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當日下跌7%，至今已經腰斬。

馬斯克一句話帶崩一個產業并不罕見，但碳化硅是個例外：這個原本不太起眼的產業，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，在新款電車里換上了碳化硅芯片。

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”的標簽，價格也一路上漲到30萬元以上。

對應的產業鏈上游，從前做一種名為“莫桑鉆”的廉價珠寶的企業，也因為生產原料是碳化硅，搖身一變成為了性感十足的芯片概念股。

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

那么，從廉價珠寶到半導體材料，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的主驅逆變器里，使用基于碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統的硅基IGBT。

這個決定在當時引發了劇烈的震動——在電動車取代燃油車的過程中，電池、電機、電控組成的三電系統，取代此前燃油車時代的發動機與變速箱，成為一輛汽車最核心的心臟。但由于電池是直流電，電機工作需要交流電，這就需要電控環節的逆變器，將直流電轉換交流電。

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

相比傳統的硅基IGBT，碳化硅更加耐高溫、耐高壓，還擁有更高的熱導率。因此，碳化硅器件的體積只需要做到硅器件體積的1/10，就可以實現同樣的功率轉化需求。

同時，搭載碳化硅MOSFET的電車，續航比搭載硅基IGBT的延長5%～10%，損耗降低75%，總體系統效率提升5%。

簡而言之，碳化硅體積小，性能優越，節能性強，緩解了續航問題，一舉成為新能源車的“當紅炸子雞”，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年推出在電驅動系統上應用碳化硅材料的ET7；2022年，小鵬也推出搭載碳化硅電驅動平臺的G9車型。

這幾款車型價格都在30萬元以上，駛進電車領域的高端賽道。

終端的熱潮，也順便在供給側帶火了一家叫做CREE的公司。

碳化硅進入應用前，要經歷襯底、外延、器件設計、器件制造和封測的一系列制作環節，這些環節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節的企業很少，CREE就是其中一家，也是第一個入局碳化硅的企業。

1991年，CREE制造了出世界上第一塊商用碳化硅襯底，并把它應用在LED領域。和當時風靡的個人電腦、MP3，以及后來的智能手機相比，這實在算不上引人注意。

但厲害的是，此后二十多年，CREE在這個小眾市場做到了近乎壟斷的地位。

等到新能源車創造了大量的增量市場，CREE莫名其妙躺著就贏了。2020年，在汽車所需要的導電型碳化硅中，CREE一家就占據全球60%以上產能，國內第一天科合達僅占比4%。

技術層面，CREE也常年保持一騎絕塵的領先地位。在晶圓制造中，單片襯底面積增長有利于降低制造成本，因此行業內普遍認為襯底尺寸越大，企業的研發越先進。目前業內的最高水平是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、意法半導體等國際頭部廠商，也于2021年研制成功。與之相比，國內最領先的廠商天科合達、天岳先進等的生產能力卻仍在6英寸水平。

另一個技術難點在于碳化硅的良率：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，這就導致碳化硅生產效率更低。

而且，碳化硅的脆硬屬性，在切割晶圓劃片時非常容易崩邊，以目前的生產工藝來看，制作出合格的、半導體級別的碳化硅晶圓并不容易，產能非常緊缺。

具有完整產業鏈+技術領先一步的雙重加持，CREE成為了資本市場的熱門標的。2020年，CREE的市值上漲了129%，在同期主要半導體公司里漲幅位居全球第二，英偉達和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，先后賣掉了曾經視為核心的照明業務和LED業務，并且將整個公司改名為：Wolfspeed，中文直譯為“狼速”。

結果自從CREE改名，“狼速”就變成了“狗爬”。

2021年11月12日，改名后一個月，Wolfspeed的市值爬上了最巔峰，到目前只剩下了當時的一半。

從巔峰到谷底，馬斯克自然要承擔責任。但問題是，碳化硅為什么在短時間內，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，是因為馬斯克在3月初的特斯拉投資者日上宣布：單車減用75%的碳化硅。

但市場似乎解讀錯了重點：特斯拉是減少使用，不是不用。

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

低良率的直接結果就是高成本：以Model3為例，其主驅動逆變器采用的48個碳化硅MOSFET，總成本為5 000元，是傳統方案硅基IGBT的3～5倍。

對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，馬斯克順勢立下了一個目標：減價不減量，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。

馬斯克心里其實還有另一本賬。按照他的構想：到了2030年，特斯拉要達到2 000萬輛電動汽車的年產量，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。但樂觀預測，即使每年的復合增長率為34%，到2030年，碳化硅的總產能也只有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量，這顯然是不可能的。

價格上用不起，產量上跟不上，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，其動力系統工程副總裁提出：特斯拉其實是開發了定制化模塊封裝技術，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。而那些暫時還沒掌握“定制化模塊封裝技術”的車企，短期內，也只能一邊疏通與Wolfspeed的關系，一邊積極尋找備胎。

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

不過，在汽車市場不斷降價的背景之下，本就利潤薄弱的國產汽車，對碳化硅的信仰還能堅持多久，也就被畫上了問號。

為碳化硅祛魅

碳化硅本身其實并不新奇，其作為材料的歷史已有100多年。在商用領域的技術發展也已歷經30多年。

1884年，愛迪生實驗室里一個叫做愛德華·艾奇遜的員工離職創業后，想要做出“人工鉆石”。結果卻意外在一次實驗的熔爐反應物中發現一種硬度只比鉆石小一點，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，又有一個叫亨利·莫桑的科學家在隕石中發現了天然的碳化硅，甚至還因此獲得了1904年的諾貝爾化學獎。而碳化硅，也因此被賦予了一個名氣更大的名字：莫桑石。

所以，一個冷知識是：其實很多打著“碳化硅”名號混得風生水起的企業，在特斯拉用上碳化硅之前，一直是廉價珠寶的供應商。

比如2022年1月，碳化硅第一股天岳先進登陸科創板。直到2020年，天岳先進的前5大客戶里有3家都是珠寶公司。目前，國內碳化硅襯底產量最高的天科合達，在2020年準備上市時，公布的大客戶名單里也有2家珠寶公司長期占據前5，其中一家還曾在2017年成為天科合達最大的客戶。

當然，在資本市場碳化硅還有一個更加“性感”的名字——第三代半導體。

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、熱導率更大、擊穿場強更大的特點，更通俗來說就是可以適應高功率、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勢尤為明顯。

與之相對應的是第一代半導體與第二代半導體。其中，第一代半導體襯底一般是硅晶圓，可以用來生產傳統的CPU、GPU、MCU等。

第二代半導體的襯底一般是磷化銦、砷化鎵，主要用來生產射頻器件、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，甚至還一度引來張汝京親自下場，資本市場對碳化硅的炒作也一度被捧到了“國產替代”“彎道超車”的高度。

對廠商來說，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商轉變成為第三代半導體供應商。

但要將晶棒拉得夠大，并不簡單。

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

一旦出現差錯，這種碎掉、畸形的碳化硅晶圓，就被降格定級為莫桑鉆。

也正是因為從莫桑鉆到第三代半導體的跨越過程中極高的碎片率，想要投資半導體級別的碳化硅，見效往往是很慢的。

Wolfspeed，早在2015年就研發出8英寸碳化硅襯底，但是卻到2022年，迭代到第三代晶圓時，才得以進入規模化量產。而國內企業2020年才開始進入8英寸的研發。

盡管財報中，“8英寸”在各廠發出的喜報和新聞里已經吆喝了許多年，但目前國際市場上主流的襯底仍停留在6英寸水平，國內的主流產品更是還停留在4英寸襯底。

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

結果到了2017年，CREE看到Wolfspeed業務漸有起色，態度180度大轉彎：不但不賣了，還將整個公司的重心都轉移到半導體部門，并在后續多年里，陸續將曾經的LED和照明業務出售。

到了2018年，CREE正式反悔，宣布拒絕把半導體業務賣給英飛凌，甚至翻身做甲方，把英飛凌的射頻業務買了下來。

尾聲

我們講過這樣一個故事。

2013年，為了用藍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（GT Advanced Technologies）的企業花了整整9億美金在在亞利桑那州蓋藍寶石工廠。

按照合約，蘋果會預付5.78億美金的預購款給極特先進，用于擴產以及相關的設備投入。

也正是由于蘋果的支持，那一年的極特先進，即使財務虧損，股價卻走出了一個漂亮的大漲曲線。

相似的溫情開頭，卻迎來了不一樣的結局：僅僅一年后，蘋果就就因為藍寶石成本高且易碎，重回了康寧懷抱并“含淚”增長一整年，再一次創下成立以來的歷史股價新高。

而激進擴產的極特先進，為了償還債務，決定賣熔爐還債，最終以裁員破產的故事收尾。

無論是極特先進的破產，還是Wolfspeed的浮沉，本質上都反映了一個問題：一個高出貨量的終端產品，對上游供應鏈往往有著巨大的話語權，甚至能夠決定供應鏈公司的生死存亡。

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

從這個角度看，碳化硅的潮起潮落只是新能源車背后供應鏈上無窮硝煙的一個縮影，對這個市場話語權與附加值的爭奪和追趕，還遠遠沒到結束的時候。