2018-12-17

SiC器件大战一触即发

日前,德国大厂英飞凌宣布,已收购一家名为Siltectra的初创企业,将一项创新技术(ColdSpilt)也收入了囊中。“冷切割”是一种高效的晶体材料加工工艺,能够将材料损失降到最低。英飞凌将把这项技术用于碳化硅(SiC)晶圆的切割上,从而让单片晶圆可出产的芯片数量翻番。进一步加码碳化硅市场。

在早些时候,意法半导体CEO在接受半导体行业观察等媒体采访也谈到,该公司的碳化硅产品已实现批量出货,年出货金额在今年能突破一亿美元,市场占有率高达90%;X—Fab也声称将扩大晶圆的生产;日本罗姆今年四月也宣布,将在其福冈筑后工厂投建新厂房,扩充碳化硅产能。

多方面的消息证明,碳化硅大战一触即发。


 

SiC功率器件需求大增

据Semiconductor Engineering报道,SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中,专门的SiC衬底被开发出来,然后在晶圆厂中进行加工,得到基于SiC的功率半导体。许多基于SiC的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管,它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。

得益于其垂直架构,因此相较于氮化镓和硅,碳化硅可以承受更高的电压,能适用于1000V以上的应用市场。以硅而言,目前硅基MOSFET多应用在1000V以下,约600~900V之间,若是超过1000V,其芯片体积(Chip Size)会变得很大,以及切换损耗、寄生电容都会跟着提升,另外价格也会大涨,因此较不适用于1000V以上的应用。而SiC因其宽带隙技术脱颖而出。而与传统硅基器件相比,SiC的击穿场强更是传统硅基器件的10倍,导热系数是传统硅基器件的3倍,具有极其强大的优势。


 

SiC和GaN设计方式不同,耐压程度也因而有所差异。

罗姆在接受半导体行业观察采访时也表示,在功率元器件领域中,SiC作为新一代材料备受瞩目,与传统使用的Si相比,SiC元器件实现低导通电阻、高速开关、高温工作。且使用SiC元器件能让设备变得更小、功耗更低。因具备高耐压、高耐热性,使得之前不能使用的小空间和严酷环境下的安装成为可能。以汽车为例,应用于混合动力汽车、电动汽车,可大幅度降低油耗,扩大室内空间。用于太阳能发电时,功率损耗率能减少50%,有望为地球环境问题的缓解做出巨大贡献。这就使得这个新型材料器件非常适合于在电源、汽车、铁路、工业设备、家用消费电子设备等各个领域。尤其是今年来随着电动车等产业的发展要求,市场对SiC的需求大增。

据麦姆斯咨询报道,2018年全球将会有超过20家的汽车业者,在OBC中使用SiC肖特基二极体(Schottky Diodes)或SiC MOSFET;未来SiC功率半导体在OBC市场中有望以CAGR 44%的速度成长至2023年。麦姆斯继续指出,未来将有愈来愈多的汽车制造商会在主逆变器中采用SiC功率半导体,特别是中国车商,近几年更是纷纷考虑使用SiC功率元件,因此,2017~2023年,SiC功率元件在主逆变器市场的CAGR,更可能高达108%。这就推动市场的爆发性进展。

从他们提供的数据我们可以看到,全球SiC功率半导体市场将从2017年的3.02亿美元,快速成长至2023年的13.99亿美元,年复合成长率达29%。

上游供应商加紧布局

面对这样一个成长态势,SiC的上游供应链厂商正在积极布局。

首先在晶圆方面,目前全球仅约有三、四家业者(Cree、Norstel、新日铁住金等)能提供稳定的产量,但似乎这个领域正在面临不同的变化。

首先在全球SiC晶圆领头羊Cree方面,他们加快向汽车领域进军。

今年八月,该公司旗下的Wolfspeed宣布,推出用于电动汽车(EV)和可再生能源市场的新型稳健SiC半导体器件系列E-Series 。据官方介绍,Wolfspeed的E系列是第一个符合汽车AEC-Q101标准并具有PPAP功能的SiC MOSFET和二极管商用系列。该产品使其成为唯一一款符合高湿度和汽车资质的商用SiC MOSFET和二极管系列产品,可为当今电力市场提供最可靠,最耐腐蚀的元件。

而日企昭和电工则在最近一年多里发布了多次SiC扩产声明。

昭和电工表示,该公司之前分别于2017年9月、2018年1月宣布增产SiC晶圆,不过因SiC制电源控制晶片市场急速成长、为了因应来自顾客端旺盛的需求,因此决定对SiC晶圆进行第3度的增产投资。昭和电工SiC晶圆月产能甫于今年(2018年)4月从3,000片提高至5,000片(第1次增产),且将在今年9月进一步提高至7,000片(第2次增产),而进行第3度增产投资后,将在2019年2月扩增至9,000片的水准、达现行(5,000片)的1.8倍。

在代工厂方面,X-Fab在今年九月宣布,计划将其位于德克萨斯州6英寸SiC工艺工厂产能翻番,以满足客户对高效功率半导体器件日益增长的需求。为了使容量翻倍,X-Fab 德州工厂购买了第二台加热离子注入机,用于制造6英寸SiC晶圆。预计到在2019年第一季度及时生产,以满足预计的近期需求。

X-Fab德州工厂的Lloyd Whetzel说:“随着SiC的日益普及,我们早就明白,提高离子注入能力是我们在SiC市场上的持续制造成功的关键。但这只是我们针对特定SiC制造工艺改进的总体资本计划的第一步。这体现了X-Fab对SiC行业的承诺,并保持我们在SiC铸造业务中的领导地位。”

来自我国台湾地区的晶圆代工厂汉磊在今年八月也宣布,决定扩大碳化硅(SiC)产能,董事会决议斥资3.4亿元新建置6吋SiC生产线,为台湾地区第一家率先扩增SiC产能的代工厂,预计明年下半年可以展开试产。据了解,汉磊目前已建立4吋SiC制程月产能约1500片,预计将现有6吋晶圆厂部分生产线改为SiC制程生产线,先把制程建立起来,以满足车载、工控产品等客户强劲需求,因6吋的SiC售价达4000美元(约12万台币),估计每月只要产出2000到3000片,带动营收就可望增加2、3亿元以上。

国产方面,也有玩家跃跃欲试。

根据公开资料显示,今年五月,上海瞻芯电子声称,他们制造的第一片国产6英寸碳化硅(SiC)MOSFET晶圆正式面世。据介绍,该公司2017年7月17日在上海临港科技城正式注册成立;于2017年10月上旬完成工艺流程、器件和版图设计,在10月到12月间完成初步工艺试验;并且从2017年12月开始正式流片,在短短不到5个月内克服种种困难,成功地在一条成熟量产的6英寸工艺生产线上完成碳化硅(SiC) MOSFET的制造流程。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期,为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。

而成立于2006年的北京天科合达更自称是亚太区碳化硅晶片生产制造先行者。

按照他们官方网站的介绍,北京天科合达在国内首次实现碳化硅晶体的产业化,打破了国外长期的技术封锁和垄断,向国内60余家科研机构批量供应晶片(包括半绝缘、导电、沿c轴和偏角度等),推动了碳化硅外延、器件等相关的基础研究,带动南车集团等20多家(包含新成立的5家)企业进入下游外延、器件和模块产业,在国内形成了完整的产业链,推动了我国宽禁带半导体产业的发展。

瀚天天成则是国内另一家专注于碳化硅外延晶片的中美合资高新技术企业。据Digtimes的报道,依赖于由大陆、美、日共同组成的顶尖研发技术团队。公司从2011年成立以来,已经形成三英寸四英寸以及六英寸的完整碳化硅半导体外延晶片生产线,并满足600V、1200V、1700V器件制作的需求。公司更是国内第一家提供商业化6英寸碳化硅外延片的供应商。公司更是预计在今年年底完成二期厂房的土地建设,在明年上半年逐步释放新产能。二期扩建预期实现十倍产能的增长,达产年可实现每年30万片的产能目标。

这些国内外的上游厂商正在推动SiC产业的进一步发展。

下游芯片厂的争相竞逐

为了更好地把握即将爆发的机会,下游的芯片厂也加码卡位。

以英飞凌为例,在今年二月,英飞凌科技股份公司与科锐公司签署一份碳化硅(SiC)晶圆长期供货战略协议。按照英飞凌首席执行官Reinhard Ploss指出:“我们对科锐公司的了解由来已久,它是一家强大可靠的合作伙伴,在业界享有良好声誉。凭借这份碳化硅晶圆长期供货协议,我们能够增强自身在汽车和工业功率控制等战略增长领域的优势,从而为客户创造更大价值。”这是保证英飞凌在SiC批量出货前的有力支持。

至于日前收购的Siltectra,则是英飞凌为提供SiC芯片产量而做的一个决定。据介绍,该公司开发的Cold Split可有效处理晶体材料,并可大幅减少材料损耗。英飞凌将采用此Cold Split技术分割碳化硅(SiC)晶圆,使晶圆产出双倍的芯片数量。英飞凌执行长Reinhard Ploss也表示:“此次收购将协助我们利用新材料碳化矽扩展优异的产品组合。我们对系统的了解以及在薄晶圆方面的独特专业技术将和Cold Split技术及Siltectra的创新能力相辅相成。Cold Split技术有助于我们以更多的SiC晶圆量产SiC产品,进一步扩展在再生能源,以及推动SiC在电动车传动系统的使用率。”

英飞凌工业功率控制部门副总裁、大中华区副总裁于代辉在之前在接受半导体行业观察采访时也表示,英飞凌在SiC方面的研究已经超过了十五年,近年来更是投入三千五百万欧元对SiC设备和相关工艺的研发,并和可靠6英寸SiC晶圆供应商建立了可靠的合作关系,保证了其SiC晶圆的供应;再加上他们顶尖的研发和技术支持团队加持,英飞凌的SiC研发进展顺利,并推出了CoolSiC系列产品。

来到SiC的另一个重要玩家罗姆方面,作为功率元器件的新材料,罗姆很早就关注到SiC,并与用户以及大学等机构一起展开合作,不断积累技术经验。据他们表示,在2009年将专门做SiC材料的德国SiCrystal公司纳入旗下之后,公司确立了垂直统合生产体制,也让公司成为全球唯一一家可以实现一条龙生产的SiC厂商。能从晶圆到封装的所有工序均开展了品质改善活动。

在2010年4月,罗姆也率先在日本开始了SiC二极管的量产。同年12月,确立了世界首个SiC晶体管的量产体制。2012年3月,在全世界率先开始了全SiC功率模块的量产。目前,罗姆已实现第三代SiC MOSFET和SiC SBD产品的量产。近期,又推出了1700V 250A全SiC功率模块新产品。与此同时,罗姆发挥综合性半导体厂商的优势,备有发挥SiC元器件优秀性能的控制IC、以及支持客户使用环境的评估和仿真工具等。因此,可为客户提供以先进SiC功率元器件为首的综合电源解决方案。本月初在接受日本媒体采访时,罗姆方面表示,希望到2025年能够将市场份额提高到三成。

至于意法半导体,因为其SiC产品被全球的电动车明星特斯拉采用,他们在这个市场的表现也不容忽视。而在文章的开头,我们也说到了他们CEO对其现状的一些介绍。据公司官网介绍,意法半导体从1996年开始从事碳化硅技术研发。在半导体市场推出一项新技术,质量高、寿命长,成本有竞争力是基本要求。意法半导体战胜了这种宽带隙材料的量产挑战,于2004年开始生产其首款SiC二极管。2009年,意法半导体的第一款 SiC MOSFET投产,此后又增加了1200V的SiC MOSFET和功率肖特基二极管,以完善原来的650V产品组合。

随着市场竞争愈演愈烈,基础材料的成本不断降低,碳化硅的供应链变得越来越稳健。意法半导体一直在努力改善材料和工艺质量。随着材料和基于SiC技术的产品 变得更加成熟,意法半导体研制出正在成为汽车电气化的关键推动力的汽车级SiC功率器件。

意法半导体的6英寸碳化硅晶圆于2017年投产,生产规模扩大有助于降低芯片成本,提高市场供应量,满足日益增多的SiC应用的需求(包括更多的太阳能逆变器、工业电机驱动器、家用电器和电源适配器)。

其他诸如安森美、东芝、富士电机、三菱、、Littelfuse、通用电气和GeneSiC等公司也都是SiC市场的重要玩家,他们都在摩拳擦掌,虚位以待。

还需跨过这几道坎

无论从市场反应,还是公司的表现来看,SiC器件似乎真的到了即将爆发的时候,但是从整体上看,还需要跨过几道坎。首先,按照罗姆的说法,和Si相比,SiC的成本较高。如何提高成本竞争力,是SiC能够爆发的一个关键条件。

从技术上看,SiC也需要迎来几方面的挑战。

瀚天天成电子科技销售副总裁司马良亮在接受台媒CTIMES采访时谈到,由于碳化硅的生产瓶颈尚未解决,原料晶柱的品质不稳定,造成整体市场无法大规模普及。另一个发展限制,则是在碳化硅元件的应用与设计上。司马良亮表示,由于硅晶圆问世已久,而且行之有年,有非常完整的工具与技术支撑,因此绝大多数的芯片工程师只熟悉硅元件的芯片开发,但对于碳化硅元件的性能与用途,其实不怎么清楚。

他甚至用“博士”和“小学生”,来对比目前硅晶与碳化硅之间的知识落差。也因为有这样的知识上的落差,造成碳化硅元件在发展上更加缓慢。

“工程师对碳化硅元件本身的性能就已经不太清楚,再加上晶圆品质的不稳定,导致元件的良率与可靠度不足,让整个的产业发展非常缓慢”,司马良亮说道。

如果这些问题能终有一日解决,SiC的时代那就真的真正来临了。

 

来源:内容由 微信公众号 半导体行业观察(ID:icbank) 李寿鹏 原创,谢谢

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