碳化硅竞争升级,中国企业施压国际大厂
?作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)与硅(Si)相比,拥有更加优异的物理和化学特性,使得SiC器件能降低能耗20%以上,减少体积和重量30%~50%,可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求。SiC器件可广泛应用于电动汽车、轨道交通、智能电网、通信雷达和航空航天等领域。
SiC主要用于功率器件制造,与传统硅功率器件制造工艺不同,SiC器件不能直接在SiC单晶材料上制造,必须在导通型单晶衬底上额外
在SiC产业链上,关键部分主要集中在上游,其中,衬底生产成本占总成本的47%,外延片成本占23%,合计占SiC产业链总成本的70%左右。衬底制造技术壁垒很高,价值量最大,既决定了上游原材料制备的方式及相关参数,也决定着下游器件的性能,是SiC大规模产业化推进的关键。
SiC衬底方面,6英寸产品已实现商用化,在此基础上,国际大厂都在推8英寸产品,但距离全面商业化还有一段距离。SiC外延片方面,情况类似,6英寸产品实现商用化,也处在8英寸产品商用推广阶段。
SiC功率器件主要应用于新能源汽车、充电桩、工业场景、交通领域等,其中,新能源汽车应用占比最高,市场份额达41.5%,由于SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料,技术也已经趋于成熟,使其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。目前,SiC器件在EV/HEV上主要用于功率控制单元、逆变器、DC/DC转换器、车载充电器等。此外,光伏+储能也是SiC功率器件的主要应用领域,占比达23.1%。
受汽车应用推动,尤其是EV主逆变器的需求,SiC市场在高速增长,据TrendForce统计,2023年,全球SiC功率器件市场规模约为30.4亿美元。
01
SiC产业格局
按地区划分,亚太是全球最大的SiC消费市场,从企业端来看,美国、欧洲和日本相关企业在SiC行业处于领先位置。
全球前五大SiC厂商占有70%左右的市场份额(出货量),这些厂商包括STMicroelectronics(意法半导体)、英飞凌、Wolfspeed、Rohm(罗姆)、Onsemi(安森美)、比亚迪和Mitsubishi Electric(三菱电机)等。
美国的代表企业是Wolfspeed和安森美。Wolfspeed宣布在美国北卡罗来纳州建造一座价值数十亿美元的新工厂,预计2030年完工;还在纽约州建设全球首座8英寸SiC晶圆厂,总投资达到50亿美元。Wolfspeed还在积极强化与下游的合作,例如,与汽车零部件供应商采埃孚合作,投资30亿美元在德国萨尔州建设晶圆厂,此外,还与梅赛德斯-奔驰合作,为其供应SiC器件。
欧洲厂商通过垂直化整合,加大扩产力度,不断强化在该领域的竞争优势。英飞凌宣布投资20多亿欧元,扩大在马来西亚的SiC工厂产能,将在2024下半年投入运营。意法半导体也在大幅提高晶圆产能,计划到2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍。
日本的罗姆将投资500亿日元强化SiC生产,日本富士电机也在考虑将SiC产品的投产时间比原计划的2025年提前一年。
最近,TrendForce发布了一份研究报告,据统计,2023年全球SiC功率器件市场保持了强劲增长势头,前五大SiC供应商约占整个市场营收的91.9%,其中,意法半导体以32.6%市占率位居第一,安森美则由2022年的第四名跃居至第二名,市场份额为23.6%,紧随其后的是英飞凌(16.5%)、Wolfspeed(11.1%)、罗姆(8%)。
目前,SiC衬底的主流产品是6英寸的,行业正在向8英寸升级,虽然8英寸衬底的加工成本有所增加,但可以提升芯片产量,8英寸SiC晶圆能够生产的芯片数量约为6英寸的1.8倍,向8英寸转型,是降低SiC器件成本的可行方法。同时,8英寸衬底厚度增加有助于在加工时保持几何形状,减少边缘翘曲度,降低缺陷密度,从而提升良率。
由于采用8英寸衬底能够大幅降低单位综合成本,各大厂商都在积极布局8英寸SiC晶圆。Wolfspeed、英飞凌、博世、安森美等厂商的8英寸晶圆量产时间集中于2024下半年~2026年,其中:Wolfspeed的8英寸产品已公布,预计2024年第二季度产能利用率达20%以上,安森美韩国工厂在2024年正式运行,预计今年产能为去年的1.7倍,2026年产能规划约为80万片,英飞凌表示,今年居林厂开始量产8英寸SiC器件,预计到2027年产能约为80万片,是2023年初的10倍。
由于亚洲,特别是东亚地区是全球SiC器件第一大消费市场,同时,日本和中国的SiC生产商也在全球产业链中扮演着重要角色,因此,下边将着重介绍该地区的SiC器件生产情况。
02
日本的优势:扎实的半导体工艺技术积淀
日本半导体产业和相关企业有长年形成的制造工艺和技术积淀,在发展以SiC为代表的第三代半导体器件方面有其独特优势。
在日本,SiC产业链上的厂商还是比较多的,如罗姆、三菱电机、东芝、富士电机、瑞萨,以及中央硝子(Central Glass)、DISCO等,在全球都有着较强竞争力。
罗姆是日本最大的SiC功率器件生产商,并通过其德国子公司SiCrystal生产SiC晶圆。罗姆占据着全球10%的SiC功率器件市场,以及15%-20%的SiC晶圆市场。
罗姆计划在2028年前投资5100亿日元发展SiC产业,目标是到2030年SiC晶圆产能相比2021年提高35倍,据悉,到2025年,罗姆SiC产能将提升6.5倍。
今年6月,罗姆子公司SiCrystal宣布,将在德国纽伦堡东北部现有工厂对面扩建厂房。据介绍,新的SiC晶圆厂将额外提供6000平方米的生产空间,并将配备最先进的技术,以进一步优化SiC晶圆的生产。新工厂预计将在2026年初完工,到2027年,SiCrystal的总产能将比2024年增加约3倍。
2023年6月,罗姆与德国汽车零件大厂Vitesco Technologies签订了SiC功率器件的长期供应契约,在2024-2030年期间的交易额将超过1300亿日元。2023年7月,罗姆宣布收购太阳能电池生产商Solar Frontier在宫崎县国富町的工厂,计划将该工厂用于扩大SiC功率器件的产能,未来将成为罗姆的主要生产基地。
另一家厂商三菱电机宣布,在2026年3月之前将之前宣布的投资计划翻一番,达到约2600亿日元,主要用于建设新的晶圆厂,以增加SiC功率器件的产能。
2023年10月,日本汽车零组件大厂Denso和三菱电机宣布,将分别投资5亿美元,入股美国Coherent(原名II-VI)的SiC业务子公司Silicon Carbide,分别取得 12.5%股权(两家日企合计取得25%股权)。Silicon Carbide主要从事SiC晶圆等产品的制造,于2023年4月从Coherent公司分拆出来。通过此次投资,Denso和三菱电机可实现6英寸和8英寸SiC晶圆的长期稳定采购,进一步强化用来控制电动车马达的逆变器竞争力。
日本企业中,还有富士通半导体、日立、京瓷、新日本无线电、菲尼泰克半导体、三垦电气、三社电气制造、精工NPC、昭和电工、住友金属矿山等多家涉及SiC衬底和外延片生产。
基于日本在半导体材料和设备领域的长年积累,相关企业也将其技术和工艺优势转移到SiC上。
最近,日本中央硝子开发出了利用含有硅和碳的溶液(液相法)来制造SiC衬底的技术。与使用高温下升华的SiC使单晶生长(升华法)的传统技术相比,液相法在增大衬底尺寸和提高品质方面更具优势。该技术可使衬底的制造成本降低10%以上,良率也会大幅度提升。
由于利用液相法制备SiC衬底较为复杂,此前该技术一直未应用在实际生产中。中央硝子运用计算化学,通过推算溶液的动态,成功量产出了6英寸SiC衬底。在此基础上,该公司打算最早于2030年把相关技术扩展到8英寸SiC衬底的生产。
为了让客户采用以新技术制作的SiC衬底,中央硝子已开始与欧美大型半导体企业展开商讨。中央硝子最早将于2024年夏天开始向客户提供样品,2027~2028年实现商业化。
设备方面,日本晶圆设备制造商DISCO于2023年12月推出了新的SiC晶圆切割设备,可将切割速度提高10倍,首批产品已交付客户。
03
中国厂商给国际大厂加压
目前,中国SiC产业处于不断加速阶段。2023年,中国SiC衬底材料出货89.4万片(折合6英寸晶圆),比2022年的30万片增长297.9%,销售收入为36.5亿元,同比暴涨221.2%。但是,总体来看,中国企业与国外厂商仍有一定差距,特别是在SiC功率器件营收方面,如芯联集成预计其2024年SiC器件营收将增长至10亿,然而,仅意法半导体一家厂商在2023年的SiC营收就达到11.4亿美元(约合人民币82.8亿元)。
在SiC衬底方面,天科合达、山东天岳、山西烁科、河北同光、广州南砂、晶盛机电等厂商已实现批量生产(或小批量生产)。其中,天科合达去年产能已达16万片6英寸SiC晶圆,今年将开始生产8英寸产品,山东天岳预计到2026年,产能将达到30万片6英寸晶圆。
Yole报告显示,在2023年全球导电型SiC衬底材料市场占有率排行中,天科合达以18%的市场份额超过美国Coherent(16%),跃居全球第二,不过仍低于WolfSpeed的33%。山东天岳则以14%的市场份额排名第四。
SiC外延片方面,东莞天域、瀚天天成、三安光电、河北普兴、中电化合物等厂商已实现量产出货,2023年SiC外延片产能达400多万片。
SiC器件方面,芯联集成、士兰微、积塔半导体、基本半导体、泰科天润、闻泰科技、扬杰科技、东微半导等企业的SiC功率器件和模块营收持续提升。
目前,中国本土SiC衬底厂商已经具备优秀的6英寸产品量产水平,还在与欧美IDM大厂共同开发8英寸SiC技术,例如,天科合达、天岳与英飞凌合作,由天科合达、天岳提供6英寸SiC衬底材料给英飞凌进行晶圆加工,后续将共同向8英寸SiC晶圆技术过渡;三安光电与意法半导体达成合作,在重庆合资建8英寸SiC晶圆厂。
中国电动车市场的庞大需求给SiC供应链提供了足够的增长空间,也给国际大厂造成了不小的压力。由于中国企业产能大幅扩张,SiC衬底价格的下滑速度远超过市场扩张速度。业内人士表示,中国6英寸SiC晶圆代工价格,已降至每片1200~1800美元,比两年前每片4000美元左右的价格大幅下降。
2023年,全球SiC衬底供应量为170万片,天科合达当年产能估计达16万片6英寸晶圆,今年开始生产8英寸SiC晶圆。山东天岳计划到2026年,产能将达到30万片6英寸晶圆。
2023年初,6英寸SiC衬底价格还在1000美元左右,现在只有500多美元。不过,业内人士认为,中国的价格竞争已达极限,因为价格再往下降,中国厂商也无利可图。
原文标题 : 碳化硅竞争升级,中国企业施压国际大厂
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