特斯拉高调“减碳”，SiC高成本之殇，器件厂商如何应对？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）3月初特斯拉在投资者日上表示，将在下一代平台上减少75%的碳化硅用量，消息一出，即给碳化硅产业链企业带来了一波地震，股价应声下跌。不仅全球衬底龙头Wolfspeed当日股价跌幅高达7%，特斯拉目前主要的SiC MOSFET供应商ST当天股价最高跌幅甚至达到8%，国内的衬底厂商天岳先进、东尼电子开盘后即跌停，可见消息对整个产业链的打击。
 
在投资者日上特斯拉并没对他们的解决方案做过多解释，如今这颗“子弹”飞了将近两周，业界对于其降低碳化硅用量的方案已经有相当多的讨论，下文我们将对目前业界的猜测做一个汇总。
 
因此，我们比较关注的点是，特斯拉的举措是否真的会为近年产能扩张投入巨大的SiC上下游带来负面影响？特别是下游汽车厂商需求的变化下，最先传导到的中游芯片设计或者是功率模块厂商。
 
与此同时，衬底作为SiC器件成本占比最高的部分，尽管价格在不断下降，但相比硅基功率器件依然高出不少。那么在衬底之外，SiC器件的成本能否通过其他途径获得更大程度的下降？
 
五种“减碳”方案猜想
 
对于特斯拉在下一代平台车型中降低碳化硅用量的方案，各方都有不同的猜测。安徽芯塔电子市场经理周骏峰在接受电子发烧友采访时表示，特斯拉高调“减碳”的消息一出，感觉市场反应有些过于敏感，综合目前各类终端市场反馈来看，近几年碳化硅市场依旧会保持供不应求的趋势，尤其是新能源汽车产业将呈现对碳化硅“井喷”式需求，所以产业热度并不会降低。综合特斯拉公布关于Model 3的相关信息，他猜测特斯拉下一代车型可能会从目前的400V母线电压架构向800V转变。
 
“采用800V以后，因为母线电压较之前翻了一倍，在电机功率不变情况下，流过碳化硅MOSFET的电流减半，这导致碳化硅MOSFET管芯面积缩小。管芯面积缩小后，单片晶圆较之前大电流规格晶圆出芯率更高，单车使用碳化硅成本降低。换言之，采用800V架构后，单车消耗碳化硅晶圆量减少，单片6寸晶圆可供更多车辆，这与特斯拉官宣是吻合的。”
 
与此同时，周骏峰还提到另外两种猜测，包括特斯拉供应商对器件封装技术进行创新，使得热阻更小，散热性能更好，器件和模块可以在更高的结温下工作；或者特斯拉对电机进行革新，改进升级电驱系统，也可能使得对功率器件的需求量减少。
 
除了上面的三种可能之外，业界目前还有两种猜想，其中声量最大的是采用SiC MOSFET和IGBT混合模块。在SiC MOSFET和IGBT混合模块的方案中，大概使用2颗配套6颗IGBT封装混合模块，这种模式符合“降低75%用量”的说法。在实际应用中，IGBT载流能力更高，在大电流工况下有一定优势；在功耗方面，SiC MOSFET先于硅基IGBT开通，后于IGBT关断，而IGBT可以实现ZVS零电压开关，可以相比纯IGBT模块大幅降低损耗。
 
不过，由于SiC MOSFET和IGBT的工作频率差异大，驱动电路方面混合模块显然会复杂很多，封装难度也会较高。
 
另一种猜想是采用新一代的SiC MOSFET器件，比如ST的第三代SiC MOSFET芯片面积是第二代的25%，从尺寸上符合75%使用量降低的说法。
 
SiC衬底价格居高不下，芯片设计阶段如何降本
 
实际上，特斯拉并没有说要完全放弃SiC，其动力总成副总裁还在会上提到SiC晶体管是一种关键的器件，但太贵了，并且难以扩大使用（量产）规模。而SiC对降低电动汽车能耗是具有实打实的效果的，特别是在800V高压平台中，SiC相比硅基IGBT的优势会更加突出。理想汽车CEO李想近期就在公开活动上表示，公司实测结果显示，SiC模块配合800V高压平台，与同样驱动方式的400V平台产品相比，可以节省约15%的电量。
 
所以，从投资者日上着重介绍的各种降成本举措来看，对于特斯拉而言，降低成本是他们首要考虑的，减少SiC用量主要原因或许也是由于SiC当前的价格较高，放出消息几乎等同于倒逼上游产业加速降本。
 
周骏峰表示，碳化硅的价格、单车用量和整体需求是互为影响的，在800V电气架构环境下，相较于硅基器件，碳化硅依旧是电动汽车主驱逆变器、OBC、暖通空调压缩机驱动等应用的最优方案。若未来随着工艺技术精进及产能的提升，碳化硅器件成本下降，包括特斯拉在内的所有新能源汽车厂商必定会进一步增加对碳化硅需求，从2023年开始，碳化硅MOSFET的价格也即将迈入下游终端大规模应用的甜蜜期。
 
而对于近几年在产能扩张方面投入巨大的SiC上游，目前其实要更加担心的应该是实际产能落地的状况。“国内碳化硅产业链都在积极扩产，但产能还未真正大规模释放，产能等方面与海外巨头还有差距。国内碳化硅产业要依靠整个国内产业链的合作与深度协同，才能更好地与海外巨头竞争。”
 
SiC衬底在SiC器件成本中占比近50%，因此上游衬底的价格是影响器件价格的最重要因素。不过衬底价格也受到目前衬底良率、产能等影响，正如前面特斯拉动力总成副总裁提到的“难以扩大规模”，而目前众多扩产产能距离落地还有一段时间，短期难以大幅拉低成本。
 
在现阶段，SiC衬底供不应求，价格居高不下，从上游降本的难度较大。那么对于中游的芯片设计公司而言，从芯片设计层面上，有没有降低SiC芯片成本的方法？周骏峰告诉电子发烧友，降低芯片成本可以在保证管芯效能的前提下，减少芯片尺寸，以减少晶圆边缘浪费率，提高出芯率。
 
具体而言，在设计层面有两种方法减少芯片尺寸：
 
一是通过改变外延层厚度和浓度，平衡击穿电压和导通电阻，从而达到降低芯片尺寸的效果；
 
二是通过采用沟槽栅结构，达到降低芯片尺寸的效果。从理论上来看，平面栅SiC MOSFET的沟道迁移率低，相较之下，沟槽栅SiC MOSFET则呈现出更佳的电学特性，其优势包括：元胞密度高、导通损耗低、开关性能强等，可以进一步降低器件成本。
 
“目前，业界普遍认为沟槽型被是最有希望提升SiC MOSFET性能的结构，芯塔电子作为国内最早布局沟槽型SiC MOSFET专利技术企业之一，无论是未来优化产品成本，提高设计工艺方面都极具优势。”周骏峰补充道。
 
在通过芯片设计改进，降低SiC MOSFET芯片面积的过程中，在衬底供应链不变的情况下，市场上SiC器件的产量能够得到显著提高。同时伴随着衬底产能的扩产，两方面因素将会促成衬底价格的加速下降。
 
作为SiC器件厂商，对于未来SiC器件价格的趋势，周骏峰认为，优秀的器件厂商随着产品良率的不断提升和产业规模效应的不断显现，将持续推动芯片价格快速下降，降低车企选用碳化硅的成本门槛。同时，未来在原材料成本影响逐步下降的过程中，SiC器件厂商的盈利能力在技术水平、工艺积累、团队实力和产业资源的影响下将快速分化，SiC赛道内的龙头玩家将实现盈利高速成长。
 
换言之，在未来SiC衬底价格进一步下行时，器件厂商是否拥有核心技术和工艺开发平台，从芯片设计层面具备技术优势实现成本与性能的平衡，或许会是立足于市场的关键。
 

 
安徽芯塔电子市场经理 周骏峰