马斯克“弃用”碳化硅，国产替代中道崩殂？

就在两个月前，马斯克在特斯拉的投资者大会上宣布了一个大新闻：特斯拉下一代永磁电机将不使用稀土。

结果人家东西还没造出来，中国股市先不淡定了，整个稀土产业概念股大跌，北方稀土跌了4.29%，中国稀土跌了6.4%。

但是就在同一天，马斯克还宣布了一个震惊业界的消息：

特斯拉下一代电动车将大幅削减75%的碳化硅（SiC）用量。

碳化硅，什么玩意？

听起来很陌生，其实我们每个人都用过碳化硅。

比如打磨用的砂纸，上面粗糙的磨料一般是两种成分——碳化硅和刚玉（三氧化二铝）。

还有很多女生婚礼时怕把戒指弄丢，所以戴个“假”钻戒，也叫“莫桑钻”，又大又便宜——某宝1克拉只要一百来块钱，外行一般看不出来。

当年就是一个叫莫桑的科学家在陨石中发现了天然的碳化硅，还因此获得了诺贝尔化学奖，所以碳化硅也得名“莫桑石”。

说到近几年，碳化硅就更火了，有人说这是一种“正在离地起飞的半导体材料”。

因为“新基建”和“碳中和”版块里全都要用到它，比如5G基站、光伏、风电、新能源汽车等等行业。

2021年中国碳化硅功率器件应用市场结构

数据来源：MIR 睿工业根据公开资料整理

有一些做碳化硅材料的上市公司，前几大客户里既有车企，又有珠宝公司。

有的碳化硅模块企业，2024年的货都已经基本卖完了。

那它这么火，有啥用呢？上超快充。

在新能源体系里，碳化硅可以作为功率器件，也叫电力电子器件。

比起传统的半导体硅材料，碳化硅可以在更高的电压、频率和温度下工作。

车里面用碳化硅，是因为新能源汽车想要超快充，就要上高电压，比如800伏特，甚至更高。碳化硅适合650伏以上电压。

《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中提出，我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程，催生一批高速成长的新材料企业。

集邦咨询估计2022年车用碳化硅器件市场达到10亿美元左右，到2026年会达到39.4亿美元。

根据不完全统计，2022年国内新立项、签约的碳化硅项目投资额超过476亿元。而2018年这个数字只有50亿元。

国际上很多大厂也在纷纷扩产，很多人对碳化硅未来的前景一片乐观。

比如德国半导体大厂英飞凌就表示：

“现在的新车，只要能用碳化硅的地方，便不会再用传统功率器件。”

只有一个人除外——马斯克。

他在特斯拉的发布会上宣布，未来要削减特斯拉75%的碳化硅用量，整个产业顿时如蒙雷劈。

要知道，当年正是特斯拉一手开辟了碳化硅“上车”的先河，率先在Model 3主驱的逆变器上使用碳化硅。

搭载24个SiC MOSFET功率模块的Model 3主逆变器

来源：NE时代

老马同志挖了个坑，大家纷纷往里跳。

布局碳化硅“上车”的部分车企

来源：中关村智能网联研究汇

等都下去了，他说：我要第一个跳出来。

但实际上，如果你真的理解了碳化硅这个产业，你就不会像行业人士一开始听说时那样的愁云惨淡。

碳化硅是一个未来发展形势依然向好的材料行业。

而且它很有可能是中国将来能取得国际领先优势的半导体产业，甚至可能先于“硅基半导体”，在成本和性能两方面实现弯道超车。

为什么这么说呢？

大家都知道，硅基半导体行业里，各家分工都很明确，一条龙啥都做的企业很少。

比如华为海思原来做芯片设计，台积电、三星、中芯国际做芯片代工，还有的企业做封装测试，有的企业做的更上游，做电子级多晶硅料，做半导体晶圆等等。

在碳化硅这个行业也是如此，由于资金投入大，很少有一家企业把上下游全包圆。

只有一家美国企业，原来叫“科锐”（Cree），现在叫“狼速”（Wolfspeed）。

如果你们家里有新能源汽车，还能超快充的话，那么车里用的碳化硅估计都是来自于狼速这家公司的。

因为它一家就占据了全球碳化硅上游62%的产量（衬底环节，2020年）。

数据来源：MIR 睿工业根据公开资料整理

而在下游，碳化硅功率器件六巨头包括英飞凌、意法、安森美、罗姆、狼速、三菱，六家外企占了全球99%的市场份额。

也就是说，中国新能源汽车确实整车国产化做得挺好，但是如果大家想要超快充，几乎绕不过这些国际厂商。

他们供多少，你能用多少。想多要点？对不起，没有。

为什么会出现这种情况呢？这我们就得说到碳化硅的产业链了。

一般来说，人们说的“碳化硅”产业主要聚焦“衬底”和“外延片”和“器件”这三个环节。

衬底就是由半导体单晶材料制成的晶圆片，这个东西的价值量高，占到整个碳化硅器件价值的50%以上。

它是怎么做出来的呢？

首先要有碳粉和硅粉，放在一个温度很高（2800多℃）的炉子里加热，变成碳化硅。

碳化硅粉末不会融化成液体，而是直接升华，从固体变成气体。

飘到炉子的上方，温度下降，会直接凝华，再从气体变成固体落下来，这样来生成碳化硅晶体。

这个过程有多慢？一周的时间闷在炉子里，只能长出4厘米左右的厚度，一个矮粗的、巴掌大的圆柱。

来源：浙大杭州科创中心、先进半导体研究院

而且因为炉壁上没有开小窗，整个过程就像开盲盒，难以人工干预。

温度、压力控制稍有差错，就会导致碳化硅生产出现一系列参数缺陷。

如果出现碎的、畸形的碳化硅晶圆，那么它就会被降级，定为莫桑钻。

国内碳化硅技术起步晚，碳化硅单晶制备一直是全球性难题，而高稳定性的晶体生长工艺是其中最为核心的技术。过去这项技术只掌握在美国人手中，而且长期对中国实施技术封锁。

到这里，只是长（zhang）晶过程，还没有形成衬底。

衬底就像制作芯片的硅晶圆一样，得是薄片。

那就得切割圆柱，要用到硬度很高的细线。

如果你熟悉光伏的话，过去光伏行业用的就是类似的东西——砂浆线切割。

但是碳化硅又硬又脆，硬碰硬容易破碎，就不能着急，慢慢切。即便是这样，过程中也会有“震荡损耗”。

综合下来，碳化硅衬底片工艺的良率只有50%左右，这在大工业生产中是非常低的一个水平。

一坨碳化硅晶体，好不容易长出了几厘米高，结果可能只能切出个30~40片来——再经过打磨等工序，就是衬底了。

从生长到切割、打磨，这一片衬底的生产过程需要一个月左右的时间。

一片6英寸的衬底，售价高达数千元人民币，最后能切割出500~600个碳化硅组件。

听起来不少，但1~2辆新能源汽车可能就要用掉这样一整片碳化硅。

很多人会问，为什么在油车的时代，汽车行业几乎不用碳化硅呢？

因为燃油车电压低，只要满足车载电器功率和排放法规即可，所以只完成了6V到12V再到48V的升级。

而新能源车用“三电”（电机、电控、电池）系统替代燃油动力，车内电压升至百伏以上。

碳化硅具有承载电压等级高等优异性能，所以新能源汽车对碳化硅的需求量很大，而供应又迟迟跟不上车企产能扩张的节奏。

这时你就能理解老马同志为什么急得跳脚说要减少75%的碳化硅供应了——价格贵，供应慢，用量大。

国内企业也瞄准了这个赛道的机会。在衬底这个环节，中国正在奋起直追，主要厂商是天岳先进和天科合达。2019年，华为旗下的哈勃就投资了山东天岳，持股10%。

但目前国产比海外产品还存在一定差距。

以位错为例，位错是晶体中一种线性缺陷，我们应该尽量减少它。

国外产品的位错可以达到1000个/平方厘米，而2022年底，国内是5000个/平方厘米。

在衬底的产品水平上，中国离海外先进企业还存在数年的差距。

经过衬底环节以后，接下来的是外延环节。

所谓外延，就是在经过切、磨、抛等等加工过程以后，在衬底上生长出一层新的单晶的过程，这层新的物质可以和衬底是同一种材料，也可以是不同的材料。

就像蛋糕坯子上面可以抹奶油，也可以继续撒面包碎。

有人说，加同一种材料，这不是多此一举吗？

事实上即便材料一样，加外延层也能提升晶圆表面的材料纯度、均匀度。

表面缺陷少、杂质少，电阻率就会更均匀，产品性能就会更好。

有了外延层，衬底就变成了外延片。

5G基站用的就是在碳化硅的基板上长一层氮化镓，这样做出来的就是微波射频器件，用来给基站做功率放大器。

跟衬底比起来，外延层的生长就省事多了，只要一两个小时。

在做出外延片以后，还要经过器件设计、器件制造等环节，碳化硅就可以正式上车了。

现在中国有很多企业布局在碳化硅上下游各个环节当中，而美国的狼速有能力完成所有这些制造环节。

但大家都不想过度依赖狼速。

有业内专家跑了很多整车厂，发现国内新势力对碳化硅国产替代的呼声和需求非常高涨。

而且据业内人士透露，日本可能要对中国禁售碳化硅等产业高精尖的设备，所以国产化设备、原料、辅料就成了中国必须要做的事情。

现在中国做衬底的单晶炉基本都国产化了，而要用到的热场、粉体还需要进口。

另外切割、磨削、抛光的设备现在还以进口为主，国产设备将很快上马。

我们相信，中国新能源汽车这么激烈的竞争环境，这么繁荣的市场前景，一定会助推越来越多的车企追求碳化硅基础上的“超快充”。

就像过去几年，除了某个封闭系统、封闭充电接口的手机品牌以外，几乎所有手机品牌都在卷充电功率。

我们的手机从过去5V/2A（10W）的标配插头，变成了现在最高150W、210W、240W并不断升级的各型号插头。

过去手机超快充都是先用在中高端和旗舰机型上的。

现在人们花个两三千块钱就能轻松买到100W以上的手机快充，我们知道，这是“氮化镓”的功劳。

事实上，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）都是“第三代半导体”的两大类重要材料，区别于传统的“硅基半导体”材料。

因为手机充电过程中对频率的要求更高，而且氮化镓更适合650伏以下的中低压，所以它与碳化硅的应用场景不同。

中国消费电子领域的激烈竞争，让中国氮化镓产业因此受益，国产化率不断提升。

同样的事情为什么不能发生在新能源汽车和碳化硅领域？

最重要的是，碳，我们多得很；硅，也多得很。

碳化硅，只要是人能做出来的东西，最后它的结局一定是过剩。

过剩的结果就是企业去库存，价格大幅下降，企业开始血拼、洗牌，对客户的吸引力增强，扩大应用场景和规模。

市场经济本就如此。

马斯克担心的是短期几年内，这样的“过剩”场景都很难见到。

但实际上，碳化硅未来的趋势一定是“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。

一位功率半导体供应商的高管说：“短期内还没有任何一种半导体材料能在性能上与碳化硅匹敌。”

特斯拉宣布减用碳化硅当天，他们的动力系统工程副总裁就指出：

特斯拉开发了定制化的模块封装技术，可以用更少的碳化硅，保持相同的散热效果。

减用，是精打细算，不是改弦更张、另起炉灶。

随着中国碳化硅原料、设备的国产化水平不断提升，现在480kW的超级快充还是某些车企品牌的卖点，未来一定像66W、100W的手机快充一样稀松平常。

这个东西只要中国人在玩命做，它岂有价格不下降的道理呢？

在现阶段，全球碳化硅供不应求的局面下，特斯拉，或者任何一家车企提出，每辆车上碳化硅要“减量”使用，都是非常合理的举动。

粮不多，省着点吃。

但是未来，我们一定会在更多的充电站里看到用上碳化硅的超充桩。

让很多人意想不到的是，由于中国光伏产业独步天下，做到了世界第一，从而催生出一大批光伏设备龙头企业。

这些企业很多都在做光伏用的单晶硅棒、硅片设备。

而这类设备的研发能力可以很好地迁移到碳化硅生长、切割设备的研制过程中。

经过自主的技术攻关，2022年8月，光伏设备企业晶盛机电成功出炉首颗大尺寸的8英寸n型碳化硅晶体，缩小了国内外技术差距，并获得了不低于23万片的订单。

2022年8月，电科装备2所成功实现大尺寸碳化硅单晶片激光剥离，开展由碳化硅晶锭至合格衬底片的自动化设备贯线，为解决第三代半导体关键技术问题贡献力量。

2022年6月，国内光伏硅片切割设备企业高测股份推出了高线速碳化硅金刚线切片专机，一改碳化硅行业多数采用砂浆切割的工艺，在获得相同晶片质量的前提下，提升产能4倍以上，显著降低生产成本。

2022年6~10月，高测股份已签订销售订单12台。很显然，这种设备制造能力与光伏设备金刚线切片机的技术能力是一脉相承的。

所以说搞好碳中和，在产业底层是一个水乳交织的过程。

光伏、风电、储能、氢能、新能源汽车……它们在设备和原料端共享了很多资源，一个领域的繁荣会助推另一个领域加速成长，而共生共荣的产业根系最终会让中国在整个新能源产业版图上成为全球领军的国家。

所以无论马斯克用不用、用多少碳化硅，中国人都要把它持之以恒地做下去。

学会它，是因为我们已经学会了太多的东西。

精通它，未来我们还将精通更多的东西。

酷玩实验室整理编辑

首发于微信公众号：酷玩实验室（ID：coollabs）

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