第三代半導體爭奪戰(zhàn)開啟，國內(nèi)外供應商競爭正烈
2024-9-4 13:36:14??????點擊：
第三代半導體爭奪戰(zhàn)開啟，國內(nèi)外供應商競爭正烈
來自第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2023年，全球SiC/GaN功率電子市場規(guī)模約30.7億美元，純電動和混合動力汽車(EV/HEV)市場占比約70%，是核心市場驅(qū)動力。Yole預計，在消費電子、數(shù)據(jù)中心和新能源汽車的帶動下，2029年全球GaN市場容量將達到22億美元，未來5年復合增長率為29%；而受到工業(yè)和汽車應用的推動，SiC的市場規(guī)模將在2029年達到100億美元。
芯片和器件制造環(huán)節(jié)上，國際龍頭企業(yè)業(yè)績均實現(xiàn)高速增長。意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)、Wolfspeed、安森美(onsemi)、羅姆(ROHM)的SiC器件業(yè)績較上年同期分別增長了50%以上。5家企業(yè)保持高速擴張，設定的業(yè)績目標均為在2030年實現(xiàn)SiC功率電子市占率30%-40%。根據(jù)2023年企業(yè)財報測算，5大龍頭的總體市占率達到82%，產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)。
中國市場方面，據(jù)CASA Research(第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟第三代半導體產(chǎn)業(yè)研究院)統(tǒng)計，2023年中國SiC/GaN功率器件模組市場規(guī)模約為153.2億元人民幣，同比增長45%。第三代半導體在功率電子領(lǐng)域滲透率超過12%，開始進入高速增長階段。這其中，新能源汽車(包括充電基礎(chǔ)設施)是第三代半導體功率電子最大的應用領(lǐng)域，整體市場占比70.67%，其次是消費類電源和PFC(功率因數(shù)校正)，分別占比是 11.16%和5.78%。
SiC產(chǎn)能一升再升
碳化硅(SiC)作為半導體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以其又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導體材料”。
SiC最初的應用場景主要集中在光伏儲能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務器UPS電源(不間斷電源)和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣、機械和熱性質(zhì)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。
在特斯拉(Tesla)為其Model 3/Model Y主驅(qū)逆變器采用SiC器件之后，SiC的示范效應被迅速放大，xEV汽車市場很快成為SiC市場興奮的源泉。2020年，比亞迪高端車型“漢”也搭載了SiC器件，預計2024年，比亞迪將在旗下的電動車中實現(xiàn)SiC器件對硅基IGBT器件的全面替代，使整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升10%。
但在過去的兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級玩家已經(jīng)意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設。
以安森美為例，早在2021年11月，安森美就宣布收購SiC晶圓襯底供應商GTAT，旨在增強自身SiC的供應能力。而在更早之前的2019年，安森美還與科銳(CREE)簽署了SiC晶圓多年期供應協(xié)議。此外，在投資擴產(chǎn)政策的支持下，2022年8月，安森美位于美國新罕布什爾州哈德遜(Hudson, New Hampshire)的SiC工廠落成，該基地將使安森美到2022年底的SiC晶圓產(chǎn)能同比增加五倍；9月，安森美宣布擴建位于捷克共和國Roznov的SiC工廠，預計在未來兩年內(nèi)，這一擴建將使該基地的SiC產(chǎn)能提高16倍。
得益于此，過去兩年里，安森美在SiC襯底產(chǎn)能、裸芯片產(chǎn)能、封裝產(chǎn)能、以及新產(chǎn)品發(fā)布四大關(guān)鍵領(lǐng)域，分別實現(xiàn)了10倍、12倍、4倍和3倍的增長。
來自英飛凌方面的消息則顯示，繼2021年9月，英飛凌宣布位于奧地利菲拉赫的300毫米薄晶圓功率半導體芯片工廠正式啟動運營；2022年2月，宣布斥資逾20億歐元，在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區(qū)用于生產(chǎn)碳化硅和氮化鎵功率半導體產(chǎn)品之后，2023年2月，又與Resonac Corporation(原昭和電工)簽署了全新的SiC多年期供應和合作協(xié)議。協(xié)議顯示，英飛凌未來十年用于生產(chǎn)SiC半導體的SiC材料中，約占兩位數(shù)份額將由Resonac供給。
今年6月，意法半導體宣布將在意大利卡塔尼亞打造一座集8英寸SiC功率器件和模塊制造、封裝、測試于一體的綜合性大型制造基地。該項目總投資額約為50億歐元，預計2026年運營投產(chǎn)，在2033年前達到全部產(chǎn)能，全面落成后，晶圓產(chǎn)量可達1.5萬片/周。
羅姆也制定了積極的產(chǎn)能擴張計劃，準備在2021-2025年為SiC業(yè)務投入1,700-2,200億日元，這一計劃的實現(xiàn)將依托于羅姆位于宮崎的兩個基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預計到2025年羅姆的SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。
以上只是全球SiC行業(yè)投資擴產(chǎn)熱情的一個縮影，據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年全球公開披露的SiC相關(guān)擴產(chǎn)項目就有121起，總投資金額高達260億美元。其中，來自中國的擴產(chǎn)項目就有97起，包括：天岳先進將上海臨港工廠6英寸SiC 襯底生產(chǎn)規(guī)模擴大至每年96萬片；三安光電除了與ST合資，在重慶投資32億美元(約合220億元人民幣)建設8英寸SiC外延與芯片代工廠外，還將單獨投資70億元人民幣在重慶建設8英寸SiC襯底工廠。
全面轉(zhuǎn)向8英寸
SiC功率器件價格目前是同規(guī)格Si功率器件價格的4倍左右，且器件成本中襯底占總成本約40%左右?？紤]到具有競爭力的成本和穩(wěn)定的供應量，是SiC功率電子大規(guī)模應用的關(guān)鍵，為此業(yè)界將8英寸作為主要實現(xiàn)手段并不令人感到意外。從Yole數(shù)據(jù)來看，盡管2023年全球有超過11家企業(yè)宣布了8英寸SiC材料擴產(chǎn)計劃，但從實際出貨量來看，8英寸SiC襯底僅占2%，規(guī)模量產(chǎn)仍在緩慢推進中，產(chǎn)業(yè)化是不及預期的。
行業(yè)生產(chǎn)目前仍以6英寸主，SiC從6英寸向8英寸過渡的難點，主要來自工藝層面，包括擴徑生長、溫場控制、晶體切磨拋，以及晶圓加工的一致性、穩(wěn)定性、良率等挑戰(zhàn)。但隨著上述問題的逐步突破，8英寸規(guī)模量產(chǎn)將助力SiC功率電子器件成本快速降低，對應用市場拓展形成有力推動。
集邦咨詢旗下化合物半導體市場此前對中國主流SiC企業(yè)的8英寸襯底進度進行了統(tǒng)計，目前中國有10家企業(yè)和機構(gòu)在研發(fā)8英寸襯底，包含爍科晶體、晶盛機電、天岳先進、南砂晶圓、同光股份、中科院物理所、山東大學、天科合達、科友半導體、乾晶半導體等。而從其他國家的情況看，Wolfspeed、ROHM、英飛凌、ST等國際碳化硅大廠已經(jīng)紛紛邁入8英寸，這些廠商的量產(chǎn)節(jié)點也紛紛提前到今年。
SiC轉(zhuǎn)向8英寸的市場動力還源于越來越激烈的市場競爭，以及全球各大公司一直在擴大碳化硅襯底外延方面的產(chǎn)能，導致行業(yè)對于產(chǎn)能過剩的擔憂。根據(jù)CASA Research預測，到2027年，中國宣布的SiC襯底產(chǎn)能將占全球產(chǎn)能40%以上。以往，中國6英寸碳化硅襯底通常只比國際供應商的報價低5%左右，而最近價格差異已經(jīng)擴大至30%。
另一方面，隨著全球電動汽車市場需求的疲軟，碳化硅需求有所縮減，供應廠商們?yōu)榱藫寠Z訂單，也在不斷降低價格。在意法半導體、英飛凌、羅姆、Wolfspeed、安森美和X-fab等多家頭部企業(yè)發(fā)布的財報中我們也看到，部分企業(yè)調(diào)低了碳化硅的營收增長目標。
車用功率器件仍是主”戰(zhàn)場“
從物理特性來看，SiC與硅材料的電子遷移率相差不大，但其禁帶寬度、擊穿電壓、熱導率和電子遷移速度分別是硅材料的3倍、8倍、4倍和2倍。同時，高達9.5的莫氏硬度也高出硅材料50%。這意味著基于碳化硅材料的功率半導體具有高耐壓、低導通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器(OBC)、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。
事實也的確如此。無論是在低壓400V平臺，還是在高壓800V平臺，碳化硅器件都能為電動汽車帶來顯著的效率提升。不過，盡管碳化硅器件可以工作在更高的結(jié)溫，具有更快的開關(guān)速度和耐壓能力，但這些特性對芯片設計、驅(qū)動優(yōu)化、電路保護、模塊封裝以及系統(tǒng)集成都提出了特別的挑戰(zhàn)。此外，應用碳化硅材料的終端產(chǎn)品在長期可靠性方面的評估和認證仍然具有相當?shù)募夹g(shù)難點。
目前看到的一個明顯趨勢，是隨著汽車制造商對更高能效和續(xù)航能力的追求，整車廠在接下來的兩三年里會發(fā)布更多搭載800V平臺的車型，對SiC功率器件的需求會進一步增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年全球近35家車企共推出了50多款支持800V高壓平臺的車型，主流價位在20萬至30萬元/輛，且“800V+SiC”基本成為高端電動汽車標配。
與新能源汽車市場同步高速發(fā)展的還有充電基礎(chǔ)設施，尤其是在中國市場，新能源汽車與充電樁的配比達到了2.5:1，遠高于歐美8:1的比例。根據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2023 年，中國用于充電基礎(chǔ)設施的第三代功率電子市場約4.2億元人民幣，預計到2027年將達 21.8億元人民幣。這其中，高壓直流快充為SiC功率電子創(chuàng)造的市場機會最大。畢竟，隨著高端電動車型從400V電壓平臺升級至800V，直流快充樁電壓也需提升到800V-1,000V，所用功率器件耐壓則需提高到1,200V。
有意思的是，2020年以來，越來越多的整車企業(yè)開始布局第三代半導體功率電子業(yè)務。國際上整車企業(yè)與半導體供應商基本以戰(zhàn)略合作為主，中國車企則是結(jié)合各家芯片研發(fā)需求及戰(zhàn)略需求，分別采取車企自研、建立合資公司或聯(lián)合研發(fā)，以及戰(zhàn)略投資功率半導體企業(yè)的三種模式。
為GaN打開新機遇的大門
作為寬禁帶半導體家族中的一員，氮化鎵(GaN)功率器件近兩年獲得了比之前更高的關(guān)注度，正逐漸成為第三代半導體材料中最耀眼的一顆新星。
根據(jù)Yole預測，到2028年，GaN功率器件市場的價值將從2021年的1.26億美元增長到20.4億美元，年復合增長率高達49%，消費電子、汽車、電信、數(shù)據(jù)通信等應用對其青睞有加。與此同時，大批廠商也力圖在GaN上實現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)能突破以搶占市場先機，激烈的競爭正快速推動氮化鎵成為降本增效和可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
氮化鎵的優(yōu)勢主要在于開關(guān)速度快、高頻和高功率密度，因此在充電頭、服務器電源、光伏微逆等領(lǐng)域優(yōu)勢很大。客戶在應用氮化鎵時，往往會從系統(tǒng)考慮高頻運行，減小變壓器、電感以及系統(tǒng)的體積，從而最大程度發(fā)揮氮化鎵的優(yōu)勢。
在最具代表性的快速充電市場，借助GaN，智能手機制造商可以制造外殼尺寸更小且性價比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度值使得每瓦美元更低。據(jù)Yole預測，預計到2028 年，功率GaN市場將占電力電子市場的6%以上。其中，消費類快速充電器和適配器仍然是Power GaN的主要驅(qū)動力，新趨勢包括更高功率(高達300W)和“全GaN”充電器，從而導致每個充電器的GaN含量更高。
對于太陽能和風能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)而言，基于GaN的逆變器可以同時應用在低壓側(cè)和高壓側(cè)，以及更高的頻率下運行，從而實現(xiàn)更小、更輕的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，由于開關(guān)損耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，從而帶來兩個優(yōu)勢：一是發(fā)電量更高；二是在同樣的體積下，GaN方案有機會實現(xiàn)一倍以上的功率，從而降低系統(tǒng)的成本。
隨著電池系統(tǒng)向800V演進，支持高壓快充、更大的主驅(qū)功率提升和高功率密度設計成為了新的目標，要求車載電源必須要在功率密度、生產(chǎn)制造性、高可靠性與低成本之間找到平衡，但這不是一件輕松的事情。而主機廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因為氮化鎵在高頻應用上具備優(yōu)勢，可以在確保產(chǎn)品性能的同時實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關(guān)心的。
數(shù)據(jù)中心電源功率密度和轉(zhuǎn)換效率越來越高，是第三代半導體受到青睞的根本原因。目前，服務器電源的功率等級已從800W提升到1.3kW，甚至4kW，因此對功率密度以及效率提出了非常高的要求。氮化鎵的開通與關(guān)斷損耗與碳化硅、硅器件相比下降了50%以上，并且沒有反向恢復損耗，可以輕松滿足鈦金級效率需求，因此在數(shù)據(jù)中心服務器電源中應用越來越多。
從產(chǎn)能布局來看，按照CASA Research的說法，2023年GaN功率電子市場拓展較慢，企業(yè)擴產(chǎn)動力不足，2023年新增投資不足百億元人民幣。已公開披露的22起GaN功率電子擴產(chǎn)項目中，中國擬新建項目11起，披露投資金額為53.8 億元人民幣。新增項目中，器件模塊項目占比較多，金額占比達到58.7%。
頭部企業(yè)中，來自中國的英諾賽科占據(jù)了全球53%以上，中國90%以上的產(chǎn)能，2022年就憑借銷售額與出貨量成為全球最大的氮化鎵企業(yè)。根據(jù)規(guī)劃，英諾賽科在2026年將達到每月7萬片8英寸氮化鎵的產(chǎn)能，基本可以滿足未來市場應用的需求。
建立“SiC+GaN”雙業(yè)務引擎
采用這種雙業(yè)務引擎的目前主要還是國際頭部企業(yè)，目的也很簡單，主要是為搶占市場先機，同時保障供應鏈安全。例如2022年8月，納微半導體(Navitas Semiconductor)正式并購GeneSiC公司，構(gòu)建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導體“雙引擎”戰(zhàn)略；2023年3月，英飛凌宣布斥資8.億美元收購氮化鎵系統(tǒng)(GaN Systems)公司等；此外還有ST并購Exagan，瑞薩收購Transphorm，Qorvo并購UnitedSiC等等。
拓展產(chǎn)品組合，覆蓋更廣泛的應用場景，是該業(yè)務模式帶來的顯而易見的優(yōu)勢。他們可以根據(jù)市場需要靈活部署氮化鎵、碳化硅或硅；可以借助在一種技術(shù)上的積累沉淀助力另一種技術(shù)的開發(fā)；也可以通過采用系統(tǒng)級方法，結(jié)合適用于具體應用的正確技術(shù)，創(chuàng)建性能一流的解決方案，同時降低系統(tǒng)成本，為客戶帶來雙重優(yōu)勢，使自身的最終產(chǎn)品與眾不同。
相比之下，中國第三代半導體功率電子產(chǎn)業(yè)尚處于成長期，企業(yè)規(guī)模整體較小，尚未進入整合并購階段。他們的重要戰(zhàn)略舉措主要體現(xiàn)在三個方面：一是加快產(chǎn)能擴充，不斷投資新項目，以期在即將爆發(fā)的市場中占領(lǐng)一席之地；二是融資和IPO熱情高漲，資本市場相對活躍；三是積極推動國際戰(zhàn)略合作。
如何打造差異化競爭優(yōu)勢
如果將中國企業(yè)和國際大廠放在一起對比，會發(fā)現(xiàn)前者目前仍以Fabless模式為主，更強調(diào)應用創(chuàng)新；而后者普遍采用IDM模式，意在從技術(shù)、成本、出貨量，到制造、封裝、應用，構(gòu)建起全方位的戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。
有行業(yè)人士此前曾對《國際電子商情》表示，要想盡快追趕上國際大廠，并最終打贏這場仗，中國企業(yè)至少要做到以下三點：第一，要比歐美企業(yè)更加勤奮；第二，集中資源打磨更有競爭力的產(chǎn)品，縮短流片時間，加速產(chǎn)品迭代；第三，應用端多給企業(yè)一些機會，這是雙贏的結(jié)局，所以產(chǎn)業(yè)鏈要抱團取暖，分散的小公司很難形成有效的研發(fā)實力，更沒有和國際頭部大廠直接競爭的能力。
從供應鏈的角度來看，目前，國際芯片大廠更愿意通過強強合作的方式，通過質(zhì)量和成本鎖定客戶。而且越來越多的整車廠也非常關(guān)注供應鏈企業(yè)的供應能力、研發(fā)能力和財務狀況，如果不達標，就會遭到淘汰。對中國企業(yè)來說，逐漸趨向頭部效應，通過鎖定上下游合作帶來更強的成本優(yōu)勢和供應能力，也將成為一條必經(jīng)之路。
至于是否也一定要走IDM這條路，目前產(chǎn)業(yè)還存在不同意見。支持者認為一家功率半導體企業(yè)做到一定階段之后，如果想要繼續(xù)做大做強，形成自己的專利壁壘，IDM這條路是一定要走的。畢竟功率半導體專利跟設備、工廠、流程是緊密聯(lián)系在一起的，很難靠別家工廠長期做下去，盡管這條路走起來比較艱辛。
目前來看，雖然中國寬禁帶功率半導體器件從工藝水平來看仍然與國際領(lǐng)先水平相差至少一代，但其產(chǎn)品的封裝水平完全沒有問題，服務響應速度也比國際大廠快。有專家指出，中國企業(yè)在積極發(fā)展過程中要努力提升差異化優(yōu)勢，同實際市場需求相結(jié)合，避免在中低端領(lǐng)域進行產(chǎn)能的盲目擴張，導致產(chǎn)能過剩。
考慮到2024年是對寬禁帶半導體供應鏈的壓力測試之年，對中國設計公司來說，不僅僅要設計出電學性能出色的產(chǎn)品，更要強化從質(zhì)量管理體系到供應鏈管理體系的建設，這是一個系統(tǒng)性的工程，必須要花大力氣。只有如此，產(chǎn)品才能以更好的性能和可靠性，更穩(wěn)定的生命周期供貨，贏得用戶的信心。
來自第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2023年，全球SiC/GaN功率電子市場規(guī)模約30.7億美元，純電動和混合動力汽車(EV/HEV)市場占比約70%，是核心市場驅(qū)動力。Yole預計，在消費電子、數(shù)據(jù)中心和新能源汽車的帶動下，2029年全球GaN市場容量將達到22億美元，未來5年復合增長率為29%；而受到工業(yè)和汽車應用的推動，SiC的市場規(guī)模將在2029年達到100億美元。
芯片和器件制造環(huán)節(jié)上，國際龍頭企業(yè)業(yè)績均實現(xiàn)高速增長。意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)、Wolfspeed、安森美(onsemi)、羅姆(ROHM)的SiC器件業(yè)績較上年同期分別增長了50%以上。5家企業(yè)保持高速擴張，設定的業(yè)績目標均為在2030年實現(xiàn)SiC功率電子市占率30%-40%。根據(jù)2023年企業(yè)財報測算，5大龍頭的總體市占率達到82%，產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)。
中國市場方面，據(jù)CASA Research(第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟第三代半導體產(chǎn)業(yè)研究院)統(tǒng)計，2023年中國SiC/GaN功率器件模組市場規(guī)模約為153.2億元人民幣，同比增長45%。第三代半導體在功率電子領(lǐng)域滲透率超過12%，開始進入高速增長階段。這其中，新能源汽車(包括充電基礎(chǔ)設施)是第三代半導體功率電子最大的應用領(lǐng)域，整體市場占比70.67%，其次是消費類電源和PFC(功率因數(shù)校正)，分別占比是 11.16%和5.78%。
SiC產(chǎn)能一升再升
碳化硅(SiC)作為半導體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以其又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導體材料”。
SiC最初的應用場景主要集中在光伏儲能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務器UPS電源(不間斷電源)和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣、機械和熱性質(zhì)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。
在特斯拉(Tesla)為其Model 3/Model Y主驅(qū)逆變器采用SiC器件之后，SiC的示范效應被迅速放大，xEV汽車市場很快成為SiC市場興奮的源泉。2020年，比亞迪高端車型“漢”也搭載了SiC器件，預計2024年，比亞迪將在旗下的電動車中實現(xiàn)SiC器件對硅基IGBT器件的全面替代，使整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升10%。
但在過去的兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級玩家已經(jīng)意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設。
以安森美為例，早在2021年11月，安森美就宣布收購SiC晶圓襯底供應商GTAT，旨在增強自身SiC的供應能力。而在更早之前的2019年，安森美還與科銳(CREE)簽署了SiC晶圓多年期供應協(xié)議。此外，在投資擴產(chǎn)政策的支持下，2022年8月，安森美位于美國新罕布什爾州哈德遜(Hudson, New Hampshire)的SiC工廠落成，該基地將使安森美到2022年底的SiC晶圓產(chǎn)能同比增加五倍；9月，安森美宣布擴建位于捷克共和國Roznov的SiC工廠，預計在未來兩年內(nèi)，這一擴建將使該基地的SiC產(chǎn)能提高16倍。
得益于此，過去兩年里，安森美在SiC襯底產(chǎn)能、裸芯片產(chǎn)能、封裝產(chǎn)能、以及新產(chǎn)品發(fā)布四大關(guān)鍵領(lǐng)域，分別實現(xiàn)了10倍、12倍、4倍和3倍的增長。
來自英飛凌方面的消息則顯示，繼2021年9月，英飛凌宣布位于奧地利菲拉赫的300毫米薄晶圓功率半導體芯片工廠正式啟動運營；2022年2月，宣布斥資逾20億歐元，在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區(qū)用于生產(chǎn)碳化硅和氮化鎵功率半導體產(chǎn)品之后，2023年2月，又與Resonac Corporation(原昭和電工)簽署了全新的SiC多年期供應和合作協(xié)議。協(xié)議顯示，英飛凌未來十年用于生產(chǎn)SiC半導體的SiC材料中，約占兩位數(shù)份額將由Resonac供給。
今年6月，意法半導體宣布將在意大利卡塔尼亞打造一座集8英寸SiC功率器件和模塊制造、封裝、測試于一體的綜合性大型制造基地。該項目總投資額約為50億歐元，預計2026年運營投產(chǎn)，在2033年前達到全部產(chǎn)能，全面落成后，晶圓產(chǎn)量可達1.5萬片/周。
羅姆也制定了積極的產(chǎn)能擴張計劃，準備在2021-2025年為SiC業(yè)務投入1,700-2,200億日元，這一計劃的實現(xiàn)將依托于羅姆位于宮崎的兩個基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預計到2025年羅姆的SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。
以上只是全球SiC行業(yè)投資擴產(chǎn)熱情的一個縮影，據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年全球公開披露的SiC相關(guān)擴產(chǎn)項目就有121起，總投資金額高達260億美元。其中，來自中國的擴產(chǎn)項目就有97起，包括：天岳先進將上海臨港工廠6英寸SiC 襯底生產(chǎn)規(guī)模擴大至每年96萬片；三安光電除了與ST合資，在重慶投資32億美元(約合220億元人民幣)建設8英寸SiC外延與芯片代工廠外，還將單獨投資70億元人民幣在重慶建設8英寸SiC襯底工廠。
全面轉(zhuǎn)向8英寸
SiC功率器件價格目前是同規(guī)格Si功率器件價格的4倍左右，且器件成本中襯底占總成本約40%左右?？紤]到具有競爭力的成本和穩(wěn)定的供應量，是SiC功率電子大規(guī)模應用的關(guān)鍵，為此業(yè)界將8英寸作為主要實現(xiàn)手段并不令人感到意外。從Yole數(shù)據(jù)來看，盡管2023年全球有超過11家企業(yè)宣布了8英寸SiC材料擴產(chǎn)計劃，但從實際出貨量來看，8英寸SiC襯底僅占2%，規(guī)模量產(chǎn)仍在緩慢推進中，產(chǎn)業(yè)化是不及預期的。
行業(yè)生產(chǎn)目前仍以6英寸主，SiC從6英寸向8英寸過渡的難點，主要來自工藝層面，包括擴徑生長、溫場控制、晶體切磨拋，以及晶圓加工的一致性、穩(wěn)定性、良率等挑戰(zhàn)。但隨著上述問題的逐步突破，8英寸規(guī)模量產(chǎn)將助力SiC功率電子器件成本快速降低，對應用市場拓展形成有力推動。
集邦咨詢旗下化合物半導體市場此前對中國主流SiC企業(yè)的8英寸襯底進度進行了統(tǒng)計，目前中國有10家企業(yè)和機構(gòu)在研發(fā)8英寸襯底，包含爍科晶體、晶盛機電、天岳先進、南砂晶圓、同光股份、中科院物理所、山東大學、天科合達、科友半導體、乾晶半導體等。而從其他國家的情況看，Wolfspeed、ROHM、英飛凌、ST等國際碳化硅大廠已經(jīng)紛紛邁入8英寸，這些廠商的量產(chǎn)節(jié)點也紛紛提前到今年。
SiC轉(zhuǎn)向8英寸的市場動力還源于越來越激烈的市場競爭，以及全球各大公司一直在擴大碳化硅襯底外延方面的產(chǎn)能，導致行業(yè)對于產(chǎn)能過剩的擔憂。根據(jù)CASA Research預測，到2027年，中國宣布的SiC襯底產(chǎn)能將占全球產(chǎn)能40%以上。以往，中國6英寸碳化硅襯底通常只比國際供應商的報價低5%左右，而最近價格差異已經(jīng)擴大至30%。
另一方面，隨著全球電動汽車市場需求的疲軟，碳化硅需求有所縮減，供應廠商們?yōu)榱藫寠Z訂單，也在不斷降低價格。在意法半導體、英飛凌、羅姆、Wolfspeed、安森美和X-fab等多家頭部企業(yè)發(fā)布的財報中我們也看到，部分企業(yè)調(diào)低了碳化硅的營收增長目標。
車用功率器件仍是主”戰(zhàn)場“
從物理特性來看，SiC與硅材料的電子遷移率相差不大，但其禁帶寬度、擊穿電壓、熱導率和電子遷移速度分別是硅材料的3倍、8倍、4倍和2倍。同時，高達9.5的莫氏硬度也高出硅材料50%。這意味著基于碳化硅材料的功率半導體具有高耐壓、低導通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器(OBC)、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。
事實也的確如此。無論是在低壓400V平臺，還是在高壓800V平臺，碳化硅器件都能為電動汽車帶來顯著的效率提升。不過，盡管碳化硅器件可以工作在更高的結(jié)溫，具有更快的開關(guān)速度和耐壓能力，但這些特性對芯片設計、驅(qū)動優(yōu)化、電路保護、模塊封裝以及系統(tǒng)集成都提出了特別的挑戰(zhàn)。此外，應用碳化硅材料的終端產(chǎn)品在長期可靠性方面的評估和認證仍然具有相當?shù)募夹g(shù)難點。
目前看到的一個明顯趨勢，是隨著汽車制造商對更高能效和續(xù)航能力的追求，整車廠在接下來的兩三年里會發(fā)布更多搭載800V平臺的車型，對SiC功率器件的需求會進一步增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年全球近35家車企共推出了50多款支持800V高壓平臺的車型，主流價位在20萬至30萬元/輛，且“800V+SiC”基本成為高端電動汽車標配。
與新能源汽車市場同步高速發(fā)展的還有充電基礎(chǔ)設施，尤其是在中國市場，新能源汽車與充電樁的配比達到了2.5:1，遠高于歐美8:1的比例。根據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2023 年，中國用于充電基礎(chǔ)設施的第三代功率電子市場約4.2億元人民幣，預計到2027年將達 21.8億元人民幣。這其中，高壓直流快充為SiC功率電子創(chuàng)造的市場機會最大。畢竟，隨著高端電動車型從400V電壓平臺升級至800V，直流快充樁電壓也需提升到800V-1,000V，所用功率器件耐壓則需提高到1,200V。
有意思的是，2020年以來，越來越多的整車企業(yè)開始布局第三代半導體功率電子業(yè)務。國際上整車企業(yè)與半導體供應商基本以戰(zhàn)略合作為主，中國車企則是結(jié)合各家芯片研發(fā)需求及戰(zhàn)略需求，分別采取車企自研、建立合資公司或聯(lián)合研發(fā)，以及戰(zhàn)略投資功率半導體企業(yè)的三種模式。
為GaN打開新機遇的大門
作為寬禁帶半導體家族中的一員，氮化鎵(GaN)功率器件近兩年獲得了比之前更高的關(guān)注度，正逐漸成為第三代半導體材料中最耀眼的一顆新星。
根據(jù)Yole預測，到2028年，GaN功率器件市場的價值將從2021年的1.26億美元增長到20.4億美元，年復合增長率高達49%，消費電子、汽車、電信、數(shù)據(jù)通信等應用對其青睞有加。與此同時，大批廠商也力圖在GaN上實現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)能突破以搶占市場先機，激烈的競爭正快速推動氮化鎵成為降本增效和可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
氮化鎵的優(yōu)勢主要在于開關(guān)速度快、高頻和高功率密度，因此在充電頭、服務器電源、光伏微逆等領(lǐng)域優(yōu)勢很大。客戶在應用氮化鎵時，往往會從系統(tǒng)考慮高頻運行，減小變壓器、電感以及系統(tǒng)的體積，從而最大程度發(fā)揮氮化鎵的優(yōu)勢。
在最具代表性的快速充電市場，借助GaN，智能手機制造商可以制造外殼尺寸更小且性價比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度值使得每瓦美元更低。據(jù)Yole預測，預計到2028 年，功率GaN市場將占電力電子市場的6%以上。其中，消費類快速充電器和適配器仍然是Power GaN的主要驅(qū)動力，新趨勢包括更高功率(高達300W)和“全GaN”充電器，從而導致每個充電器的GaN含量更高。
對于太陽能和風能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)而言，基于GaN的逆變器可以同時應用在低壓側(cè)和高壓側(cè)，以及更高的頻率下運行，從而實現(xiàn)更小、更輕的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，由于開關(guān)損耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，從而帶來兩個優(yōu)勢：一是發(fā)電量更高；二是在同樣的體積下，GaN方案有機會實現(xiàn)一倍以上的功率，從而降低系統(tǒng)的成本。
隨著電池系統(tǒng)向800V演進，支持高壓快充、更大的主驅(qū)功率提升和高功率密度設計成為了新的目標，要求車載電源必須要在功率密度、生產(chǎn)制造性、高可靠性與低成本之間找到平衡，但這不是一件輕松的事情。而主機廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因為氮化鎵在高頻應用上具備優(yōu)勢，可以在確保產(chǎn)品性能的同時實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關(guān)心的。
數(shù)據(jù)中心電源功率密度和轉(zhuǎn)換效率越來越高，是第三代半導體受到青睞的根本原因。目前，服務器電源的功率等級已從800W提升到1.3kW，甚至4kW，因此對功率密度以及效率提出了非常高的要求。氮化鎵的開通與關(guān)斷損耗與碳化硅、硅器件相比下降了50%以上，并且沒有反向恢復損耗，可以輕松滿足鈦金級效率需求，因此在數(shù)據(jù)中心服務器電源中應用越來越多。
從產(chǎn)能布局來看，按照CASA Research的說法，2023年GaN功率電子市場拓展較慢，企業(yè)擴產(chǎn)動力不足，2023年新增投資不足百億元人民幣。已公開披露的22起GaN功率電子擴產(chǎn)項目中，中國擬新建項目11起，披露投資金額為53.8 億元人民幣。新增項目中，器件模塊項目占比較多，金額占比達到58.7%。
頭部企業(yè)中，來自中國的英諾賽科占據(jù)了全球53%以上，中國90%以上的產(chǎn)能，2022年就憑借銷售額與出貨量成為全球最大的氮化鎵企業(yè)。根據(jù)規(guī)劃，英諾賽科在2026年將達到每月7萬片8英寸氮化鎵的產(chǎn)能，基本可以滿足未來市場應用的需求。
建立“SiC+GaN”雙業(yè)務引擎
采用這種雙業(yè)務引擎的目前主要還是國際頭部企業(yè)，目的也很簡單，主要是為搶占市場先機，同時保障供應鏈安全。例如2022年8月，納微半導體(Navitas Semiconductor)正式并購GeneSiC公司，構(gòu)建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導體“雙引擎”戰(zhàn)略；2023年3月，英飛凌宣布斥資8.億美元收購氮化鎵系統(tǒng)(GaN Systems)公司等；此外還有ST并購Exagan，瑞薩收購Transphorm，Qorvo并購UnitedSiC等等。
拓展產(chǎn)品組合，覆蓋更廣泛的應用場景，是該業(yè)務模式帶來的顯而易見的優(yōu)勢。他們可以根據(jù)市場需要靈活部署氮化鎵、碳化硅或硅；可以借助在一種技術(shù)上的積累沉淀助力另一種技術(shù)的開發(fā)；也可以通過采用系統(tǒng)級方法，結(jié)合適用于具體應用的正確技術(shù)，創(chuàng)建性能一流的解決方案，同時降低系統(tǒng)成本，為客戶帶來雙重優(yōu)勢，使自身的最終產(chǎn)品與眾不同。
相比之下，中國第三代半導體功率電子產(chǎn)業(yè)尚處于成長期，企業(yè)規(guī)模整體較小，尚未進入整合并購階段。他們的重要戰(zhàn)略舉措主要體現(xiàn)在三個方面：一是加快產(chǎn)能擴充，不斷投資新項目，以期在即將爆發(fā)的市場中占領(lǐng)一席之地；二是融資和IPO熱情高漲，資本市場相對活躍；三是積極推動國際戰(zhàn)略合作。
如何打造差異化競爭優(yōu)勢
如果將中國企業(yè)和國際大廠放在一起對比，會發(fā)現(xiàn)前者目前仍以Fabless模式為主，更強調(diào)應用創(chuàng)新；而后者普遍采用IDM模式，意在從技術(shù)、成本、出貨量，到制造、封裝、應用，構(gòu)建起全方位的戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。
有行業(yè)人士此前曾對《國際電子商情》表示，要想盡快追趕上國際大廠，并最終打贏這場仗，中國企業(yè)至少要做到以下三點：第一，要比歐美企業(yè)更加勤奮；第二，集中資源打磨更有競爭力的產(chǎn)品，縮短流片時間，加速產(chǎn)品迭代；第三，應用端多給企業(yè)一些機會，這是雙贏的結(jié)局，所以產(chǎn)業(yè)鏈要抱團取暖，分散的小公司很難形成有效的研發(fā)實力，更沒有和國際頭部大廠直接競爭的能力。
從供應鏈的角度來看，目前，國際芯片大廠更愿意通過強強合作的方式，通過質(zhì)量和成本鎖定客戶。而且越來越多的整車廠也非常關(guān)注供應鏈企業(yè)的供應能力、研發(fā)能力和財務狀況，如果不達標，就會遭到淘汰。對中國企業(yè)來說，逐漸趨向頭部效應，通過鎖定上下游合作帶來更強的成本優(yōu)勢和供應能力，也將成為一條必經(jīng)之路。
至于是否也一定要走IDM這條路，目前產(chǎn)業(yè)還存在不同意見。支持者認為一家功率半導體企業(yè)做到一定階段之后，如果想要繼續(xù)做大做強，形成自己的專利壁壘，IDM這條路是一定要走的。畢竟功率半導體專利跟設備、工廠、流程是緊密聯(lián)系在一起的，很難靠別家工廠長期做下去，盡管這條路走起來比較艱辛。
目前來看，雖然中國寬禁帶功率半導體器件從工藝水平來看仍然與國際領(lǐng)先水平相差至少一代，但其產(chǎn)品的封裝水平完全沒有問題，服務響應速度也比國際大廠快。有專家指出，中國企業(yè)在積極發(fā)展過程中要努力提升差異化優(yōu)勢，同實際市場需求相結(jié)合，避免在中低端領(lǐng)域進行產(chǎn)能的盲目擴張，導致產(chǎn)能過剩。
考慮到2024年是對寬禁帶半導體供應鏈的壓力測試之年，對中國設計公司來說，不僅僅要設計出電學性能出色的產(chǎn)品，更要強化從質(zhì)量管理體系到供應鏈管理體系的建設，這是一個系統(tǒng)性的工程，必須要花大力氣。只有如此，產(chǎn)品才能以更好的性能和可靠性，更穩(wěn)定的生命周期供貨，贏得用戶的信心。
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