2023年，終端消費(fèi)的低迷已蔓延到半導(dǎo)體行業(yè)的各個(gè)方面。盡管半導(dǎo)體行業(yè)總體持謹(jǐn)慎態(tài)度，但一些細(xì)分領(lǐng)域卻逆勢而上，呈現(xiàn)出逆周期增長的態(tài)勢。

其中最受矚目的，莫過于第三代半導(dǎo)體，甚至有業(yè)內(nèi)人士將其視為下一波浪潮。

半導(dǎo)體從第一代走到第三代，到底什么變了？

在過去的幾十年里，隨著技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)從第一代發(fā)展到第三代。

第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺為代表，制造工藝成熟、生產(chǎn)成本低、資源比較充足，目前應(yīng)用于95%以上的半導(dǎo)體器件；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵和磷化銦等為代表，在光通信、光顯示、光探測器等領(lǐng)域扮演著重要角色。

然而，伴隨著低碳化和數(shù)字化潮流席卷而來，半導(dǎo)體照明、物聯(lián)網(wǎng)、5G和電動(dòng)汽車等新興產(chǎn)業(yè)開始蓬勃發(fā)展，由此衍生了對半導(dǎo)體的新需求——滿足高溫、高耐壓、高頻率和高抗干擾等苛刻條件。

也就是說，全球產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)的演變推動(dòng)了半導(dǎo)體升級(jí)迭代，第一代和第二代半導(dǎo)體已經(jīng)無法滿足5G和新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的新需求，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)開始展露頭角。

圖片來源：Wolfspeed

從高溫的角度來看，碳化硅的禁帶寬度約為硅的3倍，具有出色的高溫性能，可以承受高達(dá)600攝氏度甚至更高的溫度。相比之下，傳統(tǒng)硅材料一般只能在150攝氏度左右的溫度范圍內(nèi)工作。

碳化硅的這一特性在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用尤為重要。汽車引擎艙內(nèi)的溫度可能非常高，特別是在引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，溫度可能超過攝氏200度甚至更高，因此需要能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的電子元件。

在高耐壓方面，碳化硅半導(dǎo)體具有非常高的擊穿電場強(qiáng)度，耐高壓能力是硅的10倍，從而降低了系統(tǒng)的體積和重量。與硅基半導(dǎo)體相比，碳化硅半導(dǎo)體能量損耗可減少50%以上，設(shè)備體積可減少高達(dá)75%或更多。

例如，三菱電機(jī)在逆變器用碳化硅開發(fā)出世界最小馬達(dá)；豐田用碳化硅MOSFET的凱美瑞試驗(yàn)車，逆變器開關(guān)損耗降低30%；800伏高壓平臺(tái)的車型采用碳化硅器件總體效率據(jù)稱可提高5%到10%。

正如業(yè)內(nèi)專家所言，第三代半導(dǎo)體具有更先進(jìn)的性能，可以突破第一代、第二代半導(dǎo)體的發(fā)展瓶頸。在新能源汽車、5G等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展下，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，未來幾年第三代半導(dǎo)體具備極大的市場潛力。

圖片來源：麥肯錫

作為第三代半導(dǎo)體的代表性產(chǎn)品之一，碳化硅的市場規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)TrendForce發(fā)布的數(shù)據(jù)，2026年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將達(dá)到53.3億美元，主流應(yīng)用仍聚焦電動(dòng)汽車和可再生能源行業(yè)。其中，電動(dòng)汽車產(chǎn)值可達(dá)39.8億美元，年復(fù)合增長率約為38%。

另一家機(jī)構(gòu)進(jìn)一步預(yù)測，全球碳化硅器件市場目前的規(guī)模約20億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到110億至140億美元，年復(fù)合增長率為26%。

半導(dǎo)體大廠搶灘碳化硅，到底在搶什么？

隨著汽車電動(dòng)化浪潮襲來，對碳化硅功率半導(dǎo)體的需求日益增大。碳化硅半導(dǎo)體市場擁有巨大的潛力，也令眾多半導(dǎo)體廠商紛紛開展戰(zhàn)略布局。

值得注意的是，在市場近些年的投資和合作中，碳化硅襯底成為廠商極為重視的領(lǐng)域。

近幾年，國內(nèi)外碳化硅廠商都在持續(xù)擴(kuò)大碳化硅襯底的產(chǎn)能，擴(kuò)產(chǎn)規(guī)?？梢赃_(dá)到以往6英寸產(chǎn)能的數(shù)倍。最近幾個(gè)月，瑞薩電子、羅姆、英飛凌和意法半導(dǎo)體等半導(dǎo)體廠商也在搶灘碳化硅襯底產(chǎn)能。

具體來看，2024年1月，Wolfspeed宣布與一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司擴(kuò)大現(xiàn)有的長期碳化硅晶片供應(yīng)協(xié)議，向其提供150毫米碳化硅裸片和外延片，協(xié)議總價(jià)值約為2.75億美元。2024年2月，英飛凌與Wolfspeed宣布擴(kuò)展并延長雙方2018年2月簽署的現(xiàn)有150毫米碳化硅晶圓長期供應(yīng)協(xié)議。2024年4月，意法半導(dǎo)體宣布擴(kuò)大與羅姆旗下SiCrystal現(xiàn)有的150mm碳化硅襯底晶圓長期供應(yīng)協(xié)議。

圖片來源：Wolfspeed

不難看出，半導(dǎo)體大廠正在襯底領(lǐng)域“砸錢”保供。

根據(jù)相關(guān)資料，碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈主要由襯底、外延片、晶圓、器件、制造和封測等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中襯底是碳化硅價(jià)值鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，襯底占碳化硅器件總成本的50%，而外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。

對于碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)和成本來看，襯底的重要性不言而喻。

為了確保獲得襯底產(chǎn)能，半導(dǎo)體廠商使出了“十八般武藝”，最終衍生出自己的保供策略。

羅姆主要采用“收購襯底供應(yīng)商+自建襯底工廠”的方式，意法半導(dǎo)體和安森美主要通過“收購襯底供應(yīng)商+自建襯底工廠+外部采購”的模式布局。

以意法半導(dǎo)體為例，在“收購襯底供應(yīng)商”方面，意法半導(dǎo)體在2019年收購了瑞典碳化硅襯底供應(yīng)商N(yùn)orstel（現(xiàn)更名為ST SiC AB）。在“自建襯底工廠”方面，意法半導(dǎo)體在意大利卡塔尼亞新建一家碳化硅襯底工廠（預(yù)計(jì)2024年投產(chǎn)），還與三安光電合作在重慶設(shè)立的8英寸SiC晶圓工廠，作為配套，三安光電將建一座8英寸SiC襯底廠。在“外部采購”方面，意法半導(dǎo)體是羅姆旗下SiCrystal和Wolfspeed等襯底廠商的客戶。

圖片來源：意法半導(dǎo)體

相比之下，英飛凌的保供方式與上述廠商略有不同，通過“收購襯底切割廠商+自建襯底工廠+多元化外部采購合作”的模式布局產(chǎn)能。

其實(shí)，英飛凌也曾打過收購襯底供應(yīng)商的主意。2016年7月，英飛凌曾計(jì)劃以8.5億美元的現(xiàn)金收購Cree旗下的功率與RF無線射頻元件業(yè)務(wù)部Wolfspeed，但最終因美國政府的反對不了了之。

后續(xù)，英飛凌沒有繼續(xù)收購其他襯底供應(yīng)商，反而在2018年收購了以“冷切割”核心技術(shù)聞名的初創(chuàng)科技公司SILTECTRA。

在襯底加工環(huán)節(jié)，切割被視為影響產(chǎn)能的最大瓶頸，現(xiàn)有金剛石線鋸工藝會(huì)導(dǎo)致材料損失，使單個(gè)晶錠可產(chǎn)出的芯片數(shù)量減少。

但隨著英飛凌將SILTECTRA更高效的“冷切割”工藝用于碳化硅晶錠的切割上，據(jù)稱能將碳化硅晶圓良率提高90%，單個(gè)晶錠可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番，最終碳化硅器件成本或可以降低20%到30%。

圖片來源：英飛凌

不僅如此，英飛凌還加強(qiáng)了外部采購保供策略，與多家襯底供應(yīng)商建立合作關(guān)系，升級(jí)為多元化采購策略。

根據(jù)對公開資料的不完全統(tǒng)計(jì)，在2018年到2024年期間，英飛凌先后與Cree（Wolfspeed）、GTAT、II-VI、Resonac Corporation（前身為昭和電工株式會(huì)社）、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、SK Siltron CSS、Coherent等廠商簽訂了碳化硅襯底、晶圓或晶錠供應(yīng)協(xié)議。

據(jù)英飛凌近期透露，該公司目前擁有超過5家合格的碳化硅晶圓和晶錠供應(yīng)商，有穩(wěn)定的碳化硅原材料供應(yīng)。

總體來看，半導(dǎo)體廠商正在通過結(jié)合收購、自建/合建、外購等多種方式來搶灘碳化硅襯底。但從某種程度上看，此舉也是希望確保在關(guān)鍵領(lǐng)域的“供應(yīng)鏈多元化”。

半導(dǎo)體廠商對于“多元化”的追求不禁讓人回想起2021年初爆發(fā)的全球供應(yīng)危機(jī)——芯片短缺。

當(dāng)時(shí)，受新冠疫情的影響，許多芯片供應(yīng)商在暫停生產(chǎn)后，有限的產(chǎn)量難以跟上迅速增長的需求，最終在三年的時(shí)間里，汽車行業(yè)遭到了重創(chuàng)，全球累計(jì)減產(chǎn)了1700多萬輛汽車。

芯片危機(jī)不僅給汽車行業(yè)帶來了一個(gè)慘痛的教訓(xùn)，也讓許多企業(yè)重新審視“供應(yīng)鏈安全性和穩(wěn)定性”的重要性。

在當(dāng)今供應(yīng)鏈充滿不確定性的背景之下，供應(yīng)鏈多元化可以減少對特定地區(qū)、行業(yè)或供應(yīng)商的依賴性，提高供應(yīng)鏈的靈活性、適應(yīng)性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，從而更好地抵御潛在的供應(yīng)中斷或變動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

換言之，對于半導(dǎo)體廠商來說，在關(guān)鍵襯底領(lǐng)域“保量保穩(wěn)”才是長久之道。

碳化硅降本的機(jī)遇是誰？

在半導(dǎo)體廠商搶灘碳化硅襯底產(chǎn)能的背后，是近年來低碳化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型對碳化硅器件需求的持續(xù)激增。但碳化硅成本高企一直是行業(yè)痛點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，碳化硅大約會(huì)比硅產(chǎn)品貴5到6倍。此前，馬斯克宣布大砍碳化硅用量，部分源于其高昂的成本。

圖片來源：特斯拉

在此情況下，業(yè)內(nèi)對降低成本的呼聲日益強(qiáng)烈。

正如前文所言，在整個(gè)成本結(jié)構(gòu)中，碳化硅襯底的成本占比最高，達(dá)到50%左右。從市場邏輯來看，隨著低碳化轉(zhuǎn)型對碳化硅器件需求的持續(xù)激增，襯底價(jià)格下探勢在必行。

業(yè)內(nèi)分析指出，若想降低碳化硅器件的成本，降低襯底的成本和提高襯底的利用率變得尤為重要。

根據(jù)中國碳化硅襯底制造商天科合達(dá)（TankeBlue Semiconductor）的計(jì)算，從4英寸升級(jí)到6英寸，預(yù)計(jì)單位成本將降低50%；從6英寸到8英寸，預(yù)計(jì)成本將在此基礎(chǔ)上再降低35%。同時(shí)，8英寸襯底可以產(chǎn)生更多的芯片，從而降低邊緣損耗，簡而言之，8英寸襯底提供更高的利用率。

得益于成本優(yōu)勢和更高的利用率，8英寸襯底逐漸被市場寄予厚望。

自2015年Wolfspeed首次展示樣品以來，8英寸碳化硅襯底已經(jīng)經(jīng)歷了近10年的發(fā)展歷程，近兩年在技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)方面明顯加速。不過，盡管目前8英寸襯底已經(jīng)開始滲透市場，但是6英寸襯底仍占主導(dǎo)地位。

因此，半導(dǎo)體廠商和襯底廠商也意識(shí)到，碳化硅襯底降本的核心在于確保8英寸襯底的產(chǎn)能、量產(chǎn)和交付。

在產(chǎn)能方面，2023年全球8英寸碳化硅晶圓廠擴(kuò)張規(guī)模再創(chuàng)新高。根據(jù)TrendForce發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023年，大約有12個(gè)與8英寸晶圓相關(guān)的擴(kuò)建項(xiàng)目實(shí)施，其中8個(gè)項(xiàng)目由Wolfspeed、安森美、意法半導(dǎo)體，英飛凌，羅姆等全球廠商牽頭，3個(gè)項(xiàng)目由中國制造商牽頭，還有1個(gè)意法半導(dǎo)體與中國廠商的合作項(xiàng)目。

圖片來源：英飛凌

以英飛凌為例，為了實(shí)現(xiàn)在2030年前擁有全球30%碳化硅市場份額的目標(biāo)，英飛凌在去年8月宣布將在2022年2月宣布的原始投資基礎(chǔ)之上，在未來5年內(nèi)，再投入多達(dá)50億歐元進(jìn)行居林第3廠區(qū)的2期建設(shè)，打造全球最大的200毫米（8英寸）碳化硅功率半導(dǎo)體晶圓廠。

在量產(chǎn)和交付領(lǐng)域，縱觀國際廠商，除了已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的Wolfspeed外，還有7家碳化硅襯底、外延，有望在今年或未來1至2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。中國廠商也在襯底量產(chǎn)領(lǐng)域成為不可或缺的中堅(jiān)力量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，就中國廠商而言，目前已有10多家企業(yè)8英寸SiC襯底進(jìn)入樣品和小規(guī)模生產(chǎn)階段。

綜上所述，在8英寸碳化硅襯底領(lǐng)域，國內(nèi)外廠商已在產(chǎn)能上進(jìn)行了布局，以滿足市場不斷增長的需求。這種全球范圍內(nèi)的布局和合作勢必會(huì)加速8英寸襯底的量產(chǎn)和交付速度，碳化硅器件的價(jià)格也有望進(jìn)一步下探。

結(jié)語：警惕無序競爭

目前，全球電動(dòng)汽車增長趨勢有所放緩，價(jià)格成為阻礙電動(dòng)汽車普及的重要因素之一，這也在電動(dòng)汽車行業(yè)引發(fā)了一場激烈的“價(jià)格戰(zhàn)”。隨著競爭加劇，整車廠商的降本壓力日益加大，這種壓力最終也會(huì)傳遞到供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。

業(yè)內(nèi)分析指出，預(yù)計(jì)未來電動(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)碳化硅70%的需求，作為汽車供應(yīng)鏈上的一環(huán)，“價(jià)格戰(zhàn)”勢必會(huì)影響到碳化硅領(lǐng)域。有消息預(yù)測，碳化硅襯底“價(jià)格戰(zhàn)”爆發(fā)時(shí)間或在2024年。

在這種情況下，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)在擴(kuò)張和降本的同時(shí)，需要警惕陷入無序競爭的風(fēng)險(xiǎn)。

未來，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)應(yīng)當(dāng)著眼于提高專利技術(shù)水平、平衡供需關(guān)系、改善產(chǎn)業(yè)生態(tài)，同時(shí)與上下游形成協(xié)同聯(lián)動(dòng)，這才是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長久之道。

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