作為電力電子變換裝置的“心臟”,碳化硅(SiC)功率器件有望引領未來能源革命。當前,正值碳化硅從6英寸向8英寸轉型升級的過渡期。2024年以來,全球各大廠商紛紛傳來關于8英寸碳化硅的最新進展。業內人士指出,碳化硅從6英寸轉向8英寸是必然趨勢,而8英寸量產將助推碳化硅產品走向規?;瘧?。
“降本增效”驅動碳化硅“奔8”
隨著大型計算基礎設施運行所需的電能日益增加,全球對高效能電子系統的需求不斷增長,這使得以碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料越來越成為市場青睞的“香餑餑”。有關測算顯示,如果全球數據中心的電源和散熱系統均采用碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET,所節約下來的能源可以為紐約曼哈頓供電一整年。而在新能源汽車領域,碳化硅器件相比于傳統的IGBT,在相同電池電量下能有效延長6%的續航里程。
圖為碳化硅MOSFET晶圓和碳化硅SBD晶圓(來源:基本半導體)
不過,碳化硅雖然有著優越的電學和熱學性能,但有限的產能和偏高的成本,成為其步入大規模應用階段的“攔路虎”。因此,產業界為了提高生產效率、降低成本,正在大力推動碳化硅晶圓向更大的尺寸過渡,從當前主流的6英寸向8英寸升級。
深圳基本半導體有限公司總經理和巍巍向《中國電子報》記者表示,與6英寸相比,8英寸碳化硅的優勢主要體現在潛在成本、性能和參數均勻性等方面。
首先是潛在的成本優勢。一方面,在晶圓面積上,8英寸去邊后的可用面積是6英寸的1.83倍。因此晶圓尺寸越大,能切出的芯片越多。以5x5mm尺寸的芯片為例,一張8英寸晶圓實際能切出1080顆芯片,而一張6英寸只能做576顆。另一方面,在工藝成本上,晶圓工藝中大部分是批處理(如清洗、氧化、激活)或者是對一整片同時進行工藝處理。晶圓面積越大,折合到單芯片的工藝成本越低。
其次是性能和參數均勻性的優勢。6英寸碳化硅工藝設備多是基于6英寸硅工藝設備改造而來,受限于設備結構設計,工藝性能和參數均勻性與更先進的8英寸工藝設備存在差距。因此,基于8英寸設備在工藝性能上的提升,廠商能獲得性能更優的芯片。
“8英寸碳化硅量產的最大影響是推動器件最終成本的降低,大約能降低30%乃至更高?!盩rendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕在接受《中國電子報》記者采訪時強調,這對于汽車市場十分重要,當前碳化硅價格仍然過高,限制其進一步滲透 。
據了解,汽車市場是碳化硅功率器件最主要的應用市場之一,新能源車的主驅逆變器、OBC、DC/DC轉換器以及非車載充電樁等關鍵電驅電控部件都已應用碳化硅器件。目前全球已有超過20家知名汽車廠商在車載充電系統中使用了碳化硅功率器件。TrendForce集邦咨詢預計,到2026年,車用SiC功率元件市場規模將攀升至39.4億美元,在整個SiC功率元件市場占比超70%。未來,隨著碳化硅“降本”,其“增效”作用將逐漸顯現,碳化硅功率器件的應用市場將加速滲透到除汽車之外的光伏發電、智能電網等更多領域。
8英寸之路尚存多道“關卡”
在產業鏈推動下,碳化硅步入8英寸時代是大勢所趨,但其產業化過程并非一蹴而就。那么當前,8英寸碳化硅的發展路上存在的“關卡”有哪些?
從碳化硅的產業鏈結構來看,主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造、模塊封裝等環節。其中,襯底材料是產業鏈的基礎,外延材料是器件制造的關鍵,而SiC產業鏈約70%的價值量都集中在這兩個環節,后道的器件設計、制造、封測環節占比約30%。從6英寸轉向8英寸,每一個環節都面臨不同的挑戰。
6英寸和8英寸碳化硅襯底(圖源:天岳先進)
泰科天潤董事長陳彤在近期的演講中指出,襯底環節在升級過程中面臨較大困難,而外延環節相對容易,晶圓制造則存在諸多技術挑戰。這表明,從6英寸到8英寸的升級并非簡單的線性擴展,而是需要克服一系列復雜的技術難題。
和巍巍也向記者分析了8英寸碳化硅在襯底、晶圓、模塊封裝等環節的挑戰。
首先,目前產業鏈上最主要的挑戰還是在襯底端。8英寸襯底有兩個挑戰:其一,無論是傳統氣相法還是液相方法,在制造8英寸晶錠時都還存在問題:傳統PVT法生長襯底擴徑難度較高,且生長效率不高;而如果使用液相法生長襯底,業內又擔心助溶劑帶來的金屬沾污風險。其二,8英寸襯底切割目前有一定的難度?,F在6英寸襯底的標準厚度是350μm,而8英寸的厚度通常是500μm,同樣厚度的8英寸晶錠,切割的晶圓片數比6英寸少很多。而如果做350μm,傳統的金剛線切割會有較大的應力問題,需要優化或者采用新型切割方式來克服。
其次,在8英寸晶圓制造方面,需要克服的難題主要是離子注入工藝的低效率。這一點和6英寸是相同的,不過從6英寸切換到8英寸后,由于其他工藝效率的提升,離子注入工藝的低效率問題會更為突出。
另外,在模塊封裝方面,8英寸由于晶圓面積更大,可支持的芯片面積更大。從降低系統成本的角度,廠商會傾向于做更大尺寸的芯片。這樣封裝尤其是做塑封模塊時,熱膨脹系數不匹配帶來的應力問題會更顯著。
而在8英寸外延方面則沒有太大挑戰。業內人士指出,目前國內的SiC襯底和外延技術發展已相對較好,與全球大廠的水平基本接近。
全球廠商“狂趕”進度表
究竟何時8英寸碳化硅應用可以實現規?;占??有業內人士表示,預計從2026年至2027年開始,6英寸碳化硅產品都將被8英寸產品替代。博世半導體博世智能出行集團中國區董事會高級執行副總裁Norman Roth認為,未來5年,碳化硅晶圓從6英寸向8英寸發展是大勢所趨。
當前,領先的一眾IDM廠商都在積極投資SiC產能擴張計劃,期望建立市場領導地位。從全球范圍來看,SiC的生產主要集中在美國、歐洲和日本,但亞洲廠商也在積極投資SiC生產設施,以滿足本地市場需求。據不完全統計,目前全球已有超過10家廠商正在投資建設8英寸SiC晶圓廠。
2024年以來,8英寸SiC賽道競爭異常激烈,全球產業鏈廠商頻頻傳來最新進展。從8英寸線碳化硅的建線節奏來看,盡管建線周期可以壓縮到18個月,但量產穩定性的不確定性仍然很大,需要企業在追求速度的同時,高度重視質量控制和工藝穩定性。
Wolfspeed位于紐約州Marcy的莫霍克谷 SiC 制造工廠
歐美相關廠商方面,意法半導體5月宣布計劃在意大利南投資50億歐元建造全球首個綜合碳化硅晶圓工廠。該工廠以8英寸工藝為基礎,預計2026年開始生產,并實現8英寸SiC晶圓量產,到2033年達到滿負荷生產。全球最早量產8英寸碳化硅晶圓的廠商Wolfspeed于6月份披露兩項新進展:一是其美國紐約的莫霍克谷8英寸碳化硅芯片工廠已實現20%的晶圓開工利用率;二是其10號樓碳化硅材料工廠已實現其8英寸晶圓的生產目標,預計到2024年年底,可支持莫霍克谷工廠約25%的晶圓開工利用率。
此外,英飛凌在8月正式啟用了居林碳化硅晶圓廠一期工程,該生產基地將幫助英飛凌實現在2030年之前占據全球30% SiC市場份額的目標。安森美則表示計劃于今年晚些時候推出8英寸SiC晶圓,并于2025年投產。
日本方面,日本礙子株式會(NGK)在9月中旬宣布已成功制備出直徑為8英寸的SiC晶圓。日本昭和電工Soitec近期表示已與Resonac Corporation達成8英寸復合型SiC合作開發協議。此外,羅姆半導體決定將宮崎縣的工廠改造為8英寸碳化硅襯底生產基地,預計于2024年正式投產。
中國企業同樣也在積極布局。芯聯集成8英寸碳化硅工程批在4月份順利下線。三安光電在6月份與意法半導體計劃投資32億美元,在重慶共同建設一座新的8英寸碳化硅器件合資制造工廠;9月,重慶三安項目(系8英寸碳化硅襯底配套工廠)實現襯底廠的點亮通線。此外,天岳先進和天科合達均在推進各自的8英寸碳化硅襯底擴產計劃。
關于我國碳化硅行業的發展,陳彤認為,當前碳化硅上8英寸有必要性,但是8英寸要以技術牽引和整合為依據,不能完全以規模為目標。
“8英寸量產后,從整體成本考慮,可能會更傾向使用更大面積的芯片。這樣會使封裝、系統結構大幅簡化?!焙臀∥∠蛴浾弑硎?,此外諸如柵極電阻、溫度傳感器、電流傳感器也很容易基于8英寸的BEOL工藝集成在碳化硅芯片中,帶來整體系統成本的大幅降低。
展望未來,和巍巍認為,在新能源汽車、光伏逆變這些傳統碳化硅的優勢行業內,由于成本的進一步降低,市場會繼續下沉,占據更高的市場比例。在電網領域,當8英寸量產后,業界將有更多的資本用于解決碳化硅缺陷問題,使電網應用碳化硅成為現實。而在消費電子領域,隨著成本的進一步降低,越來越多的消費電子可以采用碳化硅器件。
此外,近年來碳化硅量子電子器件的發展很迅速?;谔蓟枭牡牧孔佑嬎?、量子傳感等有望在功率半導體應用之外開辟出新的市場應用。
責任編輯:楊鵬岳
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