规模化上车机遇不等人 SiC衬底的8英寸晋级之路

来源：爱集微

作为SiC产业链中技术壁垒最高的环节，无论是今后的降本还是大规模产业化推进，SiC衬底的核心作用都无可替代。而在市场强烈需求驱动之下，SiC衬底正在进入新一轮技术升级周期中。

作者｜李延 校对｜张轶群

（爱集微报道）距离SiC规模化上车的时间点已经越来越近，有越来越多的车企开始推出搭载800V高压平台的车型，而SiC正是适配这种电气架构的不二之选。不过，市场的需求与SiC产业现有生产能力之间存在着不小的差距，对整个产业链特别是最上游衬底生产环节的革新因此迫在眉睫。

2022年4月，半导体厂商WolfSpeed在纽约州莫霍克谷启动了8英寸SiC晶圆厂。这座花费10亿美元的工厂成为当今唯一的8英寸SiC晶圆厂，预期将在明年上半年贡献营收。而在更早的时候，日本的昭和电工、Mipox、中央玻璃株式会社共同发起了8英寸SiC衬底项目，总预算约为258亿日元（约14亿元人民币）。此外，还有不少企业也在2022年加入了8英寸SiC衬底开发的行列。种种迹象，无不预示着SiC衬底开启了新一轮技术升级的序幕。

衬底争夺战

在SiC器件的平均成本中，SiC衬底的占比为46%。作为整个产业链中技术壁垒最高的环节，无论是今后的降低成本还是大规模产业化推进，SiC衬底的核心作用都无可替代。

由于电动汽车渗透率不断增高，以及整车电气架构向800V高压方向演进，对SiC器件的需求不断增加，推升了对SiC衬底产能的需求。据TrendForce研究，到2025年仅全球电动汽车市场对SiC晶圆的需求就将达到169万片，远超当前预期。

为了获得稳定的衬底供应，SiC器件供应商纷纷通过签订长期供货协议来加强与衬底供应商的合作。比如，WolfSpeed与ST签订了超过5亿美元的长期供货协议，与Infineon签订了超过1亿美元的供货协议，与OnSemi的协议为8500万美元。Rohm也与ST宣布达成超1.2亿美元的长期供货协议，由Rohm旗下的SiCrystal向ST供应6英寸碳化硅衬底。据Yole Development统计，2019～2020年企业间达成的碳化硅衬底长期供应协议价值超过9亿美元。

以并购的方式向上游拓展是SiC器件供应商采取的更为直接的做法。这样，厂商不但能扩大器件的产能还可取得最稳定的衬底供应。同时，SiC衬底、器件更依赖工艺经验的积累和长时间的投入，上下游整合有助于快速反馈生产过程中的问题，并迅速进行产线调整，因此垂直一体化的模式更为高效。

2019年12月，意法半导体以1.375亿美元现金完成收购瑞典SiC衬底和外延片制造商Norstel AB。Norstel生产6英英寸的SiC衬底和外延片，拥有28年的积累，已经形成了设计、制造、运营等一体化的技术体系。

2021年11月1日，安森美宣布以4.15亿美元对SiC生产商GTAT的收购。通过收购 GTAT，安森美将能够涵盖从SiC衬底到封装的所有领域。预计到2022年底，其SiC收入的大部分将来自 GTAT。

在此之前，罗姆公司于2009年收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal，由此跃居全球SiC衬底的主要供应商。

由于SiC衬底是产业链中最重要的战略资源，能自主掌控SiC衬底的生产就成为各大厂商的首要目标。

逐鹿8英寸市场

电动汽车市场的爆发，拉动了对SiC材料的需求，但全球主流SiC衬底尺寸只有6英寸，每片晶圆能制造的晶片数量较少，难以应对挑战。

为增加产能供给，也为进一步降低SiC器件的平均成本，扩大SiC衬底尺寸就是主要途径。为此，业界将目标锁定在8英寸SiC衬底上。

在半导体制造行业中，晶圆面积增加的益处是非常明显的。Wolfspeed表示，虽然在SiC晶圆加工成本上8英寸暂时超过6英寸，但8英寸晶圆得到的优良die数量可增加20-30%，最终会降低器件成本。ST也表示，对比6英寸晶圆，8英寸晶圆用于芯片制造的面积扩大80%左右，合格芯片产量则增加80-90%。

8英寸晶圆的引入还会带来其他方面的优势。比如，为了实现更好的几何尺寸，晶圆厚度一般会随着晶圆直径的增加而增加。6英寸SiC衬底厚度为350微米，最初的8英寸衬底厚度为500微米，增加的厚度有助于确保良好的晶圆几何形状，同时最大限度地减少了边缘翘曲，也即提升了晶圆生产的良率。

当然，8英寸衬底还能为厂商带来更高的利润。目前，6英寸SiC晶圆零售价为750-900美元，而8英寸晶圆预计价格为1300-1800美元。

为了能在产业竞争中快人一步，厂商们已经在不遗余力地投入8英寸SiC衬底开发生产中。业界领头羊Wolfspeed的新工厂正处在试产阶段，如果一切进展顺利，将在2024财年达到8英寸SiC衬底周产能3千3百片的水平。

II-VI也将在美国伊斯顿建设近30万平方英尺的工厂，以扩大其6英寸和8英寸SiC衬底和外延片的生产能力。到2027年，预计该工厂6英寸和8英寸SiC衬底的产量将达到约合每年100万6英寸衬底的水平。

Rohm虽然没有公布8英寸衬底的具体生产规划，但其计划在2025年将总产能扩大5倍以上，总投资为500亿日元。

ST在2021年推出了首批8英寸SiC晶圆后，宣布将斥资数亿欧元，在意大利的卡塔尼亚建立新基地生产8英寸衬底，实现2024年40% SiC衬底的自主供应。

英飞凌也计划在2023年左右开始量产8英寸衬底，以2025年为目标，实现8英寸SiC器件的量产。

不过，即便厂商们动作频频，8英寸衬底的时代还未真正到来。“目前真正量产的只有Wolfspeed一家，也有一些厂商推出过8英寸样品，但并未实现量产。”爱集微高级分析师朱航欧表示。

这与SiC的制备有很大关系。与Si材料相比，SiC衬底的制造挑战更高。一方面，SiC生长条件苛刻，需要在高温下进行，对设备和工艺控制带来了极高的要求；另一方面，SiC生长速度慢，使用PVT法生长的SiC，7天才能生长2cm左右。除去这些，当尺寸扩展到8英寸之后，衬底的生长难度又会成倍增长，还需要克服氧化工艺、气流、温场等多方面挑战。

朱航欧认为，为了把衬底做的更大、质量更好，业界已经有了一些新的技术路线，但不管是新技术还是老技术，8英寸SiC衬底完全成熟可能还需要2-3年左右的时间。

6英寸不会缺席

8英寸SiC已至，但6英寸SiC并非处在一个尴尬的境地。一位资深投资人对爱集微表示：“长期来看，8英寸取代6英寸是必然趋势，但短期内两者还会并存，因为8英寸的产能还在起步阶段。”

绝大多数用于功率半导体器件的SiC 衬底都为6英寸。虽然像Wolfspeed这样的头部厂商在8英寸SiC衬底的开发方面取得重大的突破，但是8英寸衬底短期内很难取得压倒性优势，提高良率和升级生产线还需要较长的周期。

按照业内的观点，除少数几个顶级厂商之外，能做到量产6英寸衬底的厂商并不多，因此5年之内6英寸SiC衬底依然会扮演主流角色。

同时，SiC的市场需求释放也是个渐进的过程。Si基MOSFET、IGBT仍在在汽车中应用中处于主导地位，SiC产品要实现全面替代，必须要实现比Si产品更高的性价比。从这个角度来看，6英寸SiC衬底的生产仍有很大的优化空间，这也是为什么很多生产厂商仍将6英寸SiC作为发展重点的原因。比如，环球晶在2021年底时表示，由于客户需求强劲，会将6英寸SiC衬底的月产能扩增至5000片，也有机会进一步提升至8000片。

要注意的是，SiC衬底有两种类型：半绝缘型和导电型。导电型SiC衬底主要应用于新能源汽车、光伏、智能电网中，而半绝缘型主要用于制造GaN微波射频器件，是无线通讯领域的基础性零部件。

据Yole Development报告，2020年，4英寸半绝缘衬底的市场保持在4万片，而6英寸半绝缘SiC的市场提升至4-5万片；到2025-2030年，4英寸衬底才会逐渐退出市场，而6英寸衬底将增长至20万片。所以，即便最终退出电动汽车市场，6英寸衬底仍有很大的成长空间。

朱航欧也认为6英寸和8英寸衬底还将继续并存，“4英寸衬底至今也没有完全失去市场空间，由于目前对成本的挤压没有那么大，而且半绝缘衬底大部分也集中在4英寸，因此未来极可能导电性衬底往8英寸发展，半绝缘衬底6英寸成为主流。”

在国内市场，6英寸也正在成为市场主力。预计2020-2025年国内市场的需求，4英寸逐步从10万片市场减少到5万片，6英寸将从8万片增长到20万片；2025~2030 年之间，4英寸将逐渐退出市场，6英寸将增长至40万片。

此外，各地方政府也将SiC定为未来发展重点。比如，湖南省人民政府出台的十四五规划指出，要推进半导体关键核心成套设备研发和产业化，加快6英寸SiC材料及芯片、中低压功率半导体等产业化发展，建成全国最大SiC全产业链生产基地，创建国家级半导体装备制造区域中心。

综合国内外的产业状况可以看出，无论8英寸未来怎样辉煌，6英寸衬底仍有很强的生命力，很长时间内都将是从市场中的常客。