去年的特斯拉投资者日，马斯克宣布特斯拉每辆车都将减少75%的碳化硅芯片使用量，直接把一家名叫Wolfspeed的公司送进了ICU。


Wolfspeed以LED照明业务起家，在追求“发光”的路上意外挖掘了碳化硅这个电动车必不可少的材料。借着新能源车市场爆发，Wolfspeed果断转换赛道，在群狼环伺的新能源市场赛出了风格、赛出了水平。


鼎盛时期，Wolfspeed手握全球六成碳化硅衬底产能，英飞凌、意法这样的汽车芯片大厂，都得求Wolfspeed匀点产能。


然而，伴随特斯拉投资者日的结束，所有的喧嚣和狂热仿佛一瞬间被打回了原形，随后的电动车价格战，又给碳化硅价格补了致命一刀。


2023年下半年，Wolfspeed累计净亏损达到5.4亿元，同比扩大361.49%，股价相比最高点只剩下了1/4。


马斯克一句话带崩一个产业并不罕见，但制造Wolfspeed惨案的幕后主使，恐怕另有其人。


马斯克的话不能全信


2016年3月，特斯拉发布了第四款车型Model 3，价格下探至40000美元以下。相比上一代Model S车型，Model 3在价格腰斩的同时把续航做到了Model 3的90%。


就在友商们纷纷掏出放大镜准备认真“学习”时，特斯拉气定神闲地抛出了降本秘方：电驱系统逆变器上的48颗碳化硅MOSFET功率芯片。


Model 3逆变器中的碳化硅MOSFET


电动车中，动力电池是直流电，电机工作需要交流电，这就需要电控环节的逆变器将直流电转换交流电，再由整个动力系统将电力转换为汽车行驶的动力。


这个过程中，两个环节的转换效率，是决定电动车续航里程的关键。


作为逆变器的核心部件，功率芯片一般采用硅基IGBT，而特斯拉选择了碳化硅MOSFET。按照相关测算，搭载碳化硅MOSFET的电车，续航比搭载硅基IGBT的延长5%~10%，损耗降低75%，总体系统效率提升5%[9]。


IGBT和MOSFET都是常用的功率器件，但过往上车的都以硅为原材料的，改用碳化硅做还能成功上车的，特斯拉是第一个。


硅基IGBT的问题在于，其电力转换效率天然偏低，而且会产生大量热量。为了避免热失控，车企还得为高性能冷却系统额外付出成本[1]。


而碳化硅MOSFET体积小，发热低，还拥有更高的热导率。只需要做到硅器件体积的1/10，就能实现同样的功率转化。


因此，即便碳化硅材料的成本大致是硅材料的5到6倍，但车企可以使用成本更低的冷却系统、以及更小的电池，反而省的钱更多，朴素诠释了什么叫天赋大于努力。


根据相关机构测算，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT成本上升了近1500元，却为整车成本节省了近2000元[2]。


相同的续航里程下，转用碳化硅大约能为一辆电动车降低750美元的电池成本[2]。


碳化硅一直是一个相对小众的市场，在特斯拉Model 3应用碳化硅MOSFET后，Wolfspeed瞬间从无名小厂化身性感无比的碳化硅龙头。


2020年，在汽车所需要的导电型碳化硅中，Wolfspeed一家就占据全球60%的产能。


有了特斯拉的模范带头作用，国内新势力纷纷开始抄作业。


2020年，比亚迪在高端车型“汉”的电机控制器中，首次使用了碳化硅功率模块；蔚来也于2021年推出了应用碳化硅材料的ET7；2022年，小鹏G9车型搭载碳化硅电驱动平台。


中了彩票的Wolfspeed不仅卖掉了照明业务和LED业务，还直接把公司名字改了（原名CREE），展示自己的转型决心。


伴随订单纷至沓来，碳化硅价格应声上涨，车企原本的降本利器成了成本负担，一手把碳化硅捧上神坛的马斯克挨了一记中国车企的铁拳：让你们鼓掌，没让你们跟我抢产能啊。


这就有了文章开头的那一幕：马斯克在投资者日上宣布，将减少每辆车75%的碳化硅用量。


不要同时卖面粉和面包


就像芯片是从硅晶圆上“切”下来的一样，碳化硅MOSFET也是从碳化硅衬底上“切”出来的。


一块6英寸碳化硅衬底大约能切出300颗碳化硅MOSFET，一辆Model 3会使用150颗碳化硅MOSFET。也就是说，两辆Model 3就会用完一整块6英寸碳化硅衬底，单单是衬底成本就在800美元左右[3]。


2021年，Model 3销量突破100万，对应的衬底消耗就是50万片。而这一年，全球碳化硅衬底可用产能只有20万~30万片。也就是说，全世界的衬底都供不起一家特斯拉。


而Model 3上的48个碳化硅MOSFET，直接带来了高达700美元的成本[1]。刚刚立下降本Flag的马斯克，只好安排碳化硅在枪毙名单上插个队了。


一般来说，标准化的零部件在广泛运用后都会经历“紧缺-扩产-过剩”三部曲，最后在价格战的屠刀下形成稳定的价格周期。但碳化硅价格居高不下，核心难点在“扩产”。


相比传统的硅晶圆，碳化硅衬底的晶体生长慢了一倍。传统的硅材料只需3天就可以长成一根晶棒，而碳化硅晶棒需要7天，导致碳化硅生产效率低下。


同时，碳化硅的脆硬属性导致切割晶圆时容易崩边，半导体级别的碳化硅晶圆产能非常紧缺。


另一个原因在产业链结构上：


简单来说，车用碳化硅可以简单分为衬底和外延（上游材料）、器件设计和制造（下游产品）两个环节。其中上游衬底有Coherent这类材料巨头，下游器件则是意法半导体、英飞凌这类汽车芯片大厂的地盘。


问题出在了自诩“全球唯一碳化硅IDM”的Wolfspeed身上。


Wolfspeed是碳化硅领域几乎唯一一家上下游全包的厂商，同时手握上游衬底的大量产能，其扩产节奏对整个产业链供应有着决定性影响。只要Wolfspeed产能上不去，碳化硅的价格就下不来。



就像一家公司既做面粉也做面包，面粉扩产降价，虽然自家面包的成本下降了，但其他面包店的竞争力也提高了。


面粉减产涨价，其他面包店经营成本上涨，但自家面包的竞争力也下滑了。


既怕兄弟过得苦，又怕兄弟开路虎。上下游你防我我防你，导致的结果就是产能迟迟无法提升，只能倒逼车企另辟蹊径。


一种是特斯拉路线：通过定制化模块封装技术，减少碳化硅用量的同时，保持相同的能量转化和散热效果。换句话说就是细嚼慢咽，少吃点面包也能饱。


一种是中国路线：不就是面粉么，谁不会做啊？


一定要当心中国人


今年3月，小米汽车的定价迷雾终于散开。按照行业内估算（注意是估算）[11]，小米SU7单电机版本的碳化硅MOSFET用量约为64颗，双电机版本足足用了112颗，这还不包括充电桩等其他环节。


长达半年的铺垫中，800V碳化硅高压平台一直是小米的宣传重心。鉴于碳化硅的高成本，雷军还放出烟雾弹，称配置不低于40万元人民币。


结果发布会开完，最贵的版本也就30万。与定价的巨大差距有小米让利的因素，也有国内碳化硅供应链“送温暖”在先。


与Wolfspeed引以为傲的“唯一垂直一体化”不同，国内碳化硅产业链各个环节之间分工明确。


比如上游做衬底的最多做到外延，不会把业务延伸到器件和模组；器件和模组厂商也分工明确：相比海外大厂设计、制造、封装一体化的IDM模式，中国厂商也更倾向于三个环节各司其职的模式。


全球碳化硅MOSFET出货量最高的英飞凌、意法半导体就是IDM模式，国内很大一部分出货则是依靠华虹半导体、芯联集成这样的代工厂。


换句话说，中国公司是面粉厂专做面粉，面包店专做面包，甚至和面、揪剂子和包装都有单独的公司做。


一方面是客观技术水平限制，另一方面在于中国公司作为后来者，只有更加细分的分工，才有可能在短时间内快速提高产能，缩小与海外公司的差距。


Wolfspeed建一个8英寸衬底厂的速度是48个月，而国内供应链在同样的时间里，很可能可以同时建了一个衬底厂、一个代工厂、一个模组厂和一个封测厂。


这种力度之下，国内碳化硅产能虽然基数低，但增速惊人。


日本富士经济多年的跟踪报告显示，2023年全球碳化硅衬底市场，中国两家厂商份额首次进入前五，其中天岳先进挤下千年老二Coherent，仅次于Wolfspeed[4]。


研究机构Trendforce则激进地预测：2024年底，中国厂商的年产能将达到150万片。据此计算，全球碳化硅衬底将有一半来自中国[5]。


除了小股部队多线进攻的策略，碳化硅衬底的特点，也给了中国公司弯道超车（真弯道，能汇入主路的那种）的机会：


目前，主流碳化硅衬底仍然是6英寸。和“切”芯片的硅晶圆一样，在芯片大小不变的情况下，衬底尺寸越大，浪费的边角料就越少。从6英寸提高到8英寸，将使单位成本降低35%[5]。


数据来源：Wolfspeed


除了Wolfspeed，大部分海外厂商的6英寸产线建设成本还没折旧完，只能让财务一边算账，一边向8英寸腾挪。但轻装上阵的国内厂商没什么包袱，可以直接把资本开支砸向8英寸产线。


2023年，全球范围落地的12个8英寸项目中，3个由中国厂商主导的，1个由中欧公司合办。



去年年底的广州车展上，800V碳化硅平台几乎成了各家展台标配。几年时间里，国内搭载800V碳化硅的电动车价格，已经从30万以上迅速下探到了20万左右的价格带，有了足够的产能承接，成本下降便水到渠成。


小米汽车发布会上，三家新势力的掌舵者神情复杂，但碳化硅厂商看着快十万的大定数字，估计已经在梦里笑醒了。

尾声


1971年，23岁的斯皮尔伯格偶然读到了《花花公子》杂志上的一个故事，在留下“那是我唯一一次读《花花公子》却不留意上面的图片”的评语后[8]，斯皮尔伯格把它改编成了电影，也就是其处女作《决斗（Duel）》。


电影的剧情可以归纳为“一次路怒引发的惨案”：一辆小轿车和一辆大卡车在州际公路上互相超车，最终演变成了一场置对方于死地的决斗。电影拿到了艾美奖最佳音效剪辑，斯皮尔伯格也因此获得执导《大白鲨》的机会。


《决斗》的剧情简单到甚至有点单调，但90分钟的片长里，体积巨大的卡车如影随形，发动机的轰鸣声充斥耳畔，持续不断的挑动着观众的紧张情绪。


包括碳化硅在内，中国的很多产业有点像《决斗》里的那辆卡车，它看上去锈迹斑斑、带着拼接和模仿的痕迹，每一个零部件都有点年久失修，整辆车笨重、迟缓，多少有点不合时宜。


但它跑得很快，最好别让它抓住机会追上来。


参考资料

[1] 碳化硅：为电动车降本之前，先为自己降本，解码Decode

[2] For Longer-Range EVs， a Cousin of Silicon Makes a Material Difference， the Wall Street Journal

[3] 从Tesla特斯拉Model 3拆解来了解碳化硅SiC器件的未来需求，电力电子技术与新能源

[4] 2024年版《新一代功率器件&相关市场现状和展望》报告，日本富士经济

[5] SiC衬底持续突破“天花板”，全球8英寸晶圆厂将达11座，Trendforce集邦咨询

[6] 造神者推倒神像：碳化硅的崛起和塌房，远川科技评论

[7] 车企密集推新送助攻，碳化硅公司能否突破盈利大关？集微网

[8] 斯皮尔伯格的处女作，比他别的电影都有意思，虹膜

[9] IGBT剑指全球市场，大力扩产保障新能源供应，民生证券

[10]  Wolfspeed分析报告：全球碳化硅衬底龙头，新能源车驱动中期成长，中信证券

[11] 小米SU7之碳化硅用量，半导体产业网


本文来自微信公众号：远川科技评论 （ID：kechuangych），作者：何律衡，编辑：李墨天