碳化硅走向“8英寸”
碳化硅走向“8英寸”
作者：楊鵬岳 來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
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(lǐng)未來能源革命。當(dāng)前，正值碳化硅從6英寸向8英寸轉(zhuǎn)型升級的過渡期。2024年以來，全球各大廠商紛紛傳來關(guān)于8英寸碳化硅的最新進展。業(yè)內(nèi)人士指出，碳化硅從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸是必然趨勢，而8英寸量產(chǎn)將助推碳化硅產(chǎn)品走向規(guī)模化應(yīng)用。
“降本增效”驅(qū)動碳化硅“奔8”
隨著大型計算基礎(chǔ)設(shè)施運行所需的電能日益增加，全球?qū)Ω咝茈娮酉到y(tǒng)的需求不斷增長，這使得以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料越來越成為市場青睞的“香餑餑”。有關(guān)測算顯示，如果全球數(shù)據(jù)中心的電源和散熱系統(tǒng)均采用碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET，所節(jié)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(lǐng)域，碳化硅器件相比于傳統(tǒng)的IGBT，在相同電池電量下能有效延長6%的續(xù)航里程。
不過，碳化硅雖然有著優(yōu)越的電學(xué)和熱學(xué)性能，但有限的產(chǎn)能和偏高的成本，成為其步入大規(guī)模應(yīng)用階段的“攔路虎”。因此，產(chǎn)業(yè)界為了提高生產(chǎn)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(dāng)前主流的6英寸向8英寸升級。
深圳基本半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)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(yōu)勢主要體現(xiàn)在潛在成本、性能和參數(shù)均勻性等方面。
首先是潛在的成本優(yōu)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(shù)均勻性的優(yōu)勢。6英寸碳化硅工藝設(shè)備多是基于6英寸硅工藝設(shè)備改造而來，受限于設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝性能和參數(shù)均勻性與更先進的8英寸工藝設(shè)備存在差距。因此，基于8英寸設(shè)備在工藝性能上的提升，廠商能獲得性能更優(yōu)的芯片。
“8英寸碳化硅量產(chǎn)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。”TrendForce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(diào)，這對于汽車市場十分重要，當(dāng)前碳化硅價格仍然過高，限制其進一步滲透 。
據(jù)了解，汽車市場是碳化硅功率器件最主要的應(yīng)用市場之一，新能源車的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及非車載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件都已應(yīng)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(tǒng)中使用了碳化硅功率器件。TrendForce集邦咨詢預(yù)計，到2026年，車用SiC功率元件市場規(guī)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(xiàn)，碳化硅功率器件的應(yīng)用市場將加速滲透到除汽車之外的光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)等更多領(lǐng)域。
8英寸之路尚存多道“關(guān)卡”
在產(chǎn)業(yè)鏈推動下，碳化硅步入8英寸時代是大勢所趨，但其產(chǎn)業(yè)化過程并非一蹴而就。那么當(dāng)前，8英寸碳化硅的發(fā)展路上存在的“關(guān)卡”有哪些？
從碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，主要包括襯底、外延、器件設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等環(huán)節(jié)。其中，襯底材料是產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)，外延材料是器件制造的關(guān)鍵，而SiC產(chǎn)業(yè)鏈約70%的價值量都集中在這兩個環(huán)節(jié)，后道的器件設(shè)計、制造、封測環(huán)節(jié)占比約30%。從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸，每一個環(huán)節(jié)都面臨不同的挑戰(zhàn)。
泰科天潤董事長陳彤在近期的演講中指出，襯底環(huán)節(jié)在升級過程中面臨較大困難，而外延環(huán)節(jié)相對容易，晶圓制造則存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。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(fù)雜的技術(shù)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(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)。
首先，目前產(chǎn)業(yè)鏈上最主要的挑戰(zhàn)還是在襯底端。8英寸襯底有兩個挑戰(zhàn)：其一，無論是傳統(tǒng)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(tǒng)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(yè)內(nèi)又擔(dān)心助溶劑帶來的金屬沾污風(fēng)險。其二，8英寸襯底切割目前有一定的難度。現(xiàn)在6英寸襯底的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)比6英寸少很多。而如果做350μm，傳統(tǒng)的金剛線切割會有較大的應(yīng)力問題，需要優(yōu)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(tǒng)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(shù)不匹配帶來的應(yīng)力問題會更顯著。
而在8英寸外延方面則沒有太大挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)人士指出，目前國內(nèi)的SiC襯底和外延技術(shù)發(fā)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(yīng)用可以實現(xiàn)規(guī)模化普及？有業(yè)內(nèi)人士表示，預(yù)計從2026年至2027年開始，6英寸碳化硅產(chǎn)品都將被8英寸產(chǎn)品替代。博世半導(dǎo)體博世智能出行集團中國區(qū)董事會高級執(zhí)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(fā)展是大勢所趨。
當(dāng)前，領(lǐng)先的一眾IDM廠商都在積極投資SiC產(chǎn)能擴張計劃，期望建立市場領(lǐng)導(dǎo)地位。從全球范圍來看，SiC的生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)施，以滿足本地市場需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球已有超過10家廠商正在投資建設(shè)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(chǎn)業(yè)鏈廠商頻頻傳來最新進展。從8英寸線碳化硅的建線節(jié)奏來看，盡管建線周期可以壓縮到18個月，但量產(chǎn)穩(wěn)定性的不確定性仍然很大，需要企業(yè)在追求速度的同時，高度重視質(zhì)量控制和工藝穩(wěn)定性。
歐美相關(guān)廠商方面，意法半導(dǎo)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(chǔ)，預(yù)計2026年開始生產(chǎn)，并實現(xiàn)8英寸SiC晶圓量產(chǎn)，到2033年達到滿負荷生產(chǎn)。全球最早量產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)其8英寸晶圓的生產(chǎn)目標(biāo)，預(yù)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(chǎn)基地將幫助英飛凌實現(xiàn)在2030年之前占據(jù)全球30% SiC市場份額的目標(biāo)。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(chǎn)。
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(fù)合型SiC合作開發(fā)協(xié)議。此外，羅姆半導(dǎo)體決定將宮崎縣的工廠改造為8英寸碳化硅襯底生產(chǎn)基地，預(yù)計于2024年正式投產(chǎn)。
中國企業(yè)同樣也在積極布局。芯聯(lián)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(dǎo)體計劃投資32億美元，在重慶共同建設(shè)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(xiàn)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(chǎn)計劃。
關(guān)于我國碳化硅行業(yè)的發(fā)展，陳彤認為，當(dāng)前碳化硅上8英寸有必要性，但是8英寸要以技術(shù)牽引和整合為依據(jù)，不能完全以規(guī)模為目標(biāo)。
“8英寸量產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅簡化。”和巍巍向記者表示，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(tǒng)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(tǒng)碳化硅的優(yōu)勢行業(yè)內(nèi)，由于成本的進一步降低，市場會繼續(xù)下沉，占據(jù)更高的市場比例。在電網(wǎng)領(lǐng)域，當(dāng)8英寸量產(chǎn)后，業(yè)界將有更多的資本用于解決碳化硅缺陷問題，使電網(wǎng)應(yīng)用碳化硅成為現(xiàn)實。而在消費電子領(lǐng)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(fā)展很迅速。基于碳化硅色心的量子計算、量子傳感等有望在功率半導(dǎo)體應(yīng)用之外開辟出新的市場應(yīng)用。
