在過去的幾年，半導(dǎo)體市場無疑經(jīng)歷了巨大的波折。
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從缺芯潮緩解轉(zhuǎn)向下游市場需求疲軟，芯片行業(yè)步入下行周期。無論是終端市場的低迷，還是各類技術(shù)無法突破瓶頸的現(xiàn)狀，以及供需關(guān)系的惡化，都掣肘了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
在半導(dǎo)體賽道的周期性“寒冬”之下，各家企業(yè)相繼采取措施，減產(chǎn)、縮減投資等逐漸成為行業(yè)廠商度過危機(jī)的主要方式之一。
在此背景下，碳化硅(SiC)市場的建廠擴(kuò)產(chǎn)熱潮卻愈演愈烈。
碳化硅作為目前半導(dǎo)體行業(yè)的熱門投資領(lǐng)域之一，無數(shù)成名已久的IDM大廠，F(xiàn)abless新銳以及初創(chuàng)企業(yè)紛至沓來，試圖從碳化硅價(jià)值鏈的各方面切入這個(gè)前景看好的半導(dǎo)體細(xì)分領(lǐng)域。
碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈提速
作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅相較于硅材料，具有大禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高抗輻射等特點(diǎn)，適合制造高溫、高壓、高頻、大功率的器件。
當(dāng)前從光伏到新能源汽車，碳化硅下游市場需求旺盛，特別是隨著電動(dòng)汽車和新能源需求的持續(xù)增長，對SiC材料的需求呈現(xiàn)出井噴式增長的態(tài)勢。國產(chǎn)碳化硅正在從產(chǎn)業(yè)化向商業(yè)化加速邁進(jìn)。
從產(chǎn)業(yè)鏈來看，SiC產(chǎn)業(yè)鏈條較長，涉及襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造和封測等一系列環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)的專業(yè)性要求較強(qiáng)，同時(shí)對技術(shù)和資本投入的要求也很高。
其中，碳化硅襯底和外延片的價(jià)值量占比超過一半，襯底成本最大，占比達(dá)47%;其次是外延成本占比為23%，成為決定碳化硅器件品質(zhì)的關(guān)鍵。
襯底即通過沿特定的結(jié)晶方向?qū)⒕w切割、研磨、拋光，得到具有特定晶面和適當(dāng)電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械特性的潔凈單晶圓薄片，用于生長外延層，可分為半絕緣型及導(dǎo)電型。
SiC襯底市場高度集中，全球襯底前三名是Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、Rohm。國外廠商在兩類襯底市場中均占有主要份額。從半絕緣型SiC襯底市場份額來看，Wolfspeed、II-VI和山東天岳三家公司平分秋色，各占據(jù)約30%的市場份額。從導(dǎo)電型SiC襯底的市場份額來看，Wolfspeed占據(jù)超60%的市場份額，在SiC單晶市場價(jià)格和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上有極大話語權(quán)，天科合達(dá)和山東天岳占比僅為1.7%和0.5%。
外延環(huán)節(jié)主要是在碳化硅襯底上，經(jīng)過外延工藝生長出的特定單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。
在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)外延片，可制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通信等領(lǐng)域;在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層(SiC-on-SiC)制得碳化硅外延片，可制成功率器件，應(yīng)用于電動(dòng)汽車、新能源、儲能、軌道交通等領(lǐng)域。
SiC外延片屬于行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，其中，Wolfspeed、ShowaDenko呈現(xiàn)雙寡頭壟斷市場，合計(jì)約占SiC導(dǎo)電型外延片95%的市場份額。目前國內(nèi)相關(guān)外延廠商東莞天域和廈門瀚天天成等均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可供應(yīng)4-6英寸外延片。中電科13所、55所、希科半導(dǎo)體等也能供應(yīng)外延片，整體產(chǎn)能仍有較大提升空間。
SiC器件環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)芯片的制造，整體涉及的流程較長，以集合芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封測等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一體的IDM模式最為常見。
在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同，采用了高溫工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。
在SiC器件市場，歐美廠商占據(jù)主要份額，90%以上份額被國外公司占據(jù)。根據(jù)Yole 2022年數(shù)據(jù)，ST占據(jù)了全球37%的市場份額，成為市場的領(lǐng)導(dǎo)者;其次是英飛凌占據(jù)19%的份額，緊隨其后的是Wolfspeed，占據(jù)了16%的份額。后面依次是安森美、羅姆和三菱電機(jī)等，這些廠商共同占據(jù)了全球80%以上的SiC市場份額，與各大車企及Tier1廠商互動(dòng)密切。
國內(nèi)廠商在SiC功率器件領(lǐng)域入局相對較晚，相關(guān)企業(yè)華潤微、士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)、時(shí)代電氣、泰科天潤、安徽長飛先進(jìn)、派恩杰、上海瞻芯、中電科55所及13所等正積極布局碳化硅器件。
當(dāng)前國內(nèi)廠商仍處于發(fā)展初期，與國際巨頭存在一定差距。目前SBD國內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)，但至少相差一代;OBC方面，國內(nèi)通過車企測試的只有一兩家;MOSFET方面，目前ST、英飛凌、Rohm等600-1700V SiC MOS已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并達(dá)成簽單出貨，而國內(nèi)目前SiC MOS設(shè)計(jì)已基本完成，多家設(shè)計(jì)廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗(yàn)證仍需部分時(shí)間，在電流密度、減薄工藝、可靠性都亟需提升，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍需要時(shí)間。
高景氣行情下，國產(chǎn)碳化硅市場亟待突圍
整體來看，目前碳化硅材料和功率器件主要由海外企業(yè)主導(dǎo)，國內(nèi)企業(yè)仍處于發(fā)展初期，與國際巨頭存在一定差距，正在加速追趕。
據(jù)方正證券測算，預(yù)計(jì)2026年全球SiC襯底有效產(chǎn)能為330萬片，距同年629萬片的襯底需求量仍有較大差距。在業(yè)內(nèi)形成穩(wěn)定且較高的良率規(guī)模化出貨前，整個(gè)行業(yè)都將持續(xù)陷于供不應(yīng)求。
SiC晶圓方面，盡管今年全球經(jīng)濟(jì)和其他半導(dǎo)體材料市場普遍出現(xiàn)放緩，但SiC晶圓將持續(xù)強(qiáng)勁增長。據(jù)TECHCET發(fā)布了最新的碳化硅晶圓材料報(bào)告預(yù)計(jì)，SiC晶圓市場將在2023年進(jìn)一步增長，達(dá)到107.2萬片晶圓，同比增長約22%。2022-2027年的整體復(fù)合年增長率估計(jì)約為17%。
在當(dāng)前全球碳化硅功率市場高景氣行情下，SiC處在爆發(fā)式增長的前期，擴(kuò)產(chǎn)放量是行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)。國際大廠產(chǎn)能加速擴(kuò)張，都在積極布局SiC市場，爭先恐后加碼擴(kuò)產(chǎn)。
英飛凌正著力提升碳化硅產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)在2030年之前占據(jù)全球30%市場份額的目標(biāo);ST計(jì)劃在2022年前將SiC器件產(chǎn)能擴(kuò)大2.5倍，2023年實(shí)現(xiàn)8英寸SiC晶圓商業(yè)化生產(chǎn);安森美總投資約40億元，計(jì)劃將SiC晶圓產(chǎn)能擴(kuò)大4倍;羅姆投資計(jì)劃2025年前碳化硅功率半導(dǎo)體營收超1000億日元/年，產(chǎn)能增加至2021年時(shí)的6倍;按照Wolfspeed規(guī)劃，2026年其導(dǎo)電型襯底的產(chǎn)能可能達(dá)到百萬片以上...
不僅國際巨頭“跑馬圈地”，國內(nèi)企業(yè)也不甘落后，紛紛布局碳化硅，擴(kuò)張產(chǎn)能，試圖以國產(chǎn)替代爭奪市場份額，提升產(chǎn)品的價(jià)值量或出貨量。據(jù)《2022碳化硅(SiC)產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)在建、已投產(chǎn)或簽約的SiC晶圓線項(xiàng)目超過28個(gè)。
雖然市場產(chǎn)銷兩旺，但我國碳化硅功率器件仍處于早期階段，如何降低成本、穩(wěn)定質(zhì)量、提升良率，是國產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。
與此同時(shí)，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)模式的差異，技術(shù)差距、設(shè)備挑戰(zhàn)以及國內(nèi)碳化硅器件中低端“互卷”等問題，都一一成為擺在我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展面前的難題。
碳化硅“狂飆”：追趕、內(nèi)卷、替代
Fabless還是IDM?
上文提到，從產(chǎn)業(yè)鏈層面初步劃分，整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底、外延、設(shè)計(jì)、器件和封裝模塊等。
從產(chǎn)業(yè)模式看，與國外產(chǎn)業(yè)鏈主要以縱向多環(huán)節(jié)整合為主不同，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈相對較為分散，除三安光電以及中電科下屬研究所采用產(chǎn)業(yè)鏈全覆蓋模式之外，更多廠商選擇專注于產(chǎn)業(yè)鏈中某個(gè)特定環(huán)節(jié)，IDM企業(yè)數(shù)量相對較少。
眾所周知，IDM、Fabless和Foundry分別代表著半導(dǎo)體芯片行業(yè)的三種運(yùn)營模式，是依據(jù)其生產(chǎn)設(shè)計(jì)及制造能力不同而劃分的。通常涉及芯片設(shè)計(jì)、制造、封測等若干環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體芯片企業(yè)負(fù)責(zé)的環(huán)節(jié)不同，也就產(chǎn)生了不同的運(yùn)營模式。
在碳化硅芯片領(lǐng)域，目前全球的頭部企業(yè)都是以IDM為主，而國內(nèi)IDM廠商相對較少。
對此，士蘭微器件成品產(chǎn)品線市場總監(jiān)伏友文表示，SiC產(chǎn)業(yè)選擇IDM模式能更好的保障業(yè)務(wù)長期穩(wěn)定的發(fā)展，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。IDM模式可有效進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部整合，設(shè)計(jì)研發(fā)和工藝制造平臺開發(fā)同時(shí)開展，兩者協(xié)同優(yōu)化可快速識別和解決產(chǎn)品研發(fā)中遇到的問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，對研發(fā)效率、成本管控、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能供應(yīng)的穩(wěn)定性等方面十分有利，幫助企業(yè)構(gòu)筑核心競爭力。
基于IDM模式的優(yōu)勢，IDM企業(yè)華潤微的碳化硅產(chǎn)品進(jìn)展順利，去年碳化硅器件整體銷售規(guī)模同比增長約2.3倍，待交訂單超過1000萬元，投片量逐月穩(wěn)步增加。
士蘭微也是采用IDM模式，旗下士蘭明鎵在去年已實(shí)施“碳化硅功率器件芯片生產(chǎn)線”項(xiàng)目的建設(shè)，去年10月，士蘭微籌劃非公開發(fā)行募資65億元，募投項(xiàng)目之一便是用于“年產(chǎn)14.4萬片碳化硅功率器件生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目”，并在今年4月26日定增獲上交所審核通過。
士蘭微董事長陳向東曾在接受采訪時(shí)表示，通過發(fā)揮IDM一體化優(yōu)勢，士蘭微碳化硅功率器件芯片量產(chǎn)線進(jìn)展順利，已具備月產(chǎn)2000片6英寸SiC芯片的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)到今年年底SiC芯片生產(chǎn)能力將提升至6000片/月;士蘭SiC MOS芯片性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平;士蘭微用于汽車主驅(qū)的碳化硅功率模塊已向國內(nèi)客戶送樣，爭取在今年年底前上車，同時(shí)士蘭微碳化硅產(chǎn)品在光伏、儲能、充電樁、OBC等領(lǐng)域也已展開全面推廣。
更多的廠商嗅到了SiC代工的商機(jī)。2023年5月22日，安徽長飛先進(jìn)宣布其位于武漢的SiC晶圓廠正式啟動(dòng)，據(jù)悉該項(xiàng)目規(guī)模達(dá)年產(chǎn)36萬片SiC MOSFET晶圓，包括外延、器件設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝等，預(yù)計(jì)2025年建設(shè)完成。
瞻芯電子也于2020年初啟動(dòng)了碳化硅芯片晶圓廠項(xiàng)目籌備，該工廠于2022年7月正式投片生產(chǎn)，標(biāo)志著瞻芯電子由Fabless邁向IDM的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。
國內(nèi)SiC功率器件的廠商大多有向IDM模式演進(jìn)的趨勢。
但I(xiàn)DM模式也并非適用于任何企業(yè)。有業(yè)內(nèi)人士指出，目前國內(nèi)很多碳化硅廠商體量并不大，尚未實(shí)現(xiàn)盈利，若是大規(guī)模建廠的話，運(yùn)營成本太高，對現(xiàn)金流的考驗(yàn)非常大，工藝開發(fā)的難度和客戶認(rèn)可度也是問題。
因此，仍有一部分碳化硅廠商堅(jiān)持采用Fabless的經(jīng)營模式發(fā)展。實(shí)際上，如果能得到代工廠的支持，F(xiàn)abless廠商在設(shè)計(jì)方面確實(shí)更具靈活性，在碳化硅MOS方面的研發(fā)進(jìn)程也較快。同時(shí)，代工廠的資質(zhì)也可以為其供應(yīng)鏈可靠性背書。
以芯粵能為例，其商業(yè)模式就是打造開放式Foundry平臺，面向整個(gè)的市場提供代工服務(wù)，與整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。芯粵能的碳化硅芯片制造項(xiàng)目總投資額為75億元，建成年產(chǎn)24萬片6英寸和24萬片8英寸碳化硅晶圓芯片的生產(chǎn)能力，計(jì)劃在2023年5月份交出首批車規(guī)級樣品。
芯粵能總裁徐偉表示，“在過往的兩年里，硅基平臺產(chǎn)能不足凸顯，尤其是市場需求巨大的功率器件，因此需要碳化硅快速布局并加快擴(kuò)產(chǎn)。這就需要對國內(nèi)碳化硅芯片加工平臺這樣一個(gè)相對短板來進(jìn)行補(bǔ)足，芯粵能目前正好踩在市場發(fā)展的節(jié)奏上。
代工廠的出現(xiàn)讓國內(nèi)一眾SiC參與者有了堅(jiān)固的后盾和彎道超車的可能性。
另一方面，考慮到新能源汽車市場的發(fā)展周期，碳化硅的需求爆發(fā)期可能就在近三年內(nèi)，若是建廠首先得考慮建廠周期和設(shè)備交期，其次是從產(chǎn)線建好投產(chǎn)到穩(wěn)定運(yùn)行也需要花費(fèi)至少3年時(shí)間，還要通過車規(guī)級認(rèn)證等，耗時(shí)太久，公司就有可能錯(cuò)過新能源汽車市場的關(guān)鍵窗口期。這也是很多公司短期內(nèi)堅(jiān)持以fabless模式運(yùn)營的原因所在。
綜合來看，IDM和fabless各有優(yōu)勢。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，業(yè)內(nèi)也一直存在著IDM和Foundry模式的討論。回顧過去的發(fā)展軌跡，可以看到國內(nèi)的Foundry+Fabless模式在很多領(lǐng)域也能做得非常好。碳化硅也是這樣，從襯底外延材料制備，到芯片代工，再到模組生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都不斷有企業(yè)嶄露頭角。
因此，結(jié)合當(dāng)前碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段和時(shí)間窗口等因素來看，國內(nèi)IDM和Foundry+Fabless兩種商業(yè)模式將會長期并存，而且各自滿足終端市場不同的應(yīng)用場景。
8英寸SiC，開始沖刺
成本高，一直是碳化硅器件被吐槽的弊病。
因?yàn)樘蓟柙谏a(chǎn)環(huán)節(jié)存在單晶生產(chǎn)周期長、環(huán)境要求高、良率低等問題，碳化硅襯底的生產(chǎn)中的長晶環(huán)節(jié)需要在高溫、真空環(huán)境中進(jìn)行，對溫場穩(wěn)定性要求高，并且其生長速度比硅材料有數(shù)量級的差異。因此，碳化硅襯底生產(chǎn)工藝難度大，良率不高。
這直接導(dǎo)致了碳化硅襯底價(jià)格高、產(chǎn)能低的問題。
其中，襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的核心，也是未來碳化硅產(chǎn)業(yè)降本、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要驅(qū)動(dòng)力。因此，提高襯底良率和產(chǎn)能是SiC降本的核心。
伏友文指出，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。
近年來，碳化硅襯底正不斷向大尺寸方向演進(jìn)，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本就越低。
目前，主流碳化硅襯底尺寸為6英寸，8英寸襯底正在成為行業(yè)重要的技術(shù)演化方向，在降低器件單位成本、增加產(chǎn)能供應(yīng)方面擁有巨大的潛力。
據(jù)Wolfspeed統(tǒng)計(jì)，6英寸SiC晶圓中邊緣芯片占比有14%，而到8英寸中占比降低到7%。伴隨著尺寸擴(kuò)張帶來的規(guī)模效應(yīng)以及自動(dòng)化產(chǎn)線帶來的相關(guān)成本的降低，Wolfspeed預(yù)計(jì)至2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于2022年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，這將持續(xù)推進(jìn)碳化硅產(chǎn)品的降價(jià)，從而打開應(yīng)用市場。
從技術(shù)進(jìn)展來看，國產(chǎn)碳化硅廠商基本以6英寸碳化硅晶圓為主，而Wolfspeed、ROHM、英飛凌、ST等國際碳化硅大廠已經(jīng)紛紛邁入8英寸，并將量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)提前到今年。前不久，英飛凌與國內(nèi)廠商天岳先進(jìn)和天科合達(dá)簽約，也將助力英飛凌向8英寸碳化硅晶圓過渡。
國內(nèi)公司總體處于向6英寸加速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、8英寸布局研發(fā)的階段，并逐漸退出4英寸市場。根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)測，預(yù)計(jì)2020-2025年國內(nèi)4英寸SiC 晶圓市場逐步從10萬片減少至5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長至20萬片;2025-2030年，4英寸晶圓將逐步退出市場，6 英寸增加至40萬片。
海通證券分析師余偉民指出，目前碳化硅襯底市場以海外廠商為主導(dǎo)，國內(nèi)企業(yè)市場份額較小。國內(nèi)尺寸迭代較海外廠商略慢一籌，但近年來發(fā)展提速明顯。截至2022年11月，晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、山西爍科分別宣布掌握了8英寸碳化硅襯底制備技術(shù)，但基本都還處于驗(yàn)證階段，尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)或僅小規(guī)模量產(chǎn)。
為什么國產(chǎn)廠商在此發(fā)展速度較慢?“8英寸碳化硅晶圓”的實(shí)現(xiàn)還面臨哪些挑戰(zhàn)?
伏友文對此表示，盡管當(dāng)前8英寸在快速發(fā)展，但實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)還只有Wolfspeed。當(dāng)前國內(nèi)主要集中在4英寸至6英寸生產(chǎn)階段，8英寸SiC晶圓量產(chǎn)面臨較多的難點(diǎn)，比如襯底制備中8英寸籽晶的研制、大尺寸帶來的溫場不均勻、氣相原料分布和輸運(yùn)效率問題、高溫生長晶體內(nèi)部應(yīng)力加大導(dǎo)致開裂等，以及后續(xù)外延工藝、相關(guān)的設(shè)備發(fā)展等，均需要產(chǎn)業(yè)上下游緊密協(xié)同來攻克挑戰(zhàn)。
伴隨著SiC襯底的成熟，預(yù)計(jì)成本將進(jìn)一步下降，這對于整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)而言，也是發(fā)展的必然趨勢。
國產(chǎn)碳化硅，上車難?
降低成本也是碳化硅器件上車的關(guān)鍵。
早在2018年，特斯拉率先在Model3的主驅(qū)逆變器里，使用基于碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統(tǒng)的硅基IGBT，此舉引發(fā)了行業(yè)震動(dòng)。
碳化硅器件憑借體積小、性能優(yōu)越、節(jié)能性強(qiáng)，還順帶緩解了續(xù)航問題，一舉成為新能源車的當(dāng)紅炸子雞，一眾車企后續(xù)紛紛效仿。
在應(yīng)用場景方面，電動(dòng)汽車是碳化硅最大的下游應(yīng)用市場，涉及到功率器件的應(yīng)用包括電驅(qū)、OBC、DC/DC和非車載充電樁等。其中，碳化硅器件主要應(yīng)用于電驅(qū)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。微型輕量化的SiC器件還可以減少因車輛本身重量而導(dǎo)致的能耗。
中國一汽研發(fā)總院院長趙永強(qiáng)表示，需求驅(qū)動(dòng)牽引SiC功率模塊在車用領(lǐng)域快速推廣應(yīng)用與進(jìn)一步升級，要求電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行SiC匹配開發(fā)。基于新能源整車需求，車規(guī)SiC功率模塊封裝技術(shù)向著低雜感、高散熱、集成化、高可靠方向發(fā)展，主流SiC功率芯片以Wolfspeed、ST、Rohm、Infineon的溝槽柵結(jié)構(gòu)為代表，批量應(yīng)用前景廣闊。
近年來，隨著新能源汽車滲透率穩(wěn)步抬升的同時(shí)，頭部車企對于碳化硅功率半導(dǎo)體試水的速度、廣度和深度不斷推進(jìn)，碳化硅上車的呼聲越來越高。據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2023年整體SiC功率元件市場規(guī)模達(dá)22.8億美元，年成長41.4%，預(yù)計(jì)2026年SiC功率元件市場規(guī)模可望達(dá)53.3億美元，其中車用SiC功率元件市場規(guī)模將攀升至39.4億美元。
目前大部分的市場份額以國際品牌為主，包括Wolfspeed、ST、ON、Infineon等。同時(shí)，國外車企已與全球領(lǐng)先的SiC芯片企業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能綁定。隨著新能源汽車需求的爆發(fā)，國內(nèi)車企或需提前考慮SiC的供給缺口的問題。
相較于美日歐企業(yè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)碳化硅企業(yè)在技術(shù)和產(chǎn)能上還存在差距。那么，目前國產(chǎn)碳化硅器件上車進(jìn)展如何?
有不少下游廠商反饋，車企正在加速導(dǎo)入國產(chǎn)碳化硅襯底、外延片，上下游廠商持續(xù)合作以共同改善良率，希望構(gòu)建本土供應(yīng)鏈。
士蘭微碳化硅功率器件芯片量產(chǎn)線進(jìn)展順利，已具備月產(chǎn)2000片6英寸SiC芯片的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)到今年年底SiC芯片生產(chǎn)能力將提升至6000片/月;士蘭 SiC MOSFET芯片性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平;士蘭微用于汽車主驅(qū)的碳化硅功率模塊已向國內(nèi)客戶送樣，爭取在今年年底前上車;
三安光電目前有7款產(chǎn)品通過車規(guī)級認(rèn)證并開始逐步出貨;
泰科天潤的SiC二極管已有多年OBC應(yīng)用積累，累計(jì)出貨7kk;
中電科55所SiC MOSFET已搭載到一汽紅旗等多家國內(nèi)車企，裝車量達(dá)百萬輛。今年4月，中電科55所與一汽聯(lián)合研發(fā)的首款750V SiC功率芯片完成流片;
瞻芯電子規(guī)劃了SiC MOSFET、SBD、驅(qū)動(dòng)IC三大產(chǎn)品線，并先后研發(fā)量產(chǎn)了一系列按車用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其中多款已獲車規(guī)級認(rèn)證，并批量“上車”應(yīng)用;
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此外，斯達(dá)半導(dǎo)、華潤微、基本半導(dǎo)體、清純半導(dǎo)體等國產(chǎn)廠商也披露了車規(guī)級碳化硅產(chǎn)品進(jìn)展情況，國產(chǎn)SiC MOSFET單管在OBC和DC-DC已經(jīng)開始驗(yàn)證測試和小批量生產(chǎn)。
可以看到，在量產(chǎn)上車方面，國內(nèi)SiC器件廠商也已經(jīng)開始嶄露頭角。多家車企及芯片企業(yè)表示，經(jīng)歷了多年大投入之后，今年碳化硅功率半導(dǎo)體將正式進(jìn)入“上車”放量窗口期，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)商業(yè)化落地和規(guī)模化進(jìn)程或?qū)⑻崴佟?/p>
但針對市場規(guī)模最大的、投資者更看重的主逆變器領(lǐng)域，由于主逆變器關(guān)系到整車和人員的安全，對SiC MOSFET的性能、可靠性要求極高，國產(chǎn)SiC MOSFET還處于早期階段，短時(shí)間內(nèi)難以看到搭載國產(chǎn)SiC MOSFET的電動(dòng)汽車上路。
因?yàn)槠噷μ蓟璨牧嫌蟹浅８叩目煽啃砸螅瑖鴥?nèi)很多材料還在驗(yàn)證中，能滿足車規(guī)級要求的占比不高。
但實(shí)際上，國產(chǎn)襯底材料近年來的進(jìn)步十分明顯，比如，今年4月博世與天岳先進(jìn)簽署長期協(xié)議;5月初英飛凌與兩家國內(nèi)碳化硅材料供應(yīng)商簽訂長期供貨協(xié)議，都在說明國際大廠對國產(chǎn)材料已經(jīng)表示認(rèn)同，對國內(nèi)企業(yè)的成本控制將帶來幫助。
實(shí)際上，除了天岳先進(jìn)和天科合達(dá)外，還有多家中國SiC襯底和外延廠商的產(chǎn)品已經(jīng)被國際器件廠商所采用，未來將會有更多的國產(chǎn)SiC產(chǎn)品進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈，有助于緩解全球SiC供應(yīng)緊張問題。
有業(yè)內(nèi)人士指出，隨著國產(chǎn)SiC襯底材料廠商的發(fā)展，國外SiC廠商感受到了一定的危機(jī)，據(jù)Digitimes報(bào)道，為應(yīng)對來自中國競爭對手的日益激烈的競爭，歐洲、美國SiC襯底供應(yīng)商對亞洲客戶小幅下調(diào)價(jià)格。
這也從側(cè)面展示了中國市場的巨大潛力，反映出了國產(chǎn)SiC行業(yè)的迅速崛起。經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，國產(chǎn)SiC在材料和晶圓代工等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力和前景。
SiC仍是電動(dòng)汽車制造商未來必須考慮的核心零組件，其當(dāng)下所面臨的困境無非是成本高及可靠性低，而一旦SiC達(dá)到性價(jià)比的“奇點(diǎn)時(shí)刻”，行業(yè)將迎來爆發(fā)性增長。
其實(shí)在車企眼中，碳化硅器件成本高只是一個(gè)局部問題，因?yàn)樵谙到y(tǒng)層面它反而可以節(jié)省成本。
盡管單獨(dú)看車規(guī)級碳化硅芯片的成本有所增加，但使用碳化硅器件節(jié)省的電池、被動(dòng)元器件、冷卻系統(tǒng)等系統(tǒng)成本，會超過增加的成本，同時(shí)使用效率和用戶體驗(yàn)也有明顯的提升。這也是未來車規(guī)級碳化硅芯片會在需求端持續(xù)高速增長的關(guān)鍵原因之一。
國產(chǎn)SiC設(shè)備，加速崛起
上文提到，降低碳化硅成本一方面通過技術(shù)創(chuàng)新，提高效率和良率;另一方面實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn);此外，還需要設(shè)備、材料的國產(chǎn)化。
SiC產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的技術(shù)水平很大程度上受到關(guān)鍵裝備直接影響，設(shè)備也是決定廠商產(chǎn)能上限的決定性因素之一。
在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重依賴進(jìn)口裝備，國內(nèi)企業(yè)起步較晚。近年來，在市場的需求拉動(dòng)下，國產(chǎn)SiC裝備發(fā)展迅速，部分“卡脖子”現(xiàn)象得到明顯緩解，但許多關(guān)鍵瓶頸有待過關(guān)邁坎。
在這一背景下，碳化硅設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈也在加速擁抱資本市場。從產(chǎn)業(yè)角度出發(fā)，如何看待當(dāng)前國產(chǎn)設(shè)備廠商的進(jìn)展和突破?
伏友文表示，SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈中主要包括襯底制備、外延生產(chǎn)、芯片制造、芯片封裝等環(huán)節(jié)，主要工藝有單晶生長、襯底切磨拋、外延生長、掩膜沉積、圖形化、刻蝕、注入、熱處理、金屬化等，共涉及幾十種關(guān)鍵半導(dǎo)體裝備。由于SiC材料高熔點(diǎn)、高密度、高硬度的特性，在材料和芯片制造過程中，存在一些特殊的工藝控制過程，如物理氣相傳輸法單晶生長、襯底切磨拋加工較慢、外延生長所需溫度極高且需要具備高良率目標(biāo)、芯片制造過程需要高溫高能設(shè)備等，這些均需要增加一些專用的設(shè)備作為支撐，如襯底材料制備中的碳化硅單晶生長爐、金剛線多線切割機(jī)設(shè)備，外延生長爐、芯片制造中的高溫高能離子注入、退火激活、柵氧制備等設(shè)備。
長晶設(shè)備：高質(zhì)量的SiC單晶制備是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的一環(huán)，它直接影響了SiC器件的性能、可靠性和制造成本。
根據(jù)《2022碳化硅(SiC)產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，經(jīng)過過去20多年設(shè)備研發(fā)積累, 中電科48所、北方華創(chuàng)、恒普科技、優(yōu)晶光電、納設(shè)、晶盛機(jī)電和季華實(shí)驗(yàn)室等國產(chǎn)設(shè)備企業(yè)已研制出4-6英寸SiC外延生長設(shè)備，并且在成膜質(zhì)量、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性、重復(fù)性和運(yùn)行維護(hù)性等指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破，縮短了與國外設(shè)備之間的差距，有力地支撐了國產(chǎn)碳化硅外延的大規(guī)模量產(chǎn)。
從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條來看，長晶設(shè)備是目前SiC國產(chǎn)化程度最高的環(huán)節(jié)。
碳化硅晶圓制造設(shè)備：除了SiC襯底外，晶圓制造難是國產(chǎn)SiC MOSFET尚未應(yīng)用于主驅(qū)的關(guān)鍵所在，未來國產(chǎn)SiC芯片擴(kuò)產(chǎn)也會受到關(guān)鍵設(shè)備的牽制。
由于SiC材料硬度高、熔點(diǎn)高等特性，需要一些特殊的生產(chǎn)設(shè)備與工藝——包括高溫退火爐、高溫離子注入機(jī)、SiC減薄設(shè)備、背面金屬沉積設(shè)備、背面激光退火設(shè)備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測和計(jì)量設(shè)備等。
高溫離子注入機(jī)方面，國外主要廠商包括愛發(fā)科、應(yīng)用材料和NISSIN等，目前國內(nèi)企業(yè)爍科中科信的離子注入機(jī)在碳化硅領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量應(yīng)用，設(shè)備注入能量、束流大小、注入晶片溫度等技術(shù)指標(biāo)與國外相差不大。
離子注入后仍需進(jìn)行高溫退火，才可以激活注入離子。高溫退火爐國外主要廠商主要包括昇先創(chuàng)Centrothcrm、日本真空等。目前，中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)已量產(chǎn)了相關(guān)設(shè)備。
制備SiC器件的柵極氧化層需要高溫氧化爐。國外主要設(shè)備廠商包括昇先創(chuàng)Centrotherm、東橫化學(xué)等，當(dāng)前中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)的設(shè)備也能夠用于生產(chǎn)碳化硅器件。
據(jù)《2022碳化硅(SiC)產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，除了碳化硅外延、離子注入、高溫氧化/激活等碳化硅專用裝備外，華卓精科等國內(nèi)企業(yè)在激光退火、激光劃片、PVD等關(guān)鍵設(shè)備方面也實(shí)現(xiàn)了批量供貨;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(shí)可達(dá)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，國產(chǎn)設(shè)備市場占有率穩(wěn)步提升。
此外，近些年國內(nèi)廠商的后道加工已在嘗試使用國產(chǎn)切磨拋設(shè)備，通過導(dǎo)入激光等新的工藝，也有助于導(dǎo)入大尺寸的襯底制造，以降低襯底材料和器件的成本。
整體來看，SiC器件產(chǎn)線國產(chǎn)設(shè)備開始連點(diǎn)成線，有助于進(jìn)一步推動(dòng)國產(chǎn)碳化硅芯片的高速發(fā)展。“隨著SiC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和自主化供應(yīng)需求，國內(nèi)已逐步形成從設(shè)備、材料、器件到應(yīng)用的全生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，再加上一批積極的政策出臺，有助于進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備的自主可控、安全可靠，國產(chǎn)碳化硅設(shè)備成長空間巨大，而大尺寸、高效能、低損傷是未來行業(yè)設(shè)備發(fā)展的趨勢。” 伏友文回答到。
SiC內(nèi)卷與國產(chǎn)化謎題
近年來，在下游新能源汽車、光儲等需求的驅(qū)動(dòng)下，國內(nèi)涌現(xiàn)出一批碳化硅相應(yīng)企業(yè)，積極規(guī)劃碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈布局。
同時(shí)，資本市場已經(jīng)開始采取長線策略。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2023年以來，國內(nèi)碳化硅領(lǐng)域發(fā)生了22起融資案例，合計(jì)融資資金已超40億元。設(shè)備、襯底、外延、功率器件等，融資幾乎涵蓋了碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈。
無論是頭部企業(yè)還是初創(chuàng)公司，仍在享受著資本注入帶來的快速發(fā)展紅利。
長飛先進(jìn)總裁陳重國指出，除了資本市場的支持外，相比行業(yè)巨頭，國內(nèi)廠商擁有以下幾大優(yōu)勢：
首先是市場優(yōu)勢，目前碳化硅應(yīng)用市場主要在新能源汽車以及光伏行業(yè)，而這兩大行業(yè)的市場一半以上都在中國，這是我們相對海外行業(yè)巨頭的第一大優(yōu)勢。
第二是政策支持，我們國家對半導(dǎo)體行業(yè)的支持有目共睹。近年來，為了鼓勵(lì)國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主，國家多部門出臺了一系列支持和引導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)，這對促進(jìn)國內(nèi)半導(dǎo)體廠商的發(fā)展也起到了非常大的推動(dòng)作用。
第三是工程師優(yōu)勢，我國每年畢業(yè)的理工科工程師有幾百萬，這也是我們相比于歐美等國最大的人才優(yōu)勢，同時(shí)也是我們可以在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展壯大的原因。
此外，本土廠商還存在價(jià)格優(yōu)勢。伏友文表示，一方面，隨著國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟，市場規(guī)模不斷增大，產(chǎn)品良率不斷提高，本土廠商在原材料、人工、生產(chǎn)管理上可以控制的更低;另一方面，國產(chǎn)SiC產(chǎn)品可以避免進(jìn)口產(chǎn)品較高的運(yùn)輸、關(guān)稅和匯率成本。
在諸多優(yōu)勢加持下，國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展正在加速。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)“已有+在建”碳化硅產(chǎn)線超過100條，雖然市場需求在增長，但同時(shí)競爭也在日漸激烈。
對于行業(yè)現(xiàn)狀，有觀點(diǎn)稱，碳化硅國產(chǎn)化發(fā)展存在兩大謎題：一方面，如果項(xiàng)目布局規(guī)模和投資量過大，包袱重，運(yùn)營成本高，可能會導(dǎo)致失血過快，現(xiàn)金流斷裂;另一方面，如果項(xiàng)目布局規(guī)模不夠，導(dǎo)致規(guī)模效應(yīng)不足，單位成本居高，市場競爭力不夠，客戶認(rèn)可度不高;從而重復(fù)投資耗時(shí)耗錢，吸引不到新投資，最終被淘汰出局。
對此，陳重國認(rèn)為，當(dāng)規(guī)模不夠時(shí)，市場競爭力不強(qiáng)是必然的。小規(guī)模廠商不僅成本下不去，無法與大規(guī)模廠商競爭，同時(shí)也無法滿足用戶的產(chǎn)能需求，更難吸引資本市場的注意。未來隨著碳化硅市場競爭格局逐漸成型，一些小規(guī)模廠商必然會被淘汰出局。
但整體而言，這并不是投資量與盈虧平衡的問題，投資量大并不等于包袱重。投資與產(chǎn)能就好比分母與分子，分母大的話我們的分子也會大，這還會降低每一片晶圓的成本，在市場上更有競爭力，只要產(chǎn)品能賣出去就不存在包袱重、失血過快的問題。
這里的關(guān)鍵其實(shí)是要慎重地做好市場評估與自我評估，也就是說讓我們的實(shí)力與投資量相匹配。這些實(shí)力包括成本控制能力、產(chǎn)品可靠性以及強(qiáng)大的銷售能力等，需要我們基于對自身實(shí)力的了解再去作市場評估，再去作投資，建設(shè)相匹配的規(guī)模，搶占更大的市場。
還需要注意的是，本土企業(yè)在擴(kuò)張過程中要提升自己的差異化優(yōu)勢，而不是去扎堆同質(zhì)化嚴(yán)重的產(chǎn)品。
有行業(yè)專家向筆者表示，未雨綢繆地避免產(chǎn)能盲目擴(kuò)張，也是市場關(guān)注的重要方面。雖然市場都在奔著彌補(bǔ)市場缺口而迅速擴(kuò)產(chǎn)，但國產(chǎn)碳化硅功率半導(dǎo)體真正有效產(chǎn)出、達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品還不多，尤其中低端的碳化硅功率半導(dǎo)體存在產(chǎn)能過剩風(fēng)險(xiǎn)和內(nèi)卷現(xiàn)象。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資巨大，最終結(jié)果很可能導(dǎo)致某些企業(yè)倒下，如果不提早進(jìn)行控制，可能帶來巨大的資源浪費(fèi)。
伏友文指出，高速的產(chǎn)能擴(kuò)張勢必要同實(shí)際的市場需求相結(jié)合，產(chǎn)能擴(kuò)張帶來的企業(yè)壓力也是巨大的，汽車芯片技術(shù)和質(zhì)量門檻高，建議國內(nèi)同行首先要將提升產(chǎn)品性能和可靠性作為發(fā)展重點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)市場需求，合理規(guī)劃產(chǎn)能擴(kuò)張，避免盲目投資。
寫在最后
整體來看，目前碳化硅器件的國產(chǎn)化進(jìn)展非常明顯，但這不僅僅是國產(chǎn)替代的趨勢問題，整體市場產(chǎn)能不足也是關(guān)鍵所在。
碳化硅行業(yè)是一個(gè)巨大的增量市場，尤其是隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)變革趨勢下，碳化硅正迎來全面爆發(fā)期。目前碳化硅市場主要由國外的廠商在供，但國外廠商的產(chǎn)能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了整體市場的需求，也就是說即使想要進(jìn)口也面臨買不到、很難買的情況，這也是國內(nèi)企業(yè)可以快速入場的機(jī)會。
如今，無論是上游材料、晶圓代工廠、器件、封裝，國內(nèi)在SiC的各個(gè)細(xì)分供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)都已有玩家在積極參與。但目前海外廠商在碳化硅領(lǐng)域仍占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)仍在起步階段，技術(shù)不斷追趕同時(shí)產(chǎn)能尚在爬坡。
在此形勢下，面對這個(gè)爆發(fā)性增長的市場機(jī)遇和產(chǎn)業(yè)差距，國產(chǎn)廠商應(yīng)該如何謀劃布局?
陳重國認(rèn)為：
三就是加快第三代半導(dǎo)體人才的培養(yǎng)，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體是一個(gè)非常新興的行業(yè)，國內(nèi)外相關(guān)人才都非常稀缺，必須加快自身人才的培養(yǎng)，這也是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
首先是“產(chǎn)能為王”，一定要加快產(chǎn)能的建設(shè)，讓碳化硅器件的產(chǎn)能跟上新能源市場的需求;
二是加快主驅(qū)芯片可靠性驗(yàn)證工作，目前碳化硅最大的應(yīng)用場景就是新能源汽車的電驅(qū)部分，而電驅(qū)對芯片的可靠性要求極高，一般對芯片的驗(yàn)證周期在一年半以上，因此必須抓住時(shí)間窗口，盡快通過可靠性驗(yàn)證工作;
隨著SiC技術(shù)的不斷突破和國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步壯大并在全球競爭中占據(jù)更有利的地位。而隨著市場的起伏，火熱的碳化硅行業(yè)終將逐漸回歸理性，唯有護(hù)城河深的企業(yè)才能受到青睞。
碳化硅的潮起潮落只是半導(dǎo)體細(xì)分產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈上無窮硝煙的一個(gè)縮影，對這個(gè)市場話語權(quán)與附加值的爭奪和追趕，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到結(jié)束的時(shí)候。
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