为了提升续航,马斯克又引发一场“造芯”革命,华为比亚迪已进场

创业邦 2020-11-23 21:57

特斯拉公司CEO 埃隆·马斯克

作者丨巴里

编辑丨子钺

被称作“钢铁侠”的马斯克引领了一次次的革命,电动车革命、电池革命、太空革命、脑机革命等等,这其中,还包括造芯革命。

近几年,为了提升电池续航,各大车企可谓无所不用其极。但似乎大家都在围绕电池做文章,把堆电池、提升电池能量密度作为重点。

但其实,特斯拉并不止于此。

早在四年前,马斯克为了提升续航,就将注意力拓展到了半导体新材料领域——碳化硅。而在当时这种新材料并不为人所知。

采用碳化硅材料制成的功率器件因体积小、重量轻、耐热,间接减少了电池耗电,可以大幅提升电动车的电源效率,增加续航里程。

马斯克也不惜以贵几倍的代价率先采用碳化硅替代传统功率器件。

由特斯拉引发的带动效应,碳化硅的普及速度被大大提升。这场“造芯”革命也自此拉开大幕,正在影响着电动汽车等各个行业。

碳化硅成为电动汽车的最佳CP

半导体行业发展至今,已经经历了三个阶段。第一代半导体材料主要是指硅元素半导体,直接推动了PC、智能手机的诞生。第二代半导体材料主要是指砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料。第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表。

据悉,碳化硅单晶的禁带宽度约为硅材料禁带宽度的3倍,导热率为硅材料的3.3倍,电子饱和迁移速度是硅的2.5倍,击穿场强是硅的5倍,简而言之更适合用于高温、高频、抗辐射及大功率的场景。

事实上,早在19年前,英飞凌就率先发布了碳化硅SBD(肖特基二极管)。而让碳化硅进入到人们视线的,还是2016年搭载意法半导体碳化硅器件的特斯拉Model 3的发布,使得碳化硅开始大规模进入市场。

特斯拉Model 3/图源:特斯拉官网

“马斯克做了第一个吃螃蟹的人”,福建省安芯投资管理有限责任公司管理合伙人兼首席战略官周贞宏介绍说,Model3量产时有两款车型,低配是硅基功率器件,高配是碳化硅功率器件,电池续航能力能够提升10%左右。

这也直接引爆了整个碳化硅市场,特斯拉至少将碳化硅产业拉快五年时间。如果没有特斯拉,按照欧洲车厂的进度,碳化硅器件可能现在还在做可靠性测试。

在2017年,罗姆半导体也为VENTURI车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采用全碳化硅功率模块制造的逆变器,使逆变器尺寸下降了43%,重量减轻了6kg。

紧接着众多整车厂商快速跟进,据统计,国际上已有超过20家汽车厂商在车载充电机中使用碳化硅器件,比亚迪等国内厂商也纷纷入局加快落地。

周贞宏谈到,电动汽车是推动碳化硅发展的最佳终端。在电动汽车上,电机驱动、电池管理中的每一次电流转换都要消耗能量,而碳化硅器件就能够最大化保证电池输出的能量的利用效率。

同时,高端的电动汽车往往追求更短的百公里加速,这就需要电机的全马力高效快速输出。这时,碳化硅功率器件就能够承受比硅基更高的电压。

碳化硅在充电桩也有着广泛的前景。2020年我国分散式充电桩建设目标将超过480万个,可以基本满足全国500万辆电动汽车充电需求,车桩比接近1∶1。充电模块是充电桩的核心部件,其成本占设备总成本的50%。

几台车同时快速充电需要达到几百千瓦的功率,一个电动汽车充电站甚至达到百万瓦的功率,相当于一个小区用电的功率规模。相较于传统硅基,碳化硅模块就可以满足超大功率的要求。因此,碳化硅功率器件在充电模块中的渗透率也在不断增大。

图源:华强微电子

不光是在电动汽车领域,碳化硅器件其实在5G、轨道交通、电网、光伏等领域都有着广泛的应用前景。

据统计,2019年,碳化硅功率器件市场约为5亿美元。预计到2025年,碳化硅功率器件市场将逼近35亿美元。

碳化硅普及到底卡壳在了哪里?

根据前瞻产业研究院统计,全球晶圆材料市场中,硅材料仍然占据着95%的市场份额。从物理特性上来说,碳化硅简直完爆传统硅基,但为什么至今难以普及?

目前,制约碳化硅器件大规模应用的主要障碍依然是成本,受制于上游晶圆产能不足、晶圆缺陷面积较大等原因,目前碳化硅功率器件的价格是硅的5-10倍。

“我们注意到,特斯拉2019年推出的Model3已经切换到硅基功率器件,放弃了碳化硅方案,我估计是成本问题。”小鹏汽车副总裁刘明辉博士在接受媒体采访中曾表示。行业人士对于碳化硅器件往往也是“又爱又恨”。

在周贞宏看来,碳化硅等新材料的发展都要关注“两端”。一端是基础材料,另一端是应用端,这两端不打通就无法实现产业化。从整个产业链来看,还是聚焦在如何解决材料的成本问题上。

他指出,碳化硅产能低、成本高,主要是由于其晶体生长过程非常缓慢。传统硅晶圆的制作技术已经非常成熟,原材料只需要加热到1400℃左右就可以熔化,然后再进行一系列操作制成晶圆。而碳化硅的制作过程则要低效很多,需要将原材料加热到2800℃左右,而太阳的温度不过也才5000℃。碳化硅从熔点、导热性、惰性来讲,是一种非常难以制造的材料,到目前为止,长晶成品率不足50%,还有大量的空间要改善。

碳化硅晶圆/图源:ldworld

与硅相比,在碳化硅晶圆尺寸的迭代上也属于早期阶段。晶圆尺寸就是晶圆的直径值,尺寸往往越大越好,因为这样每块晶圆就能生产更多的芯片,整体的成本才能够得以大幅降低。目前,硅晶圆的主流尺寸已经达到12英寸,正在向下一代18英寸迈进。

而在碳化硅这边,国际上科锐(Cree)、意法半导体等主流厂商已经量产6英寸晶圆,正在进行8英寸的研发,计划最早于2022年量产8英寸晶圆。单片8英寸晶圆芯片虽然产量可达到6英寸的1.8倍,但由于面临着缺陷密度变高等难题,要想达到硅晶圆的生产水平仍相距甚远。

2022年,也被行业视为碳化硅价格下降的重要拐点。

这一年,不仅将迎来8英寸碳化硅晶圆的量产,也是传统车企的高端车型集中投放的一年。刘明辉也曾表示,小鹏汽车希望在2022年、2023年左右,能够推出搭载碳化硅器件的车型。

按照行业标准,碳化硅器件价格只有下降到硅基器件价格的2-3倍,才能被市场广泛接受,下游市场渗透率才能大幅提升。

虽然对于10万级的电动汽车而言,使用碳化硅器件从成本压力上来说仍然不太可能,但是对于30万及以上的主流豪华车型来说,消费者对于续航里程、动力要求都有更高的要求,这也在倒逼车企搭载更大的动力电池,实现更高的电机功率和峰值扭矩,采用碳化硅方案对于整车的极限性能就有着很大帮助。

随着碳化硅8英寸晶圆的量产,电池成本的节省,碳化硅的经济性和性能优势将会充分体现出来。根据海通证券报告,到2025年,碳化硅器件价格有望下降到当前水平的1/4-1/3。

“不应只局限在碳化硅器件本身的成本上,而是应该从整体上来看,其带来的一种系统性成本的下降。”

意法半导体总裁兼首席技术官Jean-Marc Chery曾算过一笔账,在电动汽车中,碳化硅器件可能会额外增加300美元的前期成本,但总体而言,由于电池成本、电动汽车空间和冷却成本的降低,却节省了2000美元的系统成本。

科锐也曾测算过,碳化硅逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh),与新增200美元的碳化硅器件成本抵消后,能够实现至少200美元的单车成本下降。

预计到2026年,几乎所有搭载800V动力电池的车型都将采用碳化硅器件。

战国时期的碳化硅,中国的机会来了?

目前,全球碳化硅产业格局呈现了美国、欧洲、日本三足鼎立的态势。美国仍然全球独大,占据全球碳化硅产量的70%-80%,代表公司是科锐;欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链,代表公司是英飞凌、意法半导体等;日本则在设备和模块开发方面处于领先,以罗姆半导体、三菱电机、富士电机为代表。

这些巨头们都在不断通过扩大产能、合作结盟或兼收并购等方式在碳化硅市场跑马圈地、加速布局。

相比之下,中国的碳化硅产业稍显贫弱,在技术领先度、市场份额占比等方面都较为落后,但并未遭遇“卡脖子”的情况。

以国内外碳化硅晶圆制造技术做对比,2018年,国内的天科合达实现了6英寸碳化硅晶片的量产;2019年10月,美国科锐已经完成了8英寸碳化硅晶圆样品的制备。相比之下,二者在技术代际上的差别并不悬殊。

同时,国内也已经形成了较为完整的碳化硅材料产业链。举例来说,我国衬底企业主要有山东天岳、天科合达、中科钢研节能、世纪金光等,外延片企业主要有瀚天天成、天域半导体、世纪金光等,器件制造方面有厦门三安集成、海威华芯等,IDM企业(指涵盖设计、制造、封装测试等各个环节)主要有泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽以及中电科十三所、中电科五十五所等。

云岫资本董事总经理赵占祥此前对创业邦表示,第三代半导体厂商应采用IDM模式,覆盖芯片的设计和制造,这样就能够更多地掌握产业链话语权,更大程度上保证产能、控制成本。

现今的手机、PC芯片工艺制程已经达到5nm,这导致国内半导体公司很难涉足制造领域,技术门槛过高,但第三代半导体对于芯片工艺制程则相对较低,很多十年前的设备就可以做出来,国内完全可以实现代工制造,不存在卡脖子的情况。但其产品良率、可靠性还需要花费更多时间慢慢优化。

数据来源:CASA,创业邦制图

从去年以来,国内碳化硅投资热度居高不下。据CASA统计,2019年,国内碳化硅领域的投资事件有14起,涉及金额220.8亿元,大幅超过2018年的60亿元投资金额。

据创业邦不完全统计,截至2020年11月,今年国内碳化硅领域的投资事件也已经达到12起,延续了去年的火热程度。

值得注意的是,华为旗下的哈勃投资于2019年8月投资了山东天岳先进材料科技有限公司,持股达10%,成为第二大股东。今年以来,山东天岳又完成两次融资,其在碳化硅衬底材料领域独角兽的虹吸效应开始显现。

2020年1-11月国内碳化硅融资交易事件/创业邦制图

比亚迪也是碳化硅功率半导体的重要玩家。对标特斯拉Model3的比亚迪汉EV成为了国内首款应用自主研发碳化硅模块的电动汽车,比亚迪也是唯一一家拥有半导体功率器件和整车生产能力的公司。

正因如此,比亚迪半导体才在不到一个月的时间里就受到了30家机构,合计27亿元的融资。经过两轮融资之后,比亚迪半导体估值已达到102亿元。

比亚迪汉EV与巴掌大的碳化硅模块

碳化硅一级市场的投融资热度也一直延续到了企业的增产项目上。

据创业邦不完全统计,2020年已经披露的新开工以及新签约碳化硅项目的投资总额超过300亿元,包括两家上市公司三安光电与露笑科技。

其中,长沙三安光电第三代半导体项目总投资达到160亿元,也是今年最大的碳化硅项目。项目预计建成投产后将形成超百亿元的产业规模,并带动上下游配套产业产值预计逾千亿元。

2020年国内部分碳化硅产业项目/创业邦制图

“现在第三代半导体正处在‘战国时期’,没有一个巨头真正具备秦国统一六国的能力。”中鸿新晶科技有限公司董事长孙仲轩认为,新基建给企业带来了无法想象的机遇,如果说市场供给是1,那么需求就是1万,这就意味着任何一个企业哪怕抓住了任何一个细分领域都有可能获得成功。

半导体的发展离不开终端的客户。最近几年,之所以整个中国半导体加速发展,很大程度上是因为国内半导体设计公司有了更多试错机会。周贞宏说,“以前国内半导体公司很难找到客户愿意试你的产品,这也就导致很难发现产品存在的问题。只有与客户在产线上共同解决问题,才能够把试错和改进的周期缩短,推动整个产业良性发展。”

如今,中国拥有全球最大的电动汽车市场,全球最大的5G网络等等,这些都是第三代半导体能够施展拳脚的最佳试炼场。对于初创公司来说,谁能够对接好资源、对接好产业,能够和最终客户捆绑在一起,形成闭环不断改进,那么谁就很有可能成为一家世界级公司。

“两弹元勋”钱学森曾经感叹道:“60年代,我们全力投入‘两弹一星’,我们得到很多;70年代,我们没有搞半导体,我们为此失去很多。”

在当前百年未有之大变局的背景下,我国也正在将第三代半导体列入“十四五”规划,可谓战略意义之深远。

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