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作者： 王珍 樊雪寒 中国新能源汽车需求旺盛，带动了国产第三代半导体的发展，能效更高的碳化硅功率器件供不应求。瞅准未来两三年短缺的“窗口期”，国内碳化硅（SiC）产业，尤其... 微信号
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作者： 王珍 樊雪寒
中国新能源汽车需求旺盛，带动了国产第三代半导体的发展，能效更高的碳化硅功率器件供不应求。瞅准未来两三年短缺的“窗口期”，国内碳化硅（SiC）产业，尤其是8英寸碳化硅产业链，驶入了发展快车道。
第一财经记者从第三代半导体前沿趋势研讨会上获悉，国内已有约10家企业在8英寸碳化硅衬底领域取得突破性进展，有四五家制出样品、小规模出货，如天科合达等。与此同时，8英寸碳化硅的上游原材料和生产设备等环节，也在逐步推进国产化。而海外大厂也在通过整合补全短板，启动一系列产能扩张计划。
但蜂拥而至的游戏玩家也让碳化硅赛道变得拥挤不堪。广东芯聚能半导体CEO周晓阳也在芯谋研究承办的中国·南沙国际集成电路产业论坛上表示，虽然前景非常广阔，但是碳化硅产业创业的时间窗口几近关闭。
“在芯片制造、封测、外延等每个环节中，最多能好好活3~5家企业。这是产业现状。”周晓阳说。
海外大厂纷纷扩产8英寸碳化硅
相比于传统的硅基功率器件，碳化硅功率器件由于耐高温（工作温度可达600℃）、耐高压、耐高频、体积更小、能效更高的优点，在新能源汽车的电源控制、电机驱动、车载空调等零部件中，应用潜力广阔。
集邦咨询（TrendForce）分析师龚瑞骄表示，这几年电动汽车与储能设施快速发展，导致碳化硅供不应求。在下游应用的驱动下，碳化硅功率元件市场规模将从2022年的16.1亿美元增长到2026年的53.3亿美元，复合增长率达到35%。其中，车用碳化硅功率元件市场将从2022年的10.9亿美元增长到2026年的39.8亿美元，复合增长率达到38%。
市场对碳化硅晶圆尺寸的进一步追求，究其本质，还是苦于碳化硅器件成本高昂、供不应求的现状。从产品使用效率上看，目前6英寸和8英寸的可用面积大约相差1.78倍，换言之，8英寸制造将会在很大程度上降低碳化硅的应用成本。
龚瑞骄预测，6英寸碳化硅衬底产能将从2022年的107万片增长到2026年的569万片。同时，8英寸产品也在进入市场，目前市占率还不到2%，2026年的市场份额将会增长到15%左右。尽管6英寸目前仍是市场的主流工艺、占据80%份额，2025年份额将提升到90%，但是2026年后将会受到8英寸晶圆的挤压。
为了满足需求，国际上主要的碳化硅芯片供应商都积极扩产，尤其在8英寸碳化硅领域。目前，Wolfspeed（原Cree公司）在美国的8英寸晶圆工厂今年一季度出货了第一批产品，先行用于工业市场。
意法半导体（ST）的碳化硅业务去年营收约7亿美元，今年目标是突破10亿美元。ST去年计划投资7.3亿欧元，在意大利建设8英寸碳化硅的生产设施。ST今年6月7日宣布与三安光电在重庆合资设立一座8英寸碳化硅晶圆制造厂，此外三安光电还将在重庆建一座8英寸碳化硅衬底工厂做配套材料。ST将会结合三安光电的配套材料工厂，以及其位于深圳的封测厂，在中国形成垂直整合的碳化硅产业链，以更好地服务中国的汽车和工业市场客户。
英飞凌去年也投下20亿欧元，在马来西亚扩展宽禁带半导体的产能，包括碳化硅和氮化镓。英飞凌的碳化硅产品在工业市场有不错的表现，近年也在不断地拓展汽车市场的客户，去年年底宣布与荷兰汽车制造商Stellantis签订长期供应碳化硅裸片的协议。
龚瑞骄说，除了Wolfspeed、ST、英飞凌，规划8英寸碳化硅晶圆生产设施的厂商还包括安森美、三菱、ROHM等，博世也在今年收购了美国的一家半导体厂商TSI，这家厂商也在美国有一座8英寸的晶圆厂，博世计划未来投资14亿欧元将这座晶圆厂改建成碳化硅产线。
国产碳化硅产业链急起直追
中国是全球最大的新能源汽车市场，国家政策也鼓励发展碳化硅，全球碳化硅市场供不应求、中国新能源车市场需求旺盛，加上鼓励政策，使中国碳化硅产业近年也快速发展。
“我们将抓住2024年、2025年汽车业结构性缺芯的机会，加快让国产碳化硅‘上车’。”三安光电相关人士今年4月曾向第一财经记者表示，三安用于主驱的碳化硅功率器件有望2023年四季度上车。湖南三安半导体有限责任公司（下称“湖南三安”）投资160亿元的长沙碳化硅全产业链工厂，二期工程预计2023年完工，达产后产能50万片6英寸碳化硅晶圆。
与ST合作，让三安在8英寸碳化硅晶圆上有了新突破。双方将在重庆设立合资公司——三安意法半导体（重庆）有限公司（暂定名），预计投入总金额为32亿美元。
天科合达2022年也发布了8英寸碳化硅衬底。天科合达研发总监娄艳芳6月15日在第三代半导体前沿趋势研讨会上表示，该公司8英寸碳化硅衬底目前已实现小批量供货。国内已有约10家企业在8英寸碳化硅衬底领域取得了突破性进展。衬底约占碳化硅功率器件产品制作成本的50%左右，已成为碳化硅领域的“兵家必争之地”。
“我们今年初在北京启动了6、8英寸兼容的碳化硅晶圆线。”泰科天润应用测试中心总监高远透露，现在国内已投产和再建设的基本上都是6英寸产线，未来SiC转向8英寸后，这些产线将不具备成本优势，面临追加投资跟进8英寸的问题。而国内何时量产8英寸晶圆，取决于国内上游材料厂商何时能批量稳定供应8英寸衬底和外延，故泰科天润在提前布局8英寸技术、保障技术领先的同时，选择向下兼容6英寸晶圆制造。根据预测，到2027年左右，SiCMOSFET的价格将下降至Si器件的2.5倍左右，将在许多领域占领更多的市场份额。
8英寸衬底具有更高的芯片利用面积和更低的成本优势，将改变市场格局。烁科晶体总经理助理马康夫认为，目前国内外厂商均在积极布局，国内方面，未来有望在产业链上下游的深度协同合作下，加速碳化硅原材料的国产替代进程。烁科晶体研制了8英寸SiC单晶衬底，产品已实现小批量生产和销售。
国产设备也在突进。据纳设智能CEO陈炳安介绍，碳化硅外延生产成本约占碳化硅器件总体成本的23%。现阶段，碳化硅外延的制备方法主要以化学气相沉积（CVD）为主，纳设智能开发了自主创新的碳化硅外延CVD设备，该设备的耗材成本、维护频率都较低。截至目前，纳设智能已与超过10个客户签署销售合同，获得超过150台订单，近日也交付国内首台8、6英寸兼容设备。“预计2025年，8英寸的市场可能会起来，我们也将会做更多的创新迭代，不断提高设备的可靠性、稳定性。”
融资壁垒不高但导入窗口期有限
据第三代半导体联盟的调研，国内碳化硅功率半导体产业目前还处于发展初期，年产值还很小、约100亿元人民币，但是增长很快，增速接近50%。主要应用领域是新能源汽车占65%，其他还有光伏、储能、消费类。工业、商业的应用未来几年也可能会大幅扩展。
在不少半导体初创企业看来，碳化硅衬底材料等环节相关企业获得投资的门槛其实并不高。据统计，今年以来，碳化硅领域已发生超15起融资事件，2023年5月以来，先后有粤海金半导体、希科半导体、瀚薪科技、长飞先进等完成融资。其中，粤海金半导体和希科半导体完成Pre-A轮融资，瀚薪科技完成超5亿元B轮融资。
近日，安徽长飞先进半导体有限公司宣布完成超38亿元A轮股权融资，担任本轮融资的财务顾问的云岫资本称长飞先进本轮融资规模创国内第三代半导体私募股权融资规模历史之最，并刷新2023年以来半导体私募股权融资市场单笔最大融资规模纪录。
数据显示，中国碳化硅半导体产业2022年吸金超过2400亿元，其中，衬底和芯片环节成为投资强度最大领域。去年碳化硅产业已披露的扩产投资金额达到1272.63亿元（不含光电），较2021年增长了36.7%。
不过，上述受到资本关注企业对于8英寸碳化硅产线的布局态度均较为谨慎，面对“未来是否会布局8英寸碳化硅产品线”的提问，长飞先进回应记者“暂时不方便透露”。
从技术上来看，碳化硅晶圆面积的扩大之路并不好走。记者了解到，尽管在功率半导体制造的离子注入、薄膜沉积、介质刻蚀、金属化等环节，8英寸碳化硅与6英寸碳化硅晶圆在技术实现难度上的差距不大，但是与硅材料芯片相比，8英寸和6英寸碳化硅生产的主要差别在高温工艺上，例如高温离子注入、高温氧化、高温激活等，以及上述工艺所需求的硬掩模工艺等。
高温工艺关乎着碳化硅的良率，这也是碳化硅厂商着力攻克的技术难点之一，而海外半导体厂商因入场较早，故在技术上形成了相对较为成熟的解决方案和市场壁垒。早在2015年Wolfspeed（原Cree公司）就向外界展示过200毫米（约8英寸）碳化硅晶圆的样片，只不过在当时，走下Wolfspeed产线的200毫米晶圆的晶体品质与150毫米（约6英寸）依旧相差很多。不过，目前Wolfspeed已经占据了全球碳化硅衬底市场一半的份额，Wolfspeed已计划在德国再建一座8英寸晶圆工厂。
马康夫表示，碳化硅的技术壁垒比较高，需要技术和团队的支撑，同时需要注意，尽管目前碳化硅衬底市场供不应求，但是由于供应链的验证周期也较长，故产业导入窗口期也是有限的。芯谋研究总监李国强更直言，碳化硅产业的现状是整体成本高昂，产能不足，良率也低于硅产品。碳化硅MOSFET的良率约50%，还需要进一步提升。
“现在国内碳化硅企业比较多，良率的提高需要依赖更多人才，而碳化硅本来就是一个小众的领域，人才非常紧缺。同时国内产能在慢慢增加，新的厂商要和成熟厂商竞争，成本、门槛很高，基本上会造成新厂没有利润可言，营业收入可能长期负增长。”李国强对记者表示，面对产业痛点，碳化硅初创企业的挑战会更大。
除了人才紧缺、技术不足之外，李国强还指出，新的碳化硅企业还将面临下游客户发展的问题，现有的国内碳化硅企业基本和头部汽车企业都已经有合作，而汽车整车厂也在投资，双方已共同建立了供应链关系。
跑马圈地不要忘记产业协同
北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波认为，国内碳化硅产业链中跟国际差距最小的是碳化硅衬底，国产碳化硅衬底已在大规模出口；跟国际差距最大的是碳化硅芯片。
沈波说，国产碳化硅衬底最近发展很快，现在主要是6英寸产品，8英寸产品也在逐步发展。国际上，以Wolfspeed为代表的大厂已有8英寸产品的商业化生产。国内宣布已制出8英寸碳化硅衬底样本、小规模供货的有四五家企业，但是还没有实现大规模的供货。“目前市场上相当长一段时间内还是以6英寸为主，因为8英寸从技术成熟度和价格来讲还不具备竞争力。但是，未来3年后的市场情况不好判断，新能源汽车带动的需求非常大。”
碳化硅芯片有两个细分领域，二极管和三极管。沈波说，目前国际上6英寸是主流，8英寸的技术也在发展，二极管已经发展到了第五代，三极管也已经发展到第四代，碳化硅IGBT也开始进入量产的初期，整体发展很快。在新能源汽车里，世界上有四五家大厂的车规级碳化硅芯片在应用，ST、英飞凌等。
“我们的芯片跟国际上差距相当大。现在国内二极管已实现了一定规模的生产，国内几家碳化硅龙头企业主要生产二极管。MOSFET在量产初期，工业级产品占主体。国内IGBT还处在实验室阶段，离产业化还有差距。”沈波说。
娄艳芳建议，因为国内8英寸碳化硅在产业化过程中，还存在着很多难点，包括产品稳定性、成本优势发挥、籽晶充足供应等，所以未来面临的许多挑战需要上下游合作，包括原材料、设备的保障，来共同解决8英寸碳化硅产业化的难题。
马康夫指出，碳化硅功率器件要上车，对供应链的要求是非常严苛的。目前碳化硅衬底还是供不应求，大家现在有机会去拓展一些客户资源，但是等到供需平衡的时候，再去拓展客户资源就相对比较困难了，所以现在各个厂家都在快马加鞭地扩产、跑马圈地。在此背景下，中国的碳化硅产业链加强上下游的协同合作非常关键，这样才能提升性价比和竞争力。
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