碳化矽的優勢在哪裏

過去幾十年，芯片産業的進階嚴格遵循這一人(rén)為(wèi)約定，但(dàn)當台積電(diàn)宣布突破1nm制(zhì)程的時(shí)候，摩爾定律在理(lǐ)論上(shàng)已經走進了死胡同。

若要延續這一趨勢，必須在底層材料上(shàng)形成突破。

1跳(tiào)躍式升級

發展至今，半導體(tǐ)材料已曆經多(duō)次叠代。

第一代半導體(tǐ)材料主要是矽和(hé)鍺，上(shàng)世紀60年代之後，矽基半導體(tǐ)逐漸成為(wèi)主流，直到現在依然是應用最為(wèi)廣泛的半導體(tǐ)材料，全球95%以上(shàng)的芯片是以矽片為(wèi)基礎材料制(zhì)成的。

第二半導體(tǐ)材料的代表是砷化镓，可(kě)以制(zhì)造更高(gāo)頻、高(gāo)速的集成電(diàn)路，但(dàn)以目前的需求來(lái)看，砷化镓材料的禁帶寬度依然較小(xiǎo)。

第三代半導體(tǐ)材料應時(shí)代而生(shēng)，以碳化矽、氮化镓為(wèi)代表的材料可(kě)以制(zhì)備耐高(gāo)壓、高(gāo)頻的功率器(qì)件，其中碳化矽是綜合性能最好、商品化程度最高(gāo)、技(jì)術(shù)最成熟的第三代半導體(tǐ)材料。

碳化矽并非原有(yǒu)技(jì)術(shù)的漸進改良，而是一次跳(tiào)躍式升級。

相同規格下，碳化矽基MOSFET的尺寸隻有(yǒu)矽基MOSFET的1/10，導通(tōng)電(diàn)阻是後者的1/100。與矽基IGBT相比，碳化矽基MOSFET的總能量損耗可(kě)降低(dī)70%。

碳化矽的性能優勢在各個(gè)新能源産業中體(tǐ)現的淋漓盡緻。

應用在風力發電(diàn)領域，可(kě)提高(gāo)效率20%。

應用在光伏逆變器(qì)，可(kě)将轉換效率從96%提升至99%以上(shàng)，并且降低(dī)能量損耗超50%，提升設備循環壽命50倍。

最重要的是在新能源車(chē)上(shàng)的應用。

2016年，在成本控制(zhì)上(shàng)近乎“變态”的特斯拉一反常态，率先在Model3的主逆變器(qì)上(shàng)安了24個(gè)由意法半導體(tǐ)生(shēng)産的碳化矽MOSFET功率模塊。要知道(dào)，當時(shí)碳化矽功率器(qì)件的價格是同等矽器(qì)件的十倍。

後來(lái)的事實證明(míng)，馬斯克的眼光還(hái)是一如既往的犀利。

根據福特汽車(chē)的測算(suàn)，相比于傳統矽芯片，由碳化矽制(zhì)成芯片驅動的新能源汽車(chē)，能量損耗大(dà)約降低(dī)5倍左右。到目前為(wèi)止，純電(diàn)動汽車(chē)中已有(yǒu)超40%以上(shàng)采用SiC技(jì)術(shù)，自主品牌中第一個(gè)吃(chī)螃蟹的是比亞迪。

使用自主研發制(zhì)造的SiCMOSFET控制(zhì)模塊後，比亞迪漢EV車(chē)型的性能在去年明(míng)顯提升，功率達到363Kw，實現百公裏加速3.9s，續航裏程延長至605公裏。

不隻是新能源産業，碳化矽在家(jiā)電(diàn)、通(tōng)訊、航空(kōng)、高(gāo)鐵(tiě)、工業電(diàn)機等領域均有(yǒu)重大(dà)作(zuò)用。

但(dàn)直到現在，碳化矽的普及程度依然很(hěn)低(dī)。

2漸進式滲透

根據Yole的數(shù)據，2021年，第三代半導體(tǐ)基功率器(qì)件的市場(chǎng)占比隻有(yǒu)約6%，其中SiC基功率器(qì)件占比5%左右，市場(chǎng)規模大(dà)約8.5億美元。

性能好，但(dàn)滲透率低(dī)，原因隻有(yǒu)一個(gè)：貴。

CASA的數(shù)據顯示，2020年，650V的SiCMOSFET與SiIGBT的價格比大(dà)約是4:1，SiC逆變器(qì)模塊是矽基逆變器(qì)價格的2-3倍。

新能源産業附加值高(gāo)，成本承受能力強，所以率先導入了第三代半導體(tǐ)材料，但(dàn)很(hěn)多(duō)行(xíng)業價格敏感性高(gāo)，隻能等待成本的進一步下降。

對于任何一項新技(jì)術(shù)，成本都是左右産業化的核心變量。于碳化矽而言，碳粉提純難度高(gāo)、晶體(tǐ)生(shēng)長緩慢、晶體(tǐ)切割速度慢等因素共同決定着成本剛性。

首先，高(gāo)質量SiC晶體(tǐ)的基礎是要有(yǒu)高(gāo)純度的碳粉，但(dàn)提純過程對工藝要求極高(gāo)，合成也需要時(shí)間(jiān)摸索。

其次，碳化矽晶體(tǐ)的生(shēng)長速度非常慢。碳化矽7天才能生(shēng)長2cm左右，作(zuò)為(wèi)對比，2-3天就能拉出約2m長的8英寸矽棒。

最後，由于碳化矽硬度高(gāo)，不僅切割耗時(shí)長，而且良率低(dī)。一般來(lái)說，矽片的切割隻需幾小(xiǎo)時(shí)，而碳化矽片則要上(shàng)百小(xiǎo)時(shí)。

技(jì)術(shù)降成本是一場(chǎng)持久戰，這就注定了碳化矽的滲透是一個(gè)漸進式的過程，但(dàn)随着襯底尺寸的擡升，規模效應給成本下降帶來(lái)了極大(dà)改觀。

碳化矽的襯底尺寸主要包括2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等規格。尺寸越大(dà)，單位襯底可(kě)制(zhì)造的芯片數(shù)量越多(duō)，邊緣的浪費也越小(xiǎo)，均攤到單位芯片的成本就越低(dī)。

晶圓從6英寸提升到8英寸，芯片數(shù)量将從488增至845個(gè)，邊緣浪費則由14%減至7%。

碳化矽主要分為(wèi)半絕緣型和(hé)導電(diàn)型，目前半絕緣型産品的主流襯底規格為(wèi)4英寸，正在向6英寸邁進，導電(diàn)型産品的主流襯底規格為(wèi)6英寸，正在尋求向8英寸演進。

伴随技(jì)術(shù)的不斷成熟和(hé)進步，碳化矽基的産品價格在過去多(duō)年已經實現了大(dà)幅下降。

上(shàng)文提到650V的SiCMOSFET與SiIGBT的價格比大(dà)約是4:1，而在2018年，這一數(shù)字高(gāo)達10:1。

業內(nèi)給出的預估是，未來(lái)碳化矽器(qì)件的成本大(dà)約以每年10%左右的價格下降，這一過程勢必會(huì)伴随更多(duō)消費場(chǎng)景的解鎖。根據Yole的預測數(shù)據，到2025年，碳化矽器(qì)件将增長至25.62億美元，年複合增長率達30%。

3夾縫裏求生(shēng)

一步慢，步步跟不上(shàng)。

第三代半導體(tǐ)産業，美、日、歐搶跑，中國依然處在落後的位置。

與矽基功率半導體(tǐ)類似，碳化矽産業鏈也包含襯底、外延、器(qì)件及模塊和(hé)應用等環節，區(qū)别在于各環節價值量倒挂。

矽基半導體(tǐ)産業中晶圓成本是大(dà)頭（約占50%），而碳化矽的附加值集中在上(shàng)遊襯底（成本占比約47%）。所以，碳化矽産業鏈的實控權其實掌握在襯底供應商手中。

本土頭部參與者主要是山(shān)東天嶽和(hé)天科合達。

天科合達是國內(nèi)第一個(gè)起跑的企業，建立了國內(nèi)第一條碳化矽晶片中試生(shēng)産線，并且率先研制(zhì)出6英寸碳化矽晶片。但(dàn)僅就目前的實力來(lái)說，山(shān)東天嶽更勝一籌，特别是在半絕緣襯底領域。

數(shù)據顯示，2020年，山(shān)東天嶽在半絕緣襯底領域的市占率約為(wèi)30%，相較于2019年的18%有(yǒu)一個(gè)顯著的提升。根據公司最新的發展規劃，已經決定投資投資25億元向導電(diàn)型碳化矽襯底擴張，到2026年實現30萬片/年的産能規模，屆時(shí)在這一領域的全球市占率有(yǒu)望達到15%左右。

對于本土企業而言，規模擴張還(hái)在其次，最重要的是突破技(jì)術(shù)瓶頸，目前最先進的8英寸襯底依然僅掌握在Wolfspeed、II-VI和(hé)意法半導體(tǐ)等少(shǎo)數(shù)外資手中。

1月12日，山(shān)東天嶽先進科技(jì)股份有(yǒu)限公司（簡稱“天嶽先進”）在科創闆正式挂牌，盤中市值最高(gāo)沖到400億。根據公司之前公布的戰略投資者繳款認購名單，甯德時(shí)代旗下的問鼎投資、廣汽集團旗下的廣祺柒号、上(shàng)汽集團、小(xiǎo)鵬等汽車(chē)領域的關鍵公司都進行(xíng)了戰略入股。一方面體(tǐ)現了公司的實力，另一方面也為(wèi)公司将來(lái)在汽車(chē)産業鏈打開(kāi)局面進行(xíng)了鋪墊。

外延環節，鳳凰光學可(kě)能是未來(lái)“全村唯一的希望”。

在此之前的多(duō)年時(shí)間(jiān)裏，鳳凰光學的股價一直在低(dī)位趴着，但(dàn)從今年9月30日開(kāi)始，公司的股價直線拉起，在不到兩個(gè)月的時(shí)間(jiān)裏最多(duō)漲了近3倍，期間(jiān)連續收獲了11個(gè)一字闆漲停。

如此反常，根源來(lái)自鳳凰光學對普興電(diàn)子和(hé)國盛電(diàn)子的并購。

國盛電(diàn)子手裏掌握着8英寸矽外延工藝和(hé)技(jì)術(shù)，打破了發達國家(jiā)的技(jì)術(shù)壟斷，可(kě)以能夠滿足0.09-0.18μm功率器(qì)件的制(zhì)造需求。普興電(diàn)子是國內(nèi)率先穩定量産8英寸矽外延材料的企業，填補了國內(nèi)技(jì)術(shù)及産業化的空(kōng)白。

作(zuò)為(wèi)中國中車(chē)旗下的公司，中車(chē)時(shí)代電(diàn)氣的身份與比亞迪類似，背後都有(yǒu)整車(chē)廠站(zhàn)台，在産品導入上(shàng)有(yǒu)先天優勢。目前中車(chē)時(shí)代電(diàn)氣已經建有(yǒu)6英寸碳化矽産業化基地，掌握芯片、模塊、組件及應用的全套自主技(jì)術(shù)。

華潤微擁有(yǒu)芯片設計(jì)、晶圓制(zhì)造、封裝測試等全産業鏈一體(tǐ)化能力，是國內(nèi)的IDM龍頭公司。最近一段時(shí)間(jiān)，華潤微相繼發布了SiCJBS第二代産品和(hé)1200VSiCMOSFET産品。公司在互動平台上(shàng)透露，最新的SiCMOS産品性能已經可(kě)以對标國際一線品牌。

2018年貿易摩擦之後，國內(nèi)在第三代半導體(tǐ)領域的布局明(míng)顯加快了速度，去年一共有(yǒu)24筆投資擴産項目落地，投資額近700億元，同比2019年增長了160%。

雖暫時(shí)落後，但(dàn)産業尚未成熟固化，仍有(yǒu)追趕的可(kě)能。背靠強大(dà)的內(nèi)需市場(chǎng)，“以戰養戰”，不斷向上(shàng)叠代，相信國內(nèi)外企業的差距勢必會(huì)不斷縮小(xiǎo)。