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作者：暢秋
作為第三代半導體材料的典型代表，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器件可廣泛應用于電動汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、通信雷達和航空航天等領(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，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(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)化推進的關(guān)鍵。SiC襯底方面，6英寸產(chǎn)品已實現(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功率器件主要應用于新能源汽車、充電樁、工業(yè)場景、交通領(lǐng)域等，其中，新能源汽車應用占比最高，市場份額達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+儲能也是SiC功率器件的主要應用領(lǐng)域，占比達23.1%。 受汽車應用推動，尤其是EV主逆變器的需求，SiC市場在高速增長，據(jù)TrendForce統(tǒng)計，2023年，全球SiC功率器件市場規(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消費市場，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%左右的市場份額（出貨量），這些廠商包括STMicroelectronics（意法半導體）、英飛凌、Wolfspeed、Rohm（羅姆）、Onsemi（安森美）、比亞迪和Mitsubishi Electric（三菱電機）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值數(shù)十億美元的新工廠，預計2030年完工；還在紐約州建設全球首座8英寸SiC晶圓廠，總投資達到50億美元。Wolfspeed還在積極強化與下游的合作，例如，與汽車零部件供應商采埃孚合作，投資30億美元在德國薩爾州建設晶圓廠，此外，還與梅賽德斯-奔馳合作，為其供應SiC器件。
歐洲廠商通過垂直化整合，加大擴產(chǎn)力度，不斷強化在該領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢。英飛凌宣布投資20多億歐元，擴大在馬來西亞的SiC工廠產(chǎn)能，將在2024下半年投入運營。意法半導體也在大幅提高晶圓產(chǎn)能，計劃到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500億日元強化SiC生產(chǎn)，日本富士電機也在考慮將SiC產(chǎn)品的投產(chǎn)時間比原計劃的2025年提前一年。
最近，TrendForce發(fā)布了一份研究報告，據(jù)統(tǒng)計，2023年全球SiC功率器件市場保持了強勁增長勢頭，前五大SiC供應商約占整個市場營收的91.9%，其中，意法半導體以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，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，8英寸襯底厚度增加有助于在加工時保持幾何形狀，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)時間集中于2024下半年~2026年，其中：Wolfspeed的8英寸產(chǎn)品已公布，預計2024年第二季度產(chǎn)能利用率達20％以上，安森美韓國工廠在2024年正式運行，預計今年產(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，預計到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器件第一大消費市場，同時，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：扎實的半導體工藝技術(shù)積淀
日本半導體產(chǎn)業(yè)和相關(guān)企業(yè)有長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體器件方面有其獨特優(yōu)勢。
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、東芝、富士電機、瑞薩，以及中央硝子（Central Glass）、DISCO等，在全球都有著較強競爭力。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，以及15%-20%的SiC晶圓市場。羅姆計劃在2028年前投資5100億日元發(fā)展SiC產(chǎn)業(yè)，目標是到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)有工廠對面擴建廠房。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，并將配備最先進的技術(shù)，以進一步優(yōu)化SiC晶圓的生產(chǎn)。新工廠預計將在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功率器件的長期供應契約，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，計劃將該工廠用于擴大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宣布，在2026年3月之前將之前宣布的投資計劃翻一番，達到約2600億日元，主要用于建設新的晶圓廠，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)務子公司Silicon Carbide，分別取得 12.5%股權(quán)（兩家日企合計取得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和三菱電機可實現(xiàn)6英寸和8英寸SiC晶圓的長期穩(wěn)定采購，進一步強化用來控制電動車馬達的逆變器競爭力。
日本企業(yè)中，還有富士通半導體、日立、京瓷、新日本無線電、菲尼泰克半導體、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w材料和設備領(lǐng)域的長年積累，相關(guān)企業(yè)也將其技術(shù)和工藝優(yōu)勢轉(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（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。該技術(shù)可使襯底的制造成本降低10%以上，良率也會大幅度提升。由于利用液相法制備SiC襯底較為復雜，此前該技術(shù)一直未應用在實際生產(chǎn)中。中央硝子運用計算化學，通過推算溶液的動態(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年實現(xiàn)商業(yè)化。設備方面，日本晶圓設備制造商DISCO于2023年12月推出了新的SiC晶圓切割設備，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功率器件營收方面，如芯聯(lián)集成預計其2024年SiC器件營收將增長至10億，然而，僅意法半導體一家廠商在2023年的SiC營收就達到11.4億美元（約合人民幣82.8億元）。
在SiC襯底方面，天科合達、山東天岳、山西爍科、河北同光、廣州南砂、晶盛機電等廠商已實現(xiàn)批量生產(chǎn)（或小批量生產(chǎn)）。其中，天科合達去年產(chǎn)能已達16萬片6英寸SiC晶圓，今年將開始生產(chǎn)8英寸產(chǎn)品，山東天岳預計到2026年，產(chǎn)能將達到30萬片6英寸晶圓。
Yole報告顯示，在2023年全球?qū)щ娦蚐iC襯底材料市場占有率排行中，天科合達以18%的市場份額超過美國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現(xiàn)量產(chǎn)出貨，2023年SiC外延片產(chǎn)能達400多萬片。
SiC器件方面，芯聯(lián)集成、士蘭微、積塔半導體、基本半導體、泰科天潤、聞泰科技、揚杰科技、東微半導等企業(yè)的SiC功率器件和模塊營收持續(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、天岳與英飛凌合作，由天科合達、天岳提供6英寸SiC襯底材料給英飛凌進行晶圓加工，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體達成合作，在重慶合資建8英寸SiC晶圓廠。
中國電動車市場的龐大需求給SiC供應鏈提供了足夠的增長空間，也給國際大廠造成了不小的壓力。由于中國企業(yè)產(chǎn)能大幅擴張，SiC襯底價格的下滑速度遠超過市場擴張速度。業(yè)內(nèi)人士表示，中國6英寸SiC晶圓代工價格，已降至每片1200~1800美元，比兩年前每片4000美元左右的價格大幅下降。
2023年，全球SiC襯底供應量為170萬片，天科合達當年產(chǎn)能估計達16萬片6英寸晶圓，今年開始生產(chǎn)8英寸SiC晶圓。山東天岳計劃到2026年，產(chǎn)能將達到30萬片6英寸晶圓。 2023年初，6英寸SiC襯底價格還在1000美元左右，現(xiàn)在只有500多美元。不過，業(yè)內(nèi)人士認為，中國的價格競爭已達極限，因為價格再往下降，中國廠商也無利可圖。
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