根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2022第三代半導(dǎo)體功率應(yīng)用市場報(bào)告》顯示，雖受俄烏沖突與疫情反復(fù)影響，消費(fèi)電子等終端市場需求有所下滑，但應(yīng)用于功率元件的第三代半導(dǎo)體在各領(lǐng)域的滲透率仍然呈現(xiàn)持續(xù)攀升之勢(shì)，綠色能源、800V汽車電驅(qū)系統(tǒng)、高壓快充樁、消費(fèi)電子適配器、數(shù)據(jù)中心及通訊基站電源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，推升了SiC/GaN功率半導(dǎo)體市場需求。

產(chǎn)能提升，提升，再提升

碳化硅(SiC)作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用做功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件時(shí)，其性能可得到極大程度的釋放。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，人們最早在46億年前誕生的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以它又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

Yole預(yù)計(jì)，未來5年內(nèi)，全球?qū)⒂袛?shù)十億美元的資金投向SiC晶體、晶圓制造及設(shè)備加工，SiC功率器件將快速占據(jù)30%的功率器件市場。到2027年，其市場潛力將達(dá)到60億美元，該數(shù)值高于2021年的10億美元左右。

最初，SiC的應(yīng)用場景主要集中在光伏儲(chǔ)能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，SiC的電氣、機(jī)械和熱性質(zhì)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。尤其是，特斯拉(Tesla)在其Model 3主驅(qū)逆變器中采用了SiC器件之后，由該公司帶動(dòng)的示范效應(yīng)被迅速放大，使xEV汽車市場迅速成為SiC市場關(guān)注的焦點(diǎn)。

但在過去兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)。

羅姆公司從2000年就開始進(jìn)行SiC MOSFET的基礎(chǔ)研究，并在2009年收購德國SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合的制造工藝。市場調(diào)研機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2013年羅姆在全球SiC市場的份額為12%(Yole Development)，到2018年已增長至23%(富士經(jīng)濟(jì))。

面對(duì)市場對(duì)SiC產(chǎn)品急速增長的需求，羅姆制定了積極的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，準(zhǔn)備在2021-2025年為SiC業(yè)務(wù)投入1,700-2,200億日元，這一計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將依托于羅姆位于日本宮崎的兩個(gè)基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預(yù)計(jì)2025年SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。

據(jù)羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司技術(shù)中心副總經(jīng)理周勁的介紹，該公司2021年推出的第4代SiC器件的導(dǎo)通電阻(RonA)較第3代下降了40%，預(yù)計(jì)2025年和2028年節(jié)點(diǎn)推出的第5代和第6代產(chǎn)品還將再降30%。另外，羅姆在今年將實(shí)現(xiàn)從6英寸升級(jí)到8英寸襯底的量產(chǎn)，并且通過技術(shù)提高單個(gè)元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實(shí)現(xiàn)50平方毫米以支持更高電流輸出的需求。

當(dāng)前，電動(dòng)化和數(shù)字化是驅(qū)動(dòng)汽車業(yè)務(wù)增長的兩大核心動(dòng)力。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，與一輛傳統(tǒng)汽車中半導(dǎo)體器件的成本大約為500美元截然不同的是，一輛完全由軟件定義的電動(dòng)汽車中的半導(dǎo)體器件成本預(yù)估將達(dá)到1,500-2,000美元，是傳統(tǒng)汽車的3-4倍，主要來自電驅(qū)逆變器、車載充電器、DC-DC變換器和電池管理系統(tǒng)這四大主要電子模塊。這其中，碳化硅功率模塊/IGBT扮演著極為重要的角色，因?yàn)樗梢詭椭鷾p少汽車二氧化碳排放，確保電動(dòng)車的電驅(qū)和電源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)最佳性能，是當(dāng)下毫無爭議的熱點(diǎn)。

意法半導(dǎo)體(ST)汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)戰(zhàn)略業(yè)務(wù)拓展負(fù)責(zé)人Luca Sarica表示，ST為此擴(kuò)大了12英寸晶圓產(chǎn)能和寬禁帶技術(shù)產(chǎn)能，包括2022年7月宣布和格芯在法國建立300mm新廠推進(jìn)FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)；10月宣布在意大利建立碳化硅襯底綜合制造廠等，預(yù)計(jì)2023年實(shí)現(xiàn)8英寸SiC晶圓量產(chǎn)，到2025年SiC產(chǎn)能再提高2倍。

來自英飛凌方面的消息則顯示，2021年9月，英飛凌宣布位于奧地利菲拉赫的300毫米薄晶圓功率半導(dǎo)體芯片工廠正式啟動(dòng)運(yùn)營；2022年2月，該公司宣布斥資逾20億歐元，在馬來西亞居林工廠建造第三個(gè)廠區(qū)用于生產(chǎn)碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體產(chǎn)品；2023年2月，英飛凌又與Resonac Corporation(原昭和電工)簽署了全新的SiC多年期供應(yīng)和合作協(xié)議。協(xié)議顯示，未來十年內(nèi)，在英飛凌用于生產(chǎn)SiC半導(dǎo)體的SiC材料中，由Resonac供應(yīng)的材料約占兩位數(shù)的份額。

安森美總裁兼首席執(zhí)行官(CEO) Hassane El-Khoury此前在接受《國際電子商情》采訪時(shí)就曾指出，2022-2023年公司的資本支出將占總收入的15%-20%，在這些支出當(dāng)中，有75%-80%將用于SiC的產(chǎn)能擴(kuò)張。

根據(jù)規(guī)劃，通過與客戶群簽訂長期供應(yīng)協(xié)議，安森美在未來3年預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)40億美元的SiC收入，這意味著2022年該公司的SiC收入比2021年增加了兩倍，并有望在2023年實(shí)現(xiàn)超過10億美元的收入。

早在2021年11月，安森美就宣布收購SiC晶圓襯底供應(yīng)商GTAT，旨在增強(qiáng)自身SiC的供應(yīng)能力。而在更早之前的2019年，安森美還與科銳(Cree)簽署了SiC晶圓多年長期供應(yīng)協(xié)議。此外，在投資擴(kuò)產(chǎn)政策的支持下，2022年8月，安森美位于美國新罕布什爾州哈德遜的SiC工廠落成，該基地促使安森美截至2022年底的SiC晶圓產(chǎn)能同比增加五倍；9月，安森美宣布擴(kuò)建位于捷克共和國Roznov的SiC工廠，預(yù)計(jì)在未來兩年內(nèi)，這一擴(kuò)建將使該基地的SiC產(chǎn)能提高16倍。

SiC的“敦刻爾克時(shí)刻”？

正當(dāng)業(yè)界都在為SiC市場的蓬勃發(fā)展歡呼雀躍之時(shí)，2023年3月1日，特斯拉負(fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)工程的總裁Colin Campbell卻在其投資者大會(huì)上表示，“碳化硅是一種‘了不起的半導(dǎo)體’，但碳化硅很昂貴，真的很難擴(kuò)大規(guī)模，因此在汽車中減少使用碳化硅是我們的一大勝利。”("Silicon carbide is an amazing semiconductor, but it's also expensive and it's really hard to scale. So using less of it is a big one for us.")

特斯拉有自己的考慮，尤其是在成本方面。

2022年，Model 3的成本已降低了30%，但特斯拉希望將下一代汽車的生產(chǎn)成本再降50%，驅(qū)動(dòng)單元的成本則是其中的關(guān)鍵一環(huán)。具體而言，特斯拉下一代動(dòng)力總成將減少75%的碳化硅用量，占板面積減少50%，總成本將比當(dāng)前一代減少1,000美元，但不會(huì)損害汽車的性能或效率。

這樣的表態(tài)無疑是給了想要憑借電動(dòng)汽車得到大發(fā)展的SiC市場一記重拳，有媒體甚至將其形容為開啟“核打擊”模式、迎來“敦刻爾克時(shí)刻”。消息一出，相關(guān)概念股也受到影響而大跌。

外界都在猜測，特斯拉下一代汽車將采用何種技術(shù)路線，才能如此大幅降低碳化硅用量，但目前尚無定論。一個(gè)頗具代表性的觀點(diǎn)是：有分析機(jī)構(gòu)認(rèn)為，特斯拉很可能采用混合解決方案——溝槽碳化硅MOS與硅基IGBT配對(duì)。該機(jī)構(gòu)分析指出，如果如此，這意味著，2025年用于電動(dòng)車主驅(qū)的碳化硅MOSFET市場空間，可能比市場預(yù)期低20%-30%，即從30-33億美元降至25億美元。這可能源于每輛電動(dòng)汽車的碳化硅價(jià)值量降低30%-40%，但滲透率會(huì)更高(2025年滲透率超過60%，而之前估計(jì)為40%-45%)。

由此帶來的連鎖效應(yīng)是：由于2025年電動(dòng)汽車中碳化硅的價(jià)值量減少，2025年6英寸SiC晶圓和4英寸/6英寸襯底的需求量可能低于預(yù)期，2025/2026年全球碳化硅襯底供需比將達(dá)到130%-150%，明顯供過于求。

但也有行業(yè)人士表示，如果特斯拉通過電機(jī)革新、提高芯片功率密度、創(chuàng)新封裝技術(shù)、 提高母線電壓、改進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)等措施，來降低全碳化硅動(dòng)力總成的成本，這對(duì)SiC產(chǎn)業(yè)不是利空而是利好，為SiC在更大范圍內(nèi)取代硅基IGBT創(chuàng)造了更好的條件。如此一來，SiC在電動(dòng)汽車的使用會(huì)從高中端乘用車向低端乘用車下探，從乘用車向商用車及特種車發(fā)展，在碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈中，芯片制造及封裝的價(jià)值份額會(huì)提高。

但無論外界如何猜測，相信特斯拉不會(huì)放棄碳化硅的人還是占了大多數(shù)。畢竟他們的態(tài)度之一就是“通過進(jìn)一步的優(yōu)化功率模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)碳化硅器件用量的減少。”如果不看好碳化硅，特斯拉完全沒必要這么做，更不必在投資者日上來公開宣布。另一方面，SiC取代硅基IGBT是不可逆的趨勢(shì)，尤其是在800V充電架構(gòu)之下，硅基IGBT已經(jīng)達(dá)到性能的極限，很難滿足主驅(qū)逆變器的技術(shù)需求。

每一項(xiàng)新的技術(shù)從試用到使用，再到大規(guī)模商用，都要經(jīng)過一段很長的時(shí)間，這里面既有技術(shù)的成熟度原因，也有產(chǎn)品的成本和供應(yīng)原因。理論上而言，隨著各種碳化硅項(xiàng)目紛紛上馬、上游供應(yīng)量提升、在更多領(lǐng)域得以應(yīng)用，碳化硅產(chǎn)品的使用門檻應(yīng)該將會(huì)有所降低。

但并不是所有的應(yīng)用都需要碳化硅的這些特性，畢竟現(xiàn)階段SiC器件的價(jià)格確實(shí)比傳統(tǒng)硅器件貴很多。當(dāng)前，比較適合SiC的光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車和充電樁應(yīng)用，算是邁出了從傳統(tǒng)硅器件轉(zhuǎn)向碳化硅器件的第一步，至于其它行業(yè)是否會(huì)跟進(jìn)，還要通過更長時(shí)間來檢驗(yàn)，同時(shí)也有賴于碳化硅器件成本的下降速度。

多管齊下

其實(shí)，近期市場上還出現(xiàn)了另一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象，筆者將其稱之為“寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)的左右互搏”，尤其以氮化鎵龍頭企業(yè)納微(Navitas)半導(dǎo)體宣布收購碳化硅企業(yè)GeneSiC和英飛凌收購GaN Systems(氮化鎵系統(tǒng)公司)最具代表性。

Navitas“GaN+SiC”雙引擎戰(zhàn)略

2022年8月，納微正式并購GeneSiC公司，構(gòu)建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導(dǎo)體雙引擎戰(zhàn)略。此后，該公司還并購了VDD TECH公司，并于今年1月與廣東希荻微電子達(dá)成協(xié)議，獲得希荻微擁有并經(jīng)授權(quán)使用的與硅控制器相關(guān)技術(shù)許可。至此，納微實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓等級(jí)40V到6,500V，功率等級(jí)20/30瓦到兆瓦級(jí)應(yīng)用場景的全覆蓋。

納微半導(dǎo)體副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理查瑩杰透露的數(shù)據(jù)顯示，截至2022年5月，納微GaNFast芯片出貨量超過7千萬顆，交付周期6-16周，產(chǎn)能會(huì)在2023年再擴(kuò)充3倍；而GeneSiC產(chǎn)品發(fā)貨量則超過800萬顆，排名進(jìn)入全球前8，交付周期16-26周，預(yù)計(jì)產(chǎn)能會(huì)在今年擴(kuò)增5倍。

電動(dòng)汽車、光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源是GaNFast/GeneSiC的主要應(yīng)用場景。以數(shù)據(jù)中心為例，如果將鉑金電源全部升級(jí)為鈦金電源，整個(gè)中國數(shù)據(jù)中心市場可以提升1.8%的電源效率，節(jié)電50億度，相當(dāng)于減少50萬噸二氧化碳排放，或是2萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用，這還僅是在單一AC-DC電源通過使用第三代半導(dǎo)體后做出的貢獻(xiàn)。

納微半導(dǎo)體新能源汽車應(yīng)用中心總監(jiān)孫浩認(rèn)為，“SiC具備的高壓、高結(jié)溫特性，使得它在800V主驅(qū)系統(tǒng)中產(chǎn)生的價(jià)值是其他功率器件所不可替代的。“ 換言之，主機(jī)廠對(duì)于SiC在主驅(qū)性能、續(xù)航里程提升，以及更大功率系統(tǒng)在高端車型中的應(yīng)用，是認(rèn)可并愿意買單的。

而對(duì)于GaN大規(guī)模上車的時(shí)間點(diǎn)，孫浩預(yù)計(jì)會(huì)在未來2年內(nèi)。他分析稱，主機(jī)廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因?yàn)榈壴诟哳l應(yīng)用上具備優(yōu)勢(shì)，可以在確保產(chǎn)品性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關(guān)心地方。受制于工藝限制，GaN當(dāng)前仍主要集中應(yīng)用于650伏左右的中低壓領(lǐng)域，但在一些特定車型的主驅(qū)應(yīng)用(200V-300V，功率30kW以下)中也有應(yīng)用。

與ST、安森美、英飛凌等IDM廠商不同，納微半導(dǎo)體在SiC上選擇了更加靈活的商業(yè)模式，與包括X-FAB在內(nèi)的12家以上的伙伴展開了合作，以確保產(chǎn)能和交付能力。據(jù)查瑩杰透露，當(dāng)前碳化硅行業(yè)的瓶頸仍然是在襯底側(cè)，不但占據(jù)總成本的45%-50%，還要考慮良率、缺陷、封裝、器件設(shè)計(jì)等多個(gè)要素，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈共同努力解決。

英飛凌收購GaN Systems

英飛凌和GaN Systems在今年3月2日聯(lián)合宣布，雙方已簽署最終協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，英飛凌將斥資8.3億美元收購總部位于加拿大渥太華的GaN Systems公司。通過此次收購，英飛凌將同時(shí)擁有硅、碳化硅和氮化鎵三種主要的功率半導(dǎo)體技術(shù)。

英飛凌首席執(zhí)行官Jochen Hanebeck在談及此次收購時(shí)稱，“氮化鎵技術(shù)在移動(dòng)充電、數(shù)據(jù)中心電源、家用太陽能逆變器和電動(dòng)汽車車載充電器等領(lǐng)域的應(yīng)用正處于關(guān)鍵拐點(diǎn)，氮化鎵技術(shù)為打造更加低碳節(jié)能的解決方案掃清了障礙，有助于推動(dòng)低碳化進(jìn)程。“

作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，GaN通過更高的功率密度、更高的效率和更小的尺寸為客戶提供價(jià)值，尤其是在更高的開關(guān)頻率下。這些特性可實(shí)現(xiàn)節(jié)能和更小的外形尺寸，使GaN 適合廣泛的應(yīng)用。

從可持續(xù)性和盈利能力角度來看，使用GaN半導(dǎo)體將同時(shí)通過提高數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)密度來增加企業(yè)收入，并減輕對(duì)環(huán)境的影響。此外，隨著可再生能源大規(guī)模收集、儲(chǔ)存和使用技術(shù)的大規(guī)模推廣，太陽能發(fā)電系統(tǒng)將需要更節(jié)能的電源逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和能量密集型存儲(chǔ)，GaN技術(shù)將成為該解決方案的核心。

市場研究公司Yole預(yù)測，GaN功率器件市場將從2021年的1.26億美元增長到2027 年20億美元，復(fù)合年均增長率(CAGR)高達(dá)59%，消費(fèi)電源、數(shù)據(jù)通信/電信和汽車將成為氮化鎵市場的主要推動(dòng)力。

圖1：2021-2027年按應(yīng)用劃分的GaN功率器件市場規(guī)模細(xì)分 制圖：國際電子商情 數(shù)據(jù)來源：Yole Group

GaN快速充電器在手機(jī)市場的迅速增長正變得毫無爭議。借助GaN，智能手機(jī)制造商可以制造外殼尺寸更小且性價(jià)比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價(jià)比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度導(dǎo)致每瓦成本更低——三星的45W Si快速充電器的功率密度為0.55W/cm3，而其45W基于GaN的充電器擁有0.76W/cm3的功率密度，占板面積縮小了近30%。

接下來，智能手機(jī)快速充電器高于75W的目標(biāo)功率新趨勢(shì)，可能會(huì)在不久的將來推動(dòng)智能手機(jī)OEM對(duì)GaN的采用。大多數(shù)國家超過75W的功率需要功率因數(shù)校正(PFC)電路，這需要使用更多的GaN器件。到2027年，消費(fèi)級(jí)GaN功率器件市場的價(jià)值將超過9.1億美元，2021-2027年復(fù)合年增長率為52%。

而在數(shù)據(jù)通信/電信行業(yè)，隨著數(shù)據(jù)中心每三到五年更新一次硬件，加上生效的歐盟生態(tài)設(shè)計(jì)Lot 9效率監(jiān)管要求，GaN將有機(jī)會(huì)在機(jī)架式電源和服務(wù)器中的獨(dú)立冗余電源中取代硅。同時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)也將加速電源向更高效率和更小外形尺寸的轉(zhuǎn)變。例如開放計(jì)算機(jī)項(xiàng)目(OCP)為服務(wù)器電源定義了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸M-CRPS，可將尺寸減小 30%。傳統(tǒng)的硅MOSFET將難以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，而GaN在這方面表現(xiàn)出色。據(jù)Yole預(yù)計(jì)，數(shù)據(jù)通信/電信市場的GaN功率器件市場規(guī)模將在2027年達(dá)到6.18億美元，復(fù)合年增長率為69%。

汽車市場也很值得關(guān)注。2021年車用GaN功率器件市場規(guī)模為530萬美元，但由于汽車電氣/電子架構(gòu)快速發(fā)展，越來越多的原始設(shè)備制造商開始采用GaN進(jìn)行生產(chǎn)，尤其是隨著更多400V系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性上升，GaN半導(dǎo)體公司將開始看到他們?cè)贓V設(shè)計(jì)中的份額增加，800V系統(tǒng)的多級(jí)GaN解決方案將得到驗(yàn)證。預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2022-2027年，該市場的復(fù)合年增長率將達(dá)99%，預(yù)計(jì)將增長至規(guī)模2.27億美元。其中，車載DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器(OBC)預(yù)計(jì)將迎來下一波增長。

Yole稱，更多的“玩家”正進(jìn)入供應(yīng)鏈——羅姆正在為電信/數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供150V GaN產(chǎn)品；比利時(shí)的一家新的氮化鎵代工廠BelGaN最近收購了安森美位于奧德納爾德的晶圓廠；英諾賽科正在投資超過4億美元，以期到2025年將其每月1萬片8英寸晶圓的產(chǎn)量擴(kuò)大到每月7萬片晶圓。在募資層面，Navitas在與Live Oak Acquisition Corp達(dá)成價(jià)值10.4億美元的協(xié)議后合并上市。