多家半導(dǎo)體制造商大舉措擴大產(chǎn)能,SiC競爭進(jìn)入白熱化階段!

時間:2021-01-15

來源:蓋世汽車

導(dǎo)語:日本半導(dǎo)體制造商羅姆在ROHMApolloCo.,Ltd.(總部位于日本福岡縣)筑后工廠投建的新廠房于近日完工,并將于本月開始安裝生產(chǎn)設(shè)備,以滿足電動車等用途的碳化硅(SiC)電源控制芯片產(chǎn)能。

日本半導(dǎo)體制造商羅姆在ROHMApolloCo.,Ltd.(總部位于日本福岡縣)筑后工廠投建的新廠房于近日完工,并將于本月開始安裝生產(chǎn)設(shè)備,以滿足電動車等用途的碳化硅(SiC)電源控制芯片產(chǎn)能。

羅姆相關(guān)負(fù)責(zé)人向蓋世汽車表示,與2019財年(截至2020年3月31日)相比,預(yù)計2024財年(截至2025年3月31日)的羅姆的SiC生產(chǎn)能力將提升5倍以上。而這將使其離2025年拿下全球30%市場份額的目標(biāo)更近一步。

不止羅姆,其他半導(dǎo)體制造商如CREE、ST(意法半導(dǎo)體)、英飛凌以及中國的瀚天天成電子科技等廠商都在今年大舉措擴大產(chǎn)能,SiC競爭已經(jīng)進(jìn)入白熱化。

但即便如此,由于SiC的生產(chǎn)瓶頸尚未解決,原料晶柱的質(zhì)量不穩(wěn)定存在良率問題、SiC器件的成本過高等因素,SiC整體市場無法大規(guī)模普及,SiC仍然面臨巨大的產(chǎn)能缺口。

未來一到兩年供需失衡沒有懸念

作為第三代半導(dǎo)體中的代表材料,SiC(碳化硅)是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一,基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕,且結(jié)構(gòu)更緊湊。

SiC用在車用逆變器上,在相同功率等級下,全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊,同時也可以使開關(guān)損耗降低75%(芯片溫度為150°C)。在相同封裝下,全SiC模塊具備更高的電流輸出能力,支持逆變器達(dá)到更高功率。

在電動汽車中,SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動和控制電機的逆變器、車載充電器和快速充電樁。特斯拉的Model3就采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器,其也是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。

目前,已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動汽車充電器的SiC功率器件。據(jù)市場研究和戰(zhàn)略咨詢公司YoleDéveloppement(Yole)統(tǒng)計,這一市場在2023年之前可保持44%的增長速度。

2020年7月,比亞迪漢上市,比亞迪自主研發(fā)、制造的SiCMOSFET功率器件搭載在漢EV四驅(qū)高性能版上,使其最終其SiC模塊實現(xiàn)了可達(dá)200KW的輸出功率,提升一倍的功率密度,百公里加速度僅為3.9秒,較之采用IGBT4.0芯片的全新一代唐EV的4.4秒高于0.5秒。

“目前,電動車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主,但考慮到未來電動車需要更長的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池容量,在車用半導(dǎo)體中,SiC一定會是未來趨勢?!币晃恍袠I(yè)分析人士說道。

研究機構(gòu)Digitimes?Research預(yù)測,到2025年,電動汽車用碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體將占SiC功率半導(dǎo)體總市場的37%以上,高于2021年的25%。

SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)測SiC逆變器能夠提升5-10%的續(xù)航,節(jié)省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh),與新增200美元的SiC器件成本抵消后,能夠?qū)崿F(xiàn)至少200美元的單車成本下降。

Cree還表示,預(yù)計到2022年,SiC在電動車用市場空間將快速增長到24億美元,是2017年車用SiC整體收入(700萬美元)的342倍。而據(jù)羅姆測算,到2026年,幾乎所有搭載800V動力電池的車型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢。

甚至有機構(gòu)預(yù)測,到2025年全球SiC市場將會增加到60.4億美元,到2028年市場增長5倍。

但即便如此,SiC目前卻面臨著巨大缺口。

有數(shù)據(jù)顯示,目前全球SiC硅晶圓總年產(chǎn)能約在40~60萬片。

據(jù)了解,特斯拉Model3逆變器集成了意法半導(dǎo)體的SiCMOSFET的功率模塊,該主逆變器需要24個電源模塊,每個電源模塊均基于兩個碳化硅MOSFET裸片,每輛汽車總共有48個SiCMOSFET裸片,此外,包括OBC、慢充充電器、快充電樁等,都可以放上SiC。

據(jù)“GaN世界”的報道,按照這個估算若循續(xù)漸進(jìn)采用SiC后,平均2輛Tesla的純電動車就需要一片6英寸SiC晶圓。2020年,特斯拉全年共交付新車49.96萬輛,同比增長35.87%,離預(yù)定的50萬輛的交付目標(biāo)僅差450輛。

而果真如Wedbush證券分析師DanIves稱,到2022年特斯拉的交付量可能會達(dá)到100萬輛的話,那么,僅一個特斯拉就將消耗掉全球SiC硅晶圓總產(chǎn)量。

值得注意的是,作為全球最大的新能源汽車消費市場,2020年,中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛,同比分別增長7.5%和10.9%,增速較上年實現(xiàn)了由負(fù)轉(zhuǎn)正。中汽協(xié)總工程師許海東表示,2021年新能源汽車銷量180萬輛,同比增長40%。新能源汽車的發(fā)展必將促進(jìn)SIC的需求。

此外,有分析指出,未來一到兩年,除了常規(guī)的需求講持續(xù)外,一系列因5G、Wi-Fi6布局而衍生的新興應(yīng)用也會持續(xù)拉升相關(guān)SiC元器件需求,供應(yīng)鏈供需失衡態(tài)勢基本沒有懸念。

力積電董事長黃崇仁2020年11月在法說會上指出,目前產(chǎn)能已緊到不可思議,客戶對產(chǎn)能的需求緊張達(dá)到“恐慌”程度,預(yù)估明年下半年到2022年下半年,邏輯IC、DRAM市場都會缺貨到無法想像的地步。

白熱化競爭中產(chǎn)業(yè)瓶頸待破

因此,在SIC成為大趨勢之下,在市場供需嚴(yán)重失衡的背景下,幾乎所有半導(dǎo)體公司都在積極布局SiC的研發(fā)、推廣新產(chǎn)品以及擴產(chǎn)。

根據(jù)半導(dǎo)體時代產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心出具的《2020年中國第三代半導(dǎo)體碳化硅晶片行業(yè)分析報告》數(shù)據(jù)顯示:2020上半年全球半導(dǎo)體SiC晶片市場份額,美國CREE出貨量占據(jù)全球45%,日本羅姆子公司SiCrystal占據(jù)20%,II-VI占13%;中國企業(yè)天科合達(dá)的市場占有率由2019年3%上升至2020年5.3%,山東天岳占比為2.6%。

為了進(jìn)一步擴展碳化硅產(chǎn)品組合,2020年2月底英飛凌發(fā)布了8款CoolSiC?MOSFET產(chǎn)品?!蓖?月,臺灣晶圓制造商環(huán)球晶圓(GWC)正式推出150mm碳化硅晶圓產(chǎn)品。10月,英飛凌再次推出采用全新D2PAK-7L封裝的1200VCoolSiC?MOSFET,導(dǎo)通電阻從30m?到350m?;東芝推出適用于高效率電源的新款1200V碳化硅MOSFET——“TW070J120B”。

產(chǎn)能新增方面,2019年5月Cree宣布,將在未來5年內(nèi),斥資10億美元用于擴大SiC碳化硅產(chǎn)能,在公司美國總部北卡羅萊納州達(dá)勒姆市建造一座采用最先進(jìn)技術(shù)的自動化200mmSiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級工廠。

意法半導(dǎo)體(ST)也在2020年2月份以1.375億美元現(xiàn)金收購了瑞典SiC晶圓制造商NorstelAB,Norstel生產(chǎn)150mmSiC裸晶圓和外延晶圓。意法半導(dǎo)體表示,該交易完成后,它將在全球產(chǎn)能受限的情況下控制部分SiC器件的整個供應(yīng)鏈。

“中國制造2025”計劃中也明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。據(jù)蓋世汽車不完全統(tǒng)計,僅2020年,全國至少有10個碳化硅項目開工或取得進(jìn)展。

其中,天科合達(dá)的第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)項目2020年8月在北京市大興區(qū)順利開工,總投資約9.5億元人民幣,新建一條400臺/套碳化硅單晶生長爐及其配套切、磨、拋加工設(shè)備的碳化硅襯底生產(chǎn)線,項目計劃于2022年年初完工投產(chǎn),建成后可年產(chǎn)碳化硅襯底12萬片。

2020年8月19日,三安光電宣布收購了于2019年投資約5.8億元在福建安溪縣建設(shè)產(chǎn)能3.6萬片碳化硅襯底生產(chǎn)項目的北電新材。2020年11月合肥露笑科技投資100億元建設(shè)的SIC設(shè)備制造、長晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)和生產(chǎn)基地開工。

除了產(chǎn)能的因素,制約SiC發(fā)展的還有技術(shù)和成本因素。

瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮表示,由于碳化硅的生產(chǎn)瓶頸尚未解決,原料晶柱的質(zhì)量不穩(wěn)定,造成整體市場無法大規(guī)模普及。

安森美半導(dǎo)體寬禁帶產(chǎn)品線經(jīng)理BrandonBecker認(rèn)為,SiC基板的開發(fā)是公司以及其它廠家都在著力解決的最大瓶頸之一。SiC基板與傳統(tǒng)的硅晶錠有很大不同,從設(shè)備、工藝、處理到切割的一切都需要進(jìn)行開發(fā),以處理碳化硅。

“本來在長晶的晶種就要求相當(dāng)高的純度、取得的難度大,其次長晶的時間相當(dāng)長,硅材料長晶平均只要3天即可長成一根晶棒,但碳化硅晶棒則需要一周,再者,一般的硅晶棒可以長200公分的長,但一根碳化硅的晶棒只能長出2公分。”上述分析人士說道。

此外,SiC本身屬于硬脆性材料,由其制成的晶圓,在使用傳統(tǒng)的機械式切割晶圓劃片時,極易產(chǎn)生崩邊,影響產(chǎn)品良率及可靠性。

據(jù)了解,目前市場上的SIC晶圓絕大部分都是4英寸和6英寸,極少有廠商能生產(chǎn)8英寸SiC晶圓。而上述因素又導(dǎo)致了SiC價格高昂,且隨著需求增加,SIC的價格多次上漲,應(yīng)用和推廣難度就更大了。目前,SiC器件的價格是Si器件價格的4到5倍。

不過,也有分析認(rèn)為,2022年有望成為碳化硅價格下降的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。碳化硅器件價值鏈可分為襯底——外延——晶圓——器件,其中襯底所占的成本最高為50%,外延片是25%,器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)20%,封裝測試環(huán)節(jié)5%。

海通證券預(yù)測,因為主流豪華汽車品牌開始量產(chǎn)采用碳化硅方案的車型,這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產(chǎn)能利用率,到2025年碳化硅器件價格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3,此外,碳化硅有望提高3%-5%的碳化硅逆變器效率,從而降低電池成本,碳化硅的經(jīng)濟性和性能優(yōu)勢將充分顯現(xiàn)。

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