功率半導(dǎo)體迎來碳化硅時(shí)代

在新能源汽車終端市場(chǎng)中，隨著SiC材料價(jià)格下降，碳化硅（SiC）的需求快速增長(zhǎng)，來自于車載充電、驅(qū)動(dòng)逆變和DC-DC轉(zhuǎn)換。隨著400V切換到800V，使用硅基IGBT開始向SiC MOSFET轉(zhuǎn)變，一方面提高功率密度，另一方面提高了驅(qū)動(dòng)效率。

電動(dòng)汽車和充電站需高電壓和惡劣環(huán)境下工作，SiC器件是目前主要方向。盡管制造和封裝成本高，但價(jià)格已開始用得起來，目前推動(dòng)供應(yīng)合作伙伴關(guān)系和新SiC工廠成了全球的潮流。SiC晶圓技術(shù)升級(jí)，需20%新工藝工具和80%改進(jìn)工具，改進(jìn)目標(biāo)是提高功率器件的生產(chǎn)速度，促使車企合作直接晶圓工廠以加速模塊生產(chǎn)。

新的晶圓工藝工具包括高溫外延生長(zhǎng)（>1,500°C）、熱離子注入、快速熱處理（RTP）和更快的脈沖原子層沉積。用于SiC 材料的晶圓研磨、CMP、拋光墊和漿料也在發(fā)生重大改進(jìn)，包括剝離劑和清潔化學(xué)品在內(nèi)的新材料可滿足設(shè)備和可持續(xù)性需求。從封裝端來看，帶有分立元件的高功率印刷電路板正在被集成電路+集成封裝（芯片級(jí)封裝CSP）所取代，以實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的設(shè)計(jì)。

在模塊的設(shè)計(jì)中， SiC 模塊是主要研發(fā)方向，GaN 器件的潛力也在嘗試。到 2030 年，全球?qū)⑸a(chǎn) 3000 萬輛新能源汽車，將推動(dòng)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，其中約 50% 的硅器件、35% 的碳化硅器件和 12% 的氮化鎵器件將用于電動(dòng)汽車。

SiC 模塊是從 400V 向 800V 核心器件。盡管仍需應(yīng)對(duì)晶圓晶體缺陷、器件封裝和模塊集成、供應(yīng)鏈變化等挑戰(zhàn)，但很多市場(chǎng)預(yù)測(cè)對(duì)于SiC寄予厚望，預(yù)計(jì)到 2027 年，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá)到 $6.3B，其中 70% 用于汽車應(yīng)用。僅 SiC 晶圓產(chǎn)量方面，2022 ——2027 年年均增長(zhǎng)率為 14%。

● SiC的玩家：IDM、代工企業(yè)和設(shè)計(jì)公司

在芯片制造層面，Wolfspeed、意法半導(dǎo)體、安森美、羅姆、英飛凌和博世等是關(guān)鍵參與者。碳化硅晶圓，正開始從 150mm切換到200mm，但生長(zhǎng)、切片和制備過程，還有優(yōu)化的空間。

IDM 和加工企業(yè)，都在努力降低 SiC 晶格的缺陷率，開發(fā) SiC 專用工具平臺(tái)，例如高溫離子注入、在 1,500°C 以上運(yùn)行的外延沉積爐，以及改進(jìn)的 CMP 漿料、拋光墊和清潔化學(xué)品加工非常堅(jiān)硬的材料。

400V體系下，硅、SiC 和 GaN 的開關(guān)器件都可以用，SiC比 GaN 功率水平更高。GaN具有比SiC更高的電子遷移率，但其成熟度較低。GaN 在制造高頻器件方面具備潛力。

許多 SiC 芯片制造商已將其150毫米硅生產(chǎn)線改為生產(chǎn)SiC芯片。在成熟、完全折舊的硅工廠中加工碳化硅的資本投資大約為 3000 萬美元，回報(bào)巨大。新的碳化硅晶圓廠正在快速建設(shè)中，無晶圓廠公司也在爭(zhēng)奪產(chǎn)能。

盡管 SiC 芯片的成本約為硅芯片的三倍，但最終的系統(tǒng)成本低于，主要是SiC 芯片能夠以高效率運(yùn)行，減少了磁性元件和無源元件的體積，從而抵消了成本的增加。SiC 器件特別適用于汽車領(lǐng)域，能夠在惡劣環(huán)境下以更高的溫度提供高功率密度，實(shí)現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗和超低的 RDSon（源極和漏極之間的電阻），小的 RDSon 直接可以讓 MOSFET降低功耗。

SiC器件的性能取決于 SiC 材料的質(zhì)量，晶體質(zhì)量一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的主要問題，因?yàn)榫w中仍然存在一些缺陷。這些缺陷需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，通常需要調(diào)整和驗(yàn)證外延。這使得碳化硅在制造業(yè)中的實(shí)施方式還不是精益的。在電氣方面，功率器件可能對(duì)寄生電感、火花和其他挑戰(zhàn)非常敏感，不斷應(yīng)對(duì)這些參數(shù)的變化。隨著碳化硅、氮化鎵和砷化鎵等化合物半導(dǎo)體變得更加主流且增長(zhǎng)速度更快，參數(shù)良率問題將會(huì)得到改善。

● SiC產(chǎn)能和協(xié)作方式

垂直整合與晶圓協(xié)作在碳化硅開始慢慢形成，100mm和150mm尺寸的六方晶圓（4H和6H）主導(dǎo)市場(chǎng)。最大的SiC器件制造商正逐步轉(zhuǎn)向更大的200mm晶圓。英飛凌從多個(gè)供應(yīng)商采購晶圓，瑞薩電子則簽署了10年協(xié)議，支付20億美元定金以獲得150mm裸露和外延SiC晶圓供應(yīng)，并與三菱合作在日本新建SiC工廠。SOITEC和意法半導(dǎo)體正在研究單晶上的多晶SiC方法，以減少浪費(fèi)并提高散熱性。

SiC的缺陷水平，需要數(shù)據(jù)共享，200mm晶圓的生長(zhǎng)也需要更大的種子和更長(zhǎng)的時(shí)間，隨著時(shí)間的推移，SiC晶圓生長(zhǎng)的成本可能會(huì)降低，生產(chǎn)率有望提高約20%。

到 2030 年的需求和產(chǎn)能預(yù)估，日本、韓國、中國、馬來西亞、德國、奧地利和美國的全球晶圓和晶圓廠產(chǎn)能相當(dāng)可觀，SiC是不是會(huì)產(chǎn)能過剩，這確實(shí)是個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題！

小結(jié)：半導(dǎo)體行業(yè)正在邁向 1 萬億美元的市場(chǎng)，半導(dǎo)體技術(shù)界對(duì)下一代電源效率和性能的需求，是給出了明確的答案的。