從國際龍頭企業(yè)布局看SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

作者：陳東坡(北京三安光電有限公司副總經(jīng)理) 時間：2023-10-16 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：碳化硅（SiC）具有高擊穿場強、高熱導(dǎo)率、高飽和電子漂移速率等特點，可很好地滿足新能源汽車與充電樁、光伏新能源、智能電網(wǎng)、軌道交通等應(yīng)用需求，對我國“新基建”產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義，是未來五年“中國芯”最好的突破口之一，當(dāng)下我國應(yīng)該集中優(yōu)勢資源重點發(fā)展。

摘要：本文首先分析了國際五家龍頭企業(yè)的最新動態(tài)與戰(zhàn)略布局，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了SiC產(chǎn)業(yè)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢，最后提出我國相關(guān)單位應(yīng)引導(dǎo)產(chǎn)能集中布局，避免產(chǎn)業(yè)資源分散，盡快布局8英寸SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，加強SiC MOSFET產(chǎn)業(yè)技術(shù)公關(guān)，加強下游應(yīng)用企業(yè)與芯片企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202310/451610.htm

1 國際龍頭企業(yè)最新動態(tài)與布局

1.1 Wolfspeed: SiC襯底全球占比超過50%

Wolfspeed 專注于SiC和氮化鎵材料、功率設(shè)備，是目前全球最大的SiC 襯底供應(yīng)商，SiC 襯底全球占比超過50%，但仍瘋狂擴產(chǎn)^[1]，2019 年拋出65 億美元的擴產(chǎn)計劃，5 年產(chǎn)能計劃增長30 倍，到2024 年月產(chǎn)能達到10 萬片（等效6 英寸），現(xiàn)有基地布局主要分布在美國北卡羅來納州和紐約州，如圖1 所示，從2019 年之后新布局的產(chǎn)能基本都是8 英寸，器件方面主要是滿足車規(guī)標準的器件。2023年2 月，Wolfspeed 還宣布在德國薩爾州建造世界上最大的SiC 工廠，并計劃4 年內(nèi)開始批量生產(chǎn)，該大型項目的實現(xiàn)將取決于政府補貼的承諾，大概5 億歐元，占項目投資的1/4^[2]。

陳東坡（北京三安光電有限公司副總經(jīng)理）

圖1 Wolfspeed的SiC業(yè)務(wù)概況

1.2 ST:首家把SiC批量用在特斯拉主逆變器上

意法半導(dǎo)體（ST）于2017 年開始量產(chǎn)SiC 器件，隨后開始產(chǎn)能擴展，2022 產(chǎn)能相比2020 年增長了2.5倍以上，并計劃在2017—2024 年間把SiC 產(chǎn)能提高9 倍。為了提高供應(yīng)比例同時又降低成本，ST 對SiC 技術(shù)和供應(yīng)鏈戰(zhàn)略還包括從6 英寸到8 英寸SiC 晶圓的升級，并于2023 年底前量產(chǎn)8 英寸SiC 晶圓^[3]。襯底方面，ST 目標是到2024 年實現(xiàn)40% 以上SiC 襯底的內(nèi)部供應(yīng)。為達成上述目標，ST 收購了Norstel 以將其轉(zhuǎn)化為ST的技術(shù)并擴大產(chǎn)能，并在意大利卡塔尼亞建設(shè)一座投資8億美元的襯底廠，相關(guān)信息如圖2 所示^[4]。2022 年12 月，ST 還與法國Soitec 合作開發(fā)8 英寸SiC 襯底制造技術(shù)，提升SiC 襯底加工效率與產(chǎn)出^[5]。

圖2 ST的SiC業(yè)務(wù)概況（統(tǒng)計截至2023年5月）來源：ST

1.3 英飛凌：全球最大的功率半導(dǎo)體器件廠

功率半導(dǎo)體龍頭廠商英飛凌斥資20 億歐元（注：約合144 億元人民幣）擴產(chǎn)SiC、GaN（氮化鎵），擴產(chǎn)重點在晶圓制造環(huán)節(jié)^[6]，計劃2027 年把SiC 產(chǎn)能增長10 倍，2030 年取得全球30% 市場份額。該產(chǎn)能增加主要通過奧地利Villach 和馬來西亞Kulim 工廠實現(xiàn)，奧地利Villach 是基于現(xiàn)有6/8 英寸硅半導(dǎo)體產(chǎn)線改造成SiC 和GaN 產(chǎn)線；馬來西亞Kulim 則為全新工廠，預(yù)計2024 年夏季投產(chǎn)，預(yù)計到2027 年，英飛凌將具備150 mm 和200 mm SiC 晶圓生產(chǎn)能力，如圖3 所示。為滿足產(chǎn)能擴張需求，英飛凌在2018年花費1.24 億歐元收購了“冷切割”技術(shù)企業(yè)Siltectra，在提升加工效率的同時可提升良率，同時與多家上游企業(yè)如Wolfspeed、SiCrystal 及昭和電工簽訂SiC 襯底/ 晶錠/ 外延片長期供貨協(xié)議，提前鎖定產(chǎn)能，以確保原料供應(yīng)的穩(wěn)定性與靈活性^[7]。此外，英飛凌向3000 多家客戶提供SiC 產(chǎn)品，主要應(yīng)用于電源、光伏、運輸、新能源汽車及充電樁等，公司預(yù)計2025 年SiC 將實現(xiàn)10 億美元的營收目標。

圖3 英飛凌SiC布局

1.4 Onsemi：通過收并購擴大布局，2006年至今已進行20次收并購

安森美（Onsemi）一直專注于半導(dǎo)體行業(yè)，公司在亞太地區(qū)擁有完善的供應(yīng)鏈體系，未來戰(zhàn)略重心將放在電動汽車和工業(yè)兩個領(lǐng)域，目前多家車企采用安森美SiC 技術(shù)，包括起亞EV6 GT車型，梅賽德斯- 奔馳等。安森美SiC 器件制造技術(shù)也走在世界前列，其戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型是：All in SiC，公司目前擁有SiC 全產(chǎn)業(yè)鏈一體化平臺，其中，襯底在美國生產(chǎn)，拋光和外延是在捷克工廠完成，芯片前端處理、減薄、背面金屬和晶圓測試 (WAT) 在韓國富川，器件與模塊封裝在中國和馬來西亞，這些工廠大多來自收購^[8]。公司通過與客戶群簽訂長期供應(yīng)協(xié)議，未來3 年預(yù)計實現(xiàn)40 億美元SiC 收入。

為了支持未來幾年的高速增長，安森美近4 年5 次擴建SiC 工廠，總投資額超過100 億元人民幣^[8]，具體見圖4。公司于2021 年還以4.12 億美元（約合26.87 億元人民幣）收購SiC 生產(chǎn)商GT Advanced Technologies（GTAT），并繼續(xù)追加投資，使2022 年底GTAT 的產(chǎn)量翻倍，2023 年將再次翻倍，并推進 6 英寸和8 英寸SiC 晶體生長技術(shù)^[9]。

圖4 安森美SiC布局

1.5 羅姆：全球首家將SiC SBD和MOSFET量產(chǎn)的企業(yè)

羅姆（ROHM）從2000 年開始進行SiC MOSFET基礎(chǔ)研究，并在2009 年收購德國SiC 晶圓材料廠商SiCrystal，擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝的全產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合^[10]。面對市場對SiC 產(chǎn)品高增長需求，公司制定了積極的產(chǎn)能擴展計劃，相比2021 年，2025 年SiC 產(chǎn)能將提升6 倍，到2030 年提升35 倍，并計劃從2023 年實現(xiàn)從6 英寸升級到8 英寸襯底的量產(chǎn)^[11]，如圖5 所示。羅姆當(dāng)前主要關(guān)注汽車、工控和海外市場，與大量客戶開展合作或者組建合資公司，包括2020 年與緯湃科技、臻驅(qū)科技合作開發(fā)SiC 電源解決方案，2021 年與吉利簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，與正海集團成立SiC 功率模塊合資公司海姆?？疲?022年，Lucid 公司OBC 應(yīng)用了羅姆的SiCMOSFET，同年，羅姆的SiC MOSFET通過了賽米控公司的認證^[12]。

圖5 羅姆SiC布局 來源：羅姆

2 SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1 行業(yè)巨頭均在產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)規(guī)模布局

受益于光伏新能源、新能源汽車與充電樁等終端需求大幅增長，SiC 產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)，從最上游的襯底、外延材料，晶圓代工、器件封測到SiC 模塊封裝，全線需求激增。安森美、Wolfspeed、ST、羅姆等SiC 領(lǐng)域龍頭企業(yè)，均發(fā)表了對行業(yè)發(fā)展的積極展望，具體見圖6，并擴大投資布局，力求2025 年前釋放產(chǎn)能^[13]。我國本土企業(yè)在SiC 方面的投資熱情也非常高，中車、斯達、三安、長飛、士蘭微等企業(yè)均有大規(guī)模的SiC產(chǎn)能布局，國內(nèi)宣布投資的SiC 項目超百個，形成了產(chǎn)業(yè)過熱的表象。從擴產(chǎn)環(huán)節(jié)來看，由于晶棒生長速度慢且技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)鏈成本集中于上游，價值量倒掛，所以襯底、外延環(huán)節(jié)也成為企業(yè)擴產(chǎn)布局的重點環(huán)節(jié)^[14]。

圖6 行業(yè)龍頭企業(yè)營收與市場占比 來源：01芯聞

2.2 6英寸向8英寸快速轉(zhuǎn)變成行業(yè)必然趨勢

SiC 襯底是SiC 產(chǎn)業(yè)鏈中成本占比最大、技術(shù)門檻最高的環(huán)節(jié)，襯底對器件成本降低與規(guī)模應(yīng)用起著決定性作用，擴大襯底尺寸是降低器件成本的有效方式之一。更大的襯底尺寸意味著單片SiC 晶圓能夠制造出的芯片數(shù)量更多，晶圓邊緣浪費減少，單芯片成本降低，這將驅(qū)使越來越多SiC 廠商從6 英寸向8 英寸轉(zhuǎn)變^[15]，如圖7 所示。盡管當(dāng)前8 英寸SiC 距離大規(guī)模量產(chǎn)還有一段距離，短期內(nèi)不會對市場造成較大影響^[16]，但從長期來看，隨著技術(shù)進步，材料生長與切割工藝等問題解決，8 英寸SiC 會加速到來，并與6 英寸SiC 呈長期共存態(tài)勢。

圖7 6英寸與8英寸SiC襯底市場演變 來源：CASA，基本半導(dǎo)體，中國銀河證券研究院

2.3 新能源汽車仍然是SiC最大應(yīng)用市場

SiC 器件主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、充電樁等領(lǐng)域。根據(jù)Yole 報道，2021 年SiC 器件市場規(guī)模約為10.9 億美元，2027 增長到62.97 億美元，2021—2027 年復(fù)合增長率達到34%。在多種應(yīng)用領(lǐng)域中，汽車是最大的應(yīng)用市場，市場規(guī)模從2021 年6.87 億美元增長到2027 年49.7 億美元，市場份額從2021 年63%，增長到2027 年79%，如圖8 所示。SiC 功率器件在電動汽車領(lǐng)域的市場規(guī)模與增長速度明顯高于高壓充電樁、光伏發(fā)電和交通軌道領(lǐng)域，是SiC 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大市場最大驅(qū)動力。

圖8 SiC器件市場概況 來源：Yole report

2.4 產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合成SiC行業(yè)主流趨勢

SiC 器件最大的應(yīng)用市場是新能源汽車市場，車規(guī)功率半導(dǎo)體具有如下特征：產(chǎn)品設(shè)計要求高安全性和高可靠性；批量生產(chǎn)要求高穩(wěn)定性和一致性；供貨周期通常一般10~15 年。上述特征更適合采用產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合模式（IDM），也就是從設(shè)計、制造到封裝都由一家公司完成，這種模式可以控制從芯片設(shè)計到模塊封裝的全部流程，更符合汽車對車規(guī)半導(dǎo)體高可靠要求，目前國際大廠Wolfspeed、羅姆、ST 等都采用IDM 模式。SiC 產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合成行業(yè)趨勢，未來5 年有可能呈現(xiàn)加速趨勢，如圖9 所示。國內(nèi)外企業(yè)通過收并購等方式進行襯底、外延及器件全產(chǎn)業(yè)鏈布局；許多整車廠或Tier1 的企業(yè)也開始轉(zhuǎn)向自主研發(fā)或與上游的SiC 材料和器件企業(yè)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議^[18]，加強對零部件的安全性與成本以及供應(yīng)穩(wěn)定性的掌控。

圖9 SiC器件市場概況 來源：yole report

3 對我國SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

3.1 引導(dǎo)產(chǎn)能集中布局，避免產(chǎn)業(yè)資源分散

SiC 產(chǎn)業(yè)屬于資本密集型、技術(shù)密集型、人才密集型產(chǎn)業(yè)，該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才緊缺，核心關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，各種關(guān)鍵設(shè)備與材料近年來由于項目集中上馬導(dǎo)致交期延長。行業(yè)主管部門應(yīng)防范低端產(chǎn)能、無效產(chǎn)能盲目建設(shè)，有序引導(dǎo)和規(guī)范國內(nèi)產(chǎn)能實現(xiàn)區(qū)域集中與主體集中布局。同時，強化技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)，將緊缺有限的產(chǎn)業(yè)資源集中用在產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，用在有競爭力的企業(yè)主體上，避免沒有競爭力的企業(yè)盲目擴展，分散有限產(chǎn)業(yè)資源，擾亂行業(yè)生態(tài)。

3.2 盡快布局 8 英寸SiC全產(chǎn)業(yè)鏈

近兩年，國際行業(yè)龍頭掀起一輪8 英寸SiC 晶圓投資熱潮，除 Wolfspeed 位于美國紐約州的8 英寸晶圓廠實現(xiàn)小批量供貨外，包括ST、英飛凌、Soitec、三菱電機等新老廠商都在積極推進8 英寸SiC 開發(fā)布局與產(chǎn)線建設(shè)。行業(yè)主管部門應(yīng)引導(dǎo)國內(nèi)龍頭企業(yè)圍繞8 英寸SiC 進行關(guān)鍵環(huán)節(jié)布局，我國企業(yè)則應(yīng)加大投入力度，盡快實現(xiàn)8 英寸SiC 襯底技術(shù)的突破。同時，國內(nèi)器件廠商應(yīng)與襯底、外延等原材料廠商積極配合，協(xié)同創(chuàng)新，共同開發(fā)8 英寸SiC 材料、工藝等技術(shù)，在研發(fā)、技術(shù)、工藝、質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化等多個維度實現(xiàn)全面突破。

3.3 加強SiC MOSFET產(chǎn)業(yè)技術(shù)公關(guān)

SiC 功率器件包括SiC 二極管（SBD）和SiCMOSFET, 目前我國二極管產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并實現(xiàn)大規(guī)模商用。SiC MOSFET 在關(guān)鍵技術(shù)方面還存在一些問題，具體表現(xiàn)為產(chǎn)品成熟度有待提升，器件可靠性、封裝和驅(qū)動裝和驅(qū)動等問題尚未完全解決，器件性能優(yōu)勢在實際應(yīng)用中還未得到充分發(fā)揮。相關(guān)企業(yè)應(yīng)進一步加大SiC MOSFET 大規(guī)模制造能力建設(shè)和產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，推進產(chǎn)品規(guī)模上量，并向汽車電子、光伏、儲能等應(yīng)用市場加速滲透。

3.4 加強下游應(yīng)用企業(yè)與芯片企業(yè)協(xié)同

目前，我國SiC 產(chǎn)業(yè)“芯片- 整機- 系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同格局尚未形成，內(nèi)需市場優(yōu)勢尚未得到充分發(fā)揮。我國新能源汽車、光伏、儲能等應(yīng)用企業(yè)應(yīng)與SiC 芯片、模塊企業(yè)聯(lián)動發(fā)展和協(xié)同創(chuàng)新，多為國產(chǎn)SiC 芯片提供驗證機會，或者通過聯(lián)合承擔(dān)國家專項，解決產(chǎn)業(yè)行業(yè)共性技術(shù)難題。在行業(yè)內(nèi)實行“下游考核上游，整機考核部件，應(yīng)用考核技術(shù)，市場考核產(chǎn)品”的用戶考核制，通過用戶和市場的考核驗證，研發(fā)成功一批經(jīng)得起市場檢驗的高可靠產(chǎn)品，從而加速國產(chǎn)SiC 芯片產(chǎn)業(yè)化進程。

參考文獻：

[1] Wolfspeed對國產(chǎn)SiC的啟示.

[2] Wolfspeed 宣布計劃在德國薩爾州建造全球最大、最先進的碳化硅器件制造工廠.

[3] 意法半導(dǎo)體的芯片制造布局.

[4] 意法半導(dǎo)體CEO：將擴增碳化硅產(chǎn)能.

[5] SiC沖64億！意法半導(dǎo)體在第三代半導(dǎo)體方面有哪些動作？

[6] 144億元！英飛凌擴產(chǎn)SiC、GaN.

[7] 英飛凌：2030年碳化硅市占率將達到55%.

[8] 又投32億！安森美第5次擴建SiC廠.

[9] 布局碳化硅十八年安森美如何改變芯片未來.

[10] 強勢擴張第4代SiC，羅姆2023年量產(chǎn)8英寸碳化硅襯底.

[11] 羅姆收購日本一工廠！擴產(chǎn)碳化硅功率器件.