特斯拉公司CEO 埃隆·馬斯克
作者丨巴里
編輯丨子鉞
被稱作“鋼鐵俠”的馬斯克引領了一次次的革命，電動車革命、電池革命、太空革命、腦機革命等等，這其中，還包括造芯革命。
近幾年，為了提升電池續航，各大車企可謂無所不用其極。但似乎大家都在圍繞電池做文章，把堆電池、提升電池能量密度作為重點。
但其實，特斯拉並不止於此。
早在四年前，馬斯克為了提升續航，就將注意力拓展到了半導體新材料領域——碳化硅。而在當時這種新材料並不為人所知。
採用碳化硅材料製成的功率器件因體積小、重量輕、耐熱，間接減少了電池耗電，可以大幅提升電動車的電源效率，增加續航里程。
馬斯克也不惜以貴幾倍的代價率先採用碳化硅替代傳統功率器件。
由特斯拉引發的帶動效應，碳化硅的普及速度被大大提升。這場“造芯”革命也自此拉開大幕，正在影響着電動汽車等各個行業。
碳化硅成為電動汽車的最佳CP
半導體行業發展至今，已經經歷了三個階段。第一代半導體材料主要是指硅元素半導體，直接推動了PC、智能手機的誕生。第二代半導體材料主要是指砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料。第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表。
據悉，碳化硅單晶的禁帶寬度約為硅材料禁帶寬度的3倍，導熱率為硅材料的3.3倍，電子飽和遷移速度是硅的2.5倍，擊穿場強是硅的5倍，簡而言之更適合用於高温、高頻、抗輻射及大功率的場景。
事實上，早在19年前，英飛凌就率先發布了碳化硅SBD（肖特基二極管）。而讓碳化硅進入到人們視線的，還是2016年搭載意法半導體碳化硅器件的特斯拉Model 3的發佈，使得碳化硅開始大規模進入市場。
特斯拉Model 3/圖源：特斯拉官網
“馬斯克做了第一個吃螃蟹的人”，福建省安芯投資管理有限責任公司管理合夥人兼首席戰略官周貞宏介紹説，Model3量產時有兩款車型，低配是硅基功率器件，高配是碳化硅功率器件，電池續航能力能夠提升10%左右。
這也直接引爆了整個碳化硅市場，特斯拉至少將碳化硅產業拉快五年時間。如果沒有特斯拉，按照歐洲車廠的進度，碳化硅器件可能現在還在做可靠性測試。
在2017年，羅姆半導體也為VENTURI車隊在電動汽車全球頂級賽事“FIAFormula E”錦標賽中提供了採用全碳化硅功率模塊製造的逆變器，使逆變器尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。
緊接着眾多整車廠商快速跟進，據統計，國際上已有超過20家汽車廠商在車載充電機中使用碳化硅器件，比亞迪等國內廠商也紛紛入局加快落地。
周貞宏談到，電動汽車是推動碳化硅發展的最佳終端。在電動汽車上，電機驅動、電池管理中的每一次電流轉換都要消耗能量，而碳化硅器件就能夠最大化保證電池輸出的能量的利用效率。
同時，高端的電動汽車往往追求更短的百公里加速，這就需要電機的全馬力高效快速輸出。這時，碳化硅功率器件就能夠承受比硅基更高的電壓。
碳化硅在充電樁也有着廣泛的前景。2020年我國分散式充電樁建設目標將超過480萬個，可以基本滿足全國500萬輛電動汽車充電需求，車樁比接近1∶1。充電模塊是充電樁的核心部件，其成本佔設備總成本的50%。
幾台車同時快速充電需要達到幾百千瓦的功率，一個電動汽車充電站甚至達到百萬瓦的功率，相當於一個小區用電的功率規模。相較於傳統硅基，碳化硅模塊就可以滿足超大功率的要求。因此，碳化硅功率器件在充電模塊中的滲透率也在不斷增大。
圖源：華強微電子
不光是在電動汽車領域，碳化硅器件其實在5G、軌道交通、電網、光伏等領域都有着廣泛的應用前景。
據統計，2019年，碳化硅功率器件市場約為5億美元。預計到2025年，碳化硅功率器件市場將逼近35億美元。
碳化硅普及到底卡殼在了哪裏？
根據前瞻產業研究院統計，全球晶圓材料市場中，硅材料仍然佔據着95%的市場份額。從物理特性上來説，碳化硅簡直完爆傳統硅基，但為什麼至今難以普及？
目前，制約碳化硅器件大規模應用的主要障礙依然是成本，受制於上游晶圓產能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，目前碳化硅功率器件的價格是硅的5-10倍。
“我們注意到，特斯拉2019年推出的Model3已經切換到硅基功率器件，放棄了碳化硅方案，我估計是成本問題。”小鵬汽車副總裁劉明輝博士在接受媒體採訪中曾表示。行業人士對於碳化硅器件往往也是“又愛又恨”。
在周貞宏看來，碳化硅等新材料的發展都要關注“兩端”。一端是基礎材料，另一端是應用端，這兩端不打通就無法實現產業化。從整個產業鏈來看，還是聚焦在如何解決材料的成本問題上。
他指出，碳化硅產能低、成本高，主要是由於其晶體生長過程非常緩慢。傳統硅晶圓的製作技術已經非常成熟，原材料只需要加熱到1400℃左右就可以熔化，然後再進行一系列操作製成晶圓。而碳化硅的製作過程則要低效很多，需要將原材料加熱到2800℃左右，而太陽的温度不過也才5000℃。碳化硅從熔點、導熱性、惰性來講，是一種非常難以製造的材料，到目前為止，長晶成品率不足50%，還有大量的空間要改善。
碳化硅晶圓/圖源：ldworld
與硅相比，在碳化硅晶圓尺寸的迭代上也屬於早期階段。晶圓尺寸就是晶圓的直徑值，尺寸往往越大越好，因為這樣每塊晶圓就能生產更多的芯片，整體的成本才能夠得以大幅降低。目前，硅晶圓的主流尺寸已經達到12英寸，正在向下一代18英寸邁進。
而在碳化硅這邊，國際上科鋭（Cree）、意法半導體等主流廠商已經量產6英寸晶圓，正在進行8英寸的研發，計劃最早於2022年量產8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片雖然產量可達到6英寸的1.8倍，但由於面臨着缺陷密度變高等難題，要想達到硅晶圓的生產水平仍相距甚遠。
2022年，也被行業視為碳化硅價格下降的重要拐點。
這一年，不僅將迎來8英寸碳化硅晶圓的量產，也是傳統車企的高端車型集中投放的一年。劉明輝也曾表示，小鵬汽車希望在2022年、2023年左右，能夠推出搭載碳化硅器件的車型。
按照行業標準，碳化硅器件價格只有下降到硅基器件價格的2-3倍，才能被市場廣泛接受，下游市場滲透率才能大幅提升。
雖然對於10萬級的電動汽車而言，使用碳化硅器件從成本壓力上來説仍然不太可能，但是對於30萬及以上的主流豪華車型來説，消費者對於續航里程、動力要求都有更高的要求，這也在倒逼車企搭載更大的動力電池，實現更高的電機功率和峯值扭矩，採用碳化硅方案對於整車的極限性能就有着很大幫助。
隨着碳化硅8英寸晶圓的量產，電池成本的節省，碳化硅的經濟性和性能優勢將會充分體現出來。根據海通證券報告，到2025年，碳化硅器件價格有望下降到當前水平的1/4-1/3。
“不應只侷限在碳化硅器件本身的成本上，而是應該從整體上來看，其帶來的一種系統性成本的下降。”
意法半導體總裁兼首席技術官Jean-Marc Chery曾算過一筆賬，在電動汽車中，碳化硅器件可能會額外增加300美元的前期成本，但總體而言，由於電池成本、電動汽車空間和冷卻成本的降低，卻節省了2000美元的系統成本。
科鋭也曾測算過，碳化硅逆變器能夠提升5-10%的續航，節省400-800美元的電池成本（80kWh電池、102美元/kWh），與新增200美元的碳化硅器件成本抵消後，能夠實現至少200美元的單車成本下降。
預計到2026年，幾乎所有搭載800V動力電池的車型都將採用碳化硅器件。
戰國時期的碳化硅，中國的機會來了？
目前，全球碳化硅產業格局呈現了美國、歐洲、日本三足鼎立的態勢。美國仍然全球獨大，佔據全球碳化硅產量的70%-80%，代表公司是科鋭；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應用產業鏈，代表公司是英飛凌、意法半導體等；日本則在設備和模塊開發方面處於領先，以羅姆半導體、三菱電機、富士電機為代表。
這些巨頭們都在不斷通過擴大產能、合作結盟或兼收併購等方式在碳化硅市場跑馬圈地、加速佈局。
相比之下，中國的碳化硅產業稍顯貧弱，在技術領先度、市場份額佔比等方面都較為落後，但並未遭遇“卡脖子”的情況。
以國內外碳化硅晶圓製造技術做對比，2018年，國內的天科合達實現了6英寸碳化硅晶片的量產；2019年10月，美國科鋭已經完成了8英寸碳化硅晶圓樣品的製備。相比之下，二者在技術代際上的差別並不懸殊。
同時，國內也已經形成了較為完整的碳化硅材料產業鏈。舉例來説，我國襯底企業主要有山東天嶽、天科合達、中科鋼研節能、世紀金光等，外延片企業主要有瀚天天成、天域半導體、世紀金光等，器件製造方面有廈門三安集成、海威華芯等，IDM企業（指涵蓋設計、製造、封裝測試等各個環節）主要有泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤以及中電科十三所、中電科五十五所等。
雲岫資本董事總經理趙佔祥此前對創業邦表示，第三代半導體廠商應採用IDM模式，覆蓋芯片的設計和製造，這樣就能夠更多地掌握產業鏈話語權，更大程度上保證產能、控制成本。
現今的手機、PC芯片工藝製程已經達到5nm，這導致國內半導體公司很難涉足製造領域，技術門檻過高，但第三代半導體對於芯片工藝製程則相對較低，很多十年前的設備就可以做出來，國內完全可以實現代工製造，不存在卡脖子的情況。但其產品良率、可靠性還需要花費更多時間慢慢優化。
數據來源：CASA，創業邦製圖
從去年以來，國內碳化硅投資熱度居高不下。據CASA統計，2019年，國內碳化硅領域的投資事件有14起，涉及金額220.8億元，大幅超過2018年的60億元投資金額。
據創業邦不完全統計，截至2020年11月，今年國內碳化硅領域的投資事件也已經達到12起，延續了去年的火熱程度。
值得注意的是，華為旗下的哈勃投資於2019年8月投資了山東天嶽先進材料科技有限公司，持股達10%，成為第二大股東。今年以來，山東天嶽又完成兩次融資，其在碳化硅襯底材料領域獨角獸的虹吸效應開始顯現。
2020年1-11月國內碳化硅融資交易事件/創業邦製圖
比亞迪也是碳化硅功率半導體的重要玩家。對標特斯拉Model3的比亞迪漢EV成為了國內首款應用自主研發碳化硅模塊的電動汽車，比亞迪也是唯一一家擁有半導體功率器件和整車生產能力的公司。
正因如此，比亞迪半導體才在不到一個月的時間裏就受到了30家機構，合計27億元的融資。經過兩輪融資之後，比亞迪半導體估值已達到102億元。
比亞迪漢EV與巴掌大的碳化硅模塊
碳化硅一級市場的投融資熱度也一直延續到了企業的增產項目上。
據創業邦不完全統計，2020年已經披露的新開工以及新簽約碳化硅項目的投資總額超過300億元，包括兩家上市公司三安光電與露笑科技。
其中，長沙三安光電第三代半導體項目總投資達到160億元，也是今年最大的碳化硅項目。項目預計建成投產後將形成超百億元的產業規模，並帶動上下游配套產業產值預計逾千億元。
2020年國內部分碳化硅產業項目/創業邦製圖
“現在第三代半導體正處在‘戰國時期’，沒有一個巨頭真正具備秦國統一六國的能力。”中鴻新晶科技有限公司董事長孫仲軒認為，新基建給企業帶來了無法想象的機遇，如果説市場供給是1，那麼需求就是1萬，這就意味着任何一個企業哪怕抓住了任何一個細分領域都有可能獲得成功。
半導體的發展離不開終端的客户。最近幾年，之所以整個中國半導體加速發展，很大程度上是因為國內半導體設計公司有了更多試錯機會。周貞宏説，“以前國內半導體公司很難找到客户願意試你的產品，這也就導致很難發現產品存在的問題。只有與客户在產線上共同解決問題，才能夠把試錯和改進的週期縮短，推動整個產業良性發展。”
如今，中國擁有全球最大的電動汽車市場，全球最大的5G網絡等等，這些都是第三代半導體能夠施展拳腳的最佳試煉場。對於初創公司來説，誰能夠對接好資源、對接好產業，能夠和最終客户捆綁在一起，形成閉環不斷改進，那麼誰就很有可能成為一家世界級公司。
“兩彈元勳”錢學森曾經感嘆道：“60年代，我們全力投入‘兩彈一星’，我們得到很多；70年代，我們沒有搞半導體，我們為此失去很多。”
在當前百年未有之大變局的背景下，我國也正在將第三代半導體列入“十四五”規劃，可謂戰略意義之深遠。