瘋狂的碳化硅,國內狂追

作者 | 發布日期 2024 年 01 月 24 日 16:58 | 分類 功率

近幾日,英飛凌在碳化硅合作與汽車半導體方面合作動態頻頻,再度引起業界對碳化硅材料關注。

1月23日,英飛凌與Wolfspeed宣布擴大并延伸現有的長期150mm碳化硅晶圓供應協議(原先的協議簽定于2018年2月)。延伸后的合作將包括一個多年期產能預留協議。這將有助于保證英飛凌整個供應鏈的穩定,同時滿足汽車、太陽能、電動汽車充電應用、儲能系統等領域對于碳化硅半導體不斷增長的需求。

據英飛凌科技首席執行官 JochenHanebeck 消息,為了滿足不斷增長的碳化硅器件需求,英飛凌正在落實一項多供應商戰略,從而在全球范圍內保障對于150mm和200mm碳化硅晶圓的高品質、長期供應優質貨源。

此外,近日英飛凌宣布與中國企業浙江富特科技股份有限公司(以下簡稱“富特科技”)成立創新應用中心。雙方將通過該中心進一步加強在車載電源領域半導體技術的深度合作,為新能源汽車車載電源市場提供更高效的解決方案,持續助推功率半導體器件在車載電源領域的應用技術升級。

資料顯示,富特科技成立于2011年,專注于新能源汽車高壓核心零部件產品的技術研發及智能制造,深耕車載電源和非車載電源兩大細分領域。此前2023年2月,富特科技宣布將在富特科技電動汽車充電解決方案中采用Wolfspeed E-系列SiC MOSFET,以期優化解決方案性能和充電成本,為客戶帶來更好的充電體驗和成本效益。

另外,1月22日,英飛凌和格芯宣布達成一項新的多年期協議,格芯將為英飛凌生產AURIX TC3x 40納米汽車微控制器(MCU)以及電源管理和連接解決方案。

近幾年,英飛凌幾乎與產業鏈上主要的SiC襯底供應商都開展了合作,追其原因,主要是全球領先的SiC器件供應商如羅姆、安森美、意法半導體等都已陸續買下和投資了不同的優質SiC襯底供應商,建立起了企業的內部襯底供應。

比如安森美有GTAT,ST有Norstel,羅姆有SiCrystal。英飛凌目前便只差這一環。其實早在2016年年中,英飛凌曾有意收購SiC襯底廠商Cree旗下Wolfspeed功率和射頻業務部,但由于美國政府的反對收購失敗。從此英飛凌便不斷加強襯底上的合作,確保其未來需求的外部供應。

SiC市場加速增長,上車是大勢所趨

近兩年,SiC市場愈發受到市場重視,陷入包括汽車、太陽能、儲能等應用領域紛紛加大碳化硅應用,鑒于SiC材料的優越特性,行業客戶對SiC發展前景充滿信心,全球主要的SiC廠商如英飛凌、ST和安森美等都在大舉擴產建能。在2023年半導體市場萎靡之際,,SiC產業鏈一眾供應商業績亮眼,市場一度成為SiC的狂歡。

其中,汽車領域是SiC重點布局之一,尤其是新能源汽車。雖然2023年3月特斯拉在投資者大會上表示將減少75%的SiC用量,引起市場波動。但TrendForce集邦咨詢分析師表示,SiC的可靠性以及供應鏈的穩定性確實令特斯拉信心不足,且當前SiC功率器件價格較高,特斯拉的這一決定或許并非出于對SiC的不信任,而是基于SiC發展現狀所做的讓步。畢竟是特斯拉率先在Model 3中采用碳化硅替代IGBT使得碳化硅嶄露鋒芒,未來重用碳化硅是預料之中。從業界動態看,華為對SiC的投資基本覆蓋了整個產業鏈,從國內外車廠近期動態看,寶馬、邁凱倫、大眾、奔馳、現代起亞等在內的一眾車企紛紛與Wolfspeed、英飛凌、ST意法半導體等半導體廠商簽訂合作協議以確保碳化硅產品的穩定供應。

公開資料顯示,生產碳化硅器件主要包括襯底、外延、器件制造(設計、制造、封測)三大環節,我國在上述三大領域均有布局,其中天科合達、天岳先進在碳化硅襯底上沉淀較久,外延設備上國內廠商晶盛機電、北方華創則布局較深;外延片上,瀚天天成和東莞天域較為成熟和穩定,且未來有規模產能開出。行業消息顯示,未來碳化硅器件有望通過襯底成本降低、技術改進、芯片尺寸優化等方面達到成本降低的愿望,從而提升市占率。

襯底:國外龍頭壟斷,國內奮起直追

大尺寸襯底能有效攤薄成本,是行業發展主流。目前碳化硅襯底主流尺寸是4/6寸,其中半絕緣型碳化硅襯底以4寸為主,導電型碳化硅襯底以6寸為主。據業界消息顯示,當襯底從6寸擴大到8寸時,可切割出的碳化硅芯片(32mm2)數量有望從448顆增加到845顆,增加了75%。當下國際上龍頭企業的碳化硅襯底正從6寸往8寸發展,包括Wolfspeed、II-VI以及國內碳化硅襯底龍頭企業天岳先進等都已成功研發8英寸襯底產品。

從海內外市占率看,Wolfspeed和II-VI公司在研發和產業化方面領先國內數十年,其中Wolfspeed/II-VI的6寸半絕緣型碳化硅襯底量產時間遠遠早于天岳先進。目前我國企業龍頭天科合達、天岳先進還在奮起直追。據天岳先進等龍頭企業財報數據顯示,在絕緣型襯底方面,天岳先進全球市占率約為30%。

圖片來源:拍信網正版圖庫

外延:國外企業主導型強,國內未來規模產能穩定

在外延片上,Wolfspeed與昭和電工占據了全球超90%的碳化硅導電型外延片市場份額,形成雙寡頭壟斷。目前我國由于進口外延爐供貨短缺,國內外延爐仍需驗證并且外延工藝難度大,國內SiC外延廠商較少,市占率較低。

就國內企業看,瀚天天成和東莞天域技術及產能較為穩定。技術上,兩者在6英寸外延均較為成熟和穩定,在8英寸均有儲備。產能方面,瀚天天成2022年6英寸產能達12萬片,2023年計劃產能40萬片(包括6/8英寸),至2025年產能目標約140萬片;東莞天域2022年6英寸產能達8萬片,并且啟動年產100萬片的6/8英寸外延項目,預計2025年竣工并投產。

外延設備國產化是國內發展的重中之重,目前國內廠商晶盛機電、北方華創、中電48所等正在加強研究,其中晶盛機電6寸單片式碳化硅外延設備已實現國產替代,2022年公司外延設備市占率居國內前列。2023年6月晶盛機電又成功研發8英寸單片式碳化硅外延生長設備,引領國產替代。

器件制造:設計、制造、封測缺一不可,道阻且長

在碳化硅器件制造設計端上,SiC二極管商業化正在逐步完善,但SiC MOS發展較面臨較多難點,與國外廠商差距較大。目前ST、英飛凌、Rohm等廠商已實現600-1700V SiC MOS實量產并和多制造業達成簽單出貨;國內則還處于設計流片階段,距離大規模商業化仍有較長時間。

碳化硅器件制造則與設備國產化進程息息相關,設備需求主要包括高溫離子注入機、高溫退火爐、SiC減薄設備、背面金屬沉積設備、背面激光退火設備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測和計量。近幾年是國產設備廠商的黃金發展3年,我國上述設備在近幾年得到較快發展。

在碳化硅器件封測領域,氮化硅主要采用AMB工藝,更受行業歡迎。據悉,AMB工藝生產的陶瓷襯板主要運用在功率半導體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底。由于氮化硅陶瓷基板的多種特性與第3代半導體襯底SiC晶體接近,使其能夠與SiC晶體材料匹配更穩定,因此成為SiC半導體導熱基板材料首選,特別在800V以上高端新能源汽車中應用中不可或缺。

另外,目前以硅基材料為主的IGBT模塊在具有高導熱性、高可靠性、高功率等要求的軌道交通、工業級、車規級領域正逐漸采用AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板。中國AMB陶瓷基板更多是依賴進口,國內廠商包括博敏電子、富樂華正在加速擴產。

結語

目前,行業整體對于碳化硅的發展充滿信心,行業消息顯示,未來碳化硅器件有望通過大面積襯底進一步改善碳化硅成本,并在設計、器件制造、封裝各個環節改進技術,設計更小尺寸芯片,使得碳化硅單位晶圓產出更高。

綜合各方預測顯示,2021年SiC MOSFET為Si器件成本的3倍,到25年有望降至2.5倍附近,而業界通常認為2-2.5倍是碳化硅大規模滲透的成本臨界點,故當前及未來2年處于SiC爆發的前夜?;趯π录夹g、新材料的變革信心,未來隨著良率的大幅提升,規模優勢下成本的不斷下降,相信碳化硅將迎來爆發性成長。

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