8英寸碳化硅扩产竞速，产能过剩拐点即将出现？

碳化硅作为第三代半导体材料，以其宽禁带、高热导率、高击穿电压和低电阻等特性著称，在功率半导体领域展现出广泛的应用前景，特别是在耐高温、耐高压和高频的应用场景中表现优异，将广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。

在过去几年半导体下行周期里，除了AI芯片和高性能存储等少数芯片类别之外，碳化硅(SiC)借新能源汽车、太阳能光伏等应用的“东风”，也呈现出逆势增长的发展走势。根据富士经济的预测，到2030年SiC功率器件市场规模将达到近150亿美元，占整体功率器件市场的约24%；到2035年则有望超过200亿美元，届时SiC器件市场规模将占到整体功率器件市场的40%以上。

然而，尽管功率碳化硅器件具有广阔的应用前景，但降本和性能提升仍然是制约碳化硅产业化的关键因素。其中，碳化硅衬底的制造工艺和加工是成本居高不下的重要原因。目前，围绕降本和性能这两大制约因素，全球碳化硅产业链厂商均加大了技术和资本投入力度，不断扩大产能规模，以期快速抢占这一市场未来发展红利。

市场行情上涨、产业化进程加快

过去几年来，在绿色低碳目标的指引下，能源结构不断转型升级，对电压和能源转换效率的要求不断提升，且在成本和安全的约束下更关注系统的稳定性和经济性，使更耐高温、更耐高压、更高热导率、更小体积、更轻重量、更高可靠性、性能更优越的碳化硅器件越来越受到下游产业链的关注(表1)。

表1：碳化硅材料相比硅材料具备多种优势。(来源：Rohm)

其中，尤其是中压范围的光伏、风电、新能源车、充电桩、服务器UPS电源、工控电源、白电等，对高频、大功率射频及电力电子需求的快速增长，极大推动了碳化硅的产业化进程。对此，意法半导体(ST)模拟、功率与分立器件、MEMS与传感器产品部(APMS)功率晶体管事业部市场沟通经理Gianfranco Di Marco表示：“预计未来几年SiC应用将继续保持强劲增长势头。由于需要高效的电源转换和高压功能，新能源汽车仍将是拉动碳化硅市场增长的重要动力。”

意法半导体模拟、功率与分立器件、MEMS与传感器产品部(APMS)功率晶体管事业部市场沟通经理Gianfranco Di Marco。

从相关数据也可以清晰看到，在新能源汽车市场渗透率不断上升的同时，碳化硅功率器件应用也在加速普及。根据中汽协数据，2021、2022、2023年中国新能源汽车销量分别为350万辆、689万辆、950万辆，市场占有率不断攀升，达到31.6%。预计2024年销量将达到1200～1300万辆，市占率超过45%，同时占全世界年产销量60%。自从2018年特斯拉开始在Model 3的主驱逆变器里使用基于碳化硅材料的MOSFET之后，各大车企随后数年里纷纷效仿，利用碳化硅器件替代传统的硅基IGBT。

在新能源汽车方面，碳化硅器件主要应用在电机控制器(电驱)、车载充电器(OBC)、DC/DC转换器以及充电桩。相比硅基器件，碳化硅器件有更优越的物理性能，体积小，性能优越，节能性强，不仅使新能源汽车降低了车身自重，还增加了续航里程，缩短了充电时长，缓解了续航焦虑问题(表2)。

表2：碳化硅器件相比硅基器件性能优越。(来源：Wolfspeed)

以主驱为例，在同样的电压下，SiC MOSFET与Si IGBT相比有望助力逆变器输出更大的功率。根据英飞凌的测试，在将电压提高到800V后，使用SiC MOSFET替代Si IGBT有望将系统效率提升7.6%。根据罗姆(Rohm)的预测，到2025年SiC在电机控制器中的渗透率将高达40%。

OBC对功率密度、整机效率的要求一般高于其他车载电源零部件，通过SiC MOSFET进行替代，可以减小散热器和无源元件的尺寸，简化电路，实现效率的提升。目前，这一应用趋势也在惠及中国OBC厂商。相关数据显示，中国碳化硅芯片在OBC的渗透率已经达到60～70%。

800V高压快充技术也将加速碳化硅上车。目前来看，要跨越电动车渗透率鸿沟，获得更多消费者认可，推动快充技术是必然之路。提高电动汽车充电功率主要有两条路径：一是提高电流；二是提高电压。其中，选择提升电流的路径，意味着要采用更粗更重的线束，并产生更多的热量，因而在设计导电元件和确定尺寸时要考虑这些热量，以避免发生过载、过热或充电电流受控降额等问题。实际上，即使能进行相关的设计，提高电流的方式也是有极限的，而且也会对汽车的安全性带来隐患。因此，推动400V电压平台向800V电压平台转换，应该是目前最有可能缓解电动车里程焦虑的技术方向。

碳化硅MOSFET在800V快充具有无可替代的优势。这是因为电压升高后硅基IGBT的导通损耗、开关损耗都有显著上升，使得800V的实际经济性大为降低。因此，在800V电压平台中，越来越多企业更倾向于选择高频低损耗的碳化硅MOSFET方案。值得关注的是，过去一年多来，800V快充技术已逐渐从高端车型向中端车型渗透。2023年就有小鹏G6、极氪X、智己LS6等多款20～25万元价格段的标配碳化硅车型上市。

Gianfranco Di Marco认为：“除新能源汽车外，预计工业应用也将迎来大幅增长，尤其是太阳能逆变器和风力发电等可再生能源系统。”

有行业机构也分析指出，随着光伏产业向“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”方向发展，未来光伏电站电压等级将从1000V提升至1500V及以上，对功率器件的物理性能提出了更高的要求。SiC凭借优良的物理特性将大范围应用于装机贡献更大的组串式逆变器，实现系统的降本提效。根据天科合达招股说明书资料，使用全SiC MOSFET或SiC MOSFET与SiC SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。碳化硅器件在光储逆变器中应用比例也在持续增加，其竞争甚至比车规产品更为激烈。

此外，Gianfranco Di Marco也认为：“数据中心和电信基础设施将越来越多地采用SiC技术来提高能源效率。更重要的是，SiC解决方案能够为新的AI服务器提供更高的功率密度，预计AI服务器的功率需求将是普通服务器的十倍。这些行业将从SiC卓越的耐高压能力、能效和导热性以及其他显著优势中受益。”

降本和性能仍是制约因素

尽管碳化硅器件在技术上比硅基产品具有明显优势，但现阶段SiC仍然存在一些问题，限制了大规模产业化推广和应用。主要体现在以下几个方面：

1. 材料缺陷和工艺成熟度：受SiC材料缺陷密度高、SiC器件设计和工艺成熟度、产品良率和可靠性较低等问题限制，单芯片SiC MOSFET的额定电流远小于单芯片Si IGBT的额定电流，限制了SiC MOSFET向更高功率等级发展。
2. 可靠性：SiC MOSFET长时间运行的可靠性仍要差于Si IGBT，限制了该功率器件在高可靠电源转换领域中的应用。相比Si IGBT，SiC MOSFET主要体现在短路能力和栅极氧化层在高温强电场下的可靠性不足。
3. EMI噪声：SiC MOSFET的开关速度更快，意味着该功率器件将在开关过程中产生更高的dv/dt(电压变化率)和di/dt(电流变化率)，从而产生更严重的传导电磁干扰(EMI)噪声，威胁转换器性能及可靠性。因此，采用SiC MOSFET将对转换器EMI噪声的抑制提出更高要求。
4. 成本问题：受高昂SiC材料成本、复杂器件制作工艺以及较低产品良品率等因素的影响，SiC MOSFET的成本与同类Si IGBT分立器件相比仍然有较大差距，基本上是数倍于硅基器件，阻碍了SiC器件大规模的产业化推广。

总结而言，碳化硅仍然存在性能提升和成本两大关键制约因素。不过，尽管SiC器件成本相对Si仍然较高，但以半导体成本的提升换取系统效率的提升，最终仍可带来整个系统成本下降，使得碳化硅依然具有较高的商业价值。因此，目前碳化硅产业链厂商都重点聚焦在降本上，毕竟碳化硅的成本直接决定了渗透率和未来市场规模的成长。

从产业链成本构成来看，衬底降本快于器件。其中，衬底占碳化硅成本的比例高达47%，其次是外延，再其次是后道等环节。不过，衬底的降本面对诸多技术难点，包括衬底生长“慢”、加工“难”、缺陷密度去除工艺壁垒“高”。其中，在衬底制造上，碳化硅衬底对温度和压力的控制要求极高，其生长过程在2300℃以上高温和接近真空的低压密闭高温石墨坩埚中进行(硅材料只需要1600℃)，也无法即时观察晶体的生长状况，而且伴随尺寸增加，其生长难度呈几何式增长。同时，碳化硅长晶速度非常慢，传统的硅材料只需3天就可以长成一根晶棒，而碳化硅晶棒则需要7天。

目前，从产业动态来看，碳化硅器件降本的技术路径，主要包括扩大晶圆尺寸、改进碳化硅长晶及加工工艺以提高良率。

值得注意的是，越来越多碳化硅企业正大力扩大晶圆尺寸，特别是8英寸碳化硅晶圆。对此，Gianfranco Di Marco解释道：“晶圆尺寸越大，每片晶圆可生产的芯片数量就越多，从而降低了单个芯片的生产成本，提高了规模经济效益，有利于碳化硅技术大规模应用。此外，8英寸晶圆的均匀性更好，缺陷密度更低，因此芯片性能更高。”

也就是说，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低；衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。当然，扩大晶圆尺寸也意味着碳化硅企业需要购置更先进的更昂贵的能够处理更大晶圆并确保高良率的制造设备。这对一些规模较小的中国企业来说无疑是一个挑战。

Gianfranco Di Marco补充道：“为外延生长、晶圆切片和在8英寸晶圆上制造芯片开发稳健的工艺也很重要。要想满足这些要求，需要在研发上投入巨资，以及供应链上下游企业协同合作。”

清纯半导体市场经理詹旭标也表示，从材料角度来看，基于成本和良率的需求，晶圆材料正在向大尺寸、低缺陷SiC衬底及外延制备方向发展。从器件角度来看，主要目标是设计比导通电阻更低的SiC MOSFET，同时提升其可靠性和鲁棒性，使其更接近硅基IGBT的水平。从工艺角度来看，继续研究制约SiC MOSFET发展的基础科学问题，比如沟道迁移率的问题。

产能过剩，如何应对？

最近几年，碳化硅赛道持续火热，特别是8英寸SiC晶圆作为降低SiC成本的重要技术路线，已经吸引越来越多厂商布局与扩产。目前，意法半导体、安森美、Volfspeed、罗姆、博世等海外碳化硅巨头均宣布了投资、扩产计划，建设自己的8英寸SiC芯片工厂。

Wolfspeed公司首席执行官Gregg Lowe近期就曾表示，把推进8英寸碳化硅产能作为公司两大优先事项之一。除了位于美国纽约州莫霍克谷的全球首座、规模最大的8英寸SiC工厂，Wolfspeed还计划在美国北卡罗来纳州建造一座价值数十亿美元的碳化硅材料工厂，预计2030年完工。另一碳化硅大厂安森美已在2023年完成对韩国富川的SiC晶圆厂扩建，计划在完成技术验证后，于2025年过渡至8英寸生产，届时产能将扩大至目前规模的10倍。英飞凌位于马来西亚居林的8英寸SiC功率半导体晶圆厂一期则预计2025年实现规模化生产。英飞凌还计划在未来五年内再投入多达50亿欧元进行二期建设(表3)……

表3：全球主要碳化硅企业扩产计划(不完全统计)。

除了国际碳化硅大厂之外，中国碳化硅产业链也在加速布局，数十个碳化硅相关项目取得了新进展。以SiC衬底为例，天科合达、山东天岳、山西烁科、河北同光、广州南砂、晶盛机电等厂商已实现批量生产(或小批量生产)。其中，天科合达去年产能已达16万片6英寸SiC晶圆，今年将开始生产8英寸产品。山东天岳预计到2026年产能将达到30万片6英寸晶圆。在碳化硅器件方面，士兰微电子今年6月在厦门正式启动了中国首条8英寸SiC功率器件芯片制造线项目，总投资120亿元人民币，年产能为72万片8英寸SiC功率器件芯片。

据最新统计，在全球14家SiC工厂(其中12家在建)中，目前仅有Wolfspeed的Mohawk Valley工厂短期内能够供应8英寸SiC晶圆，其他厂商预计2025年起将陆续开始供应8英寸SiC晶圆。

相关数据显示，从需求和产能的角度来看，2023年全球碳化硅的有效产能和需求量之间暂时存在一定的缺口，需求缺口大约有30%。随着碳化硅晶圆产能的扩张，预计2025年供需关系将实现平衡，到2026年全球碳化硅市场将会出现严重的产能过剩现象。

对此，Gianfranco Di Marco表示：“意法半导体正在战略性地扩大SiC产能，以满足自身预测到的市场需求。我们正在投资建设新设施并升级现有设施，以推进8英寸SiC晶圆的转型。我们的产能增长与市场需求保持一致，且正在密切关注行业趋势，以避免产能过剩。”

目前，意法半导体正着力构建中国本土化产能和服务能力。除了与三安光电的合作建厂之外，意法半导体还在深圳成立了意法封测创新中心，以更好地服务不断增长的中国市场。Gianfranco Di Marco认为，中国在电动汽车、工业电气化以及节能减碳方面处于世界领先水平，同时对碳化硅器件有着旺盛的需求。因此，意法半导体与三安光电的合资企业将专注于在中国生产SiC器件，增强本土化供应链的韧性。

“与三安光电组建合资企业，也是意法半导体在全球碳化硅产能扩张的重要一步，未来还将继续投资建设意大利SiC园区和新加坡的工厂。”Gianfranco Di Marco介绍了意法半导体在8英寸碳化硅方面的产能扩产情况。今年5月，意法半导体已宣布在意大利卡塔尼亚建设新的8英寸SiC工厂，整合SiC生产工艺的各个环节。新工厂预计2026年开始生产，2033年达到满负荷，最高产能为每周15000片晶圆，预计总投资额约为50亿欧元。

Gianfranco Di Marco补充道：“为了应对产能变化趋势，我们非常重视生产计划的灵活性，并与供应链合作伙伴建立牢固的关系。这种策略使我们能够有效地扩大生产规模，并应对市场波动。此外，意法半导体将不断创新和优化工艺，确保自身SiC产品保持竞争力，并满足最高的质量标准。”

从市场份额来看，全球碳化硅市场竞争格局较为集中，意法半导体、英飞凌、罗姆等前五大厂商占据了大约70%的市场份额。然而，最近几年，中国厂商在碳化硅产业链上也逐步积累起一定的市场和技术竞争优势。例如，在碳化硅衬底领域，有代表厂商天科合达和山东天岳；在外延片领域，有代表厂商东莞天域和瀚天天成。加上中国强烈的国产替代需求和持续的产能扩张，有望进一步挤压海外厂商的市场份额。

针对其他大厂以及中国厂商的竞争，Gianfranco Di Marco表示，意法半导体将特别关注汽车和高端工业市场。他认为：“这些领域的进入门槛较高，对技术和产品质量要求严格。预计这些领域不会出现过度激烈的竞争，能够充分发挥意法半导体的技术专长，同时保持一个很强的市场地位。”

结语

未来几年，在碳化硅这一利基型市场上，越来越多的企业将深度参与其中。一方面，国际大厂如意法半导体、英飞凌、罗姆、安森美等依然占据主要市场份额，并且在全球市场中具有较强的竞争力。另一方面，中国企业将通过自主创新，不断提升产品质量和生产效率，逐渐在国内外市场中占据一席之地。

在此背景下，碳化硅行业企业之间的合作与整合将重塑碳化硅的供应链和竞争格局。与此同时，伴随国内外企业产能的释放和技术进步，碳化硅供给过剩的风险正在加大，在大幅降低碳化硅产品成本的同时，还可能导致企业之间的激烈竞争和价格战。

未来，碳化硅企业需要在扩大产能的同时，更加注重提升产品的差异化优势，避免盲目扩张产能，同时加强技术创新，以更好地满足市场需求，从而实现产能与市场的平衡。当然，尽管未来数年将出现产能过剩的问题，但碳化硅在新能源、半导体等领域的应用前景依然被看好，特别是随着更多耐高温、耐高压和高频的应用场景的出现，碳化硅供给关系仍然可以走向一个相对平衡的状态。

本文为《电子工程专辑》2024年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。