在新能源汽車、光伏、儲能等市場持續(xù)推動下，國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)商業(yè)化持續(xù)推進，獲得國際功率半導(dǎo)體巨頭青睞和結(jié)盟，積極追趕更為先進的8英寸工藝節(jié)點，碳化硅產(chǎn)品價格有望步入“甜蜜點”。另一方面，碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)跑馬圈地的擴張態(tài)勢，競爭日趨激烈，甚至有頭部廠商已經(jīng)喊話碳化硅創(chuàng)業(yè)窗口期已經(jīng)接近關(guān)閉。
獲國際龍頭青睞
(資料圖)
“在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中，目前國內(nèi)與國際差距最小的是碳化硅襯底，除了一些特別高端的襯底材料外，國內(nèi)襯底已可大規(guī)模出口?！北本┐髮W(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波教授日前在集邦咨詢第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會上介紹。
今年5月，天岳先進、天科合達簽約英飛凌，供貨碳化硅6英寸襯底、合作制備8英寸襯底，6月三安光電與意法半導(dǎo)體結(jié)盟升級，斥資32億美元共建8英寸碳化硅外延、芯片合資代工廠，并計劃通過三安光電全資子公司，投入70億元建設(shè)年產(chǎn)48萬片/年的8英寸碳化硅襯底。近日中電化合物也宣布與韓國Power Master簽訂了長期供應(yīng)8英寸在內(nèi)的碳化硅材料的協(xié)議，公司預(yù)計未來3年碳化硅產(chǎn)能將達到8萬片。
在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅襯底和外延片的價值量占比超過一半，并且成為決定碳化硅器件品質(zhì)的關(guān)鍵，市場由美國Wolfspeed（科銳公司）、Coherent（原貳陸公司）和日本羅姆等廠商壟斷。碳化硅襯底單晶材料可分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底。其中，導(dǎo)電型襯底主要應(yīng)用于電動汽車、新能源、儲能等碳化硅電力電子器件領(lǐng)域。
今年來，國際功率半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)頻頻聯(lián)手國產(chǎn)碳化硅襯底、材料等環(huán)節(jié)巨頭，進軍8英寸碳化硅。這背后，一方面是國際龍頭對國產(chǎn)碳化硅襯底廠商技術(shù)進步的認可，另一方面也是看中中國新能源市場機遇，尋求本地化供應(yīng)。據(jù)接近三安意法半導(dǎo)體合資事項人士向證券時報記者透露，意法半導(dǎo)體和三安光電在重慶建廠，正是瞄準(zhǔn)中國的汽車市場，重慶擁有長安等車企，方便就近供應(yīng)客戶。
根據(jù)Yole預(yù)測，2021~2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望從10.9億美元增長到62.97億美元，保持年均34％的復(fù)合增速。其中，車規(guī)級市場是碳化硅最主要的應(yīng)用場景，有望從2021年6.85億美元增長至2027年49.86億美元。
在新能源產(chǎn)業(yè)強勁需求下，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)步入高速成長期，碳化硅襯底仍處于供不應(yīng)求狀態(tài)。而碳化硅襯底在功率元器件中成本占比接近50%，成為決定品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也成為國際巨頭布局碳化硅產(chǎn)業(yè)的抓手之一，紛紛搶占8英寸先機，甚至將量產(chǎn)時點提前至今年。
意法半導(dǎo)體此前就與Soitec合作來量產(chǎn)8英寸SiC襯底；碳化硅襯底龍頭Wolfspeed在去年、今年相繼啟動兩座8英寸碳化硅工廠；日本半導(dǎo)體廠商羅姆預(yù)計將于2023年開始量產(chǎn)8英寸碳化硅襯底；德國功率半導(dǎo)體廠商英飛凌計劃在2023年開始量產(chǎn)8英寸襯底，2025年量產(chǎn)8英寸碳化硅器件；Coherent在2022年3月宣布將在美國伊斯頓大規(guī)模建設(shè)近30萬平方英尺的工廠，以擴大6英寸和8英寸SiC襯底和外延晶片的生產(chǎn)。
業(yè)內(nèi)人士介紹，Wolfspeed和羅姆早在2015、2016年左右就已經(jīng)發(fā)布了8英寸碳化硅產(chǎn)品，但是8英寸產(chǎn)品大規(guī)模的驗證和導(dǎo)入是近一兩年才開始的，國內(nèi)的襯底廠家也是緊隨其后，在2022年開始相繼發(fā)布8英寸產(chǎn)品，逐步縮小與國外差距。
廠商搶占8英寸風(fēng)口
“目前產(chǎn)業(yè)主流芯片技術(shù)還是6英寸技術(shù)，但美國Wolfspeed公司已開始8英寸的商業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)少數(shù)廠家可以示范或小規(guī)模供貨8英寸襯底，但還沒有形成大規(guī)模供貨能力?！鄙虿ㄖ赋觯?英寸碳化硅技術(shù)成熟度和價格相對6英寸技術(shù)還不具備競爭優(yōu)勢，發(fā)展前景關(guān)鍵看未來新能源汽車等市場的需求規(guī)模。
據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)有十余家企業(yè)與機構(gòu)在研發(fā)8英寸碳化硅襯底，包含爍科晶體、晶盛機電、天岳先進、南砂晶圓、同光股份、中科院物理所、山東大學(xué)、天科合達、科友半導(dǎo)體、乾晶半導(dǎo)體等。
合盛硅業(yè)也在5月21日披露8英寸碳化硅襯底研發(fā)順利，已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)；晶升股份最新在投資者互動平臺上稱，近日公司已開始8英寸碳化硅長晶設(shè)備的批量生產(chǎn)。晶盛機電通過自有籽晶經(jīng)過多輪擴徑，成功生長出8英寸N型碳化硅晶體，加速大尺寸碳化硅晶體生長和加工技術(shù)自主可控。
另外，設(shè)備廠商推出兼容6英寸與8英寸設(shè)備。盛美上海并在今年3月份盛美上海宣布首次獲得Ultra C SiC碳化硅襯底清洗設(shè)備的采購訂單，該設(shè)備兼容6英寸和8英寸，每小時可達70多片晶圓的產(chǎn)能，可避免薄且易碎的碳化硅襯底的碎片。北方華創(chuàng)作為A股半導(dǎo)體設(shè)備巨頭，公司負責(zé)人此前出席功率及化合物半導(dǎo)體論壇時介紹，公司可以提供碳化硅的全套解決方案。此外，晶盛機電最新還宣布研發(fā)出具有國際先進水平的8英寸單片式碳化硅外延生長設(shè)備，可兼容6、8寸碳化硅外延生產(chǎn)。
即便碳化硅產(chǎn)業(yè)當(dāng)前主流仍以6英寸襯底為主，但進軍8英寸襯底被視為降低成本的關(guān)鍵之舉。上升至碳化硅器件層面，當(dāng)前成本仍高于硅器件3到5倍。特別是今年3月份碳化硅旗手特斯拉倒戈，喊話未來減少75%碳化硅用量，被視為施壓供應(yīng)商意法半導(dǎo)體降低成本之舉。而意法半導(dǎo)體車規(guī)級碳化硅出貨量突破1億，2022年的SiC產(chǎn)能比2020年增長了2.5倍以上，依舊供不應(yīng)求。
據(jù)廣東芯聚能半導(dǎo)體有限公司CEO周曉陽推測，特斯拉喊話的本質(zhì)，就是出于碳化硅成本高昂、供不應(yīng)求兩大背景。從下游應(yīng)用層面，預(yù)計未來整車廠商需要使用到60度電以上平臺才會全面考慮使用碳化硅。
龔瑞驕向記者分析，特斯拉所提出的減少碳化硅用量可能會通過技術(shù)更新或是使用其他方案來實現(xiàn)，比如將碳化硅器件從平面型轉(zhuǎn)換為溝槽型，或是采用碳化硅器件與硅基IGBT共同封裝的方案等，來達到其預(yù)期。據(jù)預(yù)測，2022年800V的汽車市場在BEV市場的滲透率是3%， 2026年滲透率將提升到15%左右。
另外，特斯拉以技術(shù)研發(fā)降低碳化硅應(yīng)用成本，將對國內(nèi)新能源汽車品牌造成更大的價格競爭壓力，倒逼國內(nèi)新能源車企尋找降低成本的替代方案，也為國內(nèi)碳化硅企業(yè)快速跟上國際碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的創(chuàng)新機遇。而襯底層面成本下降成為關(guān)鍵。
碳化硅襯底廠商以及上游材料廠商進一步介紹，相對于6英寸，8英寸的面積增加了78%左右，由于邊緣損耗減少，同等條件下從8英寸襯底切出的芯片數(shù)會提升將近90%，因此，尺寸越大晶片的利用面積也越大。據(jù)集邦預(yù)測，碳化硅6英寸市場將從2022年的107萬片成長到2026年的569萬片。同時8英寸的產(chǎn)品也在進入市場，市占率將從當(dāng)前不到2%，提升至2026年15%左右。
產(chǎn)業(yè)鏈攻堅磨合
不過，襯底材料是碳化硅產(chǎn)業(yè)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。碳化硅襯底既硬且脆，切割、研磨、拋光的難度都很高，對加工工藝、原材料供應(yīng)、設(shè)備磨合等各個環(huán)節(jié)考驗很高，如何實現(xiàn)8英寸襯底量產(chǎn)難關(guān)成為衡量碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)之一。
天科合達已經(jīng)實現(xiàn)8英寸襯底小批量出貨。天科合達負責(zé)人表示，隨著碳化硅尺寸變大，對生長溫場、襯底質(zhì)量和穩(wěn)定性有更嚴格的要求，并且還需要重點解決應(yīng)力開裂、翹曲度過大等問題。
最為關(guān)鍵的是，要實現(xiàn)8英寸的碳化硅襯底價格要比6英寸更有優(yōu)勢，還需要解決襯底“厚度”這道障礙。據(jù)介天科合達負責(zé)人紹，目前6英寸襯底對應(yīng)厚度是350微米，8英寸的厚度達到500微米，尺寸帶來的成本優(yōu)勢，又會因為襯底厚度大而下降。另外，規(guī)?；a(chǎn)，還需要充足的8英寸碳化硅籽晶供應(yīng)，這對未來也是個挑戰(zhàn)。
“8英寸襯底市場化需要上下游通力合作，包括原材料、設(shè)備的保障，只有大家緊密協(xié)同，才能共同解決8英寸產(chǎn)業(yè)化的難題?！碧炜坪线_負責(zé)人表示。
碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)包括粉體合成、碳化硅單晶生長以及加工環(huán)節(jié)，其中，碳化硅單晶生長最為核心。在該領(lǐng)域，爍科晶體目前技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居國內(nèi)領(lǐng)先水平。2021年9月爍科晶體長出了8英寸的碳化硅單晶，2022年年初制備出8英寸碳化硅單晶襯底，2023年產(chǎn)能目標(biāo)是年產(chǎn)高純晶片5萬片，N型晶片30萬片。
爍科晶體總經(jīng)理助理馬康夫介紹，當(dāng)前擴產(chǎn)的瓶頸不在長晶，主要在加工環(huán)節(jié)，目前加工產(chǎn)能不能匹配晶體產(chǎn)能的擴張，有一部分原因是加工的設(shè)備國產(chǎn)化程度還不是很高，導(dǎo)致生產(chǎn)受交期影響。
多位碳化硅產(chǎn)業(yè)人士向記者透露，當(dāng)前碳化硅產(chǎn)業(yè)中，粒子注入器設(shè)備最為緊缺，且以海外進口為主，交期往往長達12個月甚至更久。在此背景下，一些具有加工技術(shù)積累和設(shè)備資源的企業(yè)就開始布局代加工行業(yè)，如果成本控制得當(dāng)，有望形成獨立的細分領(lǐng)域。
在碳化硅代工領(lǐng)域，落地廣州南沙的芯粵能項目也在迅速推進。日前芯粵能董事長肖國偉宣布，公司碳化硅晶圓芯片生產(chǎn)線已順利進入量產(chǎn)階段，各方面的測試數(shù)據(jù)良好，正陸續(xù)交付多家客戶主機廠送樣驗證。根據(jù)規(guī)劃，公司總投資75億元，分別建設(shè)年產(chǎn)24萬片6英寸、24萬片8英寸碳化硅晶圓生產(chǎn)線，預(yù)計今年年底前完成月產(chǎn)6英寸碳化硅芯片1萬片的產(chǎn)能建設(shè)。
芯粵能半導(dǎo)體總裁徐偉向記者表示，芯粵能定位以車規(guī)和工控器件作為主打，聚焦碳化硅的芯片制造和功率器件，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化和技術(shù)專業(yè)化，預(yù)計在今年年底前完成月產(chǎn)1萬片的產(chǎn)能建設(shè)。
掘金窗口期收緊
雖然面臨重重障礙，但碳化硅有望突破成本障礙。
中電化合物的總經(jīng)理潘堯波在中國·南沙國際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇上介紹，公司已正式向國內(nèi)外市場供應(yīng)商業(yè)化的碳化硅或氮化鎵材料，產(chǎn)品通過了車規(guī)級的驗證，預(yù)計今年車規(guī)市場將會提速，光伏、儲能等將在2025年加速滲透。
“考慮原料降價，良率的提升，以及疊加性能考慮，碳化硅有望突破成本的障礙，碳化硅MOSFET有望在2023年進入‘價格甜蜜’。”潘堯波表示，今年8月份，公司第一批8英寸碳化硅外延片將會向客戶交貨，考慮龍頭企業(yè)規(guī)劃，預(yù)計國產(chǎn)8英寸碳化硅將在2025年左右起量，并且凸顯出相對6英寸的性價比優(yōu)勢。
從投資強度來看，行家說的數(shù)據(jù)顯示，中國碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2022年吸金超過2400億元，其中，襯底和芯片環(huán)節(jié)成為投資強度最大領(lǐng)域。另外，根據(jù)第三方數(shù)據(jù)，去年碳化硅產(chǎn)業(yè)已披露的擴產(chǎn)投資金額達到1272.63億元（不含光電），較2021年增長了36.7%。
業(yè)內(nèi)人士介紹，碳化硅襯底材料等環(huán)節(jié)的投資門檻相對較低，長晶設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，企業(yè)可迅速建廠、拿到融資，但持續(xù) “掘金”碳化硅賽道難度會加大，而且隨著供不應(yīng)求局面緩解，最佳“掘金”窗口期正在收窄甚至步入倒計時。
馬康夫表示，碳化硅技術(shù)壁壘相對比較高，國內(nèi)頭部企業(yè)都經(jīng)歷了十年以上技術(shù)積累，碳化硅本身從長晶到加工成片需要近一個月的時間，因此，技術(shù)迭代需要較長時間。而且導(dǎo)入窗口期有限，碳化硅功率器件要上車，對供應(yīng)鏈的要求非常嚴苛，驗證周期也比較長。
“目前來講碳化硅襯底還是供不應(yīng)求的狀態(tài)，大家現(xiàn)在有機會去拓展一些客戶資源；但是待到供需平衡再去拓展客戶資源就相對比較困難了，所以現(xiàn)在各個廠家也是在快馬加鞭地擴產(chǎn)、跑馬圈地，快速拓展自己的客戶資源?！瘪R康夫表示，畢竟用戶端不會有很多精力管理很多供應(yīng)商，最終只可能保留幾家穩(wěn)定供應(yīng)。
整車廠商在積極跑馬圈地，從碳化硅襯底材料到芯片模塊層面，加速上車。
最新消息顯示，斯達半導(dǎo)與深藍汽車組建了合資公司，開展車規(guī)級功率半導(dǎo)體模塊合作，去年3月三安光電與理想成立合資公司，布局車用碳化硅芯片以及模塊，長城汽車聯(lián)手同光半導(dǎo)體，推動碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)化，另外吉利聯(lián)合芯聚能布局車規(guī)級功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律來看，各個環(huán)節(jié)最終存活的公司數(shù)量有限。
周曉陽表示，雖然碳化硅市場的前景非常廣闊，但是碳化硅產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)的時間窗口幾近關(guān)閉，“在芯片制造、封測、外延等每個環(huán)節(jié)中，最多能好好活3至5家企業(yè)?！敝軙躁栆择R拉松為比喻，目前賽程已經(jīng)進入中段，后發(fā)者逆襲奪冠的概率很小。
（文章來源：證券時報）
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