黑碳化硅 碳化硅“風(fēng)起”：海外巨頭忙擴(kuò)產(chǎn)能、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈急

中國新能源汽車需求旺盛，帶動(dòng)了國產(chǎn)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展黑碳化硅，能效更高的碳化硅功率器件供不應(yīng)求。瞅準(zhǔn)未來兩三年短缺的“窗口期”，國內(nèi)碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)，尤其是8英寸碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，駛?cè)肓税l(fā)展快車道。

第一財(cái)經(jīng)記者從第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會(huì)上獲悉，國內(nèi)已有約10家企業(yè)在8英寸碳化硅襯底領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，有4-5家制出樣品、小規(guī)模出貨，如天科合達(dá)等。與此同時(shí)，8英寸碳化硅的上游原材料和生產(chǎn)設(shè)備等環(huán)節(jié)，也在逐步推進(jìn)國產(chǎn)化。而海外大廠也在通過整合補(bǔ)全短板，啟動(dòng)一系列產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃。

但蜂擁而至的游戲玩家也讓碳化硅賽道變得擁擠不堪。廣東芯聚能半導(dǎo)體CEO周曉陽也在芯謀研究承辦的中國·南沙國際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇上表示，雖然前景非常廣闊，但是碳化硅產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)的時(shí)間窗口幾近關(guān)閉。

“在芯片制造、封測、外延等每個(gè)環(huán)節(jié)中，最多能好好活3-5家企業(yè)。這是當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。”周曉陽說。

海外大廠紛紛擴(kuò)產(chǎn)8英寸碳化硅

相比于傳統(tǒng)的硅基功率器件，碳化硅功率器件由于耐高溫（工作溫度可達(dá)600°C）、耐高壓、耐高頻、體積更小、能效更高的優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車的電源控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車載空調(diào)等零部件中，應(yīng)用潛力廣闊。

集邦咨詢（TrendForce）分析師龔瑞驕表示，這幾年電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能設(shè)施快速發(fā)展，導(dǎo)致碳化硅供不應(yīng)求。在下游應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，碳化硅功率元件市場規(guī)模將從2022年的16.1億美元成長到2026年的53.3億美元，復(fù)合增長率達(dá)到35%。其中，車用碳化硅功率元件市場將從2022年的10.9億美元成長到2026年的39.8億美元，復(fù)合增長率達(dá)到38%。

市場對碳化硅晶圓尺寸的進(jìn)一步追求，究其本質(zhì)，還是苦于碳化硅器件成本高昂、供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。從產(chǎn)品使用效率上看，目前6英寸和8英寸的可用面積大約相差1.78倍，換言之，8英寸制造將會(huì)在很大程度上降低碳化硅的應(yīng)用成本。

龔瑞驕預(yù)測，6英寸碳化硅襯底產(chǎn)能將從2022年的107萬片成長到2026年的569萬片。同時(shí)，8英寸產(chǎn)品也在進(jìn)入市場，目前市占率還不到2%，2026年的市場份額將會(huì)成長到15%左右。盡管6英寸目前仍是市場的主流工藝、占據(jù)80%份額，2025年份額將提升到90%，但是2026年后將會(huì)受到8英寸晶圓的擠壓。

為了滿足需求，國際上主要的碳化硅芯片供應(yīng)商都積極擴(kuò)產(chǎn)，尤其在8英寸碳化硅領(lǐng)域。目前，Wolfspeed（原Cree公司）在美國的8英寸晶圓工廠今年一季度出貨了第一批產(chǎn)品，先行用于工業(yè)市場。

意法半導(dǎo)體（ST）的碳化硅業(yè)務(wù)去年?duì)I收約7億美元，今年目標(biāo)是突破10億美元。ST去年計(jì)劃投資7.3億歐元，在意大利建設(shè)8英寸碳化硅的生產(chǎn)設(shè)施。ST今年6月7日宣布與三安光電在重慶合資設(shè)立一座8英寸碳化硅晶圓制造廠，此外三安光電還將在重慶建一座8英寸碳化硅襯底工廠做配套材料。ST將會(huì)結(jié)合三安光電的配套材料工廠，以及其位于深圳的封測廠，在中國形成垂直整合的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，以更好地服務(wù)中國的汽車和工業(yè)市場客戶。

英飛凌去年也投下20億歐元，在馬來西亞擴(kuò)展寬禁帶半導(dǎo)體的產(chǎn)能，包括碳化硅和氮化鎵。英飛凌的碳化硅產(chǎn)品在工業(yè)市場有不錯(cuò)的表現(xiàn)，近年也在不斷地拓展汽車市場的客戶，去年年底宣布與荷蘭汽車制造商Stellantis簽訂長期供應(yīng)碳化硅裸片的協(xié)議。

龔瑞驕說，除了Wolfspeed、ST、英飛凌，規(guī)劃8英寸碳化硅晶圓生產(chǎn)設(shè)施的廠商還包括安森美、三菱、ROHM等，博世也在今年收購了美國的一家半導(dǎo)體廠商TSI，這家廠商也在美國有一座8英寸的晶圓廠，博世計(jì)劃未來投資14億歐元將這座晶圓廠改建成碳化硅產(chǎn)線。

國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈急起直追

中國是全球最大的新能源汽車市場，國家政策也鼓勵(lì)發(fā)展碳化硅，全球碳化硅市場供不應(yīng)求、中國新能源車市場需求旺盛、加上鼓勵(lì)政策，使中國碳化硅產(chǎn)業(yè)近年也快速發(fā)展。

2022年中國的新能源汽車銷量達(dá)688.7萬輛，同比增長了95.6%。2025年全球新能源汽車銷量預(yù)計(jì)可達(dá)2530萬輛，其中中國的銷量將占一半多，預(yù)計(jì)將達(dá)1300萬輛，碳化硅功率器件在新能源汽車?yán)锏臐B透率將大幅提升。

“我們將抓住2024年、2025年汽車業(yè)結(jié)構(gòu)性缺芯的機(jī)會(huì)，加快讓國產(chǎn)碳化硅‘上車’”。三安光電相關(guān)人士今年4月曾向第一財(cái)經(jīng)記者表示，三安用于主驅(qū)的碳化硅功率器件有望2023年四季度上車。湖南三安半導(dǎo)體有限責(zé)任公司（下稱湖南三安）投資160億元的長沙碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈工廠，二期工程預(yù)計(jì)2023年完工，達(dá)產(chǎn)后產(chǎn)能50萬片6英寸碳化硅晶圓。

與意法半導(dǎo)體（ST）合作，讓三安在8英寸碳化硅晶圓上有了新突破。雙方將在重慶設(shè)立合資公司-三安意法半導(dǎo)體（重慶）有限公司（暫定名），預(yù)計(jì)投入總金額為32億美元。合資公司注冊資本為6.12億美元，湖南三安、ST分別持股51%和49%，2025年逐步投產(chǎn)，規(guī)劃2028年達(dá)產(chǎn)后生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓10000片/周。湖南三安還將在重慶設(shè)立全資子公司，生產(chǎn)碳化硅襯底，規(guī)劃生產(chǎn)8英寸碳化硅襯底48萬片/年，并向合資公司供應(yīng)襯底。

天科合達(dá)2022年也發(fā)布了8英寸碳化硅襯底。天科合達(dá)研發(fā)總監(jiān)婁艷芳6月15日在第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會(huì)上表示，該公司8英寸碳化硅襯底目前已實(shí)現(xiàn)小批量供貨。國內(nèi)已有約10家企業(yè)在8英寸碳化硅襯底領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。襯底約占碳化硅功率器件產(chǎn)品制作成本的50%左右，已成為碳化硅領(lǐng)域的“兵家必爭之地”。

“我們今年初在北京啟動(dòng)了6、8英寸兼容的碳化硅晶圓線?！碧┛铺鞚檻?yīng)用測試中心總監(jiān)高遠(yuǎn)透露，現(xiàn)在國內(nèi)已投產(chǎn)和再建設(shè)的基本上都是6英寸產(chǎn)線，未來SiC轉(zhuǎn)向8英寸后，這些產(chǎn)線將不具備成本優(yōu)勢，面臨追加投資跟進(jìn)8英寸的問題。而國內(nèi)何時(shí)量產(chǎn)8英寸晶圓，取決于國內(nèi)上游材料廠商何時(shí)能批量穩(wěn)定供應(yīng)8英寸襯底和外延，故泰科天潤在提前布局8英寸技術(shù)、保障技術(shù)領(lǐng)先的同時(shí)，選擇向下兼容6英寸晶圓制造。根據(jù)預(yù)測，到2027年左右，SiCMOSFET的價(jià)格將下降至Si器件的2.5倍左右，將在許多領(lǐng)域占領(lǐng)更多的市場份額。

8英寸襯底具有更高的芯片利用面積和更低的成本優(yōu)勢，將改變市場格局。爍科晶體總經(jīng)理助理馬康夫認(rèn)為，目前國內(nèi)外廠商均在積極布局，國內(nèi)方面，未來有望在產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深度協(xié)同合作下，加速碳化硅原材料的國產(chǎn)替代進(jìn)程。爍科晶體研制了8英寸SiC單晶襯底，產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)和銷售。

國產(chǎn)設(shè)備也在突進(jìn)。據(jù)納設(shè)智能CEO陳炳安介紹，碳化硅外延生產(chǎn)成本約占碳化硅器件總體成本的23%?，F(xiàn)階段，碳化硅外延的制備方法主要以化學(xué)氣相沉積（CVD）為主，納設(shè)智能開發(fā)了自主創(chuàng)新的碳化硅外延CVD設(shè)備，該設(shè)備的耗材成本、維護(hù)頻率都較低。截至目前，納設(shè)智能已與超過10個(gè)客戶簽署銷售合同，獲得超過150臺(tái)訂單，近日也交付國內(nèi)首臺(tái)8、6英寸兼容設(shè)備。“預(yù)計(jì)2025年，8英寸的市場可能會(huì)起來，我們也將會(huì)做更多的創(chuàng)新迭代，不斷提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性?！?/p>

融資壁壘不高但導(dǎo)入窗口期有限

據(jù)第三代半導(dǎo)體聯(lián)盟的調(diào)研，國內(nèi)碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前還處于發(fā)展初期，年產(chǎn)值還很小、約100億元人民幣，但是增長很快，增速接近50%。主要應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車占65%，其它還有光伏、儲(chǔ)能、消費(fèi)類。工業(yè)、商業(yè)的應(yīng)用未來幾年也可能會(huì)大幅擴(kuò)展。

在不少半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)看來，碳化硅襯底材料等環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)獲得投資的門檻其實(shí)并不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，今年以來，碳化硅領(lǐng)域已發(fā)生超15起融資事件，2023年5月以來，先后有粵海金半導(dǎo)體、希科半導(dǎo)體、瀚薪科技、長飛先進(jìn)等完成融資。其中，粵海金半導(dǎo)體和?？瓢雽?dǎo)體完成PreA輪融資，瀚薪科技完成超5億元B輪融資。

近日，安徽長飛先進(jìn)半導(dǎo)體有限公司宣布完成超38億元A輪股權(quán)融資，擔(dān)任本輪融資的財(cái)務(wù)顧問的云岫資本稱長飛先進(jìn)本輪融資規(guī)模創(chuàng)國內(nèi)第三代半導(dǎo)體私募股權(quán)融資規(guī)模歷史之最，并刷新2023年以來半導(dǎo)體私募股權(quán)融資市場單筆最大融資規(guī)模紀(jì)錄。

數(shù)據(jù)顯示，中國碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2022年吸金超過2400億元，其中，襯底和芯片環(huán)節(jié)成為投資強(qiáng)度最大領(lǐng)域。去年碳化硅產(chǎn)業(yè)已披露的擴(kuò)產(chǎn)投資金額達(dá)到1272.63億元（不含光電），較2021年增長了36.7%。

不過，上述受到資本關(guān)注企業(yè)對于8英寸碳化硅產(chǎn)線的布局態(tài)度均較為謹(jǐn)慎，面對“未來是否會(huì)布局8英寸碳化硅產(chǎn)品線”的提問，長飛先進(jìn)回應(yīng)記者“暫時(shí)不方便透露”。

從技術(shù)上來看，碳化硅晶圓面積的擴(kuò)大之路并不好走。記者了解到，盡管在功率半導(dǎo)體制造的離子注入、薄膜沉積、介質(zhì)刻蝕、金屬化等環(huán)節(jié)，8英寸碳化硅與6英寸碳化硅晶圓在技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度上的差距不大。但是與硅材料芯片相比，8英寸和6英寸碳化硅生產(chǎn)的主要差別在高溫工藝上，例如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活等，以及上述工藝所需求的硬掩模工藝等。

高溫工藝關(guān)乎著碳化硅的良率，這也是碳化硅廠商著力攻克的技術(shù)難點(diǎn)之一，而海外半導(dǎo)體廠商因入場較早，故在技術(shù)上形成了相對較為成熟的解決方案和市場壁壘。早在2015年Wolfspeed（原Cree公司）就向外界展示過200毫米（約8英寸）碳化硅晶圓的樣片，只不過在當(dāng)時(shí)，走下Wolfspeed產(chǎn)線的200毫米晶圓的晶體品質(zhì)相較150毫米（約6英寸）依舊相差很多。不過，目前Wolfspeed已經(jīng)占據(jù)了全球碳化硅襯底市場一半的份額，Wolfspeed已計(jì)劃在德國再建一座8英寸晶圓工廠。

馬康夫指出，碳化硅的技術(shù)壁壘比較高，需要技術(shù)和團(tuán)隊(duì)的支撐，同時(shí)需要注意，盡管目前碳化硅襯底市場供不應(yīng)求，但是由于供應(yīng)鏈的驗(yàn)證周期也較長，故產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入窗口期也是有限的。芯謀研究總監(jiān)李國強(qiáng)更直言，當(dāng)前碳化硅產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是整體成本高昂，產(chǎn)能不足，良率也低于硅產(chǎn)品。碳化硅MOSFET的良率約50%，還需要進(jìn)一步提升。

“現(xiàn)在國內(nèi)碳化硅企業(yè)比較多，良率的提高需要依賴更多人才，而碳化硅本來就是一個(gè)小眾的領(lǐng)域，人才非常緊缺。同時(shí)國內(nèi)產(chǎn)能在慢慢增加，新的廠商要和成熟廠商競爭，成本、門檻很高，基本上會(huì)造成新廠沒有利潤可言，營業(yè)收入可能長期負(fù)增長?！崩顕鴱?qiáng)對記者表示，面對產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，碳化硅初創(chuàng)企業(yè)的挑戰(zhàn)會(huì)更大。

除了人才緊缺、技術(shù)不足之外，李國強(qiáng)還指出，新的碳化硅企業(yè)還將面臨下游客戶發(fā)展的問題，現(xiàn)有的國內(nèi)碳化硅企業(yè)基本和頭部汽車企業(yè)都已經(jīng)有合作，而汽車整車廠也在投資，雙方已共同建立了供應(yīng)鏈關(guān)系。

跑馬圈地不要忘記產(chǎn)業(yè)協(xié)同

北京大學(xué)教授、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波認(rèn)為，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中跟國際差距最小的是碳化硅襯底，國產(chǎn)碳化硅襯底已在大規(guī)模出口；跟國際差距最大的是碳化硅芯片。

沈波說，國產(chǎn)碳化硅襯底最近發(fā)展很快，現(xiàn)在主要是6英寸產(chǎn)品，8英寸產(chǎn)品也在逐步發(fā)展。國際上，以Wolfspeed為代表的大廠已有8英寸產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)，宣布已制出8英寸碳化硅襯底樣本、小規(guī)模供貨的有四五家企業(yè)，但是還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的供貨?！澳壳笆袌錾舷喈?dāng)長一段時(shí)間內(nèi)還是以6英寸為主，因?yàn)?英寸從技術(shù)成熟度和價(jià)格來講還不具備競爭力。但是，未來3年后的市場情況不好判斷，新能源汽車帶動(dòng)的需求非常大?！?/p>

碳化硅芯片有兩個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，二極管和三極管。沈波說，目前國際上6英寸是主流黑碳化硅，8英寸的技術(shù)也在發(fā)展，二極管已經(jīng)發(fā)展到了第五代，三極管也已經(jīng)發(fā)展到第四代，碳化硅IGBT也開始進(jìn)入量產(chǎn)的初期，整體發(fā)展很快。在新能源汽車?yán)?，世界上有四五家大廠的車規(guī)級碳化硅芯片在應(yīng)用，包括意法半導(dǎo)體、英飛凌等。

“我們的芯片跟國際上差距相當(dāng)大?，F(xiàn)在國內(nèi)二極管已實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的生產(chǎn)，國內(nèi)幾家碳化硅龍頭企業(yè)主要生產(chǎn)二極管。MOSFET在量產(chǎn)初期，工業(yè)級產(chǎn)品占主體。國內(nèi)IGBT還處在實(shí)驗(yàn)室階段，離產(chǎn)業(yè)化還有差距?！鄙虿ㄕf。

婁艷芳建議，因?yàn)閲鴥?nèi)8英寸碳化硅在產(chǎn)業(yè)化過程中，還存在著很多難點(diǎn)，包括產(chǎn)品穩(wěn)定性、成本優(yōu)勢發(fā)揮、籽晶充足供應(yīng)等，所以未來面臨的許多挑戰(zhàn)需要上下游合作，包括原材料、設(shè)備的保障，來共同解決8英寸碳化硅產(chǎn)業(yè)化的難題。

馬康夫指出，碳化硅功率器件要上車，對供應(yīng)鏈的要求是非常嚴(yán)苛的。目前碳化硅襯底還是供不應(yīng)求，大家現(xiàn)在有機(jī)會(huì)去拓展一些客戶資源。但是等到供需平衡的時(shí)候，再去拓展客戶資源就相對比較困難了，所以現(xiàn)在各個(gè)廠家都在快馬加鞭地?cái)U(kuò)產(chǎn)、跑馬圈地。在此背景下，中國的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈加強(qiáng)上下游的協(xié)同合作非常關(guān)鍵，這樣才能提升性價(jià)比和競爭力。

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