国产碳化硅进击8英寸工艺节点 最佳“掘金”窗口期步入倒计时
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证券时报记者 阮润生
在新能源汽车、光伏、储能等市场持续推动下，国产碳化硅产业商业化持续推进，获得国际功率半导体巨头青睐和结盟，积极追赶更为先进的8英寸工艺节点，碳化硅产品价格有望步入“甜蜜点”。另一方面，碳化硅产业呈现跑马圈地的扩张态势，竞争日趋激烈，甚至有头部厂商已经喊话碳化硅创业窗口期已经接近关闭。
获国际龙头青睐
“在碳化硅产业链当中，目前国内与国际差距最小的是碳化硅衬底，除了一些特别高端的衬底材料外，国内衬底已可大规模出口。”北京大学宽禁带半导体研究中心主任沈波教授日前在集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上介绍。
今年5月，天岳先进、天科合达签约英飞凌，供货碳化硅6英寸衬底、合作制备8英寸衬底，6月三安光电与意法半导体结盟升级，斥资32亿美元共建8英寸碳化硅外延、芯片合资代工厂，并计划通过三安光电全资子公司，投入70亿元建设年产48万片/年的8英寸碳化硅衬底。近日中电化合物也宣布与韩国Power Master签订了长期供应8英寸在内的碳化硅材料的协议，公司预计未来3年碳化硅产能将达到8万片。
在碳化硅产业链中，碳化硅衬底和外延片的价值量占比超过一半，并且成为决定碳化硅器件品质的关键，市场由美国Wolfspeed（科锐公司）、Coherent（原贰陆公司）和日本罗姆等厂商垄断。碳化硅衬底单晶材料可分为导电型衬底和半绝缘型衬底。其中，导电型衬底主要应用于电动汽车、新能源、储能等碳化硅电力电子器件领域。
今年来，国际功率半导体巨头已经频频联手国产碳化硅衬底、材料等环节巨头，进军8英寸碳化硅。这背后，一方面是国际龙头对国产碳化硅衬底厂商技术进步的认可，另一方面也是看中中国新能源市场机遇，寻求本地化供应。据接近三安意法半导体合资事项人士向证券时报记者透露，意法半导体和三安光电在重庆建厂，正是瞄准中国的汽车市场，重庆拥有长安等车企，方便就近供应客户。
根据Yole预测，2021~2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.9亿美元增长到62.97亿美元，保持年均34％的复合增速。其中，车规级市场是碳化硅最主要的应用场景，有望从2021年6.85亿美元增长至2027年49.86亿美元。
在新能源产业强劲需求下，全球碳化硅产业步入高速成长期，碳化硅衬底仍处于供不应求状态。而碳化硅衬底在功率元器件中成本占比接近50%，成为决定品质的关键环节，也成为国际巨头布局碳化硅产业的抓手之一，纷纷抢占8英寸先机，甚至将量产时点提前至今年。
意法半导体此前就与Soitec合作来量产8英寸SiC衬底；碳化硅衬底龙头Wolfspeed在去年、今年相继启动两座8英寸碳化硅工厂；日本半导体厂商罗姆预计将于2023年开始量产8英寸碳化硅衬底；德国功率半导体厂商英飞凌计划在2023年开始量产8英寸衬底，2025年量产8英寸碳化硅器件；Coherent在2022年3月宣布将在美国伊斯顿大规模建设近30万平方英尺的工厂，以扩大6英寸和8英寸SiC衬底和外延晶片的生产。
业内人士介绍，Wolfspeed和罗姆早在2015、2016年左右就已经发布了8英寸碳化硅产品，但是8英寸产品大规模的验证和导入是近一两年才开始的，国内的衬底厂家也是紧随其后，在2022年开始相继发布8英寸产品，逐步缩小与国外差距。
厂商抢占8英寸风口
“目前产业主流芯片技术还是6英寸技术，但美国Wolfspeed公司已开始8英寸的商业化生产，国内少数厂家可以示范或小规模供货8英寸衬底，但还没有形成大规模供货能力。”沈波指出，8英寸碳化硅技术成熟度和价格相对6英寸技术还不具备竞争优势，发展前景关键看未来新能源汽车等市场的需求规模。
据不完全统计，国内有十余家企业与机构在研发8英寸碳化硅衬底，包含烁科晶体、晶盛机电、天岳先进、南砂晶圆、同光股份、中科院物理所、山东大学、天科合达、科友半导体、乾晶半导体等。
合盛硅业也在5月21日披露8英寸碳化硅衬底研发顺利，已经实现了量产；晶升股份最新在投资者互动平台上称，近日公司已开始8英寸碳化硅长晶设备的批量生产。晶盛机电通过自有籽晶经过多轮扩径，成功生长出8英寸N型碳化硅晶体，加速大尺寸碳化硅晶体生长和加工技术自主可控。
另外，设备厂商推出兼容6英寸与8英寸设备。盛美上海并在今年3月份盛美上海宣布首次获得Ultra C SiC碳化硅衬底清洗设备的采购订单，该设备兼容6英寸和8英寸，每小时可达70多片晶圆的产能，可避免薄且易碎的碳化硅衬底的碎片。北方华创作为A股半导体设备巨头，公司负责人此前出席功率及化合物半导体论坛时介绍，公司可以提供碳化硅的全套解决方案。此外，晶盛机电最新还宣布研发出具有国际先进水平的8英寸单片式碳化硅外延生长设备，可兼容6、8寸碳化硅外延生产。
即便碳化硅产业当前主流仍以6英寸衬底为主，但进军8英寸衬底被视为降低成本的关键之举。上升至碳化硅器件层面，当前成本仍高于硅器件3到5倍。特别是今年3月份碳化硅旗手特斯拉倒戈，喊话未来减少75%碳化硅用量，被视为施压供应商意法半导体降低成本之举。而意法半导体车规级碳化硅出货量突破1亿，2022年的SiC产能比2020年增长了2.5倍以上，依旧供不应求。
据广东芯聚能半导体有限公司CEO周晓阳推测，特斯拉喊话的本质，就是出于碳化硅成本高昂、供不应求两大背景。从下游应用层面，预计未来整车厂商需要使用到60度电以上平台才会全面考虑使用碳化硅。
龚瑞骄向记者分析，特斯拉所提出的减少碳化硅用量可能会通过技术更新或是使用其他方案来实现，比如将碳化硅器件从平面型转换为沟槽型，或是采用碳化硅器件与硅基IGBT共同封装的方案等，来达到其预期。据预测，2022年800V的汽车市场在BEV市场的渗透率是3%， 2026年渗透率将提升到15%左右。
另外，特斯拉以技术研发降低碳化硅应用成本，将对国内新能源汽车品牌造成更大的价格竞争压力，倒逼国内新能源车企寻找降低成本的替代方案，也为国内碳化硅企业快速跟上国际碳化硅产业发展水平的创新机遇。而衬底层面成本下降成为关键。
碳化硅衬底厂商以及上游材料厂商进一步介绍，相对于6英寸，8英寸的面积增加了78%左右，由于边缘损耗减少，同等条件下从8英寸衬底切出的芯片数会提升将近90%，因此，尺寸越大晶片的利用面积也越大。据集邦预测，碳化硅6英寸市场将从2022年的107万片成长到2026年的569万片。同时8英寸的产品也在进入市场，市占率将从当前不到2%，提升至2026年15%左右。
产业链攻坚磨合
不过，衬底材料是碳化硅产业中最具挑战性的环节。碳化硅衬底既硬且脆，切割、研磨、抛光的难度都很高，对加工工艺、原材料供应、设备磨合等各个环节考验很高，如何实现8英寸衬底量产难关成为衡量碳化硅产业发展的重要指标之一。
天科合达已经实现8英寸衬底小批量出货。天科合达负责人表示，随着碳化硅尺寸变大，对生长温场、衬底质量和稳定性有更严格的要求，并且还需要重点解决应力开裂、翘曲度过大等问题。
最为关键的是，要实现8英寸的碳化硅衬底价格要比6英寸更有优势，还需要解决衬底“厚度”这道障碍。据介天科合达负责人绍，目前6英寸衬底对应厚度是350微米，8英寸的厚度达到500微米，尺寸带来的成本优势，又会因为衬底厚度大而下降。另外，规模化生产，还需要充足的8英寸碳化硅籽晶供应，这对未来也是个挑战。
“8英寸衬底市场化需要上下游通力合作，包括原材料、设备的保障，只有大家紧密协同，才能共同解决8英寸产业化的难题。”天科合达负责人表示。
碳化硅衬底产业包括粉体合成、碳化硅单晶生长以及加工环节，其中，碳化硅单晶生长最为核心。在该领域，烁科晶体目前技术水平和产业规模位居国内领先水平。2021年9月烁科晶体长出了8英寸的碳化硅单晶，2022年年初制备出8英寸碳化硅单晶衬底，2023年产能目标是年产高纯晶片5万片，N型晶片30万片。
烁科晶体总经理助理马康夫介绍，当前扩产的瓶颈不在长晶，主要在加工环节，目前加工产能不能匹配晶体产能的扩张，有一部分原因是加工的设备国产化程度还不是很高，导致生产受交期影响。
多位碳化硅产业人士向记者透露，当前碳化硅产业中，粒子注入器设备最为紧缺，且以海外进口为主，交期往往长达12个月甚至更久。在此背景下，一些具有加工技术积累和设备资源的企业就开始布局代加工行业，如果成本控制得当，有望形成独立的细分领域。
在碳化硅代工领域，落地广州南沙的芯粤能项目也在迅速推进。日前芯粤能董事长肖国伟宣布，公司碳化硅晶圆芯片生产线已顺利进入量产阶段，各方面的测试数据良好，正陆续交付多家客户主机厂送样验证。根据规划，公司总投资75亿元，分别建设年产24万片6英寸、24万片8英寸碳化硅晶圆生产线，预计今年年底前完成月产6英寸碳化硅芯片1万片的产能建设。
芯粤能半导体总裁徐伟向记者表示，芯粤能定位以车规和工控器件作为主打，聚焦碳化硅的芯片制造和功率器件，实现产业规模化和技术专业化，预计在今年年底前完成月产1万片的产能建设。
掘金窗口期收紧
虽然面临重重障碍，但碳化硅有望突破成本障碍。
中电化合物的总经理潘尧波在中国·南沙国际集成电路产业论坛上介绍，公司已正式向国内外市场供应商业化的碳化硅或氮化镓材料，产品通过了车规级的验证，预计今年车规市场将会提速，光伏、储能等将在2025年加速渗透。
“考虑原料降价，良率的提升，以及叠加性能考虑，碳化硅有望突破成本的障碍，碳化硅MOSFET有望在2023年进入‘价格甜蜜’。”潘尧波表示，今年8月份，公司第一批8英寸碳化硅外延片将会向客户交货，考虑龙头企业规划，预计国产8英寸碳化硅将在2025年左右起量，并且凸显出相对6英寸的性价比优势。
从投资强度来看，行家说的数据显示，中国碳化硅半导体产业2022年吸金超过2400亿元，其中，衬底和芯片环节成为投资强度最大领域。另外，根据第三方数据，去年碳化硅产业已披露的扩产投资金额达到1272.63亿元（不含光电），较2021年增长了36.7%。
业内人士介绍，碳化硅衬底材料等环节的投资门槛相对较低，长晶设备已经实现国产化，企业可迅速建厂、拿到融资，但持续 “掘金”碳化硅赛道难度会加大，而且随着供不应求局面缓解，最佳“掘金”窗口期正在收窄甚至步入倒计时。
马康夫表示，碳化硅技术壁垒相对比较高，国内头部企业都经历了十年以上技术积累，碳化硅本身从长晶到加工成片需要近一个月的时间，因此，技术迭代需要较长时间。而且导入窗口期有限，碳化硅功率器件要上车，对供应链的要求非常严苛，验证周期也比较长。
“目前来讲碳化硅衬底还是供不应求的状态，大家现在有机会去拓展一些客户资源；但是待到供需平衡再去拓展客户资源就相对比较困难了，所以现在各个厂家也是在快马加鞭地扩产、跑马圈地，快速拓展自己的客户资源。”马康夫表示，毕竟用户端不会有很多精力管理很多供应商，最终只可能保留几家稳定供应。
整车厂商在积极跑马圈地，从碳化硅衬底材料到芯片模块层面，加速上车。
最新消息显示，斯达半导与深蓝汽车组建了合资公司，开展车规级功率半导体模块合作，去年3月三安光电与理想成立合资公司，布局车用碳化硅芯片以及模块，长城汽车联手同光半导体，推动碳化硅材料和芯片产业化，另外吉利联合芯聚能布局车规级功率半导体产品。
从产业发展规律来看，各个环节最终存活的公司数量有限。
周晓阳表示，虽然碳化硅市场的前景非常广阔，但是碳化硅产业创业的时间窗口几近关闭，“在芯片制造、封测、外延等每个环节中，最多能好好活3至5家企业。”周晓阳以马拉松为比喻，目前赛程已经进入中段，后发者逆袭夺冠的概率很小。