碳化硅的崛起和塌房

葉子凌

不久前，馬斯克宣布特斯拉的每輛車都減少75%的碳化硅芯片使用量。隨后，美股、A股的碳化硅概念股齊齊崩盤，全球碳化硅龍頭Wolfspeed當(dāng)日下跌7%，至今已經(jīng)腰斬。

馬斯克一句話帶崩一個(gè)產(chǎn)業(yè)并不罕見，但碳化硅是個(gè)例外：這個(gè)原本不太起眼的產(chǎn)業(yè)，恰恰是馬斯克一手帶火的。

2018年，馬斯克首次宣布在特斯拉Model3里使用碳化硅芯片。緊接著，比亞迪、小鵬、吉利紛紛效仿，在新款電車?yán)飺Q上了碳化硅芯片。

自此之后，凡是使用碳化硅芯片的車型，全都被打上了“高端”“豪華”的標(biāo)簽，價(jià)格也一路上漲到30萬元以上。

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈上游，從前做一種名為“莫桑鉆”的廉價(jià)珠寶的企業(yè)，也因?yàn)樯a(chǎn)原料是碳化硅，搖身一變成為了性感十足的芯片概念股。

5年后，當(dāng)年的造神者親自推倒了神像。伴隨著特斯拉投資者日的結(jié)束，所有的喧囂和狂熱仿佛一瞬間被打回了原形。

那么，從廉價(jià)珠寶到半導(dǎo)體材料，碳化硅是如何被馬斯克一手托起，又重重摔下的？

碳化硅是怎么火起來的？

2018年，特斯拉開始在Model3的主驅(qū)逆變器里，使用基于碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統(tǒng)的硅基IGBT。

這個(gè)決定在當(dāng)時(shí)引發(fā)了劇烈的震動(dòng)——在電動(dòng)車取代燃油車的過程中，電池、電機(jī)、電控組成的三電系統(tǒng)，取代此前燃油車時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱，成為一輛汽車最核心的心臟。但由于電池是直流電，電機(jī)工作需要交流電，這就需要電控環(huán)節(jié)的逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換交流電。

在這之中，硅基IGBT、碳化硅MOSFET等功率模塊，是一個(gè)逆變器最核心的技術(shù)。

相比傳統(tǒng)的硅基IGBT，碳化硅更加耐高溫、耐高壓，還擁有更高的熱導(dǎo)率。因此，碳化硅器件的體積只需要做到硅器件體積的1/10，就可以實(shí)現(xiàn)同樣的功率轉(zhuǎn)化需求。

同時(shí)，搭載碳化硅MOSFET的電車，續(xù)航比搭載硅基IGBT的延長5%～10%，損耗降低75%，總體系統(tǒng)效率提升5%。

簡而言之，碳化硅體積小，性能優(yōu)越，節(jié)能性強(qiáng)，緩解了續(xù)航問題，一舉成為新能源車的“當(dāng)紅炸子雞”，車企紛紛效仿。

2020年，比亞迪推出了第一款高端車型“漢”，在電機(jī)控制器中首次使用了碳化硅的功率模塊；緊接著，蔚來也于2021年推出在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上應(yīng)用碳化硅材料的ET7；2022年，小鵬也推出搭載碳化硅電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的G9車型。

這幾款車型價(jià)格都在30萬元以上，駛進(jìn)電車領(lǐng)域的高端賽道。

終端的熱潮，也順便在供給側(cè)帶火了一家叫做CREE的公司。

碳化硅進(jìn)入應(yīng)用前，要經(jīng)歷襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造和封測的一系列制作環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)又可以拆分給不同的公司。

目前，全球有能力完成所有制造環(huán)節(jié)的企業(yè)很少，CREE就是其中一家，也是第一個(gè)入局碳化硅的企業(yè)。

1991年，CREE制造了出世界上第一塊商用碳化硅襯底，并把它應(yīng)用在LED領(lǐng)域。和當(dāng)時(shí)風(fēng)靡的個(gè)人電腦、MP3，以及后來的智能手機(jī)相比，這實(shí)在算不上引人注意。

但厲害的是，此后二十多年，CREE在這個(gè)小眾市場做到了近乎壟斷的地位。

等到新能源車創(chuàng)造了大量的增量市場，CREE莫名其妙躺著就贏了。2020年，在汽車所需要的導(dǎo)電型碳化硅中，CREE一家就占據(jù)全球60%以上產(chǎn)能，國內(nèi)第一天科合達(dá)僅占比4%。

技術(shù)層面，CREE也常年保持一騎絕塵的領(lǐng)先地位。在晶圓制造中，單片襯底面積增長有利于降低制造成本，因此行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為襯底尺寸越大，企業(yè)的研發(fā)越先進(jìn)。目前業(yè)內(nèi)的最高水平是8英寸碳化硅襯底。

CREE在2015年推出了8英寸碳化硅襯底，隨后，羅姆、意法半導(dǎo)體等國際頭部廠商，也于2021年研制成功。與之相比，國內(nèi)最領(lǐng)先的廠商天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等的生產(chǎn)能力卻仍在6英寸水平。

另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于碳化硅的良率：在獲得碳化硅襯底的晶體生長過程中，傳統(tǒng)的硅材料只需3天就可以長成一根晶棒，而碳化硅晶棒需要7天，這就導(dǎo)致碳化硅生產(chǎn)效率更低。

而且，碳化硅的脆硬屬性，在切割晶圓劃片時(shí)非常容易崩邊，以目前的生產(chǎn)工藝來看，制作出合格的、半導(dǎo)體級(jí)別的碳化硅晶圓并不容易，產(chǎn)能非常緊缺。

具有完整產(chǎn)業(yè)鏈+技術(shù)領(lǐng)先一步的雙重加持，CREE成為了資本市場的熱門標(biāo)的。2020年，CREE的市值上漲了129%，在同期主要半導(dǎo)體公司里漲幅位居全球第二，英偉達(dá)和AMD都被它甩在身后。

隨著特斯拉宣布使用碳化硅材料，CREE也更加集中精力，先后賣掉了曾經(jīng)視為核心的照明業(yè)務(wù)和LED業(yè)務(wù)，并且將整個(gè)公司改名為：Wolfspeed，中文直譯為“狼速”。

結(jié)果自從CREE改名，“狼速”就變成了“狗爬”。

2021年11月12日，改名后一個(gè)月，Wolfspeed的市值爬上了最巔峰，到目前只剩下了當(dāng)時(shí)的一半。

從巔峰到谷底，馬斯克自然要承擔(dān)責(zé)任。但問題是，碳化硅為什么在短時(shí)間內(nèi)，從寵兒變成了棄兒？

特斯拉：造神者滅神

Wolfspeed與碳化硅概念股最近一次的暴跌，是因?yàn)轳R斯克在3月初的特斯拉投資者日上宣布：單車減用75%的碳化硅。

但市場似乎解讀錯(cuò)了重點(diǎn)：特斯拉是減少使用，不是不用。

而且，這背后還有不少隱情：盡管發(fā)展多年，但碳化硅長晶時(shí)間長、屬性硬脆的特性依舊沒能解決。這就導(dǎo)致即使是行業(yè)龍頭Wolfspeed，綜合良率尚且只有60%，國內(nèi)襯底廠商的良率更是在40%以下。

低良率的直接結(jié)果就是高成本：以Model3為例，其主驅(qū)動(dòng)逆變器采用的48個(gè)碳化硅MOSFET，總成本為5 000元，是傳統(tǒng)方案硅基IGBT的3～5倍。

對(duì)于砍成本狂魔馬斯克來說，這顯然是不可忍的。恰巧在今年年初，特斯拉剛剛搞了一波瘋狂降價(jià)，馬斯克順勢立下了一個(gè)目標(biāo)：減價(jià)不減量，特斯拉性能不變，但總制造成本還要再減少1 000美元。

作為汽車電控的核心成本來源，碳化硅自然而然地登上了黑名單。

馬斯克心里其實(shí)還有另一本賬。按照他的構(gòu)想：到了2030年，特斯拉要達(dá)到2 000萬輛電動(dòng)汽車的年產(chǎn)量，而目前每平均每2輛特斯拉就要用掉一塊6英寸的碳化硅。但樂觀預(yù)測，即使每年的復(fù)合增長率為34%，到2030年，碳化硅的總產(chǎn)能也只有1 045萬～1 218萬片。

也就是說，如果維持原本的使用量，特斯拉一家就要用掉全球碳化硅的全部產(chǎn)量，這顯然是不可能的。

價(jià)格上用不起，產(chǎn)量上跟不上，不停掉鏈子的Wolfspeed，只能倒逼著特斯拉另辟蹊徑。

就在特斯拉宣布減用碳化硅的那天，其動(dòng)力系統(tǒng)工程副總裁提出：特斯拉其實(shí)是開發(fā)了定制化模塊封裝技術(shù)，可以在使用更少碳化硅的情況下，保持相同的散熱效果。

也就是說，特斯拉不是不用了，只是少用了。而那些暫時(shí)還沒掌握“定制化模塊封裝技術(shù)”的車企，短期內(nèi)，也只能一邊疏通與Wolfspeed的關(guān)系，一邊積極尋找備胎。

比如，比亞迪投資了天域半導(dǎo)體和天科合達(dá)，小鵬投資了瞻芯電子。2018年，國內(nèi)碳化硅相關(guān)的投資項(xiàng)目簽署額僅50億元，到2020年已達(dá)463億元，其中90%以上有政府參與。

不過，在汽車市場不斷降價(jià)的背景之下，本就利潤薄弱的國產(chǎn)汽車，對(duì)碳化硅的信仰還能堅(jiān)持多久，也就被畫上了問號(hào)。

為碳化硅祛魅

碳化硅本身其實(shí)并不新奇，其作為材料的歷史已有100多年。在商用領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也已歷經(jīng)30多年。

1884年，愛迪生實(shí)驗(yàn)室里一個(gè)叫做愛德華·艾奇遜的員工離職創(chuàng)業(yè)后，想要做出“人工鉆石”。結(jié)果卻意外在一次實(shí)驗(yàn)的熔爐反應(yīng)物中發(fā)現(xiàn)一種硬度只比鉆石小一點(diǎn)，火彩甚至比鉆石更亮的東西，從而打開了人工合成“碳化硅”的大門。

十多年后，又有一個(gè)叫亨利·莫桑的科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)了天然的碳化硅，甚至還因此獲得了1904年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。而碳化硅，也因此被賦予了一個(gè)名氣更大的名字：莫桑石。

所以，一個(gè)冷知識(shí)是：其實(shí)很多打著“碳化硅”名號(hào)混得風(fēng)生水起的企業(yè)，在特斯拉用上碳化硅之前，一直是廉價(jià)珠寶的供應(yīng)商。

比如2022年1月，碳化硅第一股天岳先進(jìn)登陸科創(chuàng)板。直到2020年，天岳先進(jìn)的前5大客戶里有3家都是珠寶公司。目前，國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)量最高的天科合達(dá)，在2020年準(zhǔn)備上市時(shí)，公布的大客戶名單里也有2家珠寶公司長期占據(jù)前5，其中一家還曾在2017年成為天科合達(dá)最大的客戶。

當(dāng)然，在資本市場碳化硅還有一個(gè)更加“性感”的名字——第三代半導(dǎo)體。

理由是碳化硅可以作為芯片的晶圓襯底，并在物理特性上具備禁帶寬度更大、電子漂移速率更大、熱導(dǎo)率更大、擊穿場強(qiáng)更大的特點(diǎn)，更通俗來說就是可以適應(yīng)高功率、高頻、高溫、高電壓等惡劣條件。因此在汽車芯片、高壓快充等場景中優(yōu)勢尤為明顯。

與之相對(duì)應(yīng)的是第一代半導(dǎo)體與第二代半導(dǎo)體。其中，第一代半導(dǎo)體襯底一般是硅晶圓，可以用來生產(chǎn)傳統(tǒng)的CPU、GPU、MCU等。

第二代半導(dǎo)體的襯底一般是磷化銦、砷化鎵，主要用來生產(chǎn)射頻器件、光模塊、LED、激光器、探測器、傳感器等器件。

又是芯片，又與特斯拉、新能源車相關(guān)，甚至還一度引來張汝京親自下場，資本市場對(duì)碳化硅的炒作也一度被捧到了“國產(chǎn)替代”“彎道超車”的高度。

對(duì)廠商來說，只要將碳化硅在拉晶過程中的硅棒拉得夠大，就能從義烏小商品城最愛的莫桑鉆供應(yīng)商轉(zhuǎn)變成為第三代半導(dǎo)體供應(yīng)商。

但要將晶棒拉得夠大，并不簡單。

碳化硅生產(chǎn)制造的難點(diǎn)在于：生產(chǎn)過程在2 300攝氏度高溫的黑箱中進(jìn)行（硅材料只需要1 600攝氏度），隨著尺寸擴(kuò)大，其生產(chǎn)難度呈幾何式增長：溫度和壓力的控制稍有失誤，就有可能導(dǎo)致碳化硅材料的微管密度、錯(cuò)位密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等一系列參數(shù)出現(xiàn)差錯(cuò)。

一旦出現(xiàn)差錯(cuò)，這種碎掉、畸形的碳化硅晶圓，就被降格定級(jí)為莫桑鉆。

也正是因?yàn)閺哪ｃ@到第三代半導(dǎo)體的跨越過程中極高的碎片率，想要投資半導(dǎo)體級(jí)別的碳化硅，見效往往是很慢的。

Wolfspeed，早在2015年就研發(fā)出8英寸碳化硅襯底，但是卻到2022年，迭代到第三代晶圓時(shí)，才得以進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)。而國內(nèi)企業(yè)2020年才開始進(jìn)入8英寸的研發(fā)。

盡管財(cái)報(bào)中，“8英寸”在各廠發(fā)出的喜報(bào)和新聞里已經(jīng)吆喝了許多年，但目前國際市場上主流的襯底仍停留在6英寸水平，國內(nèi)的主流產(chǎn)品更是還停留在4英寸襯底。

甚至就連Wolfspeed本身，也還在將不達(dá)標(biāo)的碳化硅作為莫桑鉆賣給珠寶公司。更早之前的2016年，CREE一度打算把研發(fā)碳化硅的第三代半導(dǎo)體部門出售給英飛凌。

結(jié)果到了2017年，CREE看到Wolfspeed業(yè)務(wù)漸有起色，態(tài)度180度大轉(zhuǎn)彎：不但不賣了，還將整個(gè)公司的重心都轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體部門，并在后續(xù)多年里，陸續(xù)將曾經(jīng)的LED和照明業(yè)務(wù)出售。

到了2018年，CREE正式反悔，宣布拒絕把半導(dǎo)體業(yè)務(wù)賣給英飛凌，甚至翻身做甲方，把英飛凌的射頻業(yè)務(wù)買了下來。

尾聲

我們講過這樣一個(gè)故事。

2013年，為了用藍(lán)寶石替代康寧的玻璃屏幕，在蘋果支持下，美國一家叫作極特先進(jìn)（GT Advanced Technologies）的企業(yè)花了整整9億美金在在亞利桑那州蓋藍(lán)寶石工廠。

按照合約，蘋果會(huì)預(yù)付5.78億美金的預(yù)購款給極特先進(jìn)，用于擴(kuò)產(chǎn)以及相關(guān)的設(shè)備投入。

也正是由于蘋果的支持，那一年的極特先進(jìn)，即使財(cái)務(wù)虧損，股價(jià)卻走出了一個(gè)漂亮的大漲曲線。

相似的溫情開頭，卻迎來了不一樣的結(jié)局：僅僅一年后，蘋果就就因?yàn)樗{(lán)寶石成本高且易碎，重回了康寧懷抱并“含淚”增長一整年，再一次創(chuàng)下成立以來的歷史股價(jià)新高。

而激進(jìn)擴(kuò)產(chǎn)的極特先進(jìn)，為了償還債務(wù)，決定賣熔爐還債，最終以裁員破產(chǎn)的故事收尾。

無論是極特先進(jìn)的破產(chǎn)，還是Wolfspeed的浮沉，本質(zhì)上都反映了一個(gè)問題：一個(gè)高出貨量的終端產(chǎn)品，對(duì)上游供應(yīng)鏈往往有著巨大的話語權(quán)，甚至能夠決定供應(yīng)鏈公司的生死存亡。

這其實(shí)也是中國不遺余力培育新能源車市場的另一個(gè)原因——一家千億元市值的新能源車企業(yè)，很可能帶動(dòng)幾十家百億元市值的供應(yīng)鏈公司，它們背后可能是更多的就業(yè)、利稅和高收入崗位。

從這個(gè)角度看，碳化硅的潮起潮落只是新能源車背后供應(yīng)鏈上無窮硝煙的一個(gè)縮影，對(duì)這個(gè)市場話語權(quán)與附加值的爭奪和追趕，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到結(jié)束的時(shí)候。