碳化硅“狂飆”：追趕、內卷、替代
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編輯 | 半行觀
在過去的幾年，半導體市場無疑經歷了巨大的波折。從缺芯潮緩解轉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，還是各類技術無法突破瓶頸的現狀，以及供需關系的惡化，都掣肘了行業(yè)的進一步發(fā)展。在半導體賽道的周期性“寒冬”之下，各家企業(yè)相繼采取措施，減產、縮減投資等逐漸成為行業(yè)廠商度過危機的主要方式之一。在此背景下，碳化硅（SiC）市場的建廠擴產熱潮卻愈演愈烈。碳化硅作為目前半導體行業(yè)的熱門投資領域之一，無數成名已久的IDM大廠，Fabless新銳以及初創(chuàng)企業(yè)紛至沓來，試圖從碳化硅價值鏈的各方面切入這個前景看好的半導體細分領域。
01.碳化硅全產業(yè)鏈提速
▲SiC功率半導體產業(yè)鏈（圖源：行家說三代半）
其中，碳化硅襯底和外延片的價值量占比超過一半，襯底成本最大，占比達47%；其次是外延成本占比為23%，成為決定碳化硅器件品質的關鍵。襯底即通過沿特定的結晶方向將晶體切割、研磨、拋光，得到具有特定晶面和適當電學、光學和機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，各占據約30%的市場份額。從導電型SiC襯底的市場份額來看，Wolfspeed占據超60%的市場份額，在SiC單晶市場價格和質量標準上有極大話語權，天科合達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，應用于5G通信等領域；在導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，應用于電動汽車、新能源、儲能、軌道交通等領域。SiC外延片屬于行業(yè)產業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，其中，Wolfspeed、ShowaDenko呈現雙寡頭壟斷市場，合計約占SiC導電型外延片95%的市場份額。目前國內相關外延廠商東莞天域和廈門瀚天天成等均已實現產業(yè)化，可供應4-6英寸外延片。中電科13所、55所、?？瓢雽w等也能供應外延片，整體產能仍有較大提升空間。SiC器件環(huán)節(jié)主要負責芯片的制造，整體涉及的流程較長，以集合芯片設計、芯片制造、芯片封測等多個產業(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，歐美廠商占據主要份額，90%以上份額被國外公司占據。根據Yole 2022年數據，ST占據了全球37%的市場份額，成為市場的領導者；其次是英飛凌占據19%的份額，緊隨其后的是Wolfspeed，占據了16%的份額。后面依次是安森美、羅姆和三菱電機等，這些廠商共同占據了全球80%以上的SiC市場份額，與各大車企及Tier1廠商互動密切。
▲圖源：yole
國內廠商在SiC功率器件領域入局相對較晚，相關企業(yè)華潤微、士蘭微、斯達半導、時代電氣、泰科天潤、安徽長飛先進、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。當前國內廠商仍處于發(fā)展初期，與國際巨頭存在一定差距。目前SBD國內已經量產，但至少相差一代；OBC方面，國內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已實現量產并達成簽單出貨，而國內目前SiC MOS設計已基本完成，多家設計廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗證仍需部分時間，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)化仍需要時間。高景氣行情下，國產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，國內企業(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。據方正證券測算，預計2026年全球SiC襯底有效產能為330萬片，距同年629萬片的襯底需求量仍有較大差距。在業(yè)內形成穩(wěn)定且較高的良率規(guī)?；鲐浨?，整個行業(yè)都將持續(xù)陷于供不應求。SiC晶圓方面，盡管今年全球經濟和其他半導體材料市場普遍出現放緩，但SiC晶圓將持續(xù)強勁增長。據TECHCET發(fā)布了最新的碳化硅晶圓材料報告預計，SiC晶圓市場將在2023年進一步增長，達到107.2萬片晶圓，同比增長約22%。2022-2027年的整體復合年增長率估計約為17%。02.碳化硅“狂飆”：追趕、內卷、替代
▲碳化硅本土產業(yè)鏈概覽（修正：基本半導體是IDM模式）（圖源：廣發(fā)證券）
眾所周知，IDM、Fabless和Foundry分別代表著半導體芯片行業(yè)的三種運營模式，是依據其生產設計及制造能力不同而劃分的。通常涉及芯片設計、制造、封測等若干環(huán)節(jié)，半導體芯片企業(yè)負責的環(huán)節(jié)不同，也就產生了不同的運營模式。在碳化硅芯片領域，目前全球的頭部企業(yè)都是以IDM為主，而國內IDM廠商相對較少。對此，士蘭微器件成品產品線市場總監(jiān)伏友文表示，SiC產業(yè)選擇IDM模式能更好的保障業(yè)務長期穩(wěn)定的發(fā)展，是產業(yè)發(fā)展的重要趨勢。IDM模式可有效進行產業(yè)鏈內部整合，設計研發(fā)和工藝制造平臺開發(fā)同時開展，兩者協(xié)同優(yōu)化可快速識別和解決產品研發(fā)中遇到的問題，縮短產品開發(fā)周期，對研發(fā)效率、成本管控、產品質量和產能供應的穩(wěn)定性等方面十分有利，幫助企業(yè)構筑核心競爭力。基于IDM模式的優(yōu)勢，IDM企業(yè)華潤微的碳化硅產品進展順利，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施“碳化硅功率器件芯片生產線”項目的建設，去年10月，士蘭微籌劃非公開發(fā)行募資65億元，募投項目之一便是用于“年產14.4萬片碳化硅功率器件生產線建設項目”，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線進展順利，已具備月產2000片6英寸SiC芯片的生產能力，預計到今年年底SiC芯片生產能力將提升至6000片/月；士蘭SiC MOS芯片性能指標已達到國際先進水平；士蘭微用于汽車主驅的碳化硅功率模塊已向國內客戶送樣，爭取在今年年底前上車，同時士蘭微碳化硅產品在光伏、儲能、充電樁、OBC等領域也已展開全面推廣。更多的廠商嗅到了SiC代工的商機。2023年5月22日，安徽長飛先進宣布其位于武漢的SiC晶圓廠正式啟動，據悉該項目規(guī)模達年產36萬片SiC MOSFET晶圓，包括外延、器件設計、晶圓制造、封裝等，預計2025年建設完成。瞻芯電子也于2020年初啟動了碳化硅芯片晶圓廠項目籌備，該工廠于2022年7月正式投片生產，標志著瞻芯電子由Fabless邁向IDM的戰(zhàn)略轉型。國內SiC功率器件的廠商大多有向IDM模式演進的趨勢。但IDM模式也并非適用于任何企業(yè)。有業(yè)內人士指出，目前國內很多碳化硅廠商體量并不大，尚未實現盈利，若是大規(guī)模建廠的話，運營成本太高，對現金流的考驗非常大，工藝開發(fā)的難度和客戶認可度也是問題。因此，仍有一部分碳化硅廠商堅持采用Fabless的經營模式發(fā)展。實際上，如果能得到代工廠的支持，Fabless廠商在設計方面確實更具靈活性，在碳化硅MOS方面的研發(fā)進程也較快。同時，代工廠的資質也可以為其供應鏈可靠性背書。以芯粵能為例，其商業(yè)模式就是打造開放式Foundry平臺，面向整個的市場提供代工服務，與整個產業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。芯粵能的碳化硅芯片制造項目總投資額為75億元，建成年產24萬片6英寸和24萬片8英寸碳化硅晶圓芯片的生產能力，計劃在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產。這就需要對國內碳化硅芯片加工平臺這樣一個相對短板來進行補足，芯粵能目前正好踩在市場發(fā)展的節(jié)奏上。代工廠的出現讓國內一眾SiC參與者有了堅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，若是建廠首先得考慮建廠周期和設備交期，其次是從產線建好投產到穩(wěn)定運行也需要花費至少3年時間，還要通過車規(guī)級認證等，耗時太久，公司就有可能錯過新能源汽車市場的關鍵窗口期。這也是很多公司短期內堅持以fabless模式運營的原因所在。綜合來看，IDM和fabless各有優(yōu)勢。從產業(yè)發(fā)展角度來看，業(yè)內也一直存在著IDM和Foundry模式的討論。回顧過去的發(fā)展軌跡，可以看到國內的Foundry+Fabless模式在很多領域也能做得非常好。碳化硅也是這樣，從襯底外延材料制備，到芯片代工，再到模組生產等各個領域都不斷有企業(yè)嶄露頭角。因此，結合當前碳化硅產業(yè)的發(fā)展階段和時間窗口等因素來看，國內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用場景。2、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。因為碳化硅在生產環(huán)節(jié)存在單晶生產周期長、環(huán)境要求高、良率低等問題，碳化硅襯底的生產中的長晶環(huán)節(jié)需要在高溫、真空環(huán)境中進行，對溫場穩(wěn)定性要求高，并且其生長速度比硅材料有數量級的差異。因此，碳化硅襯底生產工藝難度大，良率不高。這直接導致了碳化硅襯底價格高、產能低的問題。
▲SiC MOSFET和IGBT價格對比（圖源：中國科學院電工研究所）
其中，襯底是碳化硅產業(yè)鏈的核心，也是未來碳化硅產業(yè)降本、大規(guī)模產業(yè)化的主要驅動力。因此，提高襯底良率和產能是SiC降本的核心。伏友文指出，為進一步提高生產效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術的重要發(fā)展方向。近年來，碳化硅襯底正不斷向大尺寸方向演進，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數量越多，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)重要的技術演化方向，在降低器件單位成本、增加產能供應方面擁有巨大的潛力。據Wolfspeed統(tǒng)計，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%。伴隨著尺寸擴張帶來的規(guī)模效應以及自動化產線帶來的相關成本的降低，Wolfspeed預計至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)推進碳化硅產品的降價，從而打開應用市場。從技術進展來看，國產碳化硅廠商基本以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紛紛邁入8英寸，并將量產節(jié)點提前到今年。前不久，英飛凌與國內廠商天岳先進和天科合達簽約，也將助力英飛凌向8英寸碳化硅晶圓過渡。國內公司總體處于向6英寸加速實現量產、8英寸布局研發(fā)的階段，并逐漸退出4英寸市場。根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業(yè)聯盟的預測，預計2020-2025年國內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，國內企業(yè)市場份額較小。國內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，晶盛機電、天岳先進、天科合達、山西爍科分別宣布掌握了8英寸碳化硅襯底制備技術，但基本都還處于驗證階段，尚未實現量產或僅小規(guī)模量產。為什么國產廠商在此發(fā)展速度較慢？“8英寸碳化硅晶圓”的實現還面臨哪些挑戰(zhàn)？伏友文對此表示，盡管當前8英寸在快速發(fā)展，但實現量產的企業(yè)還只有Wolfspeed。當前國內主要集中在4英寸至6英寸生產階段，8英寸SiC晶圓量產面臨較多的難點，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效率問題、高溫生長晶體內部應力加大導致開裂等，以及后續(xù)外延工藝、相關的設備發(fā)展等，均需要產業(yè)上下游緊密協(xié)同來攻克挑戰(zhàn)。伴隨著SiC襯底的成熟，預計成本將進一步下降，這對于整個SiC產業(yè)而言，也是發(fā)展的必然趨勢。3、國產碳化硅，上車難？降低成本也是碳化硅器件上車的關鍵。早在2018年，特斯拉率先在Model3的主驅逆變器里，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。碳化硅器件憑借體積小、性能優(yōu)越、節(jié)能性強，還順帶緩解了續(xù)航問題，一舉成為新能源車的當紅炸子雞，一眾車企后續(xù)紛紛效仿。在應用場景方面，電動汽車是碳化硅最大的下游應用市場，涉及到功率器件的應用包括電驅、OBC、DC/DC和非車載充電樁等。其中，碳化硅器件主要應用于電驅中的主逆變器，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致的能耗。
士蘭微碳化硅功率器件芯片量產線進展順利，已具備月產2000片6英寸SiC芯片的生產能力，預計到今年年底SiC芯片生產能力將提升至6000片/月；士蘭 SiC MOSFET芯片性能指標已達到國際先進水平；士蘭微用于汽車主驅的碳化硅功率模塊已向國內客戶送樣，爭取在今年年底前上車；
三安光電目前有7款產品通過車規(guī)級認證并開始逐步出貨；
泰科天潤的SiC二極管已有多年OBC應用積累，累計出貨7kk；
中電科55所SiC MOSFET已搭載到一汽紅旗等多家國內車企，裝車量達百萬輛。今年4月，中電科55所與一汽聯合研發(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、驅動IC三大產品線，并先后研發(fā)量產了一系列按車用標準設計的產品，其中多款已獲車規(guī)級認證，并批量“上車”應用；
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03.結語
三就是加快第三代半導體人才的培養(yǎng)，以碳化硅為代表的第三代半導體是一個非常新興的行業(yè)，國內外相關人才都非常稀缺，必須加快自身人才的培養(yǎng)，這也是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。
首先是“產能為王”，一定要加快產能的建設，讓碳化硅器件的產能跟上新能源市場的需求；
二是加快主驅芯片可靠性驗證工作，目前碳化硅最大的應用場景就是新能源汽車的電驅部分，而電驅對芯片的可靠性要求極高，一般對芯片的驗證周期在一年半以上，因此必須抓住時間窗口，盡快通過可靠性驗證工作；
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