4237
作者：暢秋
作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，碳化硅（SiC）與硅（Si）相比，擁有更加優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，使得SiC器件能降低能耗20%以上，減少體積和重量30%~50%，可滿足中低壓、高壓、超高壓功率器件制備要求。SiC器件可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、通信雷達(dá)和航空航天等領(lǐng)域。
SiC主要用于功率器件制造，與傳統(tǒng)硅功率器件制造工藝不同，SiC器件不能直接在SiC單晶材料上制造，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延材料，在外延層上制造器件。
在SiC產(chǎn)業(yè)鏈上，關(guān)鍵部分主要集中在上游，其中，襯底生產(chǎn)成本占總成本的47%，外延片成本占23%，合計(jì)占SiC產(chǎn)業(yè)鏈總成本的70%左右。襯底制造技術(shù)壁壘很高，價(jià)值量最大，既決定了上游原材料制備的方式及相關(guān)參數(shù)，也決定著下游器件的性能，是SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的關(guān)鍵。SiC襯底方面，6英寸產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商用化，在此基礎(chǔ)上，國際大廠都在推8英寸產(chǎn)品，但距離全面商業(yè)化還有一段距離。
SiC外延片方面，情況類似，6英寸產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商用化，也處在8英寸產(chǎn)品商用推廣階段。SiC功率器件主要應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、工業(yè)場(chǎng)景、交通領(lǐng)域等，其中，新能源汽車應(yīng)用占比最高，市場(chǎng)份額達(dá)41.5%，由于SiC是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料，技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟，使其成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車最佳性能的理想選擇。
目前，SiC器件在EV/HEV上主要用于功率控制單元、逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。此外，光伏+儲(chǔ)能也是SiC功率器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比達(dá)23.1%。 受汽車應(yīng)用推動(dòng)，尤其是EV主逆變器的需求，SiC市場(chǎng)在高速增長(zhǎng)，據(jù)TrendForce統(tǒng)計(jì)，2023年，全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為30.4億美元。
?01、SiC產(chǎn)業(yè)格局
按地區(qū)劃分，亞太是全球最大的SiC消費(fèi)市場(chǎng)，從企業(yè)端來看，美國、歐洲和日本相關(guān)企業(yè)在SiC行業(yè)處于領(lǐng)先位置。全球前五大SiC廠商占有70%左右的市場(chǎng)份額（出貨量），這些廠商包括STMicroelectronics（意法半導(dǎo)體）、英飛凌、Wolfspeed、Rohm（羅姆）、Onsemi（安森美）、比亞迪和Mitsubishi Electric（三菱電機(jī)）等。
美國的代表企業(yè)是Wolfspeed和安森美。Wolfspeed宣布在美國北卡羅來納州建造一座價(jià)值數(shù)十億美元的新工廠，預(yù)計(jì)2030年完工；還在紐約州建設(shè)全球首座8英寸SiC晶圓廠，總投資達(dá)到50億美元。Wolfspeed還在積極強(qiáng)化與下游的合作，例如，與汽車零部件供應(yīng)商采埃孚合作，投資30億美元在德國薩爾州建設(shè)晶圓廠，此外，還與梅賽德斯-奔馳合作，為其供應(yīng)SiC器件。
歐洲廠商通過垂直化整合，加大擴(kuò)產(chǎn)力度，不斷強(qiáng)化在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。英飛凌宣布投資20多億歐元，擴(kuò)大在馬來西亞的SiC工廠產(chǎn)能，將在2024下半年投入運(yùn)營(yíng)。意法半導(dǎo)體也在大幅提高晶圓產(chǎn)能，計(jì)劃到2024年將SiC晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍。日本的羅姆將投資500億日元強(qiáng)化SiC生產(chǎn)，日本富士電機(jī)也在考慮將SiC產(chǎn)品的投產(chǎn)時(shí)間比原計(jì)劃的2025年提前一年。
最近，TrendForce發(fā)布了一份研究報(bào)告，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全球SiC功率器件市場(chǎng)保持了強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭，前五大SiC供應(yīng)商約占整個(gè)市場(chǎng)營(yíng)收的91.9%，其中，意法半導(dǎo)體以32.6%市占率位居第一，安森美則由2022年的第四名躍居至第二名，市場(chǎng)份額為23.6%，緊隨其后的是英飛凌（16.5%）、Wolfspeed（11.1%）、羅姆（8%）。
目前，SiC襯底的主流產(chǎn)品是6英寸的，行業(yè)正在向8英寸升級(jí)，雖然8英寸襯底的加工成本有所增加，但可以提升芯片產(chǎn)量，8英寸SiC晶圓能夠生產(chǎn)的芯片數(shù)量約為6英寸的1.8倍，向8英寸轉(zhuǎn)型，是降低SiC器件成本的可行方法。同時(shí)，8英寸襯底厚度增加有助于在加工時(shí)保持幾何形狀，減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率。
由于采用8英寸襯底能夠大幅降低單位綜合成本，各大廠商都在積極布局8英寸SiC晶圓。Wolfspeed、英飛凌、博世、安森美等廠商的8英寸晶圓量產(chǎn)時(shí)間集中于2024下半年~2026年，其中：Wolfspeed的8英寸產(chǎn)品已公布，預(yù)計(jì)2024年第二季度產(chǎn)能利用率達(dá)20％以上，安森美韓國工廠在2024年正式運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年產(chǎn)能為去年的1.7倍，2026年產(chǎn)能規(guī)劃約為80萬片，英飛凌表示，今年居林廠開始量產(chǎn)8英寸SiC器件，預(yù)計(jì)到2027年產(chǎn)能約為80萬片，是2023年初的10倍。
由于亞洲，特別是東亞地區(qū)是全球SiC器件第一大消費(fèi)市場(chǎng)，同時(shí)，日本和中國的SiC生產(chǎn)商也在全球產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著重要角色，因此，下邊將著重介紹該地區(qū)的SiC器件生產(chǎn)情況。
?02、日本的優(yōu)勢(shì)：扎實(shí)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)積淀
日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和相關(guān)企業(yè)有長(zhǎng)年形成的制造工藝和技術(shù)積淀，在發(fā)展以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體器件方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
在日本，SiC產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商還是比較多的，如羅姆、三菱電機(jī)、東芝、富士電機(jī)、瑞薩，以及中央硝子（Central Glass）、DISCO等，在全球都有著較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。羅姆是日本最大的SiC功率器件生產(chǎn)商，并通過其德國子公司SiCrystal生產(chǎn)SiC晶圓。羅姆占據(jù)著全球10%的SiC功率器件市場(chǎng)，以及15%-20%的SiC晶圓市場(chǎng)。羅姆計(jì)劃在2028年前投資5100億日元發(fā)展SiC產(chǎn)業(yè)，目標(biāo)是到2030年SiC晶圓產(chǎn)能相比2021年提高35倍，據(jù)悉，到2025年，羅姆SiC產(chǎn)能將提升6.5倍。
今年6月，羅姆子公司SiCrystal宣布，將在德國紐倫堡東北部現(xiàn)有工廠對(duì)面擴(kuò)建廠房。據(jù)介紹，新的SiC晶圓廠將額外提供6000平方米的生產(chǎn)空間，并將配備最先進(jìn)的技術(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化SiC晶圓的生產(chǎn)。新工廠預(yù)計(jì)將在2026年初完工，到2027年，SiCrystal的總產(chǎn)能將比2024年增加約3倍。2023年6月，羅姆與德國汽車零件大廠Vitesco Technologies簽訂了SiC功率器件的長(zhǎng)期供應(yīng)契約，在2024-2030年期間的交易額將超過1300億日元。2023年7月，羅姆宣布收購太陽能電池生產(chǎn)商Solar Frontier在宮崎縣國富町的工廠，計(jì)劃將該工廠用于擴(kuò)大SiC功率器件的產(chǎn)能，未來將成為羅姆的主要生產(chǎn)基地。
另一家廠商三菱電機(jī)宣布，在2026年3月之前將之前宣布的投資計(jì)劃翻一番，達(dá)到約2600億日元，主要用于建設(shè)新的晶圓廠，以增加SiC功率器件的產(chǎn)能。2023年10月，日本汽車零組件大廠Denso和三菱電機(jī)宣布，將分別投資5億美元，入股美國Coherent（原名II-VI）的SiC業(yè)務(wù)子公司Silicon Carbide，分別取得 12.5%股權(quán)（兩家日企合計(jì)取得25%股權(quán)）。
Silicon Carbide主要從事SiC晶圓等產(chǎn)品的制造，于2023年4月從Coherent公司分拆出來。通過此次投資，Denso和三菱電機(jī)可實(shí)現(xiàn)6英寸和8英寸SiC晶圓的長(zhǎng)期穩(wěn)定采購，進(jìn)一步強(qiáng)化用來控制電動(dòng)車馬達(dá)的逆變器競(jìng)爭(zhēng)力。
日本企業(yè)中，還有富士通半導(dǎo)體、日立、京瓷、新日本無線電、菲尼泰克半導(dǎo)體、三墾電氣、三社電氣制造、精工NPC、昭和電工、住友金屬礦山等多家涉及SiC襯底和外延片生產(chǎn)?；谌毡驹诎雽?dǎo)體材料和設(shè)備領(lǐng)域的長(zhǎng)年積累，相關(guān)企業(yè)也將其技術(shù)和工藝優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移到SiC上。
最近，日本中央硝子開發(fā)出了利用含有硅和碳的溶液（液相法）來制造SiC襯底的技術(shù)。與使用高溫下升華的SiC使單晶生長(zhǎng)（升華法）的傳統(tǒng)技術(shù)相比，液相法在增大襯底尺寸和提高品質(zhì)方面更具優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)可使襯底的制造成本降低10%以上，良率也會(huì)大幅度提升。由于利用液相法制備SiC襯底較為復(fù)雜，此前該技術(shù)一直未應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。中央硝子運(yùn)用計(jì)算化學(xué)，通過推算溶液的動(dòng)態(tài)，成功量產(chǎn)出了6英寸SiC襯底。
在此基礎(chǔ)上，該公司打算最早于2030年把相關(guān)技術(shù)擴(kuò)展到8英寸SiC襯底的生產(chǎn)。為了讓客戶采用以新技術(shù)制作的SiC襯底，中央硝子已開始與歐美大型半導(dǎo)體企業(yè)展開商討。中央硝子最早將于2024年夏天開始向客戶提供樣品，2027～2028年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。設(shè)備方面，日本晶圓設(shè)備制造商DISCO于2023年12月推出了新的SiC晶圓切割設(shè)備，可將切割速度提高10倍，首批產(chǎn)品已交付客戶。
?03、中國廠商給國際大廠加壓
目前，中國SiC產(chǎn)業(yè)處于不斷加速階段。2023年，中國SiC襯底材料出貨89.4萬片（折合6英寸晶圓），比2022年的30萬片增長(zhǎng)297.9%，銷售收入為36.5億元，同比暴漲221.2%。但是，總體來看，中國企業(yè)與國外廠商仍有一定差距，特別是在SiC功率器件營(yíng)收方面，如芯聯(lián)集成預(yù)計(jì)其2024年SiC器件營(yíng)收將增長(zhǎng)至10億，然而，僅意法半導(dǎo)體一家廠商在2023年的SiC營(yíng)收就達(dá)到11.4億美元（約合人民幣82.8億元）。
在SiC襯底方面，天科合達(dá)、山東天岳、山西爍科、河北同光、廣州南砂、晶盛機(jī)電等廠商已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)（或小批量生產(chǎn)）。其中，天科合達(dá)去年產(chǎn)能已達(dá)16萬片6英寸SiC晶圓，今年將開始生產(chǎn)8英寸產(chǎn)品，山東天岳預(yù)計(jì)到2026年，產(chǎn)能將達(dá)到30萬片6英寸晶圓。
Yole報(bào)告顯示，在2023年全球?qū)щ娦蚐iC襯底材料市場(chǎng)占有率排行中，天科合達(dá)以18%的市場(chǎng)份額超過美國Coherent（16%），躍居全球第二，不過仍低于WolfSpeed的33%。山東天岳則以14%的市場(chǎng)份額排名第四。SiC外延片方面，東莞天域、瀚天天成、三安光電、河北普興、中電化合物等廠商已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨，2023年SiC外延片產(chǎn)能達(dá)400多萬片。
SiC器件方面，芯聯(lián)集成、士蘭微、積塔半導(dǎo)體、基本半導(dǎo)體、泰科天潤(rùn)、聞泰科技、揚(yáng)杰科技、東微半導(dǎo)等企業(yè)的SiC功率器件和模塊營(yíng)收持續(xù)提升。
目前，中國本土SiC襯底廠商已經(jīng)具備優(yōu)秀的6英寸產(chǎn)品量產(chǎn)水平，還在與歐美IDM大廠共同開發(fā)8英寸SiC技術(shù)，例如，天科合達(dá)、天岳與英飛凌合作，由天科合達(dá)、天岳提供6英寸SiC襯底材料給英飛凌進(jìn)行晶圓加工，后續(xù)將共同向8英寸SiC晶圓技術(shù)過渡；三安光電與意法半導(dǎo)體達(dá)成合作，在重慶合資建8英寸SiC晶圓廠。
中國電動(dòng)車市場(chǎng)的龐大需求給SiC供應(yīng)鏈提供了足夠的增長(zhǎng)空間，也給國際大廠造成了不小的壓力。由于中國企業(yè)產(chǎn)能大幅擴(kuò)張，SiC襯底價(jià)格的下滑速度遠(yuǎn)超過市場(chǎng)擴(kuò)張速度。業(yè)內(nèi)人士表示，中國6英寸SiC晶圓代工價(jià)格，已降至每片1200~1800美元，比兩年前每片4000美元左右的價(jià)格大幅下降。
2023年，全球SiC襯底供應(yīng)量為170萬片，天科合達(dá)當(dāng)年產(chǎn)能估計(jì)達(dá)16萬片6英寸晶圓，今年開始生產(chǎn)8英寸SiC晶圓。山東天岳計(jì)劃到2026年，產(chǎn)能將達(dá)到30萬片6英寸晶圓。 2023年初，6英寸SiC襯底價(jià)格還在1000美元左右，現(xiàn)在只有500多美元。不過，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)已達(dá)極限，因?yàn)閮r(jià)格再往下降，中國廠商也無利可圖。
下載ECAD模型
