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【芯视野】规模化上车机遇不等人 SiC衬底的8英寸晋级之路

来源:爱集微

#芯视野#

#SiC#

05-31 07:19

(爱集微报道)距离SiC规模化上车的时间点已经越来越近,有越来越多的车企开始推出搭载800V高压平台的车型,而SiC正是适配这种电气架构的不二之选。不过,市场的需求与SiC产业现有生产能力之间存在着不小的差距,对整个产业链特别是最上游衬底生产环节的革新因此迫在眉睫。

2022年4月,半导体厂商WolfSpeed在纽约州莫霍克谷启动了8英寸SiC晶圆厂。这座花费10亿美元的工厂成为当今唯一的8英寸SiC晶圆厂,预期将在明年上半年贡献营收。而在更早的时候,日本的昭和电工、Mipox、中央玻璃株式会社共同发起了8英寸SiC衬底项目,总预算约为258亿日元(约14亿元人民币)。此外,还有不少企业也在2022年加入了8英寸SiC衬底开发的行列。种种迹象,无不预示着SiC衬底开启了新一轮技术升级的序幕。

衬底争夺战

在SiC器件的平均成本中,SiC衬底的占比为46%。作为整个产业链中技术壁垒最高的环节,无论是今后的降低成本还是大规模产业化推进,SiC衬底的核心作用都无可替代

由于电动汽车渗透率不断增高,以及整车电气架构向800V高压方向演进,对SiC器件的需求不断增加,推升了对SiC衬底产能的需求。据TrendForce研究,到2025年仅全球电动汽车市场对SiC晶圆的需求就将达到169万片,远超当前预期。

为了获得稳定的衬底供应,SiC器件供应商纷纷通过签订长期供货协议来加强与衬底供应商的合作。比如,WolfSpeed与ST签订了超过5亿美元的长期供货协议,与Infineon签订了超过1亿美元的供货协议,与OnSemi的协议为8500万美元。Rohm也与ST宣布达成超1.2亿美元的长期供货协议,由Rohm旗下的SiCrystal向ST供应6英寸碳化硅衬底。据Yole Development统计,2019~2020年企业间达成的碳化硅衬底长期供应协议价值超过9亿美元。

以并购的方式向上游拓展是SiC器件供应商采取的更为直接的做法。这样,厂商不但能扩大器件的产能还可取得最稳定的衬底供应。同时,SiC衬底、器件更依赖工艺经验的积累和长时间的投入,上下游整合有助于快速反馈生产过程中的问题,并迅速进行产线调整,因此垂直一体化的模式更为高效。

2019年12月,意法半导体以1.375亿美元现金完成收购瑞典SiC衬底和外延片制造商Norstel AB。Norstel生产6英英寸的SiC衬底和外延片,拥有28年的积累,已经形成了设计、制造、运营等一体化的技术体系。

2021年11月1日,安森美宣布以4.15亿美元对SiC生产商GTAT的收购。通过收购 GTAT,安森美将能够涵盖从SiC衬底到封装的所有领域。预计到2022年底,其SiC收入的大部分将来自 GTAT。

在此之前,罗姆公司于2009年收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal,由此跃居全球SiC衬底的主要供应商。

由于SiC衬底是产业链中最重要的战略资源,能自主掌控SiC衬底的生产就成为各大厂商的首要目标。

逐鹿8英寸市场

电动汽车市场的爆发,拉动了对SiC材料的需求,但全球主流SiC衬底尺寸只有6英寸,每片晶圆能制造的晶片数量较少,难以应对挑战。

为增加产能供给,也为进一步降低SiC器件的平均成本,扩大SiC衬底尺寸就是主要途径。为此,业界将目标锁定在8英寸SiC衬底上。

在半导体制造行业中,晶圆面积增加的益处是非常明显的。Wolfspeed表示,虽然在SiC晶圆加工成本上8英寸暂时超过6英寸,8英寸晶圆得到的优良die数量增加20-30%,最终会降低器件成本ST也表示,对比6英寸晶圆,8英寸晶圆用于芯片制造的面积扩大80%左右,合格芯片产量则增加80-90%。

8英寸晶圆的引入还会带来其他方面的优势。比如,为了实现更好的几何尺寸,晶圆厚度一般会随着晶圆直径的增加而增加。6英寸SiC衬底厚度为350微米,最初的8英寸衬底厚度为500微米,增加的厚度有助于确保良好的晶圆几何形状,同时最大限度地减少了边缘翘曲,也即提升了晶圆生产的良率。

当然,8英寸衬底还能为厂商带来更高的利润。目前,6英寸SiC晶圆零售价为750-900美元,而8英寸晶圆预计价格为1300-1800美元。

为了能在产业竞争中快人一步,厂商们已经在不遗余力地投入8英寸SiC衬底开发生产中。业界领头羊Wolfspeed的新工厂正处在试产阶段,如果一切进展顺利,将在2024财年达到8英寸SiC衬底周产能3千3百片的水平。

II-VI也将在美国伊斯顿建设近30万平方英尺的工厂,以扩大其6英寸和8英寸SiC衬底和外延片的生产能力。到2027年,预计该工厂6英寸和8英寸SiC衬底的产量将达到约合每年100万6英寸衬底的水平。

Rohm虽然没有公布8英寸衬底的具体生产规划,但其计划在2025年将总产能扩大5倍以上,总投资为500亿日元。

ST在2021年推出了首批8英寸SiC晶圆后,宣布将斥资数亿欧元,在意大利的卡塔尼亚建立新基地生产8英寸衬底,实现2024年40% SiC衬底的自主供应。

英飞凌也计划在2023年左右开始量产8英寸衬底,以2025年为目标,实现8英寸SiC器件的量产。

不过,即便厂商们动作频频,8英寸衬底的时代还未真正到来。“目前真正量产的只有Wolfspeed一家,也有一些厂商推出过8英寸样品,但并未实现量产。”爱集微高级分析师朱航欧表示。

这与SiC的制备有很大关系。与Si材料相比,SiC衬底的制造挑战更高。一方面,SiC生长条件苛刻,需要在高温下进行,对设备和工艺控制带来了极高的要求;另一方面,SiC生长速度慢,使用PVT法生长的SiC,7天才能生长2cm左右。除去这些,当尺寸扩展到8英寸之后,衬底的生长难度又会成倍增长,还需要克服氧化工艺、气流、温场等多方面挑战。

朱航欧认为,为了把衬底做的更大质量更好,业界已经有了一些新的技术路线,但不管是新技术还是老技术,8英寸SiC衬底完全成熟可能还需要2-3年左右的时间。

6英寸不会缺席

8英寸SiC已至,但6英寸SiC并非处在一个尴尬的境地。一位资深投资人对爱集微表示:“长期来看,8英寸取代6英寸是必然趋势,但短期内两者还会并存,因为8英寸的产能还在起步阶段。”

绝大多数用于功率半导体器件的SiC 衬底都为6英寸。虽然像Wolfspeed这样的头部厂商在8英寸SiC衬底的开发方面取得重大的突破,但是8英寸衬底短期内很难取得压倒性优势,提高良率和升级生产线还需要较长的周期。

按照业内的观点,除少数几个顶级厂商之外,能做到量产6英寸衬底的厂商并不多,因此5年之内6英寸SiC衬底依然会扮演主流角色。

同时,SiC的市场需求释放也是个渐进的过程。Si基MOSFET、IGBT仍在在汽车中应用中处于主导地位,SiC产品要实现全面替代,必须要实现比Si产品更高的性价比。从这个角度来看,6英寸SiC衬底的生产仍有很大的优化空间,这也是为什么很多生产厂商仍将6英寸SiC作为发展重点的原因。比如,环球晶在2021年底时表示,由于客户需求强劲,会将6英寸SiC衬底的月产能扩增至5000片,也有机会进一步提升至8000片。

要注意的是,SiC衬底有两种类型:半绝缘型和导电型。导电型SiC衬底主要应用于新能源汽车、光伏、智能电网中,而半绝缘型主要用于制造GaN微波射频器件,是无线通讯领域的基础性零部件。

据Yole Development报告,2020年,4英寸半绝缘衬底的市场保持在4万片,而6英寸半绝缘SiC的市场提升至4-5万片;到2025-2030年,4英寸衬底才会逐渐退出市场,而6英寸衬底将增长至20万片。所以,即便最终退出电动汽车市场,6英寸衬底仍有很大的成长空间。

朱航欧也认为6英寸和8英寸衬底将继续并存,“4英寸衬底至今也没有完全失去市场空间由于目前对成本的挤压没有那么大而且半绝缘衬底大部分也集中在4英寸,因此未来可能导电性衬底往8英寸发展,半绝缘衬底6英寸成为主流。

在国内市场,6英寸也正在成为市场主力。根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的预测,预计2020-2025年国内市场的需求,4英寸逐步从10万片市场减少到5万片,6英寸将从8万片增长到20万片2025~2030 年之间,4英寸将逐渐退出市场,6英寸将增长至40万片。

由于与国际大厂还存在着技术差距,国内企业现阶段的主要目标还是6英寸衬底。山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能、露笑科技等厂商已完成6英寸衬底的研发,一批6英寸衬底产线也在陆续启动之中。

此外,各地方政府也将SiC定为未来发展重点。比如,湖南省人民政府出台的十四五规划指出,要推进半导体关键核心成套设备研发和产业化,加快6英英寸SiC材料及芯片、中低压功率半导体等产业化发展,建成全国最大SiC全产业链生产基地,创建国家级半导体装备制造区域中心。

综合国内外的产业状况可以看出,无论8英寸未来怎样辉煌,6英寸衬底仍有很强的生命力,很长时间内将是从市场中的常客


责编: 张轶群

李晓延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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