将为梅赛德斯-奔驰供应碳化硅元器件，赋能其未来的电动汽车平台；安森美的碳化硅产品将用于大众下一代平台系列的车辆牵引逆变器解决方案；宝马也与安森美签下长期供货协议，宝马400V直流母线电动动力传动系统将采用安森美碳化硅技术解决方案；极氪智能科技宣布与安森美签署长期供应协议，进一步深化双方在碳化硅功率器件领域的合作关系。随着通用、福特、保时捷、雷诺等老牌车企纷纷跟进，行业内碳化硅使用者的名单将越来越长。
　　国内百舸争流但差距仍在
　　万众瞩目的第三代半导体材料碳化硅产业风潮正盛，力争成为汽车产业强国的中国，自然不能放弃这块新晋的技术高地。
　　不过，BelGaN公司首席执行官周贞宏直言，近年来国内对碳化硅的投入非常大，然而也非常零散。“这个市场竞争非常激烈，大部分没有规模、没有创新的公司，再过三五年可能很难生存下去。”他认为，现有的碳化硅公司未来仍需开展更多的国内和国际合作，通过合作、引进超前技术或实现创新，才能有机会从中小公司发展壮大起来。
　　多位业内人士也告诉记者，与行业内的国际巨头相比，中国碳化硅企业在人员、规模、技术方面都相对欠缺。时帅分析称，碳化硅作为半导体材料，整个产业链延续了半导体专业分工、各司其职的特点。其中，外资企业、创业公司更多聚焦碳化硅器件的设计与生产环节，车企更多从整车应用与集成层面做匹配，这些角色有机互动才能实现车端的有效搭载与应用，缺一不可。
　　目前，外资传统半导体巨头掌握了碳化硅元器件的最核心环节，即流片与生产，是行业的主导者，市场优势在于行业经验与产业链积累，它们筑起了很强的行业壁垒。国内碳化硅公司定位于元器件的生产，对标意法半导体和英飞凌，但整体都还在起步和探索阶段，竞争力仍然不足。
　　车企是碳化硅元器件下游应用的主体，需要从电驱／电控系统、整车平台的设计与集成方面出发，配合实现产品的上车与搭载，并基于碳化硅元器件优化整车性能，比如提供高压平台。当然，也有部分车企，从成本控制、供应安全性等角度，选择介入上游，但大多采用合作模式。大部分车企都是自研自产支持碳化硅的电控以及电驱系统，比如蔚来；或者是自建碳化硅最后模块的封装贴片产能，比如长城、比亚迪，车企距离能够自研自产碳化硅芯片的距离还比较远。
　　时帅进一步指出，国内有相当一部分市场参与者在布局碳化硅，但整体技术和产品成熟度与头部企业仍有很大差距，仅少数厂商进入了碳化硅元器件的主驱送样测试阶段，比如中国电子科技集团五十五所、清纯半导体、士兰微、瞻芯、爱仕特等。
　　在时帅看来，当前国内企业的卡点主要集中在：第一，芯片制造能力为核心短板。据介绍，碳化硅制造的瓶颈不在于制程多么先进，而是需要品质稳定、达到很低的导通电阻水平。国内目前碳化硅产能仍以二极管为主，远达不到主驱芯片要求的10～20毫欧水平。第二，产品良率很低，达不到量产要求。第三，车规级认证要求严苛，且车企对此类关键的安全类芯片更为谨慎，普遍要求更成熟的技术与工艺，因而国内企业还有很长的路要走。
　　集邦咨询分析师龚瑞骄认为，未来三年是碳化硅产业发展的关键期，中国企业应紧抓新能源汽车下游市场机遇，以应用驱动产品进步，提高国际竞争力。
　　合力突破成本和质量瓶颈
　　时帅判断，碳化硅元器件在汽车领域的应用范围包括主驱和OBC，以及基建侧的充电桩逆变器／变压器，核心在于对续驶里程的提升及800V平台支持下的快充，可带来显著的用户体验提升。他预计，到2025年，车端碳化硅主驱的渗透率可达20％～30％。
　　当然，挑战与机遇并存。而挑战主要来自于两个方面，一是生产成本高企。当前，一套碳化硅电驱模块成本价就达4000元，售价则在6000～7000元，这也是导致很多车企犹豫应用与否的主要原因。二是产品良率低，即便头部企业的技术也仍不成熟，良率仅50％～60％。相比之下，成熟的IGBT产品良率可以到90％以上。良率低就使得生产效率低下，同时也是产品成本高昂的主要原因。
　　鹿文亮也告诉记者，成本是影响碳化硅应用的重要原因。他打了一个比方，眼下IGBT与碳化硅的关系有点像电动汽车发展初期磷酸铁锂电池与三元锂电池的关系。早年间，电动汽车多使用磷酸铁锂电池，但当续驶里程提升遇到瓶颈，行业便开始倾向于三元锂电池。后来，成本变为比续驶里程更严峻的挑战时，车企又开始转回磷酸铁锂电池。目前，国内汽车市场上，磷酸铁锂电池的配装比例已超过60％。
　　“所以，未来碳化硅是不是应用越来越多、规模越来越大，主要看成本的下降程度。碳化硅的应用范围则主要取决于其与IGBT的价格差。接下来，很有可能是高端车特别是800V高压车型采用碳化硅元器件，而随着碳化硅与IGBT价格差距逐渐缩小，碳化硅的应用范围将从高端车型向低端车型渗透。”鹿文亮说。
　　时帅表示，从长远角度来看，中国碳化硅企业面临的机遇毋庸置疑。首先，市场发展潜力明确且巨大：新能源汽车推广早已是大势所趋，而碳化硅器件的优势明显，现在市场还在比较初期的放量阶段，而未来5～10年，随着技术进一步成熟、成本进一步下降，碳化硅对IGBT的替代将是持续加速的主旋律，因此行业增长空间广阔。
　　其次，存在国产替代的弯道超车机会。国外半导体厂商虽有一定的积累和先发优势，但整体国内外起步的差距没有其他半导体部件那么大，而且国内各类厂商也在积极布局和追赶，有希望依托国内成熟的新能源汽车产业链和最大的终端市场，实现第三代功率半导体技术的差距缩小甚至追赶。
　　此外，跨行业的应用协同潜力也不容忽视。除了汽车领域，碳化硅器件在光伏（比如逆变器）、智能电网（比如电子电气变压器）、储能（比如变器／转换器）、5G通信（比如基站射频模块）等行业也有广泛的应用潜力，因此具备较强的产业协同性与通用性。当汽车产业与这些行业相互协同，碳化硅的规模化发展前景将更加值得期待。