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被抢购的SiC衬底
来源:半导体行业观察 | 作者: 龚佳佳 | 发布时间: 2022-09-01 | 1214 次浏览 | 分享到:


近些年,全球环保意识的抬头,再加上自动驾驶一哥特斯拉的抢用,碳化硅热度疯狂飙升,《全球竞逐SiC》一文指出,从外延设备、衬底材料,到SiC工厂,从美国、欧洲,再到马来西亚,整个产业链都忙得不亦乐乎。


而在这一片高涨的扩产声中,那些身处碳化硅产业链上游的衬底厂商们似乎率先成为了赚钱王者,不仅被疯狂下单,赚得盆满钵满,产能方面也是接连爆满,只能不断扩产。


不断被下单的衬底厂商


当前,在全球衬底市场中,最有影响力、技术最领先的企业当属美国的Wolfspeed,拥有30 余年的碳化硅生产经验,早在1991年就推出全球首款商用 SiC 晶圆,到了2021年,Wolfspeed衬底全球市占率超过60%。


数据显示,Wolfspeed与意法半导体、英飞凌、ABB等公司签下了超 10 亿美元的长期订单。而其最新一期财报数据也显现出了碳化硅的火热,据透露,Wolfspeed纽约州8英寸 SiC 新厂持续小量试产中,预计明年上半年完成初始认证并开始出货,目前已有几家大型客户来厂签约,SiC 新订单优于预期。


Wolfspeed执行长 Gregg Lowe表示,总计 2022 年会计年度 Design-in 规模达64亿美元,是 2020 年的3倍,年增 119%。展望 2023 年会计年度第一季,WolfSpeed 预估受惠于第三代半导体材料 6 英寸基板需求强劲且持续供不应求,加上功率组件业务改善,营收约落在 2.32-2.47 亿美元。此外,WolfSpeed 更是看好SiC市场成长,Lowe 预计8英寸新厂未来能挹注 15-20 亿美元营收。


如果说Wolfspeed在碳化硅衬底市场位列第一梯队,那么最近7天内接连拿下2个大单的高意集团(II‐VI)就属于第二梯队,全球碳化硅衬底市占率排名第二。就在8月17日宣布与东莞天域半导体签订1亿美元订单,从本季度开始到2023年底向后者供应碳化硅6英寸衬底一周后,高意集团再次宣布,与英飞凌签署了一项为期多年的合同,将向英飞凌提供用于电力电子的6英寸SiC衬底,而且II-VI和英飞凌还计划将合作向8英寸SiC衬底过渡。


图源:高意集团


与高意集团同属第二梯队的还有罗姆子公司SiCrystal,据董事总经理Robert Eckstein此前透露,2022年SiCrystal的SiC衬底产能几乎售罄,主要客户为母公司罗姆、英飞凌、意法半导体等多家公司供货。


在海外碳化硅衬底厂商订单爆满的同时,我国厂商也迎来了新机遇,山东天岳、晶盛机电等皆有了新进展。


其中,山东天岳凭借近14亿元的订单引人注目。7月21日晚间,天岳先进公告披露,公司签署了时长三年的6英寸导电型碳化硅衬底产品销售合同,按照合同约定年度基准单价测算,预计含税销售合计金额为13.93亿元。


图源:天岳


虽然天岳未透露签约客户名称和具体情况,但其表示这笔巨额订单符合未来发展战略规划。据了解,目前天岳先进自主研发出半绝缘型碳化硅衬底产品已批量供应至国内下游核心客户,同时被国外知名的半导体公司使用。在导电型碳化硅衬底领域,公司6英寸产品已送样至多家国内外知名客户。2021年,天岳先进实现销售衬底约5.7万片。


就在今年3月,山东天岳还中标了中电55所高达1.806亿的4英寸高纯半绝缘SiC衬底订单。全军武器装备采购信息网公告显示,中电55所采购4英寸高纯半绝缘SiC衬底订单,采购量为2.3万片SiC衬底,河北同光和山东天岳两家厂商中标,其中河北同光为1.2万片,山东天岳则为1.1万片。


今年4月底,露笑科技在2022年第一季度报告中披露,其控股子公司合肥露笑半导体材料有限公司与东莞市天域半导体科技有限公司已签署购销合同,2022年-2024年不少于15万片。7月,露笑科技在参加调研时表示,东莞天域3年15万片的订单已经在分批量进行交付了,后续随着实际产能的逐步爬升,整体交付进度有望进一步加快。


2月初,晶盛机电则是在《审核问询函回复报告》中提到,2月7日,客户 A 已与晶盛机电形成采购意向,2022-2025 年他们将优先向客户A提供碳化硅衬底合计不低于 23 万片。除此之外,7月消息显示,江苏超芯星半导体有限公司6英寸碳化硅衬底进入美国一流器件厂商。


种种迹象表明,面对未来的碳化硅热潮,衬底厂商已经先行一步,赚了个盆满钵满。


为何是赚钱王者?


从价值量来看,整个碳化硅产业呈现出明显的 “头重脚轻” 特征,以衬底和外延为主的碳化硅材料占据了整个产业链近70% 的价值量,其中衬底作为最重要的环节,价值量占比接近 50%。


碳化硅衬底,顾名思义就是用碳化硅制成的衬底,是制造碳化硅器件最基础的材料,简单地说,就是没有碳化硅衬底就无法制造出碳化硅器件。目前国内 SiC 衬底主流规格分别为 4 英寸和 6 英寸,虽然晶盛机电、烁科晶体、中科院物理所等已成功研发了8英寸SiC单晶,但离产业化仍有一段距离。而国外已经向着8英寸量产迈进,比如上述提到的Wolfspeed 8英寸厂预计明年上半年开始出货,此外法国Soitec、高意集团、意法半导体都已成功推出8英寸衬底。


与硅晶圆相比,碳化硅衬底的制备难度要高出不少,这也是至今为止能够量产8英寸衬底厂商屈指可数的原因。


一方面,碳化硅衬底制造对温度要求较高,其气相生长温度超过2300℃,且在生产中需要精确调控生长温度,高温对设备和工艺控制带来了极高的要求,再加上生产过程几乎是黑箱操作难以观测,一旦温度和压力控制稍有失误,则会导致失败。


另一方面,碳化硅长晶速度慢,产出良率还低。一般来说,硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约2m长的8英寸硅棒,而碳化硅却需要约7天的时间才能生长 50px,比硅棒拉晶速度慢了一倍还不止。更重要的是碳化硅衬底对晶型要求高,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,才有可能制造出无缺陷、皆为 4H 晶型的可用碳化硅衬底,如此苛刻的要求,使得原本就困难的碳化硅衬底制造更加雪上加霜。


较高的制造难度带来的是一时之间难以下探的价格。据《科创板日报》报道,有业内人士表示,目前第三代半导体主要瓶颈便在于外延片,而衬底是碳化硅晶圆产能的关键制约点。相较于成熟的硅片制造工艺,碳化硅衬底价格短期内依然会较为高昂。


除了本身价格昂贵外,碳化硅功率器件市场持续扩张也是一部分原因,毕竟无论在哪个领域,终端市场永远有着绝对的发言权。


仅以新能源汽车为例,安森美在技术资料中指出,碳化硅器件所具有的独特优势将改变电动车的未来,如在关键的主驱逆变器中采用碳化硅可满足更高功率和更低的能效、更远续航、更小损耗和更低的重量,以及向800V迁移的趋势中更能发挥它的优势。


面对如此优势,车企很难不心动。三安光电副总经理陈东坡曾预计,在2023-2024年,碳化硅器件在长续航里程的电动车车型的渗透率会到80%—90%,未来也会在低续航里程的车型中逐步渗透。预计2024年之后,400至500公里续航的电动车碳化硅器件的渗透率会达到40%左右,而400公里续航以下的车型碳化硅器件会在2025年之后达到10%左右。


随着越来越多的车企开始导入,碳化硅功率器件有望成为最畅销的功率器件。据研调机构DIGITIMES Research预估,2025年SiC在电动车应用的市场规模可至6.5亿美元,2021-2025年,年复合增长率25-30%。此外,TrendForce也预测,2022年车用碳化硅器件市场规模有望达到10.7亿美元,2026年将进一步攀升至39.4亿美元。


图源:TrendForce


当然,新能源汽车只是碳化硅功率器件广阔的应用市场之一,未来在5G 基建、特高压及轨道交通等各领域,碳化硅都将迎来巨大的发展机遇,而作为碳化硅功率器件必备的材料,碳化硅衬底市场毫无疑问也会水涨船高。


在市场和价格的双重影响下,碳化硅衬底厂商自然也就成为了最先赚钱的那个环节。


奔赴在扩产路上的衬底厂商


为了保证碳化硅芯片的供给,功率器件厂商率先买进上游衬底链,《买下那家SiC衬底供应商》一文提到,包括安森美、罗姆、英飞凌以及意法半导体在内,众多功率半导体大厂纷纷买下不同的优质SiC衬底供应商。


与之相对的是衬底厂商们的大幅扩产。Wolfspeed在2019年时推出了5年实现30倍扩产计划,宣布将投资10亿美元分别在北卡罗来纳州和纽约州建造8英寸功率和射频衬底制造工厂,将碳化硅晶圆制造能力提高多达30倍,并使碳化硅材料生产增加30倍,从而满足2024年的预期市场增长。


在去年年底举行的Wolfspeed分析师大会上,Wolfspeed透露衬底产能持续扩张,8 英寸SiC 晶圆厂有望于2022 年实现量产,当前Wolfspeed SiC 衬底的总产能为16.7 万平方英尺,约合7 万片/月(等效6 英寸),未来两年将逐步扩张产能至24.2 平方英尺,约合10 万片/月(等效6 英寸)。今年4月,Wolfspeed全球最大的首座8英寸SiC(碳化硅)工厂正式开业,该工厂预计2024年达产,届时产能将达2017年的30倍。


此外,安森美2022年第一季度财报指出,计划在今年将碳化硅衬底产能扩充4倍,2021年年底哈德逊工厂扩建4万平方英尺便是计划中的一步;高意集团在今年3月宣布,将扩大其在北安普顿县和瑞典的晶圆制造能力,作为 10 年内 10 亿美元投资的一部分,其中Easton 工厂在未来五年内将 II-VI 的碳化硅衬底产量至少增加 6 倍;今年5月,意法半导体开始购买设备,加快8英寸碳化硅衬底生产线建设。


再来看国内,山东天岳于今年登陆科创板IPO,发力导电型SiC衬底,募得资金中有23亿元用于建设6英寸导电型碳化硅衬底项目,预计2026年实现全面达产,对应6英寸导电型SiC衬底产能为30万片/年;今年3月,晶盛机电在宁夏开工建设了一期年产40万片6英寸以上的导电型、绝缘型SiC衬底产能;露笑科技也在全力推进产能建设,随着后端相应的切磨抛进口设备到位,预计能够在2023年实现年产20万片的产能规划;超芯星则计划将6-8英寸碳化硅衬底的年产量提升至150万片。


写在最后


当前地球环境正在面临着前所未有的恶劣势态,持续不断的高温、接连融化的冰山…所有的一切都在提醒我们环保的重要性,在双碳政策以及各种需求的推动下,以碳化硅为主的第三代半导体必然会成为绿色时代的宠儿,相信在不久的未来,不止碳化硅衬底厂商,下游的第三代半导体功率器件厂商也将会迎来新一轮的“捞金浪潮”。