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碳化硅产能需求大增,哪些厂商在发力?

近年来,随着电子材料技术的进步,宽禁半导体一直是上游企业研究的重点项目。作为最可能被广泛应用的第三代半导体材料之一,硅碳半导体材料有着无可比拟的应用前景。因为其独特的化学特性,在高频和大功率器件上,比硅器件强很多,在即将到来的5G、智能交通、新能源汽车和工业控制等市场大有可为。

在强大的市场驱动力下,碳化硅晶圆的产能似乎是被拉着走的,虽然有很多企业在快速研究碳化硅最具科学和性价比的生产方法,但是产能一直未能达到预期。目前,欧美日等企业是碳化硅产能的主要供应商,罗姆、英飞凌和科锐等均在此投入巨大的研发成本和精力。国内也有天玥等碳化硅项目,但未实现大规模量产。

英飞凌

对碳化硅的研发,全球领先的半导体公司英飞凌从未停止脚步,其拥有可靠的6英寸SiC(碳化硅)晶圆供应保障、顶尖的研发和技术团队支持,投入了三千五百万欧元用于研发和生产。英飞凌的产品线覆盖多个应用领域,如光伏、电动汽车充电、电动车辆:提高续驶里程,减少电气系统尺寸、UPS/SMPS1、牵引及电机驱动等。众所周知,在大功率半导体上,IGBT占主流。如今碳化硅一出,整个半导体产业链会产生巨大的影响吗?对于这个问题,英飞凌大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉表示,碳化硅并没有取代IGBT的迹象,但对半导体产业链已经产生了影响,碳化硅将开辟新的价值链。在量产方面,碳化硅作为一项新的技术,需要更多的产业合作,英飞凌将努力推动上下游客户的沟通,促进合作,打造行业生态圈。

目前碳化硅进入快速增长通道,在技术不甚成熟的情况下,产业链上下游的沟通更紧密。“所谓技术不成熟,就是同样的东西做出来成本很高,不成熟不代表是次品,仅意味着合格品的单价很高。如何降低单价成本呢?只有大量的投入市场被用户广泛接受,系统应用才能增量铺开生产,这就是先有鸡先有蛋的故事,我认为产业链成熟的时间很难预测。”

罗姆

作为一家全球知名电子元器件供应商,罗姆成立于1958年,由最初的主要产品电阻器开始,历经半个多世纪的发展,已成为全球知名的半导体厂商。罗姆对碳化硅产品的规划很早,对于其产品战略,罗姆半导体(深圳)技术中心经理苏勇锦先生表示:“回顾下罗姆碳化硅的历史,我们其实在2000年左右就开始作关于碳化硅的研究,2009年有了实质性进展,当时罗姆收购了SiCrystal,它是欧洲最大的一个碳化硅晶圆厂家。2010年,我们量产了碳化硅的肖特基,碳化硅的MOS产品是罗姆当时第一个全球首发的产品。2012年,罗姆全碳化硅的功率模块全球首发。2015年,罗姆的沟槽型碳化硅MOSFET全球首发。对于整个碳化硅业界来说,罗姆是引领整个碳化硅产业的发展,包括我们的技术和产品。”

碳化硅产能需求大增,哪些厂商在发力?

(图片来源于维科网)

对于碳化硅产业链而言,罗姆从晶棒到晶圆,到封测,都是罗姆一条龙的生产体系,罗姆是全球仅有的几家拥有垂直整合生产体系(一条龙生产体系)的厂家之一。罗姆碳化硅的分立器件产品阵容分为两大产品,一是肖特基二极管,另一个是MOSFET。肖特基二极管分为第二代和第三代,第二代总共650V,从6安培到40安培,1200V,5安培到40安培;第三代JBS构造的肖特基二极管,我们先做了650V的产品,从2安培到20安培,接下来会开发1200V那样的产品。MOSFET分为平面型的第二代、沟槽型第三代。第二代基本上产品会集中在1200V的耐压,包括450毫欧,最低的一个80毫欧;第三代这个产品线就比较明显,应该是在整个碳化硅市场里,产品线最全的,650V、120毫欧最低做到17毫欧,1200V、160毫欧可以做到22毫欧这样一个权威的产品阵容。

在新能源汽车上,罗姆碳化硅产品应用在三个地方,一是车载充电器,也叫OBC,一个是降压转换器,另一个是车载主机逆变器。可能前几年主要集中在OBC跟车载DCDC,近两年大家开始关注电控,这是新能源汽车的核心部分,类似于我们心脏,驱动马达来带动车子运动的系统。罗姆半导体(深圳)技术中心经理苏勇锦先生表示,整个新能源汽车市场的趋势有三点,第一是行驶里程的提高,这个最有效的方法是把电池包容量加大;第二个是缩短充电时间,这个最直接有效的方法是把充电桩功率做大,或者把OBC功率做大;第三个是更高电池电压,如现在传统国内电动汽车大概是在400V系统,欧洲推出来800V电池平台容积,提倡一个高压,把里面充电电缆和内部线材重量减轻,最终达到汽车减重,相同电池容量可以跑得更远。

碳化硅模块的产品是罗姆另一块业务,苏勇锦指出,罗姆是全球第一个做出全碳化硅功率模块的厂家,我们有三个封装类型,C型、E型、G型,它的区别是它的封装尺寸大小,越大可以放芯片越多,电流可以做更大。我们现有产品主要集中在1200V,最小的电流80安培,最大的电流600安培。罗姆拥有做芯片的实力,不只是前面分立器件,我们还会给一些模组厂提供碳化硅晶圆。晶圆的产品基本上跟我们分立器件差不多,如第二代的肖特基650V,后面加了30安培,有这样一个芯片。1200V、后面的50安培。1700V的芯片包括10安培,最大能做到50安培肖特基。MOSFET就比较多,650V的主要集中在第三代产品。罗姆的发展战略也是随着市场趋势不断调整,苏勇锦表示,罗姆战略重点市场集中在汽车电子、工控设备,重点发展海外市场。重点产品是电源相关的,如碳化硅、栅极驱动器、马达IPM、模拟IC,最后有一些标准的产品。

CREE

2019年5月8日,CREE宣布,作为公司长期增长战略的一部分,将投资10亿美元用于扩大SiC(碳化硅)产能,在公司美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造一座采用最先进技术的自动化200mm SiC(碳化硅)生产工厂和一座材料超级工厂。这项标志着公司迄今为止最大的投资,将为Wolfspeed SiC(碳化硅)和GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)业务提供动能。在2024年全部完工之后,这些工厂将极大增强公司SiC材料性能和晶圆制造产能,使得宽禁带半导体材料解决方案为汽车、通讯设施和工业市场带来巨大技术转变。Cree首席执行官Gregg Lowe先生表示:“我们不断地看到在汽车和通讯设施领域采用SiC(碳化硅)的优势来驱动创新所产生的巨大效益。但是,现有的供应却远远不能够满足我们对于SiC的需求。Cree将大幅地提升供应,帮助客户为市场提供变革性的产品和服务。这项在设备、基础设施、公司人力方面的巨大投入,将为我们显着扩大产能。能够带来SiC(碳化硅)晶圆制造产能的30倍增长和材料生产的30倍增长。我们相信这将使得我们能够满足Wolfspeed SiC(碳化硅)材料和器件在未来5年乃至更长远的预期增长。”这项计划将为业界领先的Wolfspeed SiC业务提供附加产能。通过增建现有的建筑设施,作为面积253,000平方英尺的200mm功率和RF射频晶圆制造工厂,迈出满足预期市场需求的第一步。

作为Wolfspeed功率和RF射频半导体、照明级LED、照明产品的创新者,科锐Wolfspeed产品家族包括了SiC材料、功率器件、射频器件等,广泛应用于电动汽车、快速充电、逆变器、电源、航空航天等领域。Cree首席执行官Gregg Lowe先生表示:“这些SiC(碳化硅)制造超级工厂,将加速当今最快增长市场的创新。通过提供解决方案,帮助提高EV电动汽车的行驶里程并减少充电时间,同时支持5G网络在全世界的部署。我们相信这代表着SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)技术和制造有史以来最大的资本投资。”

国内在碳化硅上起步晚,但也在进步。2019年,国内有个总投资30亿元的项目,它就是天玥碳化硅,分两期建设,一期主要生产碳化硅导电衬底,二期主要生产功能器件,预计年产值达50-60亿元。

碳化硅器件的发展难题不是设计难题,而是实现芯片结构的制作工艺,如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺的特殊要求、配套材料的耐温等。碳化硅生产的另一个问题是环保,由于碳化硅在冶炼过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体,同时粉尘颗粒如果处理不当,污染非常严重。除了产能,碳化硅品质的稳定性也是未来企业研究的一项重点课题。


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