自1991 年第一批晶圓發(fā)布后，SiC 的發(fā)展相當緩慢，僅僅 20 年后就推出了第一個全 SiC 商用 MOSFET。最終，是特斯拉及其 400V 逆變器在 2018 年將這種復合材料推向了前沿。從那時起，人們對具有高功率密度、效率和高溫性能的基于 SiC 的產(chǎn)品的興趣越來越大，令人高興的汽車細分市場正在尋找一種解決方案來滿足引擎蓋下應用的要求。

出于與汽車相同的原因，碳化硅已開始在能源領域找到自己的位置，并可能 在未來十年內進入高功率工業(yè)應用。然而，這并不是 SiC 故事的結局。隨著特斯拉宣布其未來動力總成中減少碳化硅，市場價值和技術都可能根據(jù) OEM 的選擇而改變。

按照yole預測，全球SiC器件產(chǎn)能到2027年將增長兩倍，排名前五的公司是：ST、英飛凌、Wolfspeed、onsemi和ROHM。Yole Intelligence的分析師預測，未來五年SiC器件市場價值將達到60億美元，并可能在2030年代初達到100億美元。2022年，器件和晶圓級領先的SiC廠商如下圖所示：

在其報告中，Yole SystemPlus 分析了當前可用的器件設計技術。該公司比較了多達 14 個橫截面的 1200 V 晶體管。大多數(shù)廠商都采用平面工藝（onsemi、Wolfspeed、Microsemi……），只有兩家選擇了設計復雜得多的溝槽 MOSFET（ROHM Semiconductor 和 Infineon）。ST Microelectronics 和 Mitsubishi 等其他市場領導者也押注于溝槽工藝，但迄今未獲成功。

Yole SystemPlus 深入挖掘，揭示了兩個領先廠商在三代晶體管中采用的設計策略的演變。通過從平面（第 2 代）工藝切換到溝槽工藝（第 3 代），ROHM 在短短四年內將 FoM（品質因數(shù)，Rdson*Qg）和間距尺寸減小了 50%。使用下一代更先進的溝槽工藝，這些結果得到了進一步改善。與此同時，Wolfspeed 更傾向于專注于采用擴散 MOS 工藝的平面設計，該工藝在第一代和第三代之間將芯片尺寸和 FoM 減少了 50%。在比較兩個競爭對手的最新一代晶體管時，一切都歸結為間距尺寸的減小，RHOM 的溝槽版本在這方面遙遙領先。

然而，這種溝槽 MOSFET 更復雜，因此制造成本更高。此外，由于此設計更難控制柵極氧化層厚度，因此柵極溝槽中的薄弱區(qū)域可能會挑戰(zhàn)組件可靠性。

盡管數(shù)字和新興的并購活動往往表明人們對這種復合材料越來越感興趣，但只有找到解決目前阻礙 SiC 更廣泛采用的三個主要障礙的解決方案，才能確定其在電力電子領域的預期地位。

一、成本

迄今為止，SiC 模塊的成本無法提供在除高端以外的電動汽車上普及該技術的可能性。出于同樣的原因，以 3300 V 為其高功率應用目標的工業(yè)部門仍然不愿涉足 SiC，并且仍然依賴于 Si IGBT 選項。根據(jù) Yole SystemPlus 的分析，基板制造和外延階段的成本占晶圓總成本的 59%（1200 V SiC MOSFET 的平均成本），其次是前端工藝的良率損失 (24%)。在裸片安培成本水平上，Wolfspeed 和 ROHM Semiconductor 表現(xiàn)最好，證實了對整個供應鏈的控制在競爭中具有明顯的優(yōu)勢。為了降低成本，正在考慮幾種情況。由 Wolfspeed、II-IV Incorporated、現(xiàn)在是 Coherent，而 SiCrystal 正在進行中。然而，質量問題仍在延遲實際啟動，現(xiàn)在預計在 2025 年。與 Si 生產(chǎn)線兼容的新興技術工程 SiC 襯底，以及晶圓工藝創(chuàng)新也在開發(fā)中。

二、可靠性

盡管集成到商業(yè)化的汽車系統(tǒng)（特斯拉和 Lucid Air 逆變器/豐田 Mirai II 升壓轉換器），但沒有足夠的證據(jù)證明 SiC 產(chǎn)品的長期可靠性。這是導致工業(yè)部門持觀望態(tài)度的另一個論點。

三、封裝

要充分受益于 SiC 技術優(yōu)勢，必須找到合適的封裝解決方案。問題就在這里：雖然在 Si IGBT 的情況下有多種經(jīng)過驗證的選擇，但 SiC MOSFET 的封裝選項仍處于起步階段，并且僅展示了 Denso、Wolfspeed 和 ST Microelectronics 開發(fā)的少數(shù)設計。這些設計包括高溫兼容和低損耗材料，無論是在基板（具有良好散熱性能的材料，如 AlN 和 AMB-Si3N4）、封裝（高溫環(huán)氧樹脂或硅凝膠）、芯片附著（如銀燒結) 或互連（具有低電感互連，例如頂部 Cu 引線框）。在提供標準化解決方案之前，還有很多工作要做。

Wolfspeed大幅擴產(chǎn)帶來的新變數(shù)

2 月 1 日，Wolfspeed 和采埃孚宣布建立戰(zhàn)略合作伙伴關系，目標是面向移動、工業(yè)和能源應用的未來碳化硅半導體系統(tǒng)和設備。實現(xiàn)這一目標的一種方法是在歐洲建立重要的 SiC 生產(chǎn)能力。

Wolfspeed 在德國的新工廠將成為世界上最大的 8 英寸專用 SiC 器件工廠，也是歐洲唯一一家能夠大批量生產(chǎn) 8 英寸 SiC 晶圓的工廠（不包括 STMicroelectronics 的一些 SiC 兼容產(chǎn)能）。此舉將鞏固 Wolfspeed 在 SiC 晶圓領域的領導地位，同時也將目標鎖定在目前由歐洲公司主導的 SiC 器件市場。

通過其位于美國紐約的現(xiàn)有晶圓廠，Wolfspeed 是世界上唯一一家可以量產(chǎn) 8 英寸 SiC 晶圓的公司。這種主導地位將在未來兩到三年內持續(xù)，直到更多公司開始建設產(chǎn)能——最早的是意法半導體將于 2024-5 年在意大利開設的 8 英寸 SiC 工廠。

美國在 SiC 晶圓領域處于領先地位，Wolfspeed 與 Coherent (II-VI)、onsemi 和 SK Siltron css 一起，后者目前正在擴建其在密歇根州的 SiC 晶圓生產(chǎn)設施。另一方面，歐洲在 SiC 器件方面處于領先地位。

“英飛凌科技和意法半導體等歐洲企業(yè)通過從美國、歐洲和中國采購 6 英寸晶圓來保持這一領先地位。但隨著 Wolfspeed 通過內部獨家供應 8 英寸晶圓擴展到歐洲，歐洲公司能夠采購更大直徑的晶圓變得越來越重要。STMicroelectronics 的意大利工廠將有助于創(chuàng)造一些供應，但 Wolfspeed 的直接主導地位使其在獲得更多 SiC 設備業(yè)務方面具有競爭優(yōu)勢?！盰ole Intelligence 專業(yè)從事化合物半導體和新興基板的技術與市場高級分析師說。

更大的晶圓尺寸是有益的，因為更大的表面積會增加單個晶圓可以生產(chǎn)的器件數(shù)量，從而降低器件級別的成本。截至 2023 年，我們已經(jīng)看到多家 SiC 廠商展示了用于未來生產(chǎn)的 8 英寸晶圓。

Yole Intelligence 電源和無線部門化合物半導體和新興基板活動的團隊首席分析師Ezgi Dogmus 博士則強調：“然而，其他主要 SiC 廠商決定不再只專注于 8 英寸，而是將戰(zhàn)略重點放在 6 英寸晶圓上。雖然轉向 8 英寸是許多 SiC 器件公司的議程，但更成熟的 6 英寸襯底的預期產(chǎn)量增加——以及隨后成本競爭的增加，可能會抵消 8 英寸的成本優(yōu)勢——導致 SiC未來專注于兩種尺寸的玩家。例如，Infineon Technologies 等公司并沒有立即采取行動來提高 8 英寸產(chǎn)能，這與 Wolfspeed 的戰(zhàn)略形成鮮明對比”。

然而，Wolfspeed 與涉及 SiC 的其他公司不同，因為它只專注于該材料。例如，英飛凌科技、安森美和意法半導體——它們是電力電子行業(yè)的領導者——在硅和氮化鎵市場也有成功的業(yè)務。這個因素也影響了 Wolfspeed 和其他主要 SiC 廠商的對比戰(zhàn)略。

Yole Intelligence 認為，到 2023 年，汽車行業(yè)將占 SiC 器件市場的 70% 至 80%。隨著產(chǎn)能的提升，SiC 器件將更容易用于電動汽車充電器和電源等工業(yè)應用，以及綠色能源應用比如光伏和風能。然而，Yole Intelligence 的分析師預測，汽車仍將是主要驅動力，其市場份額預計在未來 10 年內不會發(fā)生變化。當各地區(qū)引入電動汽車目標以實現(xiàn)當前和不久的將來的氣候目標時，情況尤其如此。

硅 IGBT 和硅基 GaN 等其他材料也可能成為汽車市場 OEM 的一種選擇。Infineon Technologies 和 STMicroelectonics 等公司正在探索這些基板，特別是因為它們具有高成本競爭力并且不需要專門的晶圓廠。Yole Intelligence 在過去幾年一直密切關注這些材料，并將它們視為未來 SiC 的潛在競爭者。

Wolfspeed以8英寸產(chǎn)能進軍歐洲，無疑將瞄準目前由歐洲主導的SiC器件市場。但隨著不同策略的發(fā)揮，未來幾年市場將如何演變將是一件有趣的事情。

編輯：黃飛

?