SiC器件大戰(zhàn)一觸即發(fā)

日前，德國大廠英飛凌宣布，已收購一家名為Siltectra的初創(chuàng)企業(yè)，將一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)(ColdSpilt)也收入了囊中?！袄淝懈睢笔且环N高效的晶體材料加工工藝，能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低。英飛凌將把這項(xiàng)技術(shù)用于碳化硅（SiC）晶圓的切割上，從而讓單片晶圓可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番。進(jìn)一步加碼碳化硅市場。

在早些時候，意法半導(dǎo)體CEO在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場占有率高達(dá)90%；X—Fab也聲稱將擴(kuò)大晶圓的生產(chǎn)；日本羅姆今年四月也宣布，將在其福岡筑后工廠投建新廠房，擴(kuò)充碳化硅產(chǎn)能。

多方面的消息證明，碳化硅大戰(zhàn)一觸即發(fā)。

SiC功率器件需求大增

據(jù)Semiconductor Engineering報(bào)道，SiC是一種基于硅和碳的復(fù)合半導(dǎo)體材料。在生產(chǎn)流程中，專門的SiC襯底被開發(fā)出來，然后在晶圓廠中進(jìn)行加工，得到基于SiC的功率半導(dǎo)體。許多基于SiC的功率半導(dǎo)體和競爭技術(shù)都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關(guān)器件的電流。它們用于電力電子領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制。

得益于其垂直架構(gòu)，因此相較于氮化鎵和硅，碳化硅可以承受更高的電壓，能適用于1000V以上的應(yīng)用市場。以硅而言，目前硅基MOSFET多應(yīng)用在1000V以下，約600~900V之間，若是超過1000V，其芯片體積(Chip Size)會變得很大，以及切換損耗、寄生電容都會跟著提升，另外價格也會大漲，因此較不適用于1000V以上的應(yīng)用。而SiC因其寬帶隙技術(shù)脫穎而出。而與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場強(qiáng)更是傳統(tǒng)硅基器件的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍，具有極其強(qiáng)大的優(yōu)勢。

SiC和GaN設(shè)計(jì)方式不同，耐壓程度也因而有所差異。

羅姆在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察采訪時也表示，在功率元器件領(lǐng)域中，SiC作為新一代材料備受矚目，與傳統(tǒng)使用的Si相比，SiC元器件實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)、高溫工作。且使用SiC元器件能讓設(shè)備變得更小、功耗更低。因具備高耐壓、高耐熱性，使得之前不能使用的小空間和嚴(yán)酷環(huán)境下的安裝成為可能。以汽車為例，應(yīng)用于混合動力汽車、電動汽車，可大幅度降低油耗，擴(kuò)大室內(nèi)空間。用于太陽能發(fā)電時，功率損耗率能減少50%，有望為地球環(huán)境問題的緩解做出巨大貢獻(xiàn)。這就使得這個新型材料器件非常適合于在電源、汽車、鐵路、工業(yè)設(shè)備、家用消費(fèi)電子設(shè)備等各個領(lǐng)域。尤其是今年來隨著電動車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，市場對SiC的需求大增。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，2018年全球?qū)谐^20家的汽車業(yè)者，在OBC中使用SiC肖特基二極體(Schottky Diodes)或SiC MOSFET；未來SiC功率半導(dǎo)體在OBC市場中有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。麥姆斯繼續(xù)指出，未來將有愈來愈多的汽車制造商會在主逆變器中采用SiC功率半導(dǎo)體，特別是中國車商，近幾年更是紛紛考慮使用SiC功率元件，因此，2017~2023年，SiC功率元件在主逆變器市場的CAGR，更可能高達(dá)108%。這就推動市場的爆發(fā)性進(jìn)展。

從他們提供的數(shù)據(jù)我們可以看到，全球SiC功率半導(dǎo)體市場將從2017年的3.02億美元，快速成長至2023年的13.99億美元，年復(fù)合成長率達(dá)29%。

上游供應(yīng)商加緊布局

面對這樣一個成長態(tài)勢，SiC的上游供應(yīng)鏈廠商正在積極布局。

首先在晶圓方面，目前全球僅約有三、四家業(yè)者（Cree、Norstel、新日鐵住金等）能提供穩(wěn)定的產(chǎn)量，但似乎這個領(lǐng)域正在面臨不同的變化。

首先在全球SiC晶圓領(lǐng)頭羊Cree方面，他們加快向汽車領(lǐng)域進(jìn)軍。

今年八月，該公司旗下的Wolfspeed宣布，推出用于電動汽車（EV）和可再生能源市場的新型穩(wěn)健SiC半導(dǎo)體器件系列E-Series 。據(jù)官方介紹，Wolfspeed的E系列是第一個符合汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)并具有PPAP功能的SiC MOSFET和二極管商用系列。該產(chǎn)品使其成為唯一一款符合高濕度和汽車資質(zhì)的商用SiC MOSFET和二極管系列產(chǎn)品，可為當(dāng)今電力市場提供最可靠，最耐腐蝕的元件。

而日企昭和電工則在最近一年多里發(fā)布了多次SiC擴(kuò)產(chǎn)聲明。

昭和電工表示，該公司之前分別于2017年9月、2018年1月宣布增產(chǎn)SiC晶圓，不過因SiC制電源控制晶片市場急速成長、為了因應(yīng)來自顧客端旺盛的需求，因此決定對SiC晶圓進(jìn)行第3度的增產(chǎn)投資。昭和電工SiC晶圓月產(chǎn)能甫于今年(2018年)4月從3,000片提高至5,000片(第1次增產(chǎn))，且將在今年9月進(jìn)一步提高至7,000片(第2次增產(chǎn))，而進(jìn)行第3度增產(chǎn)投資后，將在2019年2月擴(kuò)增至9,000片的水準(zhǔn)、達(dá)現(xiàn)行(5,000片)的1.8倍。

在代工廠方面，X-Fab在今年九月宣布，計(jì)劃將其位于德克薩斯州6英寸SiC工藝工廠產(chǎn)能翻番，以滿足客戶對高效功率半導(dǎo)體器件日益增長的需求。為了使容量翻倍，X-Fab 德州工廠購買了第二臺加熱離子注入機(jī)，用于制造6英寸SiC晶圓。預(yù)計(jì)到在2019年第一季度及時生產(chǎn)，以滿足預(yù)計(jì)的近期需求。

X-Fab德州工廠的Lloyd Whetzel說：“隨著SiC的日益普及，我們早就明白，提高離子注入能力是我們在SiC市場上的持續(xù)制造成功的關(guān)鍵。但這只是我們針對特定SiC制造工藝改進(jìn)的總體資本計(jì)劃的第一步。這體現(xiàn)了X-Fab對SiC行業(yè)的承諾，并保持我們在SiC鑄造業(yè)務(wù)中的領(lǐng)導(dǎo)地位?！?/p>

來自我國臺灣地區(qū)的晶圓代工廠漢磊在今年八月也宣布，決定擴(kuò)大碳化硅（SiC）產(chǎn)能，董事會決議斥資3.4億元新建置6吋SiC生產(chǎn)線，為臺灣地區(qū)第一家率先擴(kuò)增SiC產(chǎn)能的代工廠，預(yù)計(jì)明年下半年可以展開試產(chǎn)。據(jù)了解，漢磊目前已建立4吋SiC制程月產(chǎn)能約1500片，預(yù)計(jì)將現(xiàn)有6吋晶圓廠部分生產(chǎn)線改為SiC制程生產(chǎn)線，先把制程建立起來，以滿足車載、工控產(chǎn)品等客戶強(qiáng)勁需求，因6吋的SiC售價達(dá)4000美元（約12萬臺幣），估計(jì)每月只要產(chǎn)出2000到3000片，帶動營收就可望增加2、3億元以上。

國產(chǎn)方面，也有玩家躍躍欲試。

根據(jù)公開資料顯示，今年五月，上海瞻芯電子聲稱，他們制造的第一片國產(chǎn)6英寸碳化硅（SiC）MOSFET晶圓正式面世。據(jù)介紹，該公司2017年7月17日在上海臨港科技城正式注冊成立；于2017年10月上旬完成工藝流程、器件和版圖設(shè)計(jì)，在10月到12月間完成初步工藝試驗(yàn)；并且從2017年12月開始正式流片，在短短不到5個月內(nèi)克服種種困難，成功地在一條成熟量產(chǎn)的6英寸工藝生產(chǎn)線上完成碳化硅（SiC） MOSFET的制造流程。晶圓級測試結(jié)果表明，各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)達(dá)到預(yù)期，為進(jìn)一步完成工藝和器件設(shè)計(jì)的優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

而成立于2006年的北京天科合達(dá)更自稱是亞太區(qū)碳化硅晶片生產(chǎn)制造先行者。

按照他們官方網(wǎng)站的介紹，北京天科合達(dá)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體的產(chǎn)業(yè)化，打破了國外長期的技術(shù)封鎖和壟斷，向國內(nèi)60余家科研機(jī)構(gòu)批量供應(yīng)晶片（包括半絕緣、導(dǎo)電、沿c軸和偏角度等），推動了碳化硅外延、器件等相關(guān)的基礎(chǔ)研究，帶動南車集團(tuán)等20多家（包含新成立的5家）企業(yè)進(jìn)入下游外延、器件和模塊產(chǎn)業(yè)，在國內(nèi)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，推動了我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

瀚天天成則是國內(nèi)另一家專注于碳化硅外延晶片的中美合資高新技術(shù)企業(yè)。據(jù)Digtimes的報(bào)道，依賴于由大陸、美、日共同組成的頂尖研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)。公司從2011年成立以來，已經(jīng)形成三英寸四英寸以及六英寸的完整碳化硅半導(dǎo)體外延晶片生產(chǎn)線，并滿足600V、1200V、1700V器件制作的需求。公司更是國內(nèi)第一家提供商業(yè)化6英寸碳化硅外延片的供應(yīng)商。公司更是預(yù)計(jì)在今年年底完成二期廠房的土地建設(shè)，在明年上半年逐步釋放新產(chǎn)能。二期擴(kuò)建預(yù)期實(shí)現(xiàn)十倍產(chǎn)能的增長，達(dá)產(chǎn)年可實(shí)現(xiàn)每年30萬片的產(chǎn)能目標(biāo)。

這些國內(nèi)外的上游廠商正在推動SiC產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

下游芯片廠的爭相競逐

為了更好地把握即將爆發(fā)的機(jī)會，下游的芯片廠也加碼卡位。

以英飛凌為例，在今年二月，英飛凌科技股份公司與科銳公司簽署一份碳化硅（SiC）晶圓長期供貨戰(zhàn)略協(xié)議。按照英飛凌首席執(zhí)行官Reinhard Ploss指出：“我們對科銳公司的了解由來已久，它是一家強(qiáng)大可靠的合作伙伴，在業(yè)界享有良好聲譽(yù)。憑借這份碳化硅晶圓長期供貨協(xié)議，我們能夠增強(qiáng)自身在汽車和工業(yè)功率控制等戰(zhàn)略增長領(lǐng)域的優(yōu)勢，從而為客戶創(chuàng)造更大價值?！边@是保證英飛凌在SiC批量出貨前的有力支持。

至于日前收購的Siltectra，則是英飛凌為提供SiC芯片產(chǎn)量而做的一個決定。據(jù)介紹，該公司開發(fā)的Cold Split可有效處理晶體材料，并可大幅減少材料損耗。英飛凌將采用此Cold Split技術(shù)分割碳化硅(SiC)晶圓，使晶圓產(chǎn)出雙倍的芯片數(shù)量。英飛凌執(zhí)行長Reinhard Ploss也表示：“此次收購將協(xié)助我們利用新材料碳化矽擴(kuò)展優(yōu)異的產(chǎn)品組合。我們對系統(tǒng)的了解以及在薄晶圓方面的獨(dú)特專業(yè)技術(shù)將和Cold Split技術(shù)及Siltectra的創(chuàng)新能力相輔相成。Cold Split技術(shù)有助于我們以更多的SiC晶圓量產(chǎn)SiC產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)展在再生能源，以及推動SiC在電動車傳動系統(tǒng)的使用率?！?/p>

英飛凌工業(yè)功率控制部門副總裁、大中華區(qū)副總裁于代輝在之前在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察采訪時也表示，英飛凌在SiC方面的研究已經(jīng)超過了十五年，近年來更是投入三千五百萬歐元對SiC設(shè)備和相關(guān)工藝的研發(fā)，并和可靠6英寸SiC晶圓供應(yīng)商建立了可靠的合作關(guān)系，保證了其SiC晶圓的供應(yīng)；再加上他們頂尖的研發(fā)和技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)加持，英飛凌的SiC研發(fā)進(jìn)展順利，并推出了CoolSiC系列產(chǎn)品。

來到SiC的另一個重要玩家羅姆方面，作為功率元器件的新材料，羅姆很早就關(guān)注到SiC，并與用戶以及大學(xué)等機(jī)構(gòu)一起展開合作，不斷積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。據(jù)他們表示，在2009年將專門做SiC材料的德國SiCrystal公司納入旗下之后，公司確立了垂直統(tǒng)合生產(chǎn)體制，也讓公司成為全球唯一一家可以實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)的SiC廠商。能從晶圓到封裝的所有工序均開展了品質(zhì)改善活動。

在2010年4月，羅姆也率先在日本開始了SiC二極管的量產(chǎn)。同年12月，確立了世界首個SiC晶體管的量產(chǎn)體制。2012年3月，在全世界率先開始了全SiC功率模塊的量產(chǎn)。目前，羅姆已實(shí)現(xiàn)第三代SiC MOSFET和SiC SBD產(chǎn)品的量產(chǎn)。近期，又推出了1700V 250A全SiC功率模塊新產(chǎn)品。與此同時，羅姆發(fā)揮綜合性半導(dǎo)體廠商的優(yōu)勢，備有發(fā)揮SiC元器件優(yōu)秀性能的控制IC、以及支持客戶使用環(huán)境的評估和仿真工具等。因此，可為客戶提供以先進(jìn)SiC功率元器件為首的綜合電源解決方案。本月初在接受日本媒體采訪時，羅姆方面表示，希望到2025年能夠?qū)⑹袌龇蓊~提高到三成。

至于意法半導(dǎo)體，因?yàn)槠銼iC產(chǎn)品被全球的電動車明星特斯拉采用，他們在這個市場的表現(xiàn)也不容忽視。而在文章的開頭，我們也說到了他們CEO對其現(xiàn)狀的一些介紹。據(jù)公司官網(wǎng)介紹，意法半導(dǎo)體從1996年開始從事碳化硅技術(shù)研發(fā)。在半導(dǎo)體市場推出一項(xiàng)新技術(shù)，質(zhì)量高、壽命長，成本有競爭力是基本要求。意法半導(dǎo)體戰(zhàn)勝了這種寬帶隙材料的量產(chǎn)挑戰(zhàn)，于2004年開始生產(chǎn)其首款SiC二極管。2009年，意法半導(dǎo)體的第一款 SiC MOSFET投產(chǎn)，此后又增加了1200V的SiC MOSFET和功率肖特基二極管，以完善原來的650V產(chǎn)品組合。

隨著市場競爭愈演愈烈，基礎(chǔ)材料的成本不斷降低，碳化硅的供應(yīng)鏈變得越來越穩(wěn)健。意法半導(dǎo)體一直在努力改善材料和工藝質(zhì)量。隨著材料和基于SiC技術(shù)的產(chǎn)品變得更加成熟，意法半導(dǎo)體研制出正在成為汽車電氣化的關(guān)鍵推動力的汽車級SiC功率器件。

意法半導(dǎo)體的6英寸碳化硅晶圓于2017年投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大有助于降低芯片成本，提高市場供應(yīng)量，滿足日益增多的SiC應(yīng)用的需求（包括更多的太陽能逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器、家用電器和電源適配器）。

其他諸如安森美、東芝、富士電機(jī)、三菱、、Littelfuse、通用電氣和GeneSiC等公司也都是SiC市場的重要玩家，他們都在摩拳擦掌，虛位以待。

還需跨過這幾道坎

無論從市場反應(yīng)，還是公司的表現(xiàn)來看，SiC器件似乎真的到了即將爆發(fā)的時候，但是從整體上看，還需要跨過幾道坎。首先，按照羅姆的說法，和Si相比，SiC的成本較高。如何提高成本競爭力，是SiC能夠爆發(fā)的一個關(guān)鍵條件。

從技術(shù)上看，SiC也需要迎來幾方面的挑戰(zhàn)。

瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮在接受臺媒CTIMES采訪時談到，由于碳化硅的生產(chǎn)瓶頸尚未解決，原料晶柱的品質(zhì)不穩(wěn)定，造成整體市場無法大規(guī)模普及。另一個發(fā)展限制，則是在碳化硅元件的應(yīng)用與設(shè)計(jì)上。司馬良亮表示，由于硅晶圓問世已久，而且行之有年，有非常完整的工具與技術(shù)支撐，因此絕大多數(shù)的芯片工程師只熟悉硅元件的芯片開發(fā)，但對于碳化硅元件的性能與用途，其實(shí)不怎么清楚。

他甚至用“博士”和“小學(xué)生”，來對比目前硅晶與碳化硅之間的知識落差。也因?yàn)橛羞@樣的知識上的落差，造成碳化硅元件在發(fā)展上更加緩慢。

“工程師對碳化硅元件本身的性能就已經(jīng)不太清楚，再加上晶圓品質(zhì)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致元件的良率與可靠度不足，讓整個的產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常緩慢”，司馬良亮說道。

如果這些問題能終有一日解決，SiC的時代那就真的真正來臨了。