SiC成本问题的两服解药

碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）构成的化合物半导体材料。SiC临界击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，热导率是Si的3倍，具有更高频、高效、耐高压、耐高温等特点。

与Si器件相比，SiC被认为是一种超越Si极限的功率器件材料，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件，大面积应用于汽车、工业、电源和云计算等市场。

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回顾半导体材料的发展历程，可以分为三个阶段：第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体原料；第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物为代表；第三阶段以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体原料为主。

同被称为第三代半导体材料的GaN，因其特性多被用于650V以下的中低压功率器件，以及射频与光电领域，而SiC则主要用在650V以上的高压功率器件领域。

利用SiC器件可以明显获得小型轻量，高能效和驱动力强的系统性能。经过研究和长期的市场认证，利用SiC材料的特性优势，不仅可以缩小模块的体积的50%以上，减少电子转换损耗80%以上。

因此，作为第三代半导体的代表材料，SiC市场发展迅速。

据IHS数据，SiC市场总量在2025年有望达到30亿美元。随着新能源车的发展，SiC器件性能上的优势将推进碳化硅器件市场规模的扩张，也将促使更多的功率半导体企业将目光聚焦在SiC器件上。当前我国也正在推进5G、数据中心、新能源汽车、充电桩等多个领域的“新基建”建设，为SiC提供了广阔的市场前景。

在强劲增长的背景下，纵观全球半导体市场，安森美半导体作为半导体领域领先企业，尤其是在功率半导体这一细分领域，安森美半导体通过一系列收购，成为了全球第二大功率（分立和模块）半导体供应商。

安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民表示，安森美半导体致力实现从晶体生长到成品的完全垂直整合，提供高质量、稳定可靠、高性价比的SiC器件和方案，推出了多代技术的产品，专注服务于电动汽车、工业、云计算等领域，并以领先的SiC技术助力变革能源市场。

SiC的竞争焦点

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现阶段，越来越多的厂商纷纷加入研发SiC功率器件的赛道，国外知名厂商如英飞凌、ST、Cree、ROHM等都已参与布局其中，国内也有不少厂商陆续推出SiC功率器件产品，如泰科天润、基本半导体和杨杰科技等。

整体来看，SiC产业链可分为三个产业环节，一是上游衬底，二是中游外延片，三是下游器件制造。纵观整个SiC产业，美日欧呈现三足鼎立态势，寡头竞争局面明显。绝大多数厂商均布局从衬底、设计-制造-封装，到模块和应用的部分或者全部环节。

那么，在SiC市场，各企业间的竞争焦点主要集中在哪些方面？

王利民向媒体说道，目前行业厂商提供的产品或服务大致相同，或者至少体现不出明显差异。因此，各大厂家的竞争主要还是围绕在差异化竞争。

以安森半导体为例，其竞争优势在于全球领先的可靠性，高性价比，以及能够提供从单管到模块的非常宽泛的产品等一系列的竞争优势。此外，所有产品都符合车规级标准，确保最高级别的质量。

“安森美半导体的SiC器件有全球领先的可靠性，在H3TRB测试（高温度/湿度/高偏置电压）里，安森美半导体的SiC二极管可以通过1000小时的可靠性测试。实际测试中，会延长到2000小时，大幅领先于市场的可靠性水平；如何实现高性价比？一是通过设计、技术进步来降低成本；二是通过领先的6英寸晶圆的制造以及最好的良率来达到好的成本；三是通过不断地扩大生产规模，用比较大生产规模降低成本。慢慢地，小规模的厂家就会比较难竞争。”王利民补充道。

这与笔者的观察不谋而合，行业头部企业为了规模经济的利益，扩大生产规模，市场均势被打破，在“削价竞销”或“赢者通吃”的规律下赢得自身竞争力。即在市场经济条件下，企业从各自的利益出发，为取得较好的产销条件、获得更多的市场资源而竞争。通过竞争，实现企业的优胜劣汰，进而实现生产要素的优化配置。

SiC赋能新能源汽车市场

据悉，新能源汽车是未来几年SiC市场规模增长的主要驱动力，约占到SiC总体市场的60%。

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括三部分：电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩和电源转换系统(车载DC/DC)，SiC功率器件凭借其独有的优势在其中发着重要作用。

电机驱动

SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及开关频率，通过降低开关损耗和简化电路的热处理系统来降低成本、重量、大小及功率逆变器的复杂性。

车载充电器

车载充电器和非车载充电桩中，使用SiC功率器件可提高电池充电器的工作频率，实现充电系统的高效化、小型化，并提升充电系统的可靠性。

电源转换

使用SiC功率器件可缩小电路的尺寸，降低重量，缩减无源器件的成本，在满足冷却系统的需求的同时大大降低整个系统的重量和体积。

凭借对于性能的显著提升，众多汽车产业链企业纷纷加入了SiC的战场。

博世汽车计划在2020年生产用于电动汽车的下一代节能芯片，争取在未来三年内寻找到SiC产品的量产路径，这是博世历史上最大的一笔投资；

作为第一家将SiC模块批量应用到电动汽车上的整车厂，特斯拉每年预计消耗50万片6寸SiC晶圆，其也是首家采用SiC MOSFET来做逆变器的车厂。

比亚迪已自主研究碳化硅产业，并扩大碳化硅功率元件的规划，要建立完整的产业链，整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延片（Epitaxy）、硅片、模组封装等。

SiC器件在汽车领域前景将迎来爆发期。王利民对此强调，特斯拉在SiC器件的应用方面对新能源汽车企业带来了极大的示范效应。近几年，很多行业厂商都逐渐开始大批量使用SiC功率器件。

其中，安森美半导体SiC MOSFET使用了全新技术，能够提供卓越的开关性能，比硅具有更高的可靠性。另外，低导通电阻和紧凑的芯片尺寸，可确保低电容和低门极电荷。

新能源汽车产业作为一个规模快速增长、技术持续革新的新兴支柱产业，将在汽车电动化渗透率提升的过程中为多个细分技术领域提供广阔的应用市场。SiC功率器件在新能源汽车的应用尚处于早期阶段，其市场规模还有较大增长空间。

SiC成本问题何解？

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SiC优势之余，也为它带来了相应的挑战。从材料成本上，SiC材料价格偏高，导致产品大规模推广受阻，SiC器件目前市场渗透率较低。

规模效应

王利民认为，SiC功率器件的规模化应用可以降低其成本，但现阶段据其规模化的发展仍需时间。不过，虽说SiC的单器件成本的确高于传统硅器件，但从整体系统成本来说SiC更具“系统级”成本优势，这主要归功于SiC的高能效、小体积以及低发热下使用寿命的增长。

SiC已为许多汽车应用提供了“系统级”成本效益，下一步关键是实现IGBT成本平价，一旦SiC可以在器件级实现与IGBT的成本平价，更高的效率结合更低的价格所带来的优势必然可以牵引电动汽车市场的应用。这也是安森美半导体的目标之一。

工艺改良

除规模效应外，如何从技术的角度降低SiC功率器件的成本?

安森美半导体指出，SiC晶圆生产工艺的改良是降低SiC功率器件成本的根本方法。

在过去SiC晶圆还停留在4英寸基板时，晶圆短缺和价格高昂一直是SiC之前难啃的“硬骨头”，目前市场正逐步从4英寸转向6英寸。据Yole预测数据显示，2020年4英寸碳化硅晶圆接近10万片，而6英寸晶圆市场需求已超过8万片，预计将在2030年逐步超越4英寸晶圆。

因此，降低SiC功率器件成本，要加大对SiC晶圆技术的研究投入，比如使SiC晶圆向8英寸方向发展，但这并非易事。

王利民强调，“与容易达到的12英寸硅材料不同，SiC材料非常坚硬，并且在机械上难以处理超薄的大尺寸晶圆。就在几年前，安森美半导体就是全球第一家做6英寸SiC晶圆的，现在有一些其他的同行也慢慢在跟上我们。”

此外，“SiC材料相当坚硬，机械上很难处理纤细的大尺寸晶圆，所以SiC不像硅材料般容易做到超大尺寸。8英寸大小的SiC晶圆仍然是太过超前的技术概念，目前几乎所有厂商都无法处理超薄的超大晶圆，进行批量生产。”

写在最后

在既有厂商与新进者相继布局之下，SiC成为半导体新材料的发展趋势已定，虽然受限成本与技术门槛较高、产品良率不高等因素，使得SiC晶圆短期内仍难普及。

但随着5G、电动汽车、工业等需求持续驱动，将成为加速SiC晶圆市场快速发展的重要推手，且在产品可靠度与性能提高下，终端厂商对新材料的信心，也可望随之提升。以SiC技术助力变革能源市场。