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碳化硅再起飛,迎來“上車”好時機

2022-05-22
來源:半導體產(chǎn)業(yè)縱橫
關鍵詞: 碳化硅 芯片 半導體

4月,美國芯片制造商Wolfspeed在紐約建立了碳化硅芯片制造工廠。這是全球最大的碳化硅芯片工廠,占地面積6.3萬平方公里,投資額達10億美元。該廠將是美國首家生產(chǎn)200毫米碳化硅芯片的工廠。

據(jù)TrendForce,全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場預計2022年將達到18.4億美元,2025年會進一步增長到52.9億美元,成長非常迅猛。在今年18.4億美元的市場中,碳化硅約占16億美元,氮化鎵約占2.5億美元。

跨越46億年,碳化硅的應用之路

據(jù)說,碳化硅在天然環(huán)境下非常罕見,最早是人們在46億年前太陽系剛誕生的隕石中,發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì),所以它又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導體材料”。

1891年,美國科學家艾奇遜就在做電熔金剛石實驗時,偶然發(fā)現(xiàn)了一種碳化物,當時誤認為是金剛石的混合體,后來發(fā)現(xiàn)這種碳化物就是碳化硅。然而,對碳化硅的研究卻拖后了百年。因為碳化硅晶體生長難度很大,需要在2300℃以上進行,生長速度也比較慢,加上過程難以調(diào)控、生長多型多、切割難度大等多種問題,對其研究進展一直很緩慢。直到上世紀九十年代初,以Cree為代表的美國等發(fā)達國家的公司才在技術上有所突破。

三大優(yōu)勢助力碳化硅走向巔峰

一直以來,硅是制造半導體芯片最常用的材料,目前90%以上的半導體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因,是硅的儲備量大,成本比較低,并且制備比較簡單。然而,硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用卻受阻,且硅在高頻下的工作性能較差,不適用于高壓應用場景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足5G基站、新能源車及高鐵等新興應用對器件高功率及高頻性能的需求。

在這個背景下,碳化硅走到了聚光燈下。和傳統(tǒng)的硅相比。碳化硅的使用極限性能優(yōu)于硅,可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求,當前碳化硅已應用于射頻器件及功率器件。

碳化硅耐高壓。用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度,并大大降低器件的導通損耗。所以在實際應用過程中,與硅基相比可以設計成更小的體積,約為硅基器件的1/10。

碳化硅耐高溫。碳化硅的禁帶接近硅的3倍,可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過300℃,而碳化硅器件的極限工作溫度可以達到600℃以上。同時,碳化硅的熱導率比硅更高,高熱導率有助于碳化硅器件的散熱,在同樣的輸出功率下保持更低的溫度,碳化硅器件也因此對散熱的設計要求更低,有助于實現(xiàn)設備的小型化。

碳化硅可以實現(xiàn)高頻的性能。碳化硅的飽和電子漂移速率大,是硅的2倍,這決定了碳化硅器件可以實現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。同時碳化硅襯底材料能量損失更小。

碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小,性能越來越好,所以半導體巨頭都對它青睞有加。根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù),一款5KW的LLCDC/DC轉換器,電源控制板由碳化硅替代硅基器件后,重量從7kg減少到0.9kg,體積從8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸僅為同規(guī)格硅器件的1/10,碳化硅MOSFET系統(tǒng)能量損失小于硅基IGBT的1/4,這些優(yōu)勢也能夠為終端產(chǎn)品帶來顯著的性能提升。根據(jù)CREE的數(shù)據(jù),相同的電池下搭載了碳化硅MOSFET的電動車比使用硅基IGBT的電動車續(xù)航里程增加了5%~10%。

碳化硅迎來“上車”好時機

隨著碳化硅在新能源汽車、充電基礎設施、5G基站、工業(yè)和能源等應用領域展開,需求迎來爆發(fā)增長。從2022年的應用市場看,碳化硅半導體67%將用于汽車,26%將用于工業(yè),其余用于消費和其他領域。其中,新能源汽車是碳化硅器件應用增長最快的市場,預計2022-2026年的市場規(guī)模從16億美元到46億美元,復合增長率為30%。

以國內(nèi)為例,據(jù)國家統(tǒng)計局公布的規(guī)模以上工業(yè)生產(chǎn)月度數(shù)據(jù),今年4月,新能源汽車產(chǎn)量為33萬輛,同比增長42.2%,1-4月累計產(chǎn)量為168萬輛,同比增長112.7%。新能源汽車市場的高速增長,也讓碳化硅迎來“上車”好時機。

目前,碳化硅器件在新能源汽車上的應用主要包括電機驅動系統(tǒng)逆變器、電源轉換系統(tǒng)(車載DC/DC)、電動汽車車載充電系統(tǒng)(OBC)及非車載充電樁等方面。正如前文提到的,基于碳化硅的解決方案使汽車電動系統(tǒng)效率更高、重量更輕、結構更加緊湊,盡管碳化硅器件成本較高,但它推進了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升,降低了單車成本,無疑是新能源汽車最佳選擇。

2018年,特斯拉正式扣響了碳化硅上車的“發(fā)令槍”。特斯拉率先在Model 3電驅主逆變器上,采用了意法半導體供應的650V 碳化硅 MOSFET器件。目前已應用至特斯拉全系車型逆變器上。

2020年8月,比亞迪“漢”成為啟用碳化硅功率模塊首款車型。2020年底,比亞迪宣布自研碳化硅芯片,預計到2023年旗下電動汽車將實現(xiàn)碳化硅對硅基IGBT的全面替換。

2020年12月,博世宣布,開始量產(chǎn)車用碳化硅功率半導體,博世成為第一家自主制造生產(chǎn)碳化硅器件的汽車組件公司。根據(jù)相關報道,截止2021年,博世已在德國Reutlingen晶圓工廠增建1000平方米無塵車間,并預計2023年底新建3000平方米無塵車間,用于碳化硅半導體生產(chǎn)。目前,博世是少數(shù)可以自主生產(chǎn)碳化硅芯片的汽車零部件供應商。

2021年4月江淮汽車與博世動力總成系統(tǒng)中國區(qū)在上海簽訂了碳化硅逆變器方面的戰(zhàn)略協(xié)議。

2021年8月,吉利汽車宣布采用ROHM碳化硅器件。將利用ROHM的先進碳化硅功率解決方案,開發(fā)高效電控系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng),以延長電動汽車的續(xù)航里程,降低電池成本并縮短充電時間。

前日,蔚來為其下一代電動車選用了安森美的最新VE-TracTM Direct 碳化硅功率模塊,兩家公司的合作加快了碳化硅技術的商業(yè)化進程。

碳化硅襯底賽道

襯底的制造是產(chǎn)業(yè)鏈技術壁壘最高、價值量最大環(huán)節(jié),是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進的核心。

在全球碳化硅襯底市場,Wolfspeed和II-VI公司的市占率分別為45%和13%,在技術方面,Wolfspeed和II-VI已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸襯底。

Wolfspeed前身為CREE公司,主營業(yè)務包括LED、第三代半導體材料/器件、射頻、照明產(chǎn)品等,隨著功率半導體市場快速增長,逐步剝離其他業(yè)務,專注于碳化硅材料及器件領域,碳化硅襯底尺英寸從4英寸擴大到8英寸,2023年計劃擴產(chǎn)至約10萬片6英寸片月產(chǎn)能。2021年,公司襯底全球市占率超過60%,技術工藝領先,是碳化硅領域的標桿企業(yè)。

今年3月,II-VI宣布擴產(chǎn),“Easton工廠將在未來五年內(nèi)將II-VI的碳化硅襯底產(chǎn)量至少增加6倍,它還將成為II-VI的200 毫米碳化硅外延片旗艦制造中心,其中之一世界上最大的,”II-VI執(zhí)行副總裁Sohail Khan表示。

中國本土企業(yè)碳化硅襯底總體市占率在10%左右,中國企業(yè)主要集中在4英寸和6英寸,雖然起步較晚,研發(fā)進度稍慢,但也都在積極布局,與行業(yè)龍頭差距正在逐漸縮小。“產(chǎn)學研用”為國內(nèi)碳化硅襯底發(fā)展的重要推進動力。國內(nèi)高校和科研單位對碳化硅單晶的研究始發(fā)于2000年前后,主要包括中科院物理所、山東大學、上海硅酸鹽所、中電集團46所、西安理工大學、西安電子科技大學等。孕育出天科合達、天岳先進等國內(nèi)碳化硅襯底領先企業(yè)。

天科合達的全資子公司新疆天科合達藍光半導體有限公司的碳化硅襯底項目二期預計將于今年6月竣工達產(chǎn)。預計建成后安裝100臺套單晶生產(chǎn)設備,可達到年產(chǎn)單晶襯底1500錠、單晶原料50噸的規(guī)模,年度產(chǎn)值可達6500余萬元。

天岳先進成立于2010年11月,2022年1月12日在上海證券交易所科創(chuàng)板發(fā)行上市,成為國內(nèi)“碳化硅第一股”。天岳先進位于上海臨港的上海天岳碳化硅半導體材料項目已被納入國家布局,且被上海市政府列為2021年、2022年上海市重大建設項目。該項目主要用于生產(chǎn)6英英寸導電型碳化硅襯底材料,滿足下游電動汽車、新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、儲能、開關電源等碳化硅電力電子器件應用領域的廣泛需求。目前,該項目已經(jīng)成功封頂,預計今年三季度全部達產(chǎn)后將新增碳化硅襯底產(chǎn)能約30萬片/年,為天岳先進營收的持續(xù)增長和未來的長期發(fā)展增添新的動能。

露笑科技也持續(xù)加大研發(fā)投入,增強技術創(chuàng)新能力,2021年度研發(fā)費用為8088.92萬元,同比增長85.17%。截至2021年12月,公司已完成襯底片加工車間建設并投入使用,現(xiàn)已具備年產(chǎn)10萬片的產(chǎn)能規(guī)模,實現(xiàn)了6英寸襯底片的銷售,正處于產(chǎn)能爬坡上升期。2021年11月23日,公司披露定增預案,擬募集資金不超過29.4億元,用于第三代功率半導體(碳化硅)產(chǎn)業(yè)園項目、大尺英寸碳化硅襯底片研發(fā)中心項目等。項目完成后,將在安徽省合肥市長豐縣形成年產(chǎn)24萬片6英英寸導電型碳化硅襯底片的生產(chǎn)能力。

碳化硅對產(chǎn)業(yè)有著全方位的帶動,對所有重視半導體產(chǎn)業(yè)的國家意義非凡。在新能源車等新增下游需求的帶動下,碳化硅材料及相關器件需求有望迎來爆發(fā)式增長。




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