SiC，準(zhǔn)備好爆發(fā)了嗎？

自1991 年第一批晶圓發(fā)布后，SiC 的發(fā)展相當(dāng)緩慢，僅僅 20 年后就推出了第一個(gè)全 SiC 商用 MOSFET。最終，是特斯拉及其 400V 逆變器在 2018 年將這種復(fù)合材料推向了前沿。從那時(shí)起，人們對(duì)具有高功率密度、效率和高溫性能的基于 SiC 的產(chǎn)品的興趣越來越大，令人高興的汽車細(xì)分市場正在尋找一種解決方案來滿足引擎蓋下應(yīng)用的要求。

出于與汽車相同的原因，碳化硅已開始在能源領(lǐng)域找到自己的位置，并可能 在未來十年內(nèi)進(jìn)入高功率工業(yè)應(yīng)用。然而，這并不是 SiC 故事的結(jié)局。隨著特斯拉宣布其未來動(dòng)力總成中減少碳化硅，市場價(jià)值和技術(shù)都可能根據(jù) OEM 的選擇而改變。

按照yole預(yù)測，全球SiC器件產(chǎn)能到2027年將增長兩倍，排名前五的公司是：ST、英飛凌、Wolfspeed、onsemi和ROHM。Yole Intelligence的分析師預(yù)測，未來五年SiC器件市場價(jià)值將達(dá)到60億美元，并可能在2030年代初達(dá)到100億美元。2022年，器件和晶圓級(jí)領(lǐng)先的SiC廠商如下圖所示：

在其報(bào)告中，Yole SystemPlus 分析了當(dāng)前可用的器件設(shè)計(jì)技術(shù)。該公司比較了多達(dá) 14 個(gè)橫截面的 1200 V 晶體管。大多數(shù)廠商都采用平面工藝（onsemi、Wolfspeed、Microsemi……），只有兩家選擇了設(shè)計(jì)復(fù)雜得多的溝槽 MOSFET（ROHM Semiconductor 和 Infineon）。ST Microelectronics 和 Mitsubishi 等其他市場領(lǐng)導(dǎo)者也押注于溝槽工藝，但迄今未獲成功。

Yole SystemPlus 深入挖掘，揭示了兩個(gè)領(lǐng)先廠商在三代晶體管中采用的設(shè)計(jì)策略的演變。通過從平面（第 2 代）工藝切換到溝槽工藝（第 3 代），ROHM 在短短四年內(nèi)將 FoM（品質(zhì)因數(shù)，Rdson*Qg）和間距尺寸減小了 50%。使用下一代更先進(jìn)的溝槽工藝，這些結(jié)果得到了進(jìn)一步改善。與此同時(shí)，Wolfspeed 更傾向于專注于采用擴(kuò)散 MOS 工藝的平面設(shè)計(jì)，該工藝在第一代和第三代之間將芯片尺寸和 FoM 減少了 50%。在比較兩個(gè)競爭對(duì)手的最新一代晶體管時(shí)，一切都?xì)w結(jié)為間距尺寸的減小，RHOM 的溝槽版本在這方面遙遙領(lǐng)先。

然而，這種溝槽 MOSFET 更復(fù)雜，因此制造成本更高。此外，由于此設(shè)計(jì)更難控制柵極氧化層厚度，因此柵極溝槽中的薄弱區(qū)域可能會(huì)挑戰(zhàn)組件可靠性。

盡管數(shù)字和新興的并購活動(dòng)往往表明人們對(duì)這種復(fù)合材料越來越感興趣，但只有找到解決目前阻礙 SiC 更廣泛采用的三個(gè)主要障礙的解決方案，才能確定其在電力電子領(lǐng)域的預(yù)期地位。

一、成本

迄今為止，SiC 模塊的成本無法提供在除高端以外的電動(dòng)汽車上普及該技術(shù)的可能性。出于同樣的原因，以 3300 V 為其高功率應(yīng)用目標(biāo)的工業(yè)部門仍然不愿涉足 SiC，并且仍然依賴于 Si IGBT 選項(xiàng)。根據(jù) Yole SystemPlus 的分析，基板制造和外延階段的成本占晶圓總成本的 59%（1200 V SiC MOSFET 的平均成本），其次是前端工藝的良率損失 (24%)。在裸片安培成本水平上，Wolfspeed 和 ROHM Semiconductor 表現(xiàn)最好，證實(shí)了對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的控制在競爭中具有明顯的優(yōu)勢。為了降低成本，正在考慮幾種情況。由 Wolfspeed、II-IV Incorporated、現(xiàn)在是 Coherent，而 SiCrystal 正在進(jìn)行中。然而，質(zhì)量問題仍在延遲實(shí)際啟動(dòng)，現(xiàn)在預(yù)計(jì)在 2025 年。與 Si 生產(chǎn)線兼容的新興技術(shù)工程 SiC 襯底，以及晶圓工藝創(chuàng)新也在開發(fā)中。

二、可靠性

盡管集成到商業(yè)化的汽車系統(tǒng)（特斯拉和 Lucid Air 逆變器/豐田 Mirai II 升壓轉(zhuǎn)換器），但沒有足夠的證據(jù)證明 SiC 產(chǎn)品的長期可靠性。這是導(dǎo)致工業(yè)部門持觀望態(tài)度的另一個(gè)論點(diǎn)。

三、封裝

要充分受益于 SiC 技術(shù)優(yōu)勢，必須找到合適的封裝解決方案。問題就在這里：雖然在 Si IGBT 的情況下有多種經(jīng)過驗(yàn)證的選擇，但 SiC MOSFET 的封裝選項(xiàng)仍處于起步階段，并且僅展示了 Denso、Wolfspeed 和 ST Microelectronics 開發(fā)的少數(shù)設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)包括高溫兼容和低損耗材料，無論是在基板（具有良好散熱性能的材料，如 AlN 和 AMB-Si3N4）、封裝（高溫環(huán)氧樹脂或硅凝膠）、芯片附著（如銀燒結(jié)) 或互連（具有低電感互連，例如頂部 Cu 引線框）。在提供標(biāo)準(zhǔn)化解決方案之前，還有很多工作要做。

Wolfspeed大幅擴(kuò)產(chǎn)帶來的新變數(shù)

2 月 1 日，Wolfspeed 和采埃孚宣布建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，目標(biāo)是面向移動(dòng)、工業(yè)和能源應(yīng)用的未來碳化硅半導(dǎo)體系統(tǒng)和設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是在歐洲建立重要的 SiC 生產(chǎn)能力。

Wolfspeed 在德國的新工廠將成為世界上最大的 8 英寸專用 SiC 器件工廠，也是歐洲唯一一家能夠大批量生產(chǎn) 8 英寸 SiC 晶圓的工廠（不包括 STMicroelectronics 的一些 SiC 兼容產(chǎn)能）。此舉將鞏固 Wolfspeed 在 SiC 晶圓領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)也將目標(biāo)鎖定在目前由歐洲公司主導(dǎo)的 SiC 器件市場。

通過其位于美國紐約的現(xiàn)有晶圓廠，Wolfspeed 是世界上唯一一家可以量產(chǎn) 8 英寸 SiC 晶圓的公司。這種主導(dǎo)地位將在未來兩到三年內(nèi)持續(xù)，直到更多公司開始建設(shè)產(chǎn)能——最早的是意法半導(dǎo)體將于 2024-5 年在意大利開設(shè)的 8 英寸 SiC 工廠。

美國在 SiC 晶圓領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，Wolfspeed 與 Coherent (II-VI)、onsemi 和 SK Siltron css 一起，后者目前正在擴(kuò)建其在密歇根州的 SiC 晶圓生產(chǎn)設(shè)施。另一方面，歐洲在 SiC 器件方面處于領(lǐng)先地位。

“英飛凌科技和意法半導(dǎo)體等歐洲企業(yè)通過從美國、歐洲和中國采購 6 英寸晶圓來保持這一領(lǐng)先地位。但隨著 Wolfspeed 通過內(nèi)部獨(dú)家供應(yīng) 8 英寸晶圓擴(kuò)展到歐洲，歐洲公司能夠采購更大直徑的晶圓變得越來越重要。STMicroelectronics 的意大利工廠將有助于創(chuàng)造一些供應(yīng)，但 Wolfspeed 的直接主導(dǎo)地位使其在獲得更多 SiC 設(shè)備業(yè)務(wù)方面具有競爭優(yōu)勢?！盰ole Intelligence 專業(yè)從事化合物半導(dǎo)體和新興基板的技術(shù)與市場高級(jí)分析師說。

更大的晶圓尺寸是有益的，因?yàn)楦蟮谋砻娣e會(huì)增加單個(gè)晶圓可以生產(chǎn)的器件數(shù)量，從而降低器件級(jí)別的成本。截至 2023 年，我們已經(jīng)看到多家 SiC 廠商展示了用于未來生產(chǎn)的 8 英寸晶圓。

Yole Intelligence 電源和無線部門化合物半導(dǎo)體和新興基板活動(dòng)的團(tuán)隊(duì)首席分析師Ezgi Dogmus 博士則強(qiáng)調(diào)：“然而，其他主要 SiC 廠商決定不再只專注于 8 英寸，而是將戰(zhàn)略重點(diǎn)放在 6 英寸晶圓上。雖然轉(zhuǎn)向 8 英寸是許多 SiC 器件公司的議程，但更成熟的 6 英寸襯底的預(yù)期產(chǎn)量增加——以及隨后成本競爭的增加，可能會(huì)抵消 8 英寸的成本優(yōu)勢——導(dǎo)致 SiC未來專注于兩種尺寸的玩家。例如，Infineon Technologies 等公司并沒有立即采取行動(dòng)來提高 8 英寸產(chǎn)能，這與 Wolfspeed 的戰(zhàn)略形成鮮明對(duì)比”。

然而，Wolfspeed 與涉及 SiC 的其他公司不同，因?yàn)樗粚Ｗ⒂谠摬牧稀＠?，英飛凌科技、安森美和意法半導(dǎo)體——它們是電力電子行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者——在硅和氮化鎵市場也有成功的業(yè)務(wù)。這個(gè)因素也影響了 Wolfspeed 和其他主要 SiC 廠商的對(duì)比戰(zhàn)略。

Yole Intelligence 認(rèn)為，到 2023 年，汽車行業(yè)將占 SiC 器件市場的 70% 至 80%。隨著產(chǎn)能的提升，SiC 器件將更容易用于電動(dòng)汽車充電器和電源等工業(yè)應(yīng)用，以及綠色能源應(yīng)用比如光伏和風(fēng)能。然而，Yole Intelligence 的分析師預(yù)測，汽車仍將是主要驅(qū)動(dòng)力，其市場份額預(yù)計(jì)在未來 10 年內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)各地區(qū)引入電動(dòng)汽車目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和不久的將來的氣候目標(biāo)時(shí)，情況尤其如此。

硅 IGBT 和硅基 GaN 等其他材料也可能成為汽車市場 OEM 的一種選擇。Infineon Technologies 和 STMicroelectonics 等公司正在探索這些基板，特別是因?yàn)樗鼈兙哂懈叱杀靖偁幜Σ⑶也恍枰獙ｉT的晶圓廠。Yole Intelligence 在過去幾年一直密切關(guān)注這些材料，并將它們視為未來 SiC 的潛在競爭者。

Wolfspeed以8英寸產(chǎn)能進(jìn)軍歐洲，無疑將瞄準(zhǔn)目前由歐洲主導(dǎo)的SiC器件市場。但隨著不同策略的發(fā)揮，未來幾年市場將如何演變將是一件有趣的事情。

審核編輯 ：李倩