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5G、电动车的新材料,华为、特斯拉都入局的碳化硅产业为何很重要?
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  特斯拉的 Model 3 用碳化硅取代传统的硅基底芯片来做电流转换模组; 华为将碳化硅使用在 5G 基站的功率放大器中,并入局布局该产业,以旗下公司名义投资第三类半导体材料碳化矽企业山东天岳。
  <strong>碳化硅是属于第三代半导体材料,也是地球上第三硬的化合物,仅次于钻石和碳化硼</strong>,据说是太阳系刚诞生的 46 亿年前的陨石中,所发现的少量物质,因此,碳化硅又被称为是“经历 46 亿年时光之旅的半导体材料”。
  <strong>与传统的硅晶圆相较,碳化硅凭什么一夕爆红?</strong>
  碳化硅相较于传统硅晶圆有更高的功率密度、让设备的尺寸和体积更小、相应的电池体积也会更小,因此可以延长电池使用寿命,让电动车的行驶里程更远。
  打个比方,使用碳化硅材料的逆变器模块,与使用传统硅材料的相比,电池效能可提高 10%,且电池的体会积缩小 30%,这也可以解释为什么电动车会大力倡导碳化硅这项新材料。
  <strong>另一个大量的应用,是射频 RF 元件,因为碳化硅可以有更好的散热,因此,5G 基地台中的射频元件也非常适合使用碳化硅。</strong>
  既然碳化硅有这么多优点,那为什么市面上应用不大举取代硅晶圆?
  主要在于<strong>碳化硅产业还面临四个挑战:</strong><strong>供应不足、良率、产品电气性能表现待提升、成本过高。</strong>
  因为碳化硅产量还太小且稳定度不够,且上述也提到,碳化硅是地球是第三硬的化合物,因此与硅相比,碳化硅坚硬的材质和复杂的制造流程,也导致成本很高。
  虽然单个碳化硅元件的成本仍是高于传统硅元件,但以整体系统成本角度视之,仍是节省很多。
  例如,在电动车中,碳化硅可能会额外增加 300 美元的前期成本,但从整个系统来看,电池成本、电动车空间和冷却成本的降低,可以减少约 2,000 美元的成本。
  再进一步深入探讨碳化硅产业之前,我们先来看看有哪些产业巨头已经开始使用这种新材料,并且带来什么样的市场冲击。
  <strong>特斯拉:</strong>
  全球碳化硅功率半导体市场的规模,将从 2017 年的 3.02 亿美元,快速成长至 2023 年的 13.99 亿美元,<strong>未来车厂在功率电子中采用碳化硅的比重会持续增加,像是主逆变器、车载充电器 (OBC)、直流 - 直流(DC-DC) 转换器等。</strong>
  <strong>特斯拉的 Model 3 是第一家采用碳化硅 SiC MOSFET 来做逆变器的车厂</strong>,主要是与意法半导体合作,相较于市面上的电动车多是使用硅基底芯片如 IGBT、MOSFET 等来制作。
  Model 3 使用了 SiC MOSFET 模组后,AC / DC 的电流转换效率在长距离电动车市场上排名第一,加速特斯拉的主要竞争对手车商开始评估使用碳化硅材料 SiC MOSFET。
  <strong>保时捷(Porsche):</strong>
  在 2018 年 10 月即发表碳化硅 SiC MOSFET 模组的电动车快速充电桩。
  <strong>德国汽车零组件供应商 Delphi :</strong>
  Delphi 在 2019 年发表最新使用碳化硅模组的 800V Inverter,相较于目前电动车以使用 400V Inverter 系统为主,使用碳化硅的 800V Inverter 能延长行驶距离,并缩短充电时间。
  <strong>比亚迪(BYD):</strong>
  <strong>已入局自研碳化硅产业,并且扩大碳化硅功率元件的规划,要建立完整的产业链</strong>,整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延片(Epitaxy)、硅片、模组封装等,以降低碳化硅器件的制造成本,加快碳化硅应用在电动车领域。
  目前碳化硅晶圆供应商是以美国科锐(Cree)为龙头,但加入该领域的半导体商越来越多,美国、韩国、欧洲都有碳化硅晶圆供应商参与其中。
  <strong>美国科锐(Cree)</strong>:
  <strong>目前是碳化硅领域的龙头,市占率过半。因为 Cree 看好未来需求,也在 2019 年启动扩产计划,总投资 10 亿美元,估计在碳化硅晶圆产能与碳化硅晶圆制作材料上,可增加高达 30 倍。</strong>
  另外,Cree 也将把旗下的功率元件(Power)和射频(RF)事业群更名为 Wolfspeed,而 Wolfspeed 是 SiC Diode、SiC MOSFET 的主要厂商,也让整个 Cree 集团在碳化硅产业供应链势力扩大。
  <strong>美国材料公司 II-VI:</strong>
  是一家工程材料和光电元件供应商,同时也是碳化硅材料供应商。
  <strong>南韩硅晶圆厂 SK Siltron:</strong>
  2019 年宣布收购美国化学大厂杜邦(DuPont)的碳化硅晶圆事业。
  值得注意的是,除了上述的美、韩供应商,<strong>法国材料供应商 Soitec 也正式入局,并且宣布与半导体设备大厂应用材料合作。</strong>
  应用材料与 Soitec 看好电动车、通信设备、工业应用等应用对于以碳化硅为衬底的芯片需求蓬勃成长,因此携手展开对新一代碳化硅衬底的研发。
  <strong>Soitec 有一项专利技术 Smart Cut,目前已广泛应用于绝缘硅 SOI 产品的生产</strong>,这次与应用材料的合作,将获得应用材料在制程技术与生产设备方面的支持。
  Soitec 全球战略执行副总裁 Thomas Piliszczuk 表示,两家公司将在 CEA-Leti 的衬底创新中心中增添一条碳化硅优化衬底的实验生产线,目标是在<strong>2020 年上半年开始运行,下半年可推出使用 Soitec 的 Smart Cut 技术生产碳化硅晶圆片样品。</strong>
  Piliszczuk 进一步指出,在处理碳化硅的流程上,主要是采用 Smart Cut 技术将碳化硅晶圆体进行精准切割成超薄单晶碳化硅层,再将切割后的超薄单晶碳化硅层,放置在其他的材料之上,而形成了一个全新的结构。这样的全新结构,与纯的碳化硅的材料相比,可以有更好的电气性能,并增加良率。
  未来,<strong>碳化硅目标是实现与 IGBT 成本接近。</strong>IGBT 从 1990 年发展至今,中间 30 年经历了 7 代技术,晶圆尺寸更从 4 吋一直扩大到 12 吋,晶片厚度从 300μm 降低到 60μm,成本也降到了原本的 5 分之 1。
  由此可知,碳化硅之旅也同样需要经历一段不短的时间,才能让成本与 IGBT 接近。
  未来,<strong>碳化硅并不会完全取代 IGBT 或 MOSFET,因为这些技术产品在开关特性、功耗、成本等方面都不相同,硅与碳化硅元件会同时并存发展。</strong>
  碳化硅对于 Soitec 而言,是全新业务。除此之外,<strong>Soitec 也广泛提供各种材料,像是 FD-SOI 晶圆、压电绝缘材料 POI、硅光子(Silicon Photonics)、氮化镓 GaN 等材料。</strong>
  FD-SOI 技术很多人对于并不陌生,因为 GlobalFoundries、三星、意法半导体已经推展该技术多年,<strong>FD-SOI 技术更被视为是台积电、英特尔引领的 FinFET 技术之外的另一个条路线。</strong>
  <strong>FD-SOI 技术非常适合于边缘计算和 AIOT(人工智能和物联网结合)领域的芯片,市面上已经有很多公司是采用 FD-SOI 技术生产相关芯片,包括瑞芯微电子、NXP 等。</strong>
  <strong>在压电绝缘材料 POI 方面,主要用于 5G 手机上需要的射频滤波器上</strong>,也是因应 5G 时代到临下,频谱越来越密集,需要手机前端的射频模块来进行过滤频率信号。
  在<strong>硅光子(Silicon Photonics)</strong>方面,主要是用于数据中心及高速计算的硅光子(Silicon Photonics)。
  在氮化镓 GaN 方面,<strong>Soitec 在 2019 年 6 月收购了一家名字叫做 EpiGaN 的公司,正式跨入 GaN 材料领域</strong>,是一家在 GaN 领域非常领先的小型公司,未来能提供 5G 的基础设施。
  再者,Soitec 在收购 EpiGaN 后,已经推出了两款产品,分别为硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓。
  针对独有的 Smart Cut 技术,<strong>目前 Soitec 有三种产品使用 Smart Cut 技术,分别为绝缘硅 SOI 产品、新型压电产品 POI、碳化硅 SiC</strong>,其实氮化镓也可以使用 Smart Cut 技术,目前是处于研究阶段。
  <strong>Soitec 也积极展开在中国的布局,2019 年与上海新傲科技强化合作,上海厂的 200mm SOI 晶圆年产量将从年产 180,000 片提升至 360,000 片,新增产能主要针对车用领域所需要的 RF-SOI 与功率 Power-SOI 元件等,双方合作模式是由新傲负责 SOI 晶圆制造,Soitec 则管理全球产品销售。</strong>
  对于碳化硅的晶圆来说,最为广泛的是 6 英寸尺寸,Soitec 预测在 2024 年,全球总体有效市场(TAM)对于碳化硅晶圆的需求将会达到每年 400 万~500 万片。
  <strong>在碳化硅硅片制造商方面,主要的功率半导体 IDM 厂商包括英飞凌、ON Semiconductor、意法半导体、ROHM、Mitsubishi Electrics 等</strong>,都提供市场碳化硅硅片与 SiC Module。
  Soitec 希望能是 2020 年上半年实现基于 Smart CutTM 技术的碳化硅衬底样品,第二个目标是 2021 年上半年,能使用 Smart Cut 的技术完成碳化硅产品的量产。

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