碳化硅不“香”了？
文库划重点：随着AI、5G通信、新能源汽车等技术的发展，氮化镓功率器件在速度、效率、耐高温等方面均优于传统硅器件，在功率系统领域具有广泛的应用前景。到2027年，氮化镓功率器件市场规模有望达到20亿美元，而2021年仅为1.26亿美元......以Model 3为例，一辆Model 3使用48颗碳化硅器件，而碳化硅器件价格大约是硅器件的3-5倍，减少碳化硅的用量可以实现制造成本的下降。
自从特斯拉宣布旗舰车型Model 3将搭载意法半导体的碳化硅功率器件之后，碳化硅就一夜成名，成为了各大企业争相追逐的新趋势。目前，碳化硅已经毫无疑问地成为了新能源汽车的标配。可就在近日，在特斯拉的历史首次“投资者日”活动上，却爆出重磅消息，特斯拉的下一代平台将减少75%的碳化硅使用，此举引起了业界轰动和广泛讨论，莫非碳化硅要成也特斯拉，败也特斯拉了？
特斯拉高管在“投资者日”活动上宣布 将碳化硅使用量减少75%
特斯拉找到了新捷径？
究其根本，问题还是出在成本上。在“投资者日”活动上，特斯拉表示，2022年Model 3的成本已经降低了30%，但下一代汽车的生产成本还将降低超过50%。而降低驱动单元的造价就是其中的关键一环。据了解，特斯拉可以通过碳化硅器件、电池等多个方面的技术优化，将驱动单元的成本降低约1000美元，并且表示即便减少了75％的碳化硅器件用量，依旧不会损害汽车的性能或效率。
乍一看，特斯拉像是想舍弃碳化硅技术，其实不然，特斯拉只是觉得碳化硅晶体管成本太高且晶圆尺寸很难扩展，同时也担心碳化硅器件的产能供应问题。所以，特斯拉将不断提升自身的碳化硅研发技术，优化功率模块设计，从而减少碳化硅器件用量。
SwissSEM Technologies AG公司CTO Arnost Kopta也表示，碳化硅MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）的整体性能优于硅IGBT（绝缘栅双极型晶体管），这是一个不容争议的事实。但是，与IGBT相比，由于原材料、加工和产量等因素，碳化硅目前的总成本仍然较高。碳化硅的一些优势也难以被充分利用。因此，碳化硅MOSFET和硅IGBT这两种主要器件将共存很长时间，市场份额会根据系统的总成本来划分，且随着时间的推移，市场会变得更加成熟。
2021年-2027 年（预测）碳化硅功率器件各细分领域市场占比。数据来源：YOLE
赛迪顾问新材料产业研究中心副总经理李龙表示，在特斯拉的发展战略中，降低单车成本无疑是实现扩大电动汽车市场份额这一目标最有效直接的手段，并且特斯拉希望将下一代电动汽车的生产成本再降50%。特斯拉是全球首家在电动汽车上使用碳化硅器件的车企，所采用的是意法半导体的碳化硅MOSFET器件。以Model 3为例，一辆Model 3使用48颗碳化硅器件，而碳化硅器件价格大约是硅器件的3-5倍，减少碳化硅的用量可以实现制造成本的下降。
2022年特斯拉全球交付量约为131万辆，增长约40.9%，而特斯拉交付第四个100万辆仅用了7个月时间。特斯拉希望2030年年产量达到2000万辆，这就意味着，未来几年，特斯拉电动汽车的年产量增速需要保持在40%左右。按照每3辆车消耗1片6英寸碳化硅晶圆测算，2022年特斯拉大约消耗了43.6万片，而目前全球6英寸碳化硅总产量约为60万片，再考虑其他车企和汽车外其他应用领域对碳化硅的需求，碳化硅供给压力较大。
氮化镓将成为新趋势？
相较于碳化硅被特斯拉“背刺”，同为宽禁带半导体代表的氮化镓却得到了汽车芯片大厂的青睐。就在特斯拉召开投资者日的同一天，汽车芯片龙头企业英飞凌宣布，以8.3亿美元收购氮化镓功率半导体制造商GaN Systems，意在加强其氮化镓产品组合，进一步巩固英飞凌在电源系统领域的地位。目前，双方已签署最终协议。
2021年-2027年（预测）氮化镓功率器件各细分领域市场营收。数据来源：YOLE
据了解，GaN Systems是专注于氮化镓功率半导体的厂商，可以满足包括消费电子、数据中心服务器、电源、可再生能源系统、工业电机和汽车电子等领域的产品需求。英飞凌首席执行官Jochen Hanebeck表示：“氮化镓技术的突破正在为节能减碳提供全新的解决方案。氮化镓技术在移动充电桩、数据中心电源、住宅太阳能逆变器和电动汽车车载充电器等应用中的采用正盛，市场增长迅猛。收购GaN Systems将显著加速英飞凌的氮化镓技术路线图。”
随着AI、5G通信、新能源汽车等技术的发展，氮化镓功率器件在速度、效率、耐高温等方面均优于传统硅器件，在功率系统领域具有广泛的应用前景。市场调研组织Yole预计，到2027年，氮化镓功率器件市场规模有望达到20亿美元，而2021年仅为1.26亿美元。电动汽车将成为氮化镓功率器件的下一波增长点，预计到2027年，氮化镓功率器件在电动汽车的市场规模将超过2.27亿美元，2021—2027年年复合增长率将达到99%。
“新能源汽车中的部分应用场景对于电压的需求在650V~1000V，因此，新能源汽车领域也成为了碳化硅和氮化镓的主要竞争领域，例如电源驱动、车载充电OBC以及车载DCDC。”复旦大学工程与应用技术研究院研究员雷光寅向《中国电子报》记者介绍到。
从商业领域看，碳化硅和氮化镓的潜力市场均主要集中在新能源汽车电力电子器件。预计到2025年，全球应用于新能源汽车的碳化硅和氮化镓电力电子器件市场规模有望超过25亿美元。李龙表示，碳化硅在新能源汽车领域的市场优势主要体现在提升续航里程和减少电源转换系统体积等，而氮化镓在新能源汽车领域的应用预计在2025年前后逐步开始铺开，其主要市场优势体现为大幅缩短新能源汽车的充电时间，以及减少电源转换系统体积等。
虽然，在新能源汽车领域，碳化硅的市场应用仍更胜一筹，但是随着中低压氮化镓技术不断成熟，竞争力不断提升，将大大加速氮化镓在新能源汽车领域的生态发展。据了解，全球功率器件约68%的应用在0~900V的区间，该电压区间也是氮化镓的主要适用领域。据测算，全球氮化镓功率器件的潜在市场规模约300亿美元。未来，中低压氮化镓功率器件将有望在消费电子、汽车、工业等领域中焕发更大的活力。
尽管近期氮化镓在车用市场确实有所突破，一些供应商已经开始与车企合作验证产品。但TrendForce集邦咨询分析师龚瑞骄指出，从整体来看，由于可靠性等原因，当前氮化镓车用市场仍不成熟，短期内将以车载充电器（OBC）作为突破点，这几年可能会有小批量渗透，在400V系统中与碳化硅形成一定竞争，但在800V系统，氮化镓还做不到。
碳化硅不会昙花一现
尽管特斯拉减量碳化硅一事闹得沸沸扬扬，但其他企业间关于碳化硅的合作其实依旧频繁。汽车方面，安森美与大众汽车签属战略协议，为大众汽车提供Elite碳化硅1200V主逆变器功率模组，另外该系列产品也被起亚汽车选中，用于EV6 GT车型，还与宝马达成长期供应协议，为其提供碳化硅芯片；而Wolfspeed与奔驰深化合作关系，提供其电动汽车所需的碳化硅功率器件。再生能源方面，安森美也与Ampt合作，提供太阳能与储能系统优化器所需的碳化硅MOSFET；而英飞凌的Cool碳化硅已导入台达电的双向逆变器中，应用于太阳能发电、储能、电动汽车充电三合一系统，另外也助力布鲁姆能源的燃料电池和电解系统效率提升。英飞凌还在持续扩大与碳化硅供应商的合作，已与日本材料供应商Resonac签署了一项全新的多年供应和合作协议。
数据来源：YOLE
几家碳化硅龙头大厂在宣布新的扩产计划，例如，Wolfspeed计划与汽车零部件供应商采埃孚合作，投资30亿美元在德国萨尔州建设半导体厂；Resonac宣布，将在2026年前，把用于功率半导体的碳化硅外延片产能提高到每月5万片，达到目前水平的5倍，并且开始投资研发下一代8英寸碳化硅晶圆技术。
安森美总裁Hassane EI-Khoury表示，安森美碳化硅业务的增长速度快于企业其他部门。他表示：“2023年安森美最大的增长将来自于碳化硅在电动车市场的增长，在未来3年预计可以实现40亿美元的碳化硅收入。”
TrendForce集邦咨询在最新发布的调研报告中预测，随着安森美、英飞凌等与汽车、能源企业合作项目的不断增多，碳化硅功率器件的前两大应用为新能源汽车与再生能源领域，分别在2022年已达到10.9亿美元及2.1亿美元，占碳化硅功率器件整体市场产值约67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整体市场产值将达到22.8亿美元，年增长41.4%。
TrendForce集邦咨询预测，至2026年，碳化硅功率器件市场产值可望达到53.3亿美元。主流应用仍倚重电动汽车及再生能源，电动汽车产值可达39.8亿美元，年复合增长率约38%；再生能源达4.1亿美元，年复合增长率约19%。
龚瑞骄表示，最近主要是受到了特斯拉大幅缩减碳化硅用量消息的影响，市场出现了一些悲观情绪。但感觉市场反应有些过度。碳化硅拥有优越的电气特性，传统的硅材料无法比拟。碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趋势，尤其是在800V充电架构之下，硅基IGBT已经达到性能的极限，很难满足主驱逆变器的技术需求。从下游应用来看，碳化硅组件是电动汽车制造商未来必须考虑的核心组件，另外光伏储能场景也在加速导入，因此近几年碳化硅市场将维持供不应求态势，产业热度不会降低。
李龙同样认为碳化硅在电动汽车市场的应用不会受到影响。安森美、英飞凌等国际碳化硅领域龙头企业纷纷将电动汽车列为企业的战略方向，侧面说明，碳化硅器件相较于硅基器件，依然为电动汽车电驱动方案的最优解。碳化硅器件能够提升电动汽车的续航里程、缩短充电时间，在高温高频环境下保持更好的稳定性，进而提升电动汽车的整车性能。因此长期看，若未来碳化硅的成本能够进一步降低、产品良率和产能供给提升，则碳化硅相较硅基器件的各项性能优势会促使碳化硅器件成为车规领域的主流产品。
此外，各大企业也在碳化硅技术研发方面不断精进，英飞凌科技全球高级副总裁、大中华区总裁、英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部负责人潘大伟表示，自2018年收购拥有碳化硅冷切割技术的初创公司SILTECTRA以来，通过技术的应用和优化，已经实现材料损耗降低和成本降低。未来，同一碳化硅晶锭产出的晶圆数量将是现在的四倍。
作者丨许子皓
编辑丨陈炳欣
美编丨马利亚
监制丨赵晨
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