碳化硅芯片供需失衡

碳化硅襯底的緊缺，將使碳化硅芯片的供需失衡成為長期現(xiàn)象。

電動(dòng)汽車是碳化硅的最主要應(yīng)用之一。根據(jù) Yole 的統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)超過 70% 的收入（相當(dāng)于 47 億美元）將來自 EV/混合動(dòng)力汽車市場。隨著電動(dòng)汽車的快速崛起，對SiC芯片的需求與日俱增。為保證可靠供貨，一家代工廠簽約多家SiC芯片廠商已是業(yè)內(nèi)普遍現(xiàn)象。未來幾年，SiC芯片供不應(yīng)求將成為常態(tài)。

襯底作為SiC芯片發(fā)展的關(guān)鍵，占據(jù)著重要的地位。SiC襯底不僅在功率器件成本中所占比例很高，而且與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。如果說前幾年很多SiC器件廠商都是靠綁定Wolfspeed來保證SiC襯底的產(chǎn)能，那么現(xiàn)在一切都變了。全球領(lǐng)先的SiC器件供應(yīng)商如Rohm、ON Semiconductor、STMicroelectronics等相繼收購?fù)顿Y了不同的優(yōu)質(zhì)SiC襯底供應(yīng)商，并開始建立內(nèi)部襯底供應(yīng)，從SiC襯底到設(shè)備制造的垂直整合。

不過，全球第一家發(fā)明商用SiC器件的廠商英飛凌，自家襯底供應(yīng)依然不足。對于英飛凌來說，作為世界第一的硅基功率半導(dǎo)體制造商，自然希望將自己在硅基領(lǐng)域的優(yōu)勢延伸到化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，而且基礎(chǔ)材料的短缺確實(shí)是英飛凌的隱患之一。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，英飛凌2021年?duì)I收在全球SiC市場位居第二，在SiC這個(gè)發(fā)展?jié)摿薮?、波濤洶涌的市場，英飛凌似乎越來越?jīng)]有把握。

SiC廠商逐步完成襯底布局

全球領(lǐng)先的SiC器件供應(yīng)商ST、英飛凌、Wolfspeed、ON Semiconductor、Rohm等基本上都有自己相對穩(wěn)定的襯底供應(yīng)渠道。

Rohm于2009年收購了德國SiC襯底和外延片供應(yīng)商SiCrystal。SiCrystal是一家總部位于德國紐倫堡的SiC晶圓制造商。羅姆從2010年開始在全球率先量產(chǎn)SiC MOSFET，至此，羅姆已經(jīng)推出了第四代SiC MOSFET。將本產(chǎn)品用于車載逆變器時(shí)，與使用IGBT相比，功耗可降低6%。對延長電動(dòng)車的續(xù)航里程很有幫助。雖然公司規(guī)模不是很大，但SiCrystal的關(guān)鍵技術(shù)已作為SiC功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于全球電動(dòng)汽車，公司已成為SiC晶圓市場的領(lǐng)先企業(yè)之一。

自2019年收購瑞典SiC襯底供應(yīng)商N(yùn)orstel以來，該公司一直在考慮IDM模式。但Norstel在瑞典的產(chǎn)能有限，ST不得不依賴與Wolfspeed的長期SiC晶圓供應(yīng)協(xié)議，為ST供應(yīng)150mm SiC裸晶圓和外延晶圓。因此，2022年10月，ST宣布將在意大利建立一個(gè)集成的SiC襯底制造工廠，該工廠將與意法半導(dǎo)體位于意大利卡塔尼亞的工廠現(xiàn)有的SiC器件制造工廠一起建設(shè)。生產(chǎn)150mm SiC外延基板的工廠。據(jù) Yole Intelligence 化合物半導(dǎo)體和新興基板團(tuán)隊(duì)的首席分析師 Ezgi Dogmus 稱，這使 ST 到 2024 年能夠達(dá)到 40% 的內(nèi)部基板采購。

2022年12月初，ST宣布與Soitec合作開發(fā)SiC襯底制造技術(shù)，并在其未來200mm襯底制造中采用Soitec的SmartSiC技術(shù)為其器件和模塊制造業(yè)務(wù)提供支持，并有望實(shí)現(xiàn)中期量產(chǎn)。ST還暗示在不久的將來開發(fā)200mm SiC晶圓。

2021年11月1日，安森美半導(dǎo)體收購SiC襯底供應(yīng)商GT Advanced Technologies（“GTAT”），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合，確保產(chǎn)能和品質(zhì)的穩(wěn)定性。安森美半導(dǎo)體是目前為數(shù)不多的能夠提供從襯底到模塊的端到端 SiC 解決方案的供應(yīng)商之一。此外，為滿足市場對SiC需求的加速增長，安森美半導(dǎo)體仍在大力投資擴(kuò)產(chǎn)：2022年8月11日，安森美半導(dǎo)體位于新罕布什爾州哈德遜的SiC工廠竣工。建成后，碳化硅（SiC）產(chǎn)能將同比增長5倍；2022 年 9 月，安森美半導(dǎo)體將在捷克共和國羅茲諾夫完成其擴(kuò)建的碳化硅 （SiC） 工廠。

這些廠商雖然通過收購建立了自己的襯底供應(yīng)，但產(chǎn)能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，因此仍與全球最大的SiC襯底和外延片供應(yīng)商Wolfspeed綁定。Wolfspeed約占全球總量的60%。SiC 晶圓產(chǎn)能的百分比。2022年，Wolfspeed全球首家8英寸SiC工廠啟動(dòng)，小規(guī)模試產(chǎn)正在進(jìn)行中。預(yù)計(jì)在今年上半年完成初始認(rèn)證并開始供貨，這也向行業(yè)發(fā)出了一個(gè)積極的信號。

2022 年 10 月，Wolfspeed 宣布了一項(xiàng)耗資 65 億美元的多年產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，其中包括在公司最先進(jìn)的 200 毫米莫霍克谷工廠以及北卡羅來納州 445 平方英尺的工廠安裝額外設(shè)備。一畝碳化硅材料廠的建設(shè)將使公司現(xiàn)有材料產(chǎn)能擴(kuò)大10倍以上。第一階段的建設(shè)計(jì)劃于公司 2024 財(cái)年末完成。博格華納向 Wolfspeed 投資 5 億美元，以確保高達(dá) 6.5 億美元的碳化硅器件年產(chǎn)能供應(yīng)。

不過近年來，Wolfspeed也開始向SiC器件如SiC MOSFET、SiC二極管、SiC模塊等領(lǐng)域延伸。根據(jù)Wolfspeed發(fā)布的消息，未來包括奔馳、捷豹路虎在內(nèi)的電動(dòng)汽車都將采用Wolfspeed的SiC器件提供動(dòng)力。

對于這種競爭與合作的關(guān)系，Wolfspeed CEO Gregg Lowe此前表示，公司將以同樣的優(yōu)先級支持這兩種不同的商業(yè)模式。他認(rèn)為，未來10年，Wolfspeed仍將與這些半導(dǎo)體客戶和競爭對手保持良性的競爭關(guān)系。

Wolfspeed 需要合作伙伴幫助功率半導(dǎo)體行業(yè)從硅器件向碳化硅器件轉(zhuǎn)型。

誠然，對于碳化硅這樣性能優(yōu)異、產(chǎn)業(yè)急需、但挑戰(zhàn)重重的材料，在競爭中合作、在合作中共贏是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要手段。

綜上所述，可以看出在SiC襯底方面，ON Semiconductor有GTAT，ST有Norstel，Rohm有SiCrystal，Wolfspeed自己生產(chǎn)SiC襯底。為什么SiC領(lǐng)域會出現(xiàn)這樣的發(fā)展趨勢？北京市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副秘書長朱晶表示：“之所以出現(xiàn)這種趨勢，主要是因?yàn)樘蓟韫┬铇O度失衡，碳化硅襯底的需求量非常大，被業(yè)界認(rèn)為產(chǎn)業(yè)成為長期持續(xù)的趨勢，SiC襯底的產(chǎn)能因良率問題無法滿足快速增長的需求，導(dǎo)致器件廠商“囤貨”的沖動(dòng)。

沒有SiC襯底的英飛凌簽訂合同保證供貨

在頂級SiC廠商中，英飛凌沒有SiC襯底。事實(shí)上，英飛凌也有意收購SiC襯底廠商。2016年7月，英飛凌曾計(jì)劃以收購SiC的方式現(xiàn)金收購Cree的Wolfspeed Power和RF業(yè)務(wù)部門。但由于美國政府的反對，收購未能進(jìn)行。

在朱晶看來，雖然“不站隊(duì)”的SiC襯底廠商不多，但他們?nèi)钥春糜w凌未來投資或收購一家SiC襯底廠商。畢竟英飛凌收購了Siltectra，而Cold Spilled可以提高SiC晶圓劃片的良品率，擁有可控的基板廠商也可以最大限度發(fā)揮Cold Spilled技術(shù)的優(yōu)勢。

2018年，英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的尖端公司Siltectra，從而獲得了Siltectra的冷分割技術(shù)（Cold Spilt）。這也是英飛凌在基板領(lǐng)域的重點(diǎn)布局，因?yàn)樵诨寮庸きh(huán)節(jié)，切割可以說是整個(gè)產(chǎn)能中最大的瓶頸?，F(xiàn)有的SiC晶圓切片方法大多采用金剛石線鋸。但由于碳化硅硬度高，加工時(shí)間長，批量生產(chǎn)硅片需要大量的金剛石線鋸。然而，在切片過程中會損失大量材料，從而導(dǎo)致從單個(gè)晶錠中生產(chǎn)的晶圓數(shù)量很少。切片是SiC功率器件成本增加的主要因素。

SILTECTRA 碳化硅晶圓分裂工藝

據(jù)悉，英飛凌收購的Siltectra冷劈裂技術(shù)可將SiC晶圓良品率提升90%。在同樣的碳化硅錠的情況下，可以提供三倍的材料，生產(chǎn)出更多的器件。最終 SiC 器件的成本可降低 20-30%。

但即使有了切割技術(shù)，如果沒有基板產(chǎn)能的保證，就等同于無米之炊。于是無奈的英飛凌幾乎簽下了全球主要的SiC襯底供應(yīng)商：

2023 年 1 月 12 日，英飛凌與 Resonac Corporation（前身為昭和電工株式會社）簽署了一項(xiàng)新的多年供貨與合作協(xié)議。新合同將深化雙方在 SiC 材料領(lǐng)域的長期合作伙伴關(guān)系。根據(jù)協(xié)議，Resonac 將為英飛凌提供用于生產(chǎn) SiC 半導(dǎo)體的 SiC 材料，覆蓋未來十年預(yù)測需求的兩位數(shù)份額。初期主要以6英寸晶圓為主，但兩家公司將繼續(xù)向8英寸晶圓直徑過渡。

2022年8月23日，II-VI與英飛凌簽署多年合同，為英飛凌提供用于電力電子的6英寸SiC基板，II-VI與英飛凌也計(jì)劃合作至8英寸SiC基板。

2020年11月9日，英飛凌與GTAT簽署碳化硅（SiC）晶錠供應(yīng)協(xié)議，初步期限為五年。

2018年2月26日，Cree（現(xiàn)更名為Wolfspeed）宣布與英飛凌簽署長期碳化硅晶圓供應(yīng)協(xié)議，約定Cree將向英飛凌供應(yīng)先進(jìn)的150mm SiC晶圓。

此外，據(jù)稱英飛凌還在加緊驗(yàn)證其他幾家襯底供應(yīng)商的產(chǎn)品，其中國內(nèi)廠商的襯底和外延片樣品已經(jīng)送出。

英飛凌目前正在積極擴(kuò)大其 SiC 制造能力，預(yù)計(jì)到 2027 年將增加 10 倍，目標(biāo)是到 2027 年底達(dá)到 30% 的市場份額。英飛凌最近還出售了其 HiRel DC-DC 轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)，加大了對高可靠性市場核心半導(dǎo)體開發(fā)的關(guān)注和投資。

垂直整合是目前SiC行業(yè)的主導(dǎo)趨勢。四年前，提到SiC襯底供應(yīng)商，可能首先想到的是Wolfspeed。隨著SiC器件廠商不斷兼并整合一些小型襯底廠商，SiC襯底供應(yīng)商的數(shù)量已經(jīng)增加到至少8家，晶圓也從之前的3000美元跌至1000美元。隨著SiC襯底的產(chǎn)能建設(shè)和生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，SiC的成本進(jìn)一步降低。

“現(xiàn)在SiC襯底廠商都在做器件，器件廠商也在通過收購或者投資的方式加強(qiáng)對襯底產(chǎn)能的控制。與此同時(shí)，一家器件廠商可能庫存多家SiC襯底廠商的現(xiàn)象也越來越多?！倍际且?yàn)閷iC市場爆發(fā)式增長的強(qiáng)烈預(yù)期，以及目前SiC產(chǎn)能無法快速增長的預(yù)期，國外廠商從襯底到器件全產(chǎn)業(yè)鏈的IDM模式，將促進(jìn)SiC產(chǎn)能的快速增長。國外碳化硅產(chǎn)品搶占市場?！敝炀дf道。

但此舉將不利于國內(nèi)SiC器件廠商與國外的競爭。同時(shí)，由于國外襯底產(chǎn)能已經(jīng)以長約形式承包給英飛凌等企業(yè)，對中國眾多依賴海外襯底的SiC器件廠商將產(chǎn)生負(fù)面影響。到喪失抵押品贖回權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)。朱晶提到，建議中國SiC器件和襯底廠商加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作，降低對海外襯底的依賴。滿足國內(nèi)各市場對SiC的旺盛需求。

審核編輯 ：李倩