特斯拉说“找到一种方式可以减少75%的碳化硅用量,同时不影响整车的性能和效率”,于是市场一片看衰碳化硅的声音。
虽然早在21年,有些机构认为碳化硅(SiC)晶圆衬底有些项目签约就意味着死亡,但这次有些不一样。
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市场
硅基IGBT功率器件,正在逼近材料特性极限,而下一代半导体材料碳化硅是更好的材料,尤其是800V高压以上时,性能优势更加明显。随着电动汽车、5G等应用的发展,高功率、高耐压、高频率器件的需求正在快速增长,第三代半导体的典型代表碳化硅作为高功率器件的理想材料是确定的。
所以,即使特斯拉的说法是真实的,但碳化硅的未来依旧值得期待。近年来,包括碳化硅在内的功率半导体市场并没有因整个半导体行业的周期性下行而出现丝毫颓势,反而逆市上扬,发布新产品的、投资的、扩大产能的消息此起彼伏。
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成本
特斯拉减少用量的根本原因是价格,目前碳化硅的总成本是硅基的3-5倍。(彻底弄懂碳化硅产业及重点企业)造成价格居高不下是因为碳化硅衬底制造难度大、良率低。目前碳化硅衬底的价格是硅基的10倍左右。
碳化硅衬底,是制造碳化硅晶体的最基础的材料,主要起到物理支撑、导热及导电作用。衬底价值量高,占到整个碳化硅器件价值的50%以上,也是碳化硅产业链中技术壁垒最大环节。
碳化硅衬底工艺包括原料合成、晶体生长、切抛磨等环节。晶体生长最核心,难点在于长晶速度慢、生长条件严苛、易产生多型夹杂缺陷等;晶棒生长需要精准控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等各种参数,难度不小。另外同样的长度碳化硅晶棒的生长时间是硅棒的2倍以上,成本自然高了。根据天岳先进的资料,一台炉子价格在150万,2021年其长晶炉的单台年产能在115片。切割环节是制约产能释放的主要瓶颈,难点在于碳化硅硬度高、表面质量和精度要求高等,划片非常容易崩边。相比硅片90%的良率,碳化硅目前最高的Wolfspeed只在60%,国内厂商综合良率约 40%,整体偏低。在碳化硅后续生产的外延环节,有不少缺陷如扩展、位错等大部分都是因为衬底质量的影响。
降低成本的途径主要是两个,一是提升产品的良率。目前看良率的提高是缓慢的。二是扩大晶锭的尺寸。硅晶圆尺寸已经做到了12寸,而碳化硅还徘徊在4-6寸。衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗,是碳化硅降本的核心。同规格器件使用8寸的衬底制作成本要比6寸的降低一半以上。国际一线厂商已实现6英寸碳化硅衬底的稳定供应,国内主要以4英寸碳化硅衬底为主,仅少数企业如天岳先进、露笑科技等实现6英寸衬底的销售。Wolfspeed、英飞凌和罗姆等正积极布局8英寸碳化硅衬底生产产线。另外一点,目前碳化硅的晶锭比硅的要薄很多,以至于硅的晶锭被称为硅棒,而碳化硅的叫块晶。也有厂商在研究通过增加碳化硅晶锭的厚度来降低成本,但难度似乎比扩大尺寸更大。
03
企业
全球碳化硅衬底市场被美、日、欧等企业所主导,其中技术领先、市场占有率高的有 Wolfspeed、貳陆、罗姆等,Wolfspeed衬底占市率超过60%,三家公司全球市场占有率总和超过90%,国内龙头企业天科合达和天岳先进占据少量全球碳化硅衬底市场份额。
从尺寸上看,Wolfspeed在去年已经量产8寸,罗姆、英飞凌、意法、安森美、贰陆等则计划在今明两年。看国内各家消息,22年在8寸上很多厂商获得了突破,科友半导体、天岳先进、中科院物理所、山东大学等都发布了研发成功的消息或展示了8寸的产品。烁科晶体、天科合达、晶盛机电则跟进一步,计划在23年形成小批量量产。当然,小批量量产很显然不是真正的量产,比照4寸、6寸的历史,行业估算国内外的差距在5-7年。
04
观点
1.碳化硅是一个未来发展形势依然向好的材料行业。整体而言,因为性能的优越,应用领域一直处在扩大的,一直是供不应求,如果成本降低,市场会更加广阔。
2.碳化硅产业既是新兴技术对传统技术的取代,也是国产器件对进口器件的取代。
3.很多号称碳化硅混的企业或团队,其实是干莫桑钻的。理论上只要将晶棒拉大就能提供碳化硅衬底,但就是拉大不容易。比如8寸,比如Wolfspeed,2015年就研发出8英寸碳化硅衬底,直到2022年才进入规模化量产。国内相关公司更是早就号称干出了8寸,主流产品却还在4寸。
4.碳化硅衬底生产是技术密集型的,从一个炉子的价格和产量看,也是资本密集型,不少初创团队即使各种指标都很靓丽,实操中也得关注资金的持续供给能力。
