福建艦下水，眾多軍迷歡呼雀躍。
一連串問題接踵而至：為什么不采用核動力、電磁彈射技術(shù)是否超過福特級、常規(guī)動力如何分配電力、航母還有哪些新技術(shù)值得一說……
其實，很多新技術(shù)在民用領(lǐng)域逐漸成熟之后，都能夠在航母建設(shè)中發(fā)揮重要作用。
比如碳化硅（SiC），作為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，在大自然一般以莫桑石等礦物形式存在。而航母甲板的耐火涂層會用到碳化硅復(fù)合材料；航母上的相控陣?yán)走_(dá)，需要使用基于碳化硅（SiC）的高功率收/發(fā)組件，讓雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)，目標(biāo)分辨率更高；甚至太空中監(jiān)控航母的衛(wèi)星，也會用到碳化硅反射鏡。
2018年，長春光機(jī)所研制出4.03米口徑的高精度碳化硅非球面反射鏡。有外媒報道，該反射鏡發(fā)射到太空，甚至能看清某國航母甲板上的裂縫。
用于耐火涂層、反射鏡的碳化硅，用于相控雷達(dá)的碳化硅，其實是兩種不同的材料。前者屬于“碳化硅復(fù)合材料”，后者則屬于“第三代半導(dǎo)體碳化硅”，兩者應(yīng)用領(lǐng)域完全不同。
碳化硅復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空航天、核能、軌道交通、光學(xué)系統(tǒng)，以耐高溫、高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊、強(qiáng)韌性等為特點；作為第三代半導(dǎo)體材料的碳化硅，主要是作為功率半導(dǎo)體器件的襯底材料，用于通信、雷達(dá)、汽車、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等場景，比如新能源汽車的功率控制單元、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。
本文則主要聚焦作為第三代半導(dǎo)體材料的碳化硅——中國碳化硅產(chǎn)業(yè)能否像光伏產(chǎn)業(yè)那樣逆襲成功？
為什么是碳化硅？
以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體，具備優(yōu)異的材料物理特性。早在2018年，特斯拉MODEL 3在主逆變器中就安裝了24個由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的碳化硅MOSFET功率模塊。
彼時，一塊碳化硅芯片的價格要比傳統(tǒng)硅芯片貴十倍左右。一直以來，特斯拉在成本控制上都極為謹(jǐn)慎，因此采用模塊化平臺、車體壓鑄一體成型、電池包優(yōu)化設(shè)計、放棄激光雷達(dá)，盡可能壓縮成本。相比之下，為了提升續(xù)航能力，特斯拉愿意為碳化硅芯片花費重金，可見碳化硅的性能不可替代。
我國政府也在積極鼓勵推動碳化硅材料的應(yīng)用。2021年，十四五規(guī)劃等政策就提出我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，催生一批高速成長的新材料企業(yè)。
據(jù)TrendForce，全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場預(yù)計2022年將達(dá)到18.4億美元，2025年會進(jìn)一步增長到52.9億美元。Yole發(fā)布的Power SiC 2022報告更預(yù)測到2027年，碳化硅器件市場將超過70億美元，比2021年的10億美元增加60億美元。Wolfspeed援引Yole數(shù)據(jù)則預(yù)估2026年，僅碳化硅材料領(lǐng)域市場空間就有17億美元。
市場需求增加之下，全球碳化硅市場未來幾年將處于高速成長階段。
此外，在碳中和趨勢下，碳化硅有望在新能源汽車、光伏、風(fēng)電、工控等領(lǐng)域持續(xù)滲透。
以新能源汽車為例，根據(jù)Cree公司提供的測算，將純電動車的逆變器中的功率組件改成碳化硅器件時,由于電能轉(zhuǎn)換效率提高、電能利用效率提高、無效熱耗減少，整車功耗可以減少約5%到10%。
中國企業(yè)正逐步掌握核心技術(shù)
碳化硅未來市場龐大，而中國近年來也頻繁出臺政策助力碳化硅等第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟。
作為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
目前，碳化硅襯底主流尺寸為4-6 英寸，8 英寸襯底僅有Wolfspeed、II-VI 公司和意法半導(dǎo)體等少數(shù)幾家研制成功，其中，美國半導(dǎo)體材料和設(shè)備公司W(wǎng)olfspeed 是首家掌握8 英寸量產(chǎn)技術(shù)并建設(shè)晶圓廠的公司。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體行業(yè)中，中國與發(fā)達(dá)國家存在較大差距；但全球碳化硅第三代半導(dǎo)體仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，中國與發(fā)達(dá)國家的整體差距卻并不大。同時，受益于中國5G通訊、新能源等新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的世界領(lǐng)先地位，國內(nèi)碳化硅器件巨大的應(yīng)用市場空間驅(qū)動上游半導(dǎo)體材料行業(yè)快速發(fā)展。
法國專利分析機(jī)構(gòu) Knowmade 5月發(fā)布的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈知識產(chǎn)權(quán)報告就從襯底、外延到器件、模塊各環(huán)節(jié)梳理了不同國家廠商與研究機(jī)構(gòu)專利布局，并指出，在價值極高的襯底領(lǐng)域，盡管 Wolfspeed、II-VI 等廠商不斷申請新專利，但日本企業(yè)住友電工和昭和電工仍然占據(jù)優(yōu)勢地位，山東天岳、天科合達(dá)等中國廠商也已有一定規(guī)模布局。
據(jù)統(tǒng)計，在半絕緣型碳化硅襯底方面，2020年全球半絕緣型碳化硅襯底市場集中度較高，美國的Wolfspeed、II-IV以及國內(nèi)山東天岳三家獨大，占比合計高達(dá)98%。
除此之外，在導(dǎo)電型碳化硅襯底方面，雖然在2020年底美國的Wolfspeed依舊一家獨大，市占率高達(dá)62%，但I(xiàn)I-VI、SiCrystal、SKSiltron、天科合達(dá)等企業(yè)也成功占領(lǐng)了部分市場份額。
由此可見，在碳化硅產(chǎn)業(yè)中，中國企業(yè)正逐漸向上游進(jìn)發(fā)，正逐步掌握核心技術(shù)。
而在碳化硅的專利申請領(lǐng)域，供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)中已存在大量擁有知識產(chǎn)權(quán)的中國企業(yè)。
例如，在塊狀碳化硅領(lǐng)域，中國電科研究所、山東大學(xué)和中科院（上海硅酸鹽研究所、物理研究所、半導(dǎo)體研究所）等研究機(jī)構(gòu)在中國率先開展了碳化硅晶體生長的研究。
并且在中科院上海硅酸鹽研究所支持下，北京世紀(jì)金光于2012年建立其首條四英寸試點生產(chǎn)線，并于2016年和2017年獲得了北京華進(jìn)創(chuàng)威電子在塊狀碳化硅領(lǐng)域擁有的至少17項專利發(fā)明的知識產(chǎn)權(quán)。
近日，中國科學(xué)院物理研究所也宣布，已成功研制出單一4H晶型的8英寸碳化硅晶體，晶坯厚度接近19.6 mm，同時加工出了厚度約2mm的8英寸SiC晶片，相關(guān)工作已申請了三項中國發(fā)明專利。
正因為中國企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域接連不斷獲取專利，Knowmade在報告著重提出，中國企業(yè)正加快專利申請，以支持形成自主可控的完整國內(nèi)供應(yīng)鏈，中國大陸地區(qū)專利申請已經(jīng)覆蓋了整個產(chǎn)業(yè)鏈，并形成了較為活躍的知識產(chǎn)權(quán)合作網(wǎng)絡(luò)。
8英寸碳化硅普及還需至少5年
隨著中國科研機(jī)構(gòu)以及中國企業(yè)在核心技術(shù)上逐步縮小與 Wolfspeed、意法半導(dǎo)體等的差距，中國正在掀起一場“數(shù)量壓倒質(zhì)量”的全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局變革。
數(shù)量壓倒質(zhì)量并非不注重高精尖研發(fā)，而是在碳化硅技術(shù)先進(jìn)性較國外企業(yè)有所落后的情況下，用中國更廣大的市場、更龐大的產(chǎn)能，奮起直追，直到占據(jù)碳化硅產(chǎn)業(yè)大部分產(chǎn)能，并占領(lǐng)技術(shù)的制高點。
比如，我國擁有全球最多的5G基站，現(xiàn)已建成了5G基站數(shù)量占全球70%以上。據(jù)5月17日工業(yè)和信息化部副部長張云明的通報，目前我國已建成5G基站近160萬個。中國信息通信研究院副院長王志勤也在行業(yè)會議上透露，2022年預(yù)計將新建60萬個5G基站，5G基站總數(shù)到年底將超過200萬個。
全球最多數(shù)量5G基站的能耗問題，就是碳化硅可以應(yīng)用的一大下游市場。
據(jù)了解，5G單位比特能耗是4G的1/5，但5G峰值速率相比4G增長了20倍，且配套設(shè)備、天線數(shù)、站點數(shù)相比4G成倍增加，因此5G網(wǎng)絡(luò)實際耗能大于4G網(wǎng)絡(luò)。。
數(shù)據(jù)顯示，5G基站的電費支出占整體網(wǎng)絡(luò)能耗的80%以上。比如設(shè)備發(fā)熱問題嚴(yán)重，為保障設(shè)備的穩(wěn)定運行，機(jī)房就需要配置空調(diào)。這樣一來，不僅站點占地面積大，空調(diào)能耗高，站點能效通常只有50%只有60%。因此，各大運營商紛紛提出5G綠色機(jī)房、綠色基站建設(shè)，這也給碳化硅應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。
盡管目前全球市場份額中國企業(yè)只占據(jù)小頭，Wolfspeed、Soitec、意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等仍占據(jù)主要市場。但光伏領(lǐng)域的成功逆襲，意味著在碳化硅領(lǐng)域再復(fù)制一場“數(shù)量壓倒質(zhì)量”的成功，并非不可能。
多晶硅、硅片等光伏領(lǐng)域，我國技術(shù)最初遠(yuǎn)落后于國外，產(chǎn)能占全球比例更是微乎其微。但從21世紀(jì)初開始，中國企業(yè)奮起直追，目前硅料、硅片均占據(jù)了全球七成以上產(chǎn)能。
據(jù)火石創(chuàng)造統(tǒng)計，以2020年營收排序的2021全球光伏企業(yè)20強(qiáng)中，中國企業(yè)占據(jù)18個席位，其他國家只有韓國韓華、美國FirstSolar兩家企業(yè)入選，且與營收均超50億美元的榜單前三隆基、協(xié)鑫、晶科差距極大。
這還只是2020年營收，2021年中國光伏企業(yè)又一次大幅增長，也進(jìn)一步拉大了與國外企業(yè)的差距。
而碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，中國產(chǎn)業(yè)鏈與國際領(lǐng)先水平的差距并不像第一代半導(dǎo)體那么大，已經(jīng)初步形成了從襯底、外延片到器件、模塊較為完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈。在8英寸晶圓上，國際頭部廠商也依然處于起步階段。
據(jù)中國電子報報道，碳化硅領(lǐng)域頭部廠商都在布局比6英寸更加先進(jìn)的8英寸碳化硅晶圓，Wolfspeed2015年便展示了8英寸碳化硅襯底；Soitec于2021年宣布5年投資計劃，將新建的兩座碳化硅晶圓廠中，一座為6英寸、一座為8英寸；意法半導(dǎo)體2019年收購Norste，并將其更名為意法半導(dǎo)體碳化硅公司后也表示，將進(jìn)行8英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)開發(fā)，并計劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造功率二極管、MOSFET等產(chǎn)品。
但碳化硅晶圓向8英寸升級之路依然充滿不確定性，碳化硅的8英寸時代只是初現(xiàn)曙光，并沒有真正到來。IGBT發(fā)明人B.Jayant Baliga就曾指出，碳化硅與硅基半導(dǎo)體材料相比，襯底生長極為困難和緩慢，8英寸與6英寸碳化硅晶圓的工藝有很大差別，6英寸技術(shù)上的經(jīng)驗并不能直接復(fù)用于8英寸。
Wolfspeed盡管已率先啟動8英寸碳化硅晶圓廠試產(chǎn)，但專業(yè)人士預(yù)計，整個碳化硅行業(yè)要想真正進(jìn)入8英寸時代預(yù)計還需要5到6年的過渡時間。
而這些過渡時間，也恰好給了中國廠商更多的準(zhǔn)備時間。在產(chǎn)業(yè)競爭中，5年時間，往往就會發(fā)生很大變化。
寫在最后
新能源汽車，是碳化硅目前最為看重的應(yīng)用領(lǐng)域。
蔚來最新款車型ES7就應(yīng)用了碳化硅功率模塊的第二代高效電驅(qū)平臺，在效能更高的同時還使ES7百公里加速僅需3.9秒。
近日上市號稱“500萬內(nèi)最好”的理想L9，其電驅(qū)系統(tǒng)中就采用了來自蘇州斯科半導(dǎo)體的碳化硅功率模塊。而斯科半導(dǎo)體是2022年3月剛成立的一家企業(yè)，由理想汽車與三安光電共同出資組建，主要專注于第三代半導(dǎo)體碳化硅車規(guī)芯片模組的研發(fā)及生產(chǎn)。
這也可見，車企同樣看重碳化硅，并嘗試涉足上游碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。由于斯科半導(dǎo)體還沒有投產(chǎn)，理想L9上的斯科碳化硅功率模塊，估計來自三安光電產(chǎn)線。
據(jù)報道，一臺新能源汽車上使用的硅基IGBT模塊價格約為1500-1700元，而碳化硅MOSFET功率模塊的價格約是硅基IGBT模塊的2.5-3倍，隨著技術(shù)進(jìn)步未來仍有降價空間，這也意味著將會有更多新能源汽車搭載。
當(dāng)然，中國碳化硅企業(yè)要想上演一場堪比光伏領(lǐng)域的逆襲之戰(zhàn)，除了要贏得新能源車領(lǐng)域的“戰(zhàn)爭”，更要將普及碳化硅的戰(zhàn)事引到更多領(lǐng)域，如此，才能借助中國龐大的市場需求，再次創(chuàng)造一場碳化硅逆襲之戰(zhàn)。
