西线无战事，碳化硅五巨头的硝烟（上）

毋庸置疑，碳化硅已经成为了半导体行业，特别是功率半导体细分市场的那个“远方”。行业老对手和新玩家纷纷涌入，加倍下注（double down）这个新兴市场。其中不但有射频大厂Qorvo跨界收购UnitedSiC，还有三安、露笑等投资百亿试图赶超。如火如荼的场景不禁让人联想到百年前列强签订《五国关于限制海军军备条约》前的场景。

前有美英法意日五大强国的海军博弈，今有意（法半导体 STMicroelectronics）、英（飞凌科技 Infineon）、美（国Wolfspeed）、日（本罗姆 Rohm）和安（森美 onsemi）在碳化硅市场争夺战中完成历史的轮回——这五家供应商占据了2021年碳化硅功率器件市场份额的88%。

然而五巨头对现状依然充满敬畏，在这个逆水行舟的市场中，分别祭出了各自的“Z计划”和“八八舰队规划”，尝试在已有项目、客户资源、产品技术和制造产能等多方面超越竞争对手，下面就让我们盘点这五巨头的筹码和底牌。

2021年碳化硅功率器件市场市占率分布情况

（来源：Yole，01芯闻整理）

意法半导体 STMicroelectronics

根据意法半导体在近期财报中透露的最新数据，截止2022财年第1季度，公司碳化硅产品已经在75个客户的98个项目中送样测试，其中工业应用和电动汽车应用各占一半。同时意法宣布在这个季度获得了多个Design-win, 包括与德国模块大厂赛米控（Semikron）签署了一项为期4年的技术合作，由意法提供碳化硅芯片，赛米控提供封装技术，共同开发针对电动汽车的eMPACK功率模块。该模块已被一家德国整车厂选用，预计2025年开始大规模采购，合同金额在10亿欧元左右。

赛米控eMPACK功率模块由三块半桥通用构建块组成，已与意法达成协议采用其碳化硅MOSFET芯片 （来源：Semikron）

根据当前的项目和订单储备，意法预计2022年来自碳化硅产品的营收在7亿美元左右，而这一数字在2024年将达到10亿美元。目前采用意法碳化硅产品的整车厂客户首推特斯拉，自Model 3车型以来就开始采用意法提供的TPAK碳化硅模块，这也成为碳化硅上车并实现规模化运用的标志性事件。另外，去年底开始交付的豪华电动车Lucid Air也是采用意法的碳化硅模块。

考虑到意法在碳化硅市场的地位，笔者认为意法对未来业务增长的预期略显保守，与其他几个碳化硅主要供应商相比增幅并不大。猜测主要原因是意法现有碳化硅产能已经绑定了头号客户特斯拉，因此在新产能上线前，意法能做的事并不多。

针对这一状况，意法计划在2022财年投入21亿美元的资本金，主要目的之一便是增加碳化硅产能——一方面继续扩容意大利西西里岛卡塔尼亞的6寸碳化硅晶圆厂，另一方面投入到2022年开始运营的，位于新加坡的第二座6寸碳化硅晶圆厂。公司另将9亿美元战略投资中的一部分投入到碳化硅衬底的生产上，用于产业链垂直整合，在2025年实现40%的衬底需求内部供应。

同时，公司也在碳化硅研发上继续投入相当资源。在生产技术上，意法于2021年年中宣布其挪威分部STMicroelectronics Silicon Carbide A.B. （前身为2019年收购的Norstel A.B.）开始进行8寸碳化硅材料的实验室制造，预计相应技术将在2025年前后成熟，并应用到规划中的新加坡8寸碳化硅生产线中。

在芯片设计上意法继续深挖平面设计碳化硅MOSFET的技术潜力，推出了第4代平面栅碳化硅，预计在今年第二季度量产。而之前规划的沟槽栅设计产品则顺延成为意法的第5代碳化硅MOSFET，目前应该在工程样品测试阶段，量产时间待定。

意法碳化硅MOSFET的产品路线图新旧版本略有区别

（来源：STMicroelectronics）

相比上一代产品，第4代平面栅碳化硅的性能有所进步，包括导通电阻减少15%，工作频率增加一倍至1MHz。碳化硅芯片技术的进展再搭配意法开发的先进封装，例如STPAK，ACEPACK SMIT/DRIVE等，为意法保持其碳化硅产品核心供应商的地位提供了重要支柱。再加上意法碳化硅TPAK在特斯拉电动车中近5年的大规模应用积累下来的海量数据，让意法的产品在多个维度都领先众多竞争对手——Yole Developpment的数据显示意法2021年的市占率为37%，即便未来群雄割据，管理层也表示有信心占有30%的碳化硅功率器件市场份额。

英飞凌 Infineon

这个季度英飞凌宣布碳化硅产品线再获Design-win, 分别为中国整车厂的电动汽车逆变器和车载充电机应用提供产品，合同总金额达到上亿欧元。即使这两个项目不能在今年贡献显著的营收，目前已有的碳化硅订单也使得2022财年来自碳化硅产品的收入超过去年近一倍，冲击3亿欧元。

综合现有Design-in和Design-win项目，公司管理层预测到2025年前后碳化硅功率器件产品线可以为公司带来10亿美元左右的营收。目前已经开始英飞凌贡献碳化硅产品营收的客户包括现代集团，其Ioniq 5电动紧凑型休旅车采用纬湃科技Vitesco提供的800V逆变器，内部使用的碳化硅模块即来自英飞凌。与此同时，英飞凌还是小鹏汽车的碳化硅模块的主要提供商，用于旗舰SUV车型G9中，预计今年第3季度起正式交付。

英飞凌对碳化硅功率器件业务的财务预期

（来源：Infineon）

虽然英飞凌的碳化硅营收增长迅猛，但是英飞凌并非通过薄利多销的方式来扩大其碳化硅市场份额。CEO Jochen Hanebeck表示碳化硅带来的毛利润率反而高于车规产品事业部和工业产品事业部的平均值。这一点对英飞凌尤为重要：与德州仪器和NXP等竞争对手相比，目前英飞凌在模拟和功率半导体公司中运营利润率处于垫底的位置，急需改变所销售的产品构成来提供利润率，巩固其功率细分市场一哥的位置。

英飞凌碳化硅产品能够定位高质高价，其原因在于起采用的沟槽碳化硅MOSFET技术的先进和成熟。虽然平面结构碳化硅MOSFET生产工艺较为简单，栅极氧化物可靠性更高，但是在与性能相关的单位面积导通电阻和寄生电容，以及成本相关的单位电流芯片尺寸上不能比肩沟栅设计。

而英飞凌的半包沟槽结构是业界不多的几个能够量产上车的碳化硅沟槽结构设计（其他还包括罗姆的双沟槽和住友的接地双掩埋结构等）——按照公众号“碳化硅芯片学习笔记”作者的说法，“沟槽MOS成套工艺及结构IP，是未来十年碳化硅竞争的入场券！”

平面碳化硅MOSFET的品质因素FOM逊于沟槽栅设计

（来源：SystemPlus Consulting）

英飞凌的沟槽结构碳化硅以CoolSiC作为商品名，目前已推出了两代产品。第一代以1200V为主，目前处于量产阶段。而第二代产品包括1200V和750V两个电压规格，相较上一代增加了25-30%的载电流能力。

在针对电动汽车开发的碳化硅模块产品上，英飞凌着重扩充HybridPACK Drive系列产品，推出了尺寸和管脚兼容的的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的业内知名度和客户资源，减少市场推广成本，降低客户切入的壁垒。

不过为了获得更好的性能和更紧凑的方案尺寸，第二代CoolSiC也采用了业内逐渐流行的双面水冷封装HybridPACK DSC，推出了全新的碳化硅塑封模块。

英飞凌CoolSiC技术的迭代，以及对应的电压规格和功率模块封装

（来源：英飞凌）

与同处欧洲的竞争对手意法半导体类似，英飞凌的碳化硅营收也受制于产能。因此，公司一方面从技术要产能，通过开发冷裂（Cold Split）技术减少晶锭（boule）切割过程中的材料损失，从相同的晶锭中获得多一倍的碳化硅衬底。目前这一技术处于小批量试产中，预计2024年完全成熟。

另一方面，公司也在年初宣布斥资逾20亿欧元在马来西亚建设第三期Kulim晶圆厂，专门用于宽禁带半导体包括碳化硅的前道生产。新厂区计划在今年6月开始施工，2024年夏季进行设备安装，首批晶圆于2024年下半年开始出货。

英飞凌的冷裂技术可使碳化硅衬底产能翻倍

（来源：英飞凌）

Wolfspeed

Wolfspeed这个季度（2022财年第3季度）最大的新闻就是其位于纽约州莫霍克谷（MVF）的8寸碳化硅晶圆厂正式开始运营，预计在2023年上半年贡献显著营收。这座晶圆厂占地6.3万平方米，耗资10亿美元，是目前世界上最大的碳化硅生产线。

根据公司在2021年投资者大会上公布的信息，每片8寸晶圆上的碳化硅芯片数量将比现有的6寸晶圆增加了近90%，并且得益于先进的自动化生产设备，良率也比Wolfspeed的6寸产线提高20%-30%。

按照粗略的计算，MVF的8寸晶圆生产总成本（包括衬底和前道工艺）只要不超过Wolfspeed Durham晶圆厂6寸晶圆成本的2.5倍，MVF晶圆厂生产的碳化硅芯片成本就可以低于目前水平。而管理层对MVF晶圆厂带来的成本优化的预期更为乐观，认为2024财年Wolfspeed单颗碳化硅芯片成本将仅为当前的37%。

Wolfspeed对MVF建成后碳化硅芯片成本变化的预期，其中28%的降本来自良率提高，25%来自规模效应，另有10%来自自动化减少的人工和生产周期

（来源：Wolfspeed）

MVF晶圆厂的运营也给Wolfspeed的产能带来飞跃。根据投资者日上间接透露的信息计算，2022财年和2024财年的公司碳化硅衬底总产能（以8寸晶圆计）分别为每周2千3百片和3千3百片。假设这些衬底全部内部消化且只用来生产功率器件，Wolfspeed碳化硅模块的产能理论上可以满足2022年170万台和2024年240万台电动汽车的需求。

本季度除了营收同比和环比继续保持增长外，Wolfspeed的Design-in项目金额也与上季度一样保持高位，达到16亿美元。这使得本财年迄今为止的Design-in总金额增加到38亿美元，较去年同期增加一倍。

这些新增的Design-in项目中，有大约70%来自电动汽车行业，包括明星电动车企Lucid的旗舰车型Lucid Air。在意法的碳化硅模块之外，这款高端电动汽车也将引入Wolfspeed的XM3碳化硅功率模块。预计2023年MVF 8寸线能够稳定量产后，Lucid也将使用内含MVF碳化硅芯片的XM3模块用于Lucid Air及后续车型。因此，Lucid首席工程师、产品资深副总Eric Bach在MVF晶圆厂开业典礼时作为客户代表致辞，也是为了能够尽快拿到MVF晶圆厂的量产芯片。

Lucid Air的逆变器中用到了3块Wolfspeed XM3碳化硅模块

（来源：Lucid，Wolfspeed）

如果将时间拉长到过去三年，Wolfspeed累积的Design-in金额在87亿美元这个惊人的水平，其中包括大众集团“未来汽车供应路线（FAST）”计划和通用汽车奥腾能平台项目。另外，市场也传言戴姆勒集团和奥迪的下一代E-tron车型也选择了Wolfspeed的产品。

本季度管理层表示已经有45%的Design-in即40亿美元转化为Design-win，这意味着Design-win对应的客户已经开始实际批量采购Wolfspeed的碳化硅芯片，且至少占预期第一年数量的20%。

按照公司预估的2024财年15亿美元营收目标，这也需要差不多3年时间才能满足已有的客户需求，因此产能不足造成的订单积压仍然是一大挑战。考虑到这个情况，管理层把扩充碳化硅衬底和器件制造产能依旧作为公司的首要工作。

举措之一就是在本季度财报电话会议中，Wolfspeed宣布公司已经开始着手第二座8寸碳化硅晶圆厂的筹备工作，比之前的规划大大提前。CEO Gregg Lowe透露新晶圆厂较MVF规模更大，并且美国联邦和州政府依然将提供大力支持，更多信息会在今年底释出。另外，第三座衬底工厂的建设也在考虑中，以满足内部和外部衬底客户的需求。

Wolfspeed的碳化硅MOSFET采用平面设计，目前处于第3代（Gen 3），涵盖650V到1200V之间的多个电压规格。与之前两代产品相比，Gen 3 平面MOSFET采用六边形晶胞微观设计，650V Gen 3和1200V Gen 3+的单位面积导通电阻分别为2.3 mΩ·cm2和2.7 mΩ·cm2，较上一代Strip Cell减少了16%。

（一个有趣的对比是，另一家碳化硅MOSFET大厂安森美的技术升级路线与Wolfspeed正好相反，其第一代平面产品M1采用Hex Cell设计，但是在后面的M3中改为Strip Cell，性能提高的幅度也是16%，有待考证为何双方矛盾的技术升级却得到了相同的结果）

Wolfspeed Gen 3碳化硅MOSFET采用Hex Cell的平面技术

（来源：Wolfspeed）

一份较早的资料中Wolfspeed提到其Gen 3碳化硅MOSFET已经到达了平面设计的实际性能极限，下一代产品将是沟槽栅设计。目前Wolfspeed的Gen 4 沟槽栅仍在开发中，具体量产时间还没有透露。

不过，作为一家在碳化硅行业中浸淫了超过30年的企业，Wolfspeed及其前身Cree在1991年就推出了第一片量产碳化硅衬底。深厚的经验积累和历史沉淀让Wolfspeed的碳化硅衬底性能和质量独占鳌头，就连意法、英飞凌和安森美等同行业竞争对手不得不花费上亿美元向其采购。因此，Wolfspeed的碳化硅产品获得了至关重要的先发优势，成为了整个碳化硅行业的风向标。