蓋世汽車 發表於 2021-01-15 11:50:00
日本半導體製造商羅姆在ROHM Apollo Co．，Ltd．（總部位於日本福岡縣）筑後工廠投建的新廠房於近日完工，並將於本月開始安裝生產設備，以滿足電動車等用途的碳化矽（SiC）電源控制晶片產能。
羅姆相關負責人向蓋世汽車表示，與2019財年（截至2020年3月31日）相比，預計2024財年（截至2025年3月31日）的羅姆的SiC生產能力將提升5倍以上。而這將使其離2025年拿下全球30％市場份額的目標更近一步。
不止羅姆，其他半導體製造商如CREE、ST（意法半導體）、英飛凌以及中國的瀚天天成電子科技等廠商都在今年大舉措擴大產能，SiC競爭已經進入白熱化。
但即便如此，由於SiC的生產瓶頸尚未解決，原料晶柱的質量不穩定存在良率問題、 SiC器件的成本過高等因素，SiC整體市場無法大規模普及，SiC仍然面臨巨大的產能缺口。
未來一到兩年供需失衡沒有懸念
作為第三代半導體中的代表材料，SiC（碳化矽）是製作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，基於SiC的解決方案使系統效率更高、重量更輕，且結構更緊湊。
SiC用在車用逆變器上，在相同功率等級下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小於矽模塊，同時也可以使開關損耗降低75％（晶片溫度為150°C）。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達到更高功率。
在電動汽車中，SiC功率半導體主要用於驅動和控制電機的逆變器、車載充電器和快速充電樁。特斯拉的Model 3就採用了意法半導體和英飛凌的SiC逆變器，其也是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。
目前，已有多家廠商推出了面向HEV／EV等電動汽車充電器的SiC功率器件。據市場研究和戰略諮詢公司YoleDéveloppement（Yole）統計，這一市場在2023年之前可保持44％的增長速度。
2020年7月，比亞迪漢上市，比亞迪自主研發、製造的SiC MOSFET功率器件搭載在漢EV四驅高性能版上，使其最終其SiC模塊實現了可達200KW的輸出功率，提升一倍的功率密度，百公裡加速度僅為3．9秒，較之採用IGBT 4．0晶片的全新一代唐EV的4．4秒高於0．5秒。
「目前，電動車中的主驅逆變器仍以IGBT＋矽FRD為主，但考慮到未來電動車需要更長的行駛裡程、更短的充電時間和更高的電池容量，在車用半導體中，SiC一定會是未來趨勢。」一位行業分析人士說道。
研究機構Digitimes？Research預測，到2025年，電動汽車用碳化矽（SiC）功率半導體將佔SiC功率半導體總市場的37％以上，高於2021年的25％。
SiC行業龍頭Cree預測SiC逆變器能夠提升5－10％的續航，節省400－800美元的電池成本（80kWh電池、102美元／kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消後，能夠實現至少 200美元的單車成本下降。
Cree還表示，預計到2022年，SiC在電動車用市場空間將快速增長到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬美元）的342倍。而據羅姆測算，到2026年，幾乎所有搭載800V動力電池的車型採用SiC方案都將更具成本優勢。
甚至有機構預測，到2025年全球SiC市場將會增加到60．4億美元，到2028年市場增長5倍。
但即便如此， SiC目前卻面臨著巨大缺口。
有數據顯示，目前全球SiC矽晶圓總年產能約在40～60萬片。
據了解，特斯拉Model 3逆變器集成了意法半導體的SiC MOSFET的功率模塊，該主逆變器需要24個電源模塊，每個電源模塊均基於兩個碳化矽MOSFET裸片，每輛汽車總共有48個SiC MOSFET裸片，此外，包括OBC、慢充充電器、快充電樁等，都可以放上SiC。
據「GaN世界」的報導，按照這個估算若循續漸進採用SiC後，平均2輛Tesla的純電動車就需要一片6英寸SiC晶圓。2020 年，特斯拉全年共交付新車49．96 萬輛，同比增長35．87％，離預定的 50 萬輛的交付目標僅差 450 輛。
而果真如Wedbush證券分析師Dan Ives稱，到2022年特斯拉的交付量可能會達到100萬輛的話，那麼，僅一個特斯拉就將消耗掉全球SiC矽晶圓總產量。
值得注意的是，作為全球最大的新能源汽車消費市場，2020年，中國新能源汽車產銷分別完成136．6萬輛和136．7萬輛，同比分別增長7．5％和10．9％，增速較上年實現了由負轉正。中汽協總工程師許海東表示， 2021年新能源汽車銷量180萬輛，同比增長40％。新能源汽車的發展必將促進SIC的需求。
此外，有分析指出，未來一到兩年，除了常規的需求講持續外，一系列因5G、Wi－Fi 6布局而衍生的新興應用也會持續拉升相關SiC元器件需求，供應鏈供需失衡態勢基本沒有懸念。
力積電董事長黃崇仁2020年11月在法說會上指出，目前產能已緊到不可思議，客戶對產能的需求緊張達到「恐慌」程度，預估明年下半年到2022年下半年，邏輯IC、DRAM市場都會缺貨到無法想像的地步。
白熱化競爭中產業瓶頸待破
因此，在SIC成為大趨勢之下，在市場供需嚴重失衡的背景下，幾乎所有半導體公司都在積極布局SiC 的研發、推廣新產品以及擴產。
根據半導體時代產業數據中心出具的《2020年中國第三代半導體碳化矽晶片行業分析報告》數據顯示：2020上半年全球半導體SiC晶片市場份額，美國CREE出貨量佔據全球45％，日本羅姆子公司SiCrystal佔據20％，II－VI佔13％；中國企業天科合達的市場佔有率由2019年3％上升至2020年5．3％，山東天嶽佔比為2．6％。
為了進一步擴展碳化矽產品組合，2020年2月底英飛凌發布了8款CoolSiC？ MOSFET產品。」 同年3月，臺灣晶圓製造商環球晶圓（GWC）正式推出150mm碳化矽晶圓產品。10月，英飛凌再次推出採用全新 D2PAK－7L 封裝的 1200V CoolSiC？ MOSFET，導通電阻從 30m？到 350m？；東芝推出適用於高效率電源的新款1200V碳化矽MOSFET——「TW070J120B」。
產能新增方面，2019年5月Cree宣布，將在未來5年內，斥資10億美元用於擴大SiC碳化矽產能，在公司美國總部北卡羅萊納州達勒姆市建造一座採用最先進技術的自動化200mm SiC碳化矽生產工廠和一座材料超級工廠。
意法半導體（ST）也在2020年2月份以1．375億美元現金收購了瑞典SiC晶圓製造商Norstel AB，Norstel生產150mmSiC裸晶圓和外延晶圓。意法半導體表示，該交易完成後，它將在全球產能受限的情況下控制部分SiC器件的整個供應鏈。
「中國製造2025」計劃中也明確提出要大力發展第三代半導體產業。據蓋世汽車不完全統計，僅2020年，全國至少有10個碳化矽項目開工或取得進展。
其中，天科合達的第三代半導體碳化矽襯底產業化基地建設項目2020年8月在北京市大興區順利開工，總投資約9．5億元人民幣，新建一條400臺／套碳化矽單晶生長爐及其配套切、磨、拋加工設備的碳化矽襯底生產線，項目計劃於2022年年初完工投產，建成後可年產碳化矽襯底12萬片。
2020年8月19日，三安光電宣布收購了於2019年投資約5．8億元在福建安溪縣建設產能3．6萬片碳化矽襯底生產項目的北電新材。2020年11月合肥露笑科技投資100億元建設的SIC設備製造、長晶生產、襯底加工、外延製作等產業鏈的研發和生產基地開工。
除了產能的因素，制約SiC發展的還有技術和成本因素。
瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮表示，由於碳化矽的生產瓶頸尚未解決，原料晶柱的質量不穩定，造成整體市場無法大規模普及。
安森美半導體寬禁帶產品線經理Brandon Becker認為，SiC基板的開發是公司以及其它廠家都在著力解決的最大瓶頸之一。SiC基板與傳統的矽晶錠有很大不同，從設備、工藝、處理到切割的一切都需要進行開發，以處理碳化矽。
「本來在長晶的晶種就要求相當高的純度、取得的難度大，其次長晶的時間相當長，矽材料長晶平均只要3天即可長成一根晶棒，但碳化矽晶棒則需要一周，再者，一般的矽晶棒可以長200公分的長，但一根碳化矽的晶棒只能長出2公分。」上述分析人士說道。
此外，SiC本身屬於硬脆性材料，由其製成的晶圓，在使用傳統的機械式切割晶圓劃片時，極易產生崩邊，影響產品良率及可靠性。
據了解，目前市場上的SIC晶圓絕大部分都是4英寸和6英寸，極少有廠商能生產8英寸SiC晶圓。而上述因素又導致了SiC價格高昂，且隨著需求增加，SIC的價格多次上漲，應用和推廣難度就更大了。目前，SiC器件的價格是Si器件價格的4到5倍。
不過，也有分析認為，2022年有望成為碳化矽價格下降的關鍵轉折點。碳化矽器件價值鏈可分為襯底——外延——晶圓——器件，其中襯底所佔的成本最高為50％，外延片是25％，器件晶圓生產環節20％，封裝測試環節5％。
海通證券預測，因為主流豪華汽車品牌開始量產採用碳化矽方案的車型，這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產能利用率，到2025年碳化矽器件價格有望下降到當前水平的1／4－1／3，此外，碳化矽有望提高3％－5％的碳化矽逆變器效率，從而降低電池成本，碳化矽的經濟性和性能優勢將充分顯現。
責任編輯：xj
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