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一個碳化硅巨人的非自然死亡

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2018年夏天,伴隨特斯拉Model 3開始交付,全球范圍內掀起了一股拆解Model 3的熱潮。華爾街分析師們順藤摸瓜,摸到一家名叫CREE(科銳)的小公司。

CREE成立于1987年,早在1993年就上市,但在巨人林立的半導體從產業長期缺乏存在感。隨著Model 3的上市交付,產業界驚訝地發現,這家年收入不到4億美元的小公司牢牢掐住了新能源車的命脈——碳化硅

同一時期,研究機構Munro&Associates發布Model 3拆解報告,第一次揭開了碳化硅的廬山真面目。

在Model 3的動力輸出核心部件逆變器中,特斯拉把傳統的硅材料換成了碳化硅,總重量僅為4.8kg,不到競品的一半(日產聆風為11.15kg)[1],耐高壓、低損耗,困擾業界的諸多難題一次性解決。


Model 3逆變器中的碳化硅MOSFET

但在當時,全世界60%的碳化硅晶圓產能都掌握在CREE手里,下游的半導體公司只能排隊找CREE預訂產能。

正所謂酒壯慫人膽,CREE一不做二不休,賣光了跟半導體無關的所有業務,并更名為Wolfspeed,決定All in碳化硅。但轉型之路難言順利,好消息是短短三年股價就挪動了兩個小數點,壞消息是往左挪動的——從130美元到1.3美元。

事實證明,天上確實會掉餡餅,但偶爾也會砸死人。

丑小鴨變白天鵝

從生產第一塊碳化硅晶圓到碳化硅被捧上神壇,CREE等了整整三十年。

CREE脫胎于美國北卡羅來納州立大學的實驗室,幾個創始人都是在校研究生。當時,大學接到美國海軍委托,研發軍用飛機的高功率電子系統,攻克以碳化硅為材料生產芯片的難題[2]。

電子產品內部的芯片多以硅(Si)為制造材料,但基于硅材料自身特性,不太勝任極端場景。與之相對的是以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)“第三代半導體材料”,可以勝任高頻、高溫、高電壓等惡劣條件,在高壓快充等特定場景中優勢巨大。


硅(左)和碳化硅(右)的內部結構

但碾壓的性能背后,也是挑戰物理極限的制造工藝。

芯片是從晶圓上切割出來的,制備碳化硅晶圓是生產芯片的基礎。碳化硅晶圓與傳統硅晶圓制備流程類似,也需要將碳化硅原料熔煉、生長成圓柱形的晶錠,再將晶錠切割,經過蝕刻、拋光、清洗等環節,變成可以用來生產芯片的晶圓。這也是為什么芯片是方形的,但晶圓卻是圓型的。


機器抓住的圓柱形物體就是晶錠


晶錠的“切片”過程

然而,相比于傳統的硅晶圓,碳化硅晶圓生長速度緩慢,6英寸的碳化硅晶圓,一小時只能生長0.5-2毫米[3]。加上又硬又脆的物理屬性,只能用小力多次的往復運動切割成晶圓,效率低下不說,還非常容易崩邊導致損耗。

產線上損耗的碳化硅晶圓,往往會被降格為莫桑鉆出售。因此,如果一家碳化硅生產商的切割工藝水平有限,它就會成為一家大型珠寶生產商。

天岳先進作為國內碳化硅第一股,直到2020年,其前五大客戶里有三家都是珠寶公司。無獨有偶,天科合達2020年準備上市時,大客戶名單里兩家珠寶公司赫然在列。


鉆石和莫桑石

當年CREE研究碳化硅時,還沒有珠寶公司報銷研發開支,好在美國海軍財大氣粗,承包了所有費用。政府項目結束后,已經讀到博士的創始團隊決定帶著專利創業,成功提高了北卡羅來納州立大學的科研成果轉化率。

由于極高的制備成本,碳化硅在當時的消費電子產業優勢并不明顯(現在也不太明顯),CREE最終選擇了藍光LED作為碳化硅的產業化目標。

由碳化硅制成的二極管通過電流會發出藍光,當時市面已經有紅、綠、黃、橙四種顏色二極管,有藍光加持,多種顏色搭配就可以呈現白光,對應的LED燈不僅比白熾燈更便宜,壽命也更長。

公司成立兩年后,第一顆基于碳化硅的藍光LED問世。此后三十年,LED業務都是CREE的營收支柱,直到2017年,LED在CREE總營收中占比依然高達90%。


CREE創始團隊與基于碳化硅的藍光LED

相比之下,CREE的半導體業務大部分收入還仰仗美國政府慷慨解囊,大多僅用于研究[4]。

但到了2017年9月,CREE迎來新任CEO Gregg Lowe。與前任主攻LED方向不同,Gregg Lowe在德州儀器干了28年,是個實打實的芯片老兵,其履歷被普遍解讀為CREE轉舵碳化硅半導體的起點。


Gregg Lowe

一年后,馬斯克公開Model 3的碳化硅逆變器,被餡餅砸中的Gregg Lowe接受專訪,給自己定下了半導體業務收入五年內翻番的KPI[5]:

“這讓我想起丑小鴨變成美麗天鵝的畫面。”

8英寸的陷阱

2017年到2021年,CREE半導體業務在總營收占比從10%躍升至53%。2021年,CREE直接賣掉了最賺錢的LED業務,并以半導體業務部門的名字Wolfspeed改頭換面,彰顯壯士斷腕的決心。

但命運總是擅長開玩笑,改名之后的CREE反而陣腳大亂,在資本市場劃出了一道讓持股機構血壓升高的拋物線。

在電動車大范圍普及之前,碳化硅是個典型的資本開支大、利潤空間小的苦活累活,市場規模也相對有限,在半導體產業的存在感非常有限。

由于制備成本高昂,為了最大限度地降低成本、在定價上掌握主動,碳化硅生產商會盡可能將晶圓、芯片、器件等各個生產環節整合,拉低生產制造成本。但如此一來,又強化了碳化硅的重資產屬性。


垂直一體化生產(右邊柱型)可以讓碳化硅芯片生產成本下降20%

Wolfspeed的優勢領域在碳化硅晶圓的生產,這一方面得益于自身數十年的技術積累,但另一方面也和碳化硅晶圓重資產、市場小的特點有關,是個典型的兵家必不爭之地。

但電動車普及后,碳化硅市場規模迅速擴大,各路資本蜂擁而至,加劇了市場競爭。

Model 3的逆變器需要用到24組/48顆碳化硅MOSFET功率芯片,算上其他地方的用量,一輛電動車的碳化硅芯片數量在100-150顆左右。而當時一片6英寸晶圓大約能切出300顆碳化硅,也就是說,一輛電動車就會用掉半塊碳化硅晶圓。

而Wolfspeed改名的2021年,恰好是全球電動車市場的爆發之年,需求量的暴增疊加全球范圍的缺芯,讓碳化硅搖身一變,成了兵家必爭之地。


因此在Model 3交付之際,Wolfspeed面對的形勢是產能和生產技術上優勢依然存在,但對手紛紛開始追趕。此時擺在Wolfspeed面前的選擇有兩個:一是繼續擴張6英寸晶圓產能,二是投資8英寸晶圓量產。

簡單來說,雖然目的都是降低成本,但前者是粗暴直接的擴產,效果立竿見影;后者技術難度更大,勝在利潤率高。

晶圓尺寸是降低成本的關鍵因素:晶圓尺寸越大,一次切出的芯片越多,單位成本就越低;但與之對應,晶圓尺寸越大,量產難度就越高,兩者互為表里。



PCG預測的6英寸(紅色)/8英寸(藍色)單位芯片制造成本隨時間變化

Wolfspeed早在2012年就實現了6英寸量產,當時對手還在4英寸掙扎。到了2017年,同行相繼實現6英寸量產,但Wolfspeed兩年前就公開展示了8英寸晶圓樣品。

在這種情況下,相比擴產拼成本,研發大尺寸晶圓的量產維持高利潤率,是一個基于自身長板的務實選擇。

2019年,Wolfspeed宣布將在紐約投資全球最大的8英寸碳化硅晶圓廠,即莫霍克谷工廠,投資金額達到15億美元,比公司2018年全年營收還高。與之對應,公司市值從2019年的40億美元,一路漲到2021年的165億美元。

2022年,莫霍克谷工廠如期開業,Wolfspeed帶著領先優勢來到了8英寸的戰場,同年,公司資本開支高達50億美元,負債規模也水漲船高。


拜登參觀莫霍克谷工廠

按照規劃,對莫霍克谷工廠的投資將在2024年達峰,隨后逐年下降,工廠有望在2025年進入回報期。2024年10月末,CEO Gregg Lowe在公開活動中表示,莫霍克谷工廠產能提升進展順利,產量也達到了預期。

半個月后,Gregg Lowe黯然下臺,Wolfspeed傳出了破產傳聞。

降本才是硬道理

2024年,Wolfspeed營收不僅沒有如Gregg Lowe預測般的增長,反而大降12%,資本市場盛傳,莫霍克谷工廠利用率至今僅為20%,遠不及預期。

對8英寸的巨額投入看不到回報,長期看多的投資者陸續叛逃,Wolfspeed全年股價跌幅高達84.7%,成功從英特爾手中搶過了“2024年表現最差科技股”稱號。

隨著拜登政府7.5億撥款補助成為無頭公案,公司市值直接跌到了1998年的水平。當年挖出Wolfspeed的分析師們不由反思,投資8英寸真的錯了嗎?

平心而論,站在2019年的時間節點,量產8英寸確實是Wolfspeed最具投資回報率的選擇。但站在車企的角度,無論碳化硅芯片產自6英寸晶圓還是8英寸晶圓,衡量的標尺始終是成本。

2020年,比亞迪在漢車型中使用了碳化硅功率模塊,蔚來也于2021年推出碳化硅電驅的ET7;2022年,小鵬G9同樣采用碳化硅MOSFET。清一色的高端車型不是車企曲高和寡,實在是碳化硅成本太高。

一般來說,采用碳化硅MOSFET的電動車,續航相比硅基IGBT的能提高5-10%,對電動車至關重要。2023年的投資者日,馬斯克就高調宣稱要減少75%的碳化硅芯片用量,原因依然是成本。

由于電動車銷量的高速增長,車企的需求和Wolfspeed的擴產節奏出現了錯配,車企不會傻等著Wolfspeed擴產,這就給其他碳化硅生產商留出了市場空間。

2024年,中國的天科合達(17.3%)、天岳先進(17.1%)擠下市占第二的Coherent,在碳化硅晶圓的市場份額躍升到全球二三位,合計份額與Wolfspeed(33.7%)勢均力敵[6]。


2024年碳化硅晶圓市場份額

Wolfspeed舉債投入8英寸產能建設時,中國公司反而在擴張6英寸產能。由于6英寸生產工藝相對成熟,資本開支的效率天然更高,兩年時間里,單晶圓價格就從1500美元降到了500美元[7]。

假設6英寸轉向8英寸后,單顆芯片的切割成本降低50%,那么即使Wolfspeed的8英寸產能利用率與良率達到預期,其成本也很難與國內的6英寸競爭,反而積累了沉重的債務負擔。

另一方面,相比Wolfspeed垂直一體化的重資產模式,國內碳化硅產業鏈的細分程度更高。比如天科合達、天岳先進負責碳化硅晶圓制造,揚杰科技做碳化硅器件設計,芯聯集成做器件代工,斯達半導做模組,每個環節的投資效率更高。

垂直一體化確實能減少中間環節、壓縮成本,但前提是能夠負擔投資回報周期和多個環節的資本開支,Wolfspeed擴產8英寸反而成了反面教材。

2023年后,全球電動車銷量增速開始放緩,美國和歐洲市場拉了大胯,前者增速僅為個位數,后者不增反降低。作為Wolfspeed主要收入來源,反而成為了壓垮碳化硅巨人的最后一根稻草。

今年6月,Wolfspeed申請破產重整。一家注定會載入集成電路產業史冊的公司,最終劃上了一個充滿遺憾的句號。

尾聲

和其他半導體的其他分支乃至整個電子產業一樣,碳化硅芯片是一個標準化程度極高的產品,無論來自多大尺寸的晶圓,競爭力都錨定于成本,由此形成高強度的競爭。

電子產業既是科技頂峰的探索,也是成本管控的藝術。先進的生產工藝和技術能力并非萬能,有時甚至會有副作用。

日本學者湯之上隆曾做客存儲芯片公司爾必達,發現爾必達可以把512M DRAM芯片的良率做到驚人的98%,而三星只有83%,這也成為了各路分析師看好爾必達的重要原因。

但事實是,把良率從60%提高到80%相對比較容易,進一步提高到90%以上,成本會成倍增加。這種情況下,爾必達產線的吞吐量只有三星的1/2,如果要生產同樣數量的芯片,爾必達的設備成本反而比三星多了一倍。

最終,三星電子的利潤率高達30%,爾必達只有3%,在金融危機中資金鏈斷裂,被美光打包帶走。

電子產業的魅力也恰恰在于,它既是以納米計量的技術冒險,也是精確到小數點后三位的臺賬。舊王倒下新貴崛起的故事,總是有與眾不同的演繹手法和意想不到的伏筆與轉折。

新能源車供應鏈加速洗牌出清的周期里,Wolfspeed不會是唯一一個坍塌的神像。


參考資料

[1] Tesla's Innovative Power Electronics: The Silicon Carbide Inverter, IDTechEx

[2] Growing at Wolfspeed, NC State University

[3] SiC Seeding for Sustainable Green Energy: An Overview of SiC Crystal Growth and Wafer Processing, Orbitskyline

[4] CREE Inc. History,fundinguniverse

[5] Wolfspeed is no more our Ugly Duckling, Design&Electronic

[6] 2024年碳化硅襯底市場營收下降9%至10.4億美元,TrendForce

[7] Global tech industry braces for 'China shock' in mature chips, Nikkei Asia

編輯:李墨天

視覺設計:疏睿

責任編輯:何律衡


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