SiC，一顆在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域中冉冉升起的新星。
如今我們提起它，就離不開(kāi)特斯拉和意法半導(dǎo)體，第一個(gè)吃螃蟹的特斯拉用SiC MOSFET敲開(kāi)了新世界的大門(mén)，而意法的SiC也因?yàn)樘厮估璏odel 3這股東風(fēng)扶搖直上，超越英飛凌成為了SiC領(lǐng)域里說(shuō)一不二的新霸主。
特斯拉憑借Model 3、Model Y的熱銷(xiāo)，成為了SiC裝車(chē)的先鋒，而隨著比亞迪漢EV、蔚來(lái)ES6、理想L9等熱門(mén)車(chē)型的陸續(xù)上市，SiC裝車(chē)量得到進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年上半年，全球已有40款SiC車(chē)型進(jìn)入量產(chǎn)交付，可查到交付數(shù)據(jù)的SiC車(chē)型上半年累計(jì)銷(xiāo)售118.7萬(wàn)輛。
熱門(mén)的SiC便吸引了歐洲芯片雙雄意法和英飛凌在其中押下重注。
SiC已為意法帶來(lái)了源源不斷的收入，2016年意法半導(dǎo)體營(yíng)收不過(guò)69.44億美元，到了2022年，總營(yíng)收已經(jīng)來(lái)到了161.3億美元，全年凈利潤(rùn)為43.23億美元，而其中碳化硅功率器件營(yíng)收從無(wú)到有，迅速增長(zhǎng)至7億美元。
而英飛凌在SiC方面相對(duì)較落后，但在整個(gè)功率元件領(lǐng)域包括IGBT、SiC、GaN等，依舊處在領(lǐng)先位置地位，作為全球最大的汽車(chē)半導(dǎo)體廠家，汽車(chē)業(yè)務(wù)占據(jù)了其2022年142.18億歐元總營(yíng)收中的47%，而這部分收入中又有56%來(lái)自功率器件。
作為功率半導(dǎo)體近年來(lái)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，不論是意法還是英飛凌，都不愿讓這塊越做越大的肥肉讓予競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，在未來(lái)勢(shì)必有一番更激烈的爭(zhēng)奪，昔日霸主與今日新王的PK，各自勝算又有幾何，不妨來(lái)仔細(xì)分析一番。
意法，SiC新王
2018年，特斯拉發(fā)布Model 3，在這款車(chē)型上，最主要的一項(xiàng)創(chuàng)新就是采用了意法半導(dǎo)體的650V SiC MOSFET逆變器，與過(guò)去電車(chē)上所采用的IGBT，SiC MOSFET能帶來(lái)5%～8%的逆變器效率提升，對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航能力有著顯著提升。
Model 3為大家普及了碳化硅這個(gè)概念，但事實(shí)上，碳化硅的特性早在 20 世紀(jì)初期就已確立，第一個(gè)碳化硅二極管的歷史可追溯到 1907年，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們經(jīng)過(guò)研究后發(fā)現(xiàn)，碳化硅在室溫下的帶隙比硅寬約 2 eV，這意味著碳化硅器件的臨界電場(chǎng)可以高出五到十倍，因而這一技術(shù)可以極大地提高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)承受更高的電壓和更惡劣的條件。
不過(guò)，直到上世界90年代末，碳化硅距離商用依舊遙遙無(wú)期，原因很簡(jiǎn)單，碳化硅襯底有太多缺陷，且碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘較高，為了解決這部分問(wèn)題， 1996年，意法開(kāi)始與卡塔尼亞大學(xué)合作開(kāi)發(fā)碳化硅技術(shù)，研究將之量產(chǎn)商業(yè)化的可能性。
作為首批大力投資該技術(shù)并與學(xué)術(shù)界合作的公司，意法收獲了自己的回報(bào)，在2002年5月成功展示了第一個(gè)肖特基碳化硅二極管；2006年，意法在三英寸晶圓上試產(chǎn)了SiC器件，并于次年批量生產(chǎn)了第一代碳化硅二極管；2014年，意法開(kāi)始生產(chǎn)第一代 SiC MOSFET，此后迅速進(jìn)行迭代：2017 年發(fā)布第二代 MOSFET， 2020 年推出了第三代產(chǎn)品……前后算下來(lái)，意法在碳化硅技術(shù)的研發(fā)上已有25年之久。
從產(chǎn)品線來(lái)看，目前意法的650V/1200V 第三代碳化硅 MOSFET正式投產(chǎn)，該系列通過(guò)優(yōu)化Ron和Qg兩個(gè)參數(shù)，更適合高頻應(yīng)用，同時(shí)也分為650V、750V、900V和1200V四個(gè)產(chǎn)品線，第四代產(chǎn)品目前正在產(chǎn)前測(cè)試中，產(chǎn)品頻率可達(dá)1MHz，導(dǎo)通電阻也減少了15%。
而意法在碳化硅領(lǐng)域的選擇，是繼續(xù)深挖平面設(shè)計(jì)碳化硅MOSFET的技術(shù)潛力，包括第四代碳化硅產(chǎn)品，依舊采用了平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高，如特斯拉等車(chē)企選擇的就是平面柵SiC MOSFET功率模塊，開(kāi)發(fā)歷史較長(zhǎng)的它更方便量產(chǎn)，在成本控制上也有一定優(yōu)勢(shì)。
但平面結(jié)構(gòu)也有著自己的問(wèn)題，當(dāng)電流被限制在中間狹窄的區(qū)域流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻，同時(shí)寄生電容也較大，因而溝槽結(jié)構(gòu)就被提上了日程，其能最大限度地發(fā)揮SiC材料的特性，尤其是可以進(jìn)一步降低器件成本和導(dǎo)通電阻，但目前來(lái)說(shuō)成本較高，難以在更多場(chǎng)景中應(yīng)用。
2019年，System Plus Consulting給出的碳化硅 MOSFET對(duì)比報(bào)告中，意法的產(chǎn)品FoM還較大，但隨著幾次迭代，其在平面工藝已經(jīng)有了極大進(jìn)步。根據(jù)意法的宣發(fā)，其最新的平面 MOSFET為晶體管行業(yè)樹(shù)立了新的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 標(biāo)桿，業(yè)界認(rèn)可的FoM [導(dǎo)通電阻 (Ron) x 裸片面積和Ron x 柵極電荷 (Qg)]算法表示晶體管能效、功率密度和開(kāi)關(guān)性能，用普通硅技術(shù)改善 FoM 變得越來(lái)越困難，因此，碳化硅技術(shù)是進(jìn)一步改進(jìn)FoM的關(guān)鍵。
當(dāng)然，作為行業(yè)龍頭，意法也在溝槽結(jié)構(gòu)上有所布局，但由于技術(shù)和市場(chǎng)等問(wèn)題，最終順延成為意法的第5代碳化硅MOSFET，依舊處在在工程樣品測(cè)試階段，量產(chǎn)時(shí)間待定。
值得一提的是，意法為了保持住自己在碳化硅領(lǐng)域的地位，不光在產(chǎn)品技術(shù)上花費(fèi)了大量功夫，對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈的投資也是不遺余力。
首先在襯底及晶圓方面，意法先后與Wolfspeed/Cree和Rohm/碳化硅rystal簽署多項(xiàng)晶圓供貨協(xié)議，并且通過(guò)收購(gòu)Norstel AB（已更名為ST 碳化硅 AB）完成自有的襯底生產(chǎn)線的建設(shè)。其表示，2020年一季度，ST首次內(nèi)部供應(yīng)6英寸碳化硅晶圓，2021年三季度推出了首個(gè)8英寸晶圓原型，并計(jì)劃于2024年量產(chǎn)，預(yù)計(jì)屆時(shí)內(nèi)部晶圓采購(gòu)將占到總采購(gòu)量的40%。
而在Fab上，ST正在將位于其卡塔尼亞工廠從6寸升級(jí)至8寸，并且在2021年三季度，位于新加坡的6英寸碳化硅生產(chǎn)線順利通過(guò)認(rèn)證。而在后道封裝上，也有中國(guó)深圳的賽意法和位于摩洛哥的布斯庫(kù)拉工廠。
需要注意的是，今年6月，意法宣布與國(guó)內(nèi)的三安光電股份有限公司合資32億美元在重慶建8英寸碳化硅外延與芯片代工廠，成為國(guó)內(nèi)碳化硅領(lǐng)域最具轟動(dòng)性的一筆投資規(guī)劃，其將于2025 年完成階段性建設(shè)并逐步投產(chǎn)，2028年達(dá)產(chǎn)，規(guī)劃達(dá)產(chǎn)后生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓1萬(wàn)片/周。
穩(wěn)步更迭的平面與溝槽技術(shù)，通過(guò)收購(gòu)實(shí)現(xiàn)晶圓襯底自產(chǎn)自用，最后配合大手筆的擴(kuò)產(chǎn)，意法的龍頭地位依舊穩(wěn)固，之前立下的2024年碳化硅產(chǎn)品營(yíng)收達(dá)到10億美元目標(biāo)有望再2023年提前達(dá)成，這一成績(jī)足以讓其自傲與碳化硅領(lǐng)域。
英飛凌，奮起直追
與意法相比，英飛凌的在碳化硅技術(shù)上的積累也不遑多讓，早在2001年，英飛凌就推出了第一顆碳化硅二極管，甚至比意法還早上一年，但在后續(xù)技術(shù)開(kāi)發(fā)上，英飛凌的步伐落后了少許，最終導(dǎo)致了意法成為了第一個(gè)吃到螃蟹的廠商。
與意法不同的是，英飛凌并沒(méi)有選擇突入平面結(jié)構(gòu)的市場(chǎng)，而是毅然決然地選擇了溝槽結(jié)構(gòu)，在碳化硅產(chǎn)品上走了一條高質(zhì)高價(jià)的路線，與生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，成本較低的平面結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET生產(chǎn)工藝相比，英飛凌的溝槽柵設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了前者難以具備的優(yōu)勢(shì)。
從目前的反饋來(lái)看，英飛凌所推出的碳化硅產(chǎn)品做到了揚(yáng)長(zhǎng)抑短，不但具有性能的優(yōu)勢(shì)，在可靠性和耐用性方面也通過(guò)具有專利的半包溝槽柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和嚴(yán)苛的測(cè)試克服了缺點(diǎn)，成為業(yè)內(nèi)少數(shù)幾個(gè)可以量產(chǎn)并大規(guī)模應(yīng)用的車(chē)規(guī)碳化硅MOSFET。
產(chǎn)品線方面，英飛凌碳化硅產(chǎn)品名為CoolSiC，目前已有兩代產(chǎn)品推出，第一代為量產(chǎn)的1200V產(chǎn)品，已有樣品提供，導(dǎo)通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，第二代則包括1200V和750V兩個(gè)電壓規(guī)格，導(dǎo)通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，750V產(chǎn)品目前還處在研發(fā)中。
根據(jù)英飛凌提供的材料，這家在溝槽結(jié)構(gòu)上領(lǐng)先一步的公司，已然開(kāi)始了第三代1200V平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，性能較第二代產(chǎn)品可以再次提升20%，預(yù)計(jì)推出時(shí)間為2025年底到2026年初。
在針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的碳化硅模塊產(chǎn)品上，英飛凌著重?cái)U(kuò)充HybridPACK Drive系列產(chǎn)品，推出了尺寸和管腳兼容的的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的業(yè)內(nèi)知名度和客戶資源，減少市場(chǎng)推廣成本，降低客戶切入的壁壘。
值得一提的是，英飛凌在整個(gè)碳化硅技術(shù)以及溝槽碳化硅MOSFET方面都積累了大量的專利，數(shù)量分別達(dá)到919件（包括已授予和申請(qǐng)中）件和82件，在碳化硅五巨頭中位列第一。
不過(guò)在晶圓和襯底方面，英飛凌由于沒(méi)有像意法那樣在自產(chǎn)襯底方面的布局，只能將外購(gòu)襯底的價(jià)值發(fā)揮到最大，2018年11月12日，英飛凌收購(gòu)了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra GmbH，看重的就是這家公司冷裂（Cold Split）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能減少晶錠（boule）切割過(guò)程中的材料損失，從相同的晶錠中獲得多一倍的碳化硅襯底，目前該技術(shù)處于小批量試產(chǎn)中，預(yù)計(jì)2024年完全成熟。
需要注意的是，2023年5月，英飛凌與中國(guó)公司天科合達(dá)、天岳先進(jìn)簽訂供應(yīng)協(xié)議，兩家公司將供應(yīng)6英寸碳化硅晶圓和晶錠，作為Wolfspeed的補(bǔ)充，也有有消息人士稱，英飛凌很可能未來(lái)在歐洲自行生產(chǎn)碳化硅晶體，以求供應(yīng)穩(wěn)定。
在Fab方面，受困于產(chǎn)能的英飛凌在2022年開(kāi)始了公司歷史上最激進(jìn)的投資計(jì)劃。除了在德國(guó)德累斯頓投入50億歐元建設(shè)歐洲最大的晶圓廠、提高混合信號(hào)產(chǎn)品產(chǎn)能外，還針對(duì)第三代半導(dǎo)體進(jìn)行分別在奧地利Villach和馬來(lái)西亞Kulim進(jìn)行超過(guò)20億歐元的投資。
根據(jù)規(guī)劃，目前進(jìn)行中的奧地利Villach的產(chǎn)能爬坡在2025年完成后，英飛凌的碳化硅產(chǎn)值可以達(dá)到10億歐元，而在建的馬來(lái)西亞Kulim三代半工廠在2024年底投產(chǎn)后，產(chǎn)值可以在隨后的2年時(shí)間再增加20億歐元。
與意法相比，英飛凌雖然在技術(shù)上似乎更進(jìn)一步，早已開(kāi)始溝槽結(jié)構(gòu)技術(shù)的布局，但在產(chǎn)品的產(chǎn)能和自產(chǎn)的襯底方面，面臨著不小的挑戰(zhàn)，伴隨著碳化硅市場(chǎng)的不斷發(fā)展，持續(xù)發(fā)展技術(shù)和投入產(chǎn)能的它依舊有著翻盤(pán)制勝的可能性。
英飛凌，奮起直追
作為歐洲的老牌廠商，意法和英飛凌本就在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中相互競(jìng)爭(zhēng)，如今新能源汽車(chē)催生出了碳化硅廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，兩家的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)只會(huì)愈發(fā)激烈，不論是技術(shù)還是產(chǎn)能，誰(shuí)也不肯輸給誰(shuí)，看不見(jiàn)硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)打響。
競(jìng)爭(zhēng)的背后，碳化硅市場(chǎng)也在瞬息萬(wàn)變，今年3月，第一個(gè)采用碳化硅的特斯拉卻在投資者日活動(dòng)上表示，計(jì)劃減少下一代電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中碳化硅晶體管的使用量，消息一出也讓碳化硅企業(yè)的股價(jià)受到了影響。
碳化硅技術(shù)已經(jīng)落地成熟，但是第一個(gè)吃到螃蟹的車(chē)企卻開(kāi)始嫌棄起了螃蟹貴，這無(wú)疑為意法和英飛凌敲響了警鐘，如何在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，控制碳化硅的成本，讓更多車(chē)企愿意讓碳化硅上車(chē)，或許就是未來(lái)制勝的關(guān)鍵所在。（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察）
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