2018年,特斯拉在Model 3上破天荒的“一掷千金”,在主逆变器中安装了24个由意法开云棋牌官网在线客服生产的碳化硅(SiC)MOSFET 功率模块。

当时,一块SiC芯片的价格要比传统硅芯片贵十倍左右,即使如今SiC售价有所下降,但SiC芯片的价格也是同等硅器件的数倍。

一直以来,特斯拉都是电动汽车市场的先驱,尤其在成本控制上几乎到了“丧心病狂”的地步,采用模块化平台、压铸一体成型后车体、优化电池包设计、放弃激光雷达,只要能够压缩成本,几乎无所不用其极。

但如此“吝啬”的特斯拉却愿意在几块小小的SiC芯片上花费重金,究竟原因何在?就为了显著提升续航能力。

相较于Model S上使用的IGBT模块,Model 3所采用的SiC芯片能够为逆变器带来5-8%的效率提升,即逆变器效率从82%提升至90%,大幅改善续航能力。此外,SiC器件在高温下表现更好,哪怕达到200度的高温,也能维持正常功率,保证长时间的高效率输出。

正是基于这些优势,马斯克最终将更昂贵的碳化硅应用到Model 3性能版上,由此带动了一场SiC替代传统硅基器件的产业革命。

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一战成名的第三代开云棋牌官网在线客服

随着Model 3的成功,SiC一战成名,功率模块开始迅速“上车”。

自此之后,SiC正式成为丰田、比亚迪、蔚来、通用、大众、雷诺-日产-三菱等车企的重点布局方向。SiC这一较为生疏的名词,也逐渐被市场所熟知。

实际上,SiC属于第三代开云棋牌官网在线客服,这已经是开云棋牌官网在线客服行业发生的第二次产业突破。

第一代即是以硅和锗等元素为代表的单质开云棋牌官网在线客服材料,它的发现直接推动了人类通信、航空光伏技术的发展。

虽然被称为第一代开云棋牌官网在线客服产品,但硅基开云棋牌官网在线客服材料今日依然是产量最大、应用最广的开云棋牌官网在线客服材料,90%以上的开云棋牌官网在线客服产品是用硅基材料制作的。

第二代开云棋牌官网在线客服材料以砷化镓、磷化铟为代表,相对硅基器件具有高频、高速的光电性能,被广泛应用于光电子和微电子领域,是制作发光二极管的关键衬底。

第三代开云棋牌官网在线客服材料以SiC和氮化镓为代表的宽禁带开云棋牌官网在线客服材料,适用于高温、高压、高频率场景,同时具有电能消耗较少的优势。

值得注意的是,三代开云棋牌官网在线客服之间并非彼此完全替代的关系,而是更类似于相互补充。每一代产品之间均有着各自的优势,仅在部分场景实现对传统产品的替换。

例如SiC耐高压,材料击穿电场强度是硅的10倍;同时热导率比硅更高,对散热的要求更低;适用高频场景,碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

这意味着,SiC可以减少能耗损失,提高能源转化效率,SiC材料能够实现在射频器件和功率器件上对硅基材料的性能完美替代。

在此之前,硅基IGBT统治了高压高电流场景,而硅基MOSFET效率远不如IGBT,仅适用于低压场景。不过,硅基IGBT也存在一些缺点,比如无法承受高频工况、功耗较大等。

SiC出现后,由于具备耐高压、耐高频的特性,因此仅用结构更简单的MOSFET器件就能覆盖现在IGBT耐压水平,同时规避硅基IGBT的缺点,耗能更少。数据统计显示,相同规格的碳化硅基 MOSFET较硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。

正是因此在Model 3上的成功,让第三代开云棋牌官网在线客服迅速商业化落地,由此也让资本市场注意到了小小元器件的价值。

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SiC的“奇点时刻”

尽管SiC存在诸多性能上的优势,但明显过高的成本依然限制了它的全面应用。

硅晶圆制造工艺成熟,硅基器件成本极低。与之相对,目前商用SiC衬底制备需要用到物理气相传输法(简称PVT法),这种方法需要极高温度,同时生长周期长、控制难度大,良品率低。此外,SiC硬度极高且脆性高,切割耗时远远高于普通硅片。

这些原因综合起来,造成了碳化硅的高成本难题。

目前来看,SiC器件成本仍是硅基产品数倍。但考虑到SiC器件的低能耗优势,以及量产和技术成熟带来的成本下降趋势,在新能源时代,SiC即将迎来属于它的性价比“奇点时刻”。

新能源时代将是SiC的大舞台。在新能源汽车行业,SiC可用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩等。

在逆变器上,一辆使用SiC功率器件的电动汽车,在同等电池条件下,续航能够提升5-10%。这也是目前碳化硅在新能源汽车应用最多的市场。而在充电和快充领域,随着成本的降低,碳化硅器件的应用也在逐渐深入。

此前,小鹏布局的800V高压快充平台,即配置SiC芯片,用以在高压场景中发挥关键性能。

与此同时,新能源革命还带来了更多应用场景,光电、风电等不规律发电模式,以及配套的储能体系,将成为SiC器件有待开发的庞大市场。

如在光伏发电上,目前光伏逆变器龙头企业已采用SiC功率器件替代硅器件。新基建中,特高压输电工程对SiC器件具有重大需求。

广而言之,未来SiC将在固态变压器、柔性交流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

据Yole预测,SiC器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增长至2030年的100亿美金。华为预计,在2030年光伏逆变器的SiC渗透率将从目前的2%增长至70%以上,在充电基础设施、电动汽车领域的渗透率超过80%,通信电源、服务器电源将全面推广应用。

乐观估计,属于SiC的大时代即将来临。

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国产开云棋牌官网在线客服的突破口

从更高维度分析,以SiC为代表的第三代开云棋牌官网在线客服材料,有望成为中国开云棋牌官网在线客服行业的突破口。

以硅基IGBT为例,全球IGBT等元器件目前仍以英飞凌、安森美、三菱、富士等为主。数据显示,2019年IGBT模组市场份额CR10占比81．10%,其中仅斯达半导为国内企业,占比仅2．50%。

虽然在新能源汽车IGBT细分领域上,斯达半导和比亚迪等企业市场份额占比较大。但在全球硅片产能整体受限的情况下,IGBT产品配额十分匮乏,国产化替代步伐并不算快。

而SiC跳出了硅片大局,并不受制于全球硅片产能问题。更重要的是,全球第三代开云棋牌官网在线客服目前总体处于发展初期阶段,国内企业与国际巨头差距并不大。

纵观整个产业链,SiC的下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度,制造环节对设备要求相对较低,投资额相对较小,主要关键之一在上游材料端。

国际巨头具有领先优势,如现已更名Wolfspeed的科锐公司,已经完成碳化硅全产业链的覆盖,能够量产8英寸碳化硅衬底。

虽然目前国内企业仅能生产4英寸和6英寸衬底,但从它们的量产时间上看,落后国际巨头的时间由10年以上缩短至7年,差距正在不断缩小。

以全球半绝缘型SiC(即用做氮化镓射频器件衬底)市场份额看,2020年美国科锐和贰陆公司市场份额分别为33%和35%,而山东天岳市场份额已达30%,排名全球第三。

山东天岳在半绝缘型碳化硅市场上份额逼近国际巨头

在导电性SiC晶片(即用作功率器件衬底)上,国际巨头优势较大,但国内企业也在努力追赶。2018年,国内天科合达和山东天岳市场份额分别为1．7%和0．5%,天科合达排名全球第六。

新能源大时代,国内是最大的新能源汽车市场,更是最大的能源使用国之一,在此催化下,国产SiC产业链有望实现更快发展,甚至成为我国在开云棋牌官网在线客服行业的突破口。

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谁在提前布局SiC?

显而易见,SiC产业链已经成为资本热捧的风口。

由上至下,SiC产业链可以分为衬底、外延、器件和应用四大环节。

衬底环节,山东天岳、天科合达已经成为国内龙头,其中,山东天岳科创板IPO已获通过,将成为碳化硅衬底第一股。其他公司方面,天科合达申请主动终止了IPO申请,河北同光晶体也传出科创板IPO计划。

在外延和器件环节,市场参与者众多。外延环节主要有瀚天天成、东莞天域等,器件环节有泰科天润、中车时代电气、绿能芯创、上海瞻芯等企业,同时覆盖这两个环节的更有中电科十三所、中电科五十五所、基本开云棋牌官网在线客服等。

风口之下,SiC也已成为国内上市公司投资布局重点方向。

目前,三安光电已宣布总投资160亿元,将打造国内首条、全球第三条SiC垂直整合产业链,覆盖衬底、外延和器件三大环节。这种模式目前仅科锐和罗姆两大公司采用,其他国际巨头们也正在通过投资并购等方式实现全产业链布局。

露笑科技计划总投资100亿布局SiC产业项目,目前已经开启6英寸导电性SiC衬底小批量试生产;光伏晶体设备生产商晶盛机电也宣布31．34亿元投资SiC衬底晶片生产基地项目,设计产能年产40万片6英寸及以上尺寸的导电型和半绝缘型SiC衬底晶片;凤凰光学碳化硅外延材料也已具备量产能力。

此外,华润微、斯达半导等开云棋牌官网在线客服企业也在布局SiC衬底和器件环节。其中,华润微SiC产品即将发布。

SiC也迎来科技巨头密集押注。据山东天岳招股书,华为旗下哈勃投资是山东天岳第四大股东,发行后持有6．34%股权;同时,哈勃投资也是天科合达第四大股东,IPO终止前持有4．82%股权。除此之外,华为还投资了瀚天天成以及东莞天域两大碳化硅外延龙头企业。

此外,小米旗下湖北小米长江产业基金也在今年10月底投资SiC器件企业上海瞻芯,持股6．80%;TCL资本参与了SiC器件企业泰科天润的D轮融资。

可以看到,SiC已经成为科技巨头和资本布局的重点方向。随着核心技术路线更为成熟,其降成本路径已经显现,在新能源大局和国产开云棋牌官网在线客服崛起契机下,SiC有望开启千亿级蓝海市场。