近日消息,全球最大8英寸碳化硅晶圓廠啟動。功率半導體大廠英飛凌于8月8日宣布,已正式啟動位于馬來西亞新晶圓廠的第一階段,該晶圓廠將成為全球最大、最具競爭力的200毫米(8英寸)碳化硅(SiC)功率半導體晶圓廠,預計2025年開始量產。
碳化硅尺寸越大,單位芯片成本越低,故6英寸向8英寸轉型升級是技術發展的必然趨勢。業界人士稱,預計從2026年至2027年開始,現在的6英寸碳化硅產品都將被8英寸產品替代。
當前來看,第三代半導體碳化硅加速邁進8英寸時代,并引得“天下群雄”踴躍進軍。據全球半導體觀察不完全統計,英飛凌、Wolfspeed、安森美、意法半導體、羅姆等大廠早早“卷”進了8英寸碳化硅賽場。
圖表來源:全球半導體觀察制表
一、SiC邁入8英寸時代,五大廠落子情況
從地區來看,英飛凌工廠主要布局在馬來西亞、德國,意法半導體則在意大利、中國重慶,Wolfspee(德國、美國),安森美(意大利、韓國),羅姆(日本)。
從上表中可悉,在2024-2027年之間,五大廠旗下工廠基本可以轉為8英寸碳化硅晶圓制造,產能放量周期大都集中于2030-2033年之間。
從已披露的產能放量時間來看,英飛凌馬來西亞居林三廠預計2024年底開始生產,2025年量產,2027年全面轉向8英寸晶圓;意法半導體意大利新廠和中國重慶合資廠在2025年基本可以過渡到8英寸碳化硅晶圓,而意大利新廠預計2026年生產,2033年滿產;Wolfspeed部分工廠已量產,德國新工廠預計2027年開始投產,2030年滿產;安森美韓國富川廠在2025年過渡到8英寸碳化硅晶圓,意大利新工廠2026年生產,2033年滿產;羅姆日本宮崎第二工廠將導入8英寸碳化硅晶圓產線,預計2024年投產。
此外,值得一提是,自莫霍克谷工廠啟用后,Wolfspeed成為了當時能夠量產8英寸碳化硅的唯一廠商,并且這一狀態維持了許久。不過,目前安森美正在加速8英寸碳化硅建設馬力,或將在明年打破Wolfspeed獨占鰲頭的局面。據業界消息,安森美計劃在今年晚些時候對8英寸碳化硅(SiC)晶圓進行認證,并于2025年投入生產。而英飛凌正在努力與Wolfspeed競爭全球最大8英寸SiC晶圓廠的首家,只是二者均未透露具體產能計劃。
01、英飛凌:馬來西亞+德國
英飛凌馬來西亞新晶圓廠的第一階段投資額為20億歐元,以碳化硅為主力,還將包括氮化鎵(GaN)外延;第二階段投資額高達50億歐元,將打造全球最大、最高效的200毫米SiC功率晶圓廠。
馬來西亞居林廠 圖片來源:英飛凌
英飛凌指出,馬來西亞居林高科技園區第三廠區一期從動工到完工僅花13個月的時間,已經是超前進度的表現。目前初期碳化硅生產仍以成熟的6英寸晶圓為主,2027全面轉向8英寸晶圓。
目前英飛凌已獲得總價值約50億歐元的設計訂單,并已從現有和新客戶那里收到約10億歐元的預付款,用于持續擴建居林3號工廠。據悉,這些設計訂單包括汽車行業的六家OEM以及可再生能源和工業領域的客戶,其中,汽車領域客戶涉及福特、上汽和奇瑞等,新能源領域客戶涉及SolarEdge和中國三大領先的光伏和儲能系統公司等。
圖片來源:拍信網
英飛凌還投資改造德國奧地利的菲拉赫生產基地,也將致力于8英寸SiC/GaN的生產。目前,該公司正在持續推進奧地利菲拉赫的硅晶圓工廠進行改造,計劃將6英寸和8英寸的硅晶圓生產線轉變為碳化硅和氮化鎵器件的生產線。
英飛凌大張旗鼓地擴張碳化硅產能,旨在2030年之前占據全球30%市場份額,該公司預計到2027年,產能將增長10倍。
02、意法半導體:意大利+中國重慶
意法半導體是全球最大的碳化硅芯片制造商,在歐洲和亞洲的9個國家/地區設立了14個主要制造基地。其中有7個為晶圓制造工廠(前端),其余7個則為組裝和測試工廠(后端)。
針對8英寸碳化硅布局,意法半導體計劃,2025年第三季度在意大利卡塔尼亞的碳化硅晶圓廠過渡到8英寸,并將新加坡晶圓廠過渡到8英寸,同年第四季度與三安光電合資的中國工廠也將開始生產8英寸碳化硅晶圓。
意大利:2022年10月,意法半導體計劃在意大利南部西西里大區卡塔尼亞(Catania)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,預計2026年開始生產,并實現首創的8英寸SiC晶圓量產,到2033年達到滿負荷生產,滿負荷生產時每周可生產多達1.5萬片晶圓。
該計劃于2024年5月底獲得了歐盟委員會的批準。歐盟委員會的一份聲明稱,卡塔尼亞工廠將有助于扭轉過度依賴進口設備的趨勢,這些設備與歐洲數字化和綠色轉型目標尤其相關,并批準了意大利提供的20億歐元援助。
意大利卡塔尼亞新廠分布圖
圖片來源:意法半導體官網
中國重慶:2023年6月,意法半導體與三安光電計劃投資32億美元,在中國重慶“霧都”共同建設一座新的8英寸碳化硅器件合資制造工廠。此外,三安光電還將利用自研的碳化硅襯底工藝,單獨建造和運營一個新的8英寸碳化硅襯底制造廠。
重慶三安意法SiC項目總規劃投資約300億元人民幣,項目達產后將建成全國首條8英寸SiC襯底和晶圓制造線,具備年產48萬片8英寸SiC襯底、車規級MOSFET功率芯片的制造能力,預計營收將達170億人民幣。近日,重慶三安半導體SiC襯底工廠完成了主設備的入場。
意法半導體目標是到2024年,實現40%碳化硅襯底自給。另據韓媒6月報道,英飛凌將從2025年第三季度將其碳化硅功率半導體生產工藝從6英寸升級為8英寸。
03、Wolfspeed:美國+德國
Wolfspeed是最早量產8英寸碳化硅晶圓的廠商。Wolfspeed在美國紐約州布局的莫霍克谷(Mohawk Valley)SiC晶圓廠已于2022年4月開業,目前2024年7月達到20%的晶圓開工利用率,產能提升將持續到2027年。Wolfspeed的10號樓碳化硅材料(Building 10 Materials)工廠已實現其8英寸晶圓的生產目標,預計到2024年底,可支持莫霍克谷工廠約25%的晶圓開工利用率。
據介紹,莫霍克谷工廠是世界上第一家專門建造的全自動8英寸碳化硅工廠,與Wolfspeed市場領先的200毫米材料生產相結合,鞏固了Wolfspeed作為唯一一家完全垂直整合的200毫米碳化硅制造商的競爭地位。
莫霍克谷SiC晶圓廠
圖片來源:Wolfspeed
Wolfspeed于2022年9月,將在美國北卡羅來納州錫勒市查塔姆縣((Chatham County))建設John Palmour碳化硅制造中心(“JP”),計劃投資預計13億美元(近90億人民幣),項目一期工程預計2024年完成。新工廠毗鄰其現有的達勒姆(Durham)材料工廠,新工廠將制造8英寸碳化硅(SiC)晶圓,建成后碳化硅產能將再增加10倍,并將成為世界上最大、最先進的SiC材料工廠,預期在2025年夏季之前向莫霍克谷交付晶圓。
Wolfspeed當時表示,在2024年至本十年結束之前,公司根據需求擴大額外產能,預計最終目標445億元,建成超過100萬平方英尺的工廠。
John Palmour碳化硅制造中心
圖片來源:Wolfspeed
自此,Wolfspeed在美國部署建設3座碳化硅工廠,包括達勒姆(Durham)碳化硅襯底工廠(已建成)、莫霍克谷工廠(已落成)、查塔姆工廠(在建中)。
隨著8英寸碳化硅需求穩步上升,Wolfspeed于2023年2月初宣布,聯合德國汽車供應商巨頭采埃孚,在德國薩爾州恩斯多夫建造全球最大、最先進的8英寸SiC器件制造工廠。該晶圓廠占地35英畝,計劃2027年投產,2030年滿產。不過,近期有消息稱,Wolfspeed推遲了德國工廠的計劃。資金方面,該工廠預計耗資約27.5億歐元(約合人民幣215億元),已獲得德國聯邦政府3.6億歐元(約合人民幣28億)及薩爾州政府1.55億歐元(約合人民幣12億元)的補貼。據悉,Wolfspeed還在申請《歐洲芯片法案》的資金援助。
待德國薩爾州工廠建成后,將與莫霍克谷SiC晶圓廠、北卡羅來納州John Palmour碳化硅制造中心一同成為Wolfspeed公司65億美元產能擴張計劃的重要組成部分,并且這三座工廠也是Wolfspeed主力布局8英寸碳化硅晶圓的重點駐扎地。
碳化硅200mm半導體芯片
圖片來源:Wolfspeed
04、安森美:意大利+韓國
目前安森美在韓國富川已落一子,即先進SiC超大型制造工廠。該工廠已于2023年10月完成擴建,并于2024年正式運行,目前富川SiC生產線主力生產6英寸晶圓,計劃在2025年完成相關技術驗證后,將轉為生產8英寸晶圓,工廠滿載時,可生產超過100萬片8英寸SiC晶圓/年。該公司近日透露,預計2024年產能為2023年的1.7倍;2026年產能規劃約為80萬片。
意大利板塊,安森美于今年5月宣布投資50億歐元在意大利卡塔尼亞建設世界首個全流程垂直集成的SiC工廠。該工廠將于2026年開始生產,并實現首創的8英寸SiC晶圓的量產,目標是到2033年達到滿負荷生產,滿負荷生產時每周可生產多達15000片晶圓,年產能48萬片。
近年來,安森美SiC業務進展迅速,據TrendForce集邦咨詢指出,這主要歸功于其車用EliteSiC系列產品。自完成對GTAT收購后,目前onsemi的SiC襯底材料自給率已超過50%,隨著內部材料產能的提升,公司正在朝著毛利率達到50%的目標前進。
圖片來源:安森美
據外媒報道,安森美計劃于今年晚些時候推出8英寸SiC晶圓,并于2025年投產。安森美總裁兼首席執行官Hassane El-Khoury本月初表示,公司仍然按計劃推進,今年將完成8英寸晶圓的認證,這包括從襯底到晶圓廠的整個流程。他強調,公司繼續加強其在汽車領域的碳化硅地位,同時與歐洲、北美和中國的領先全球原始設備制造商(OEM)一起擴大生產。
此外,工業材料供應商Entegris近日宣布,已與芯片制造商安森美半導體達成長期供應協議,提供制造碳化硅(SiC)半導體的技術解決方案。Entegris的產品之一化學機械平坦化(CMP),正是芯片制造過程中用于去除硅晶片表面不規則性的關鍵工藝。
05、羅姆:日本
羅姆決定將其位于日本宮崎縣的第二家工廠,即藍碧石半導體宮崎第二工廠,生產8英寸SiC襯底,主要供該公司內部使用,預計將于2024年開始投產。
宮崎第二工廠
圖片來源:羅姆官網
宮崎第二工廠原本是出光興產子公司太陽能前線(Solar Frontier)的原國富工廠,主要生產IC、傳感器、二極管、碳化硅功率器件、IGBT。羅姆于2023年7月宣布與太陽能前線就收購該公司原國富工廠資產事宜達成基本協議,并于同年11月成功將其收購納入麾下。
這將是羅姆首次在日本生產SiC襯底。在此之前,羅姆在日本擁有四個SiC功率半導體生產基地,分別位于京都總部、福岡縣筑后工廠、長濱工廠以及宮崎第一工廠。而此次該工廠將成為羅姆在日本最大規模的SiC功率半導體生產基地。
二、1.8倍芯片產量,8英寸SiC“妙”在何處?
資料顯示,碳化硅(SiC)是第三代半導體代表產品之一,應用在電動汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領域。相比傳統的Si半導體材料,SiC擁有3倍的禁帶寬度、3倍的熱導率、近10倍的擊穿場強、以及2倍的電子飽和漂移速率。理論上,相同耐壓的器件,SiC的單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。
硅(Si)和碳化硅(SiC)參數對比表格
圖片來源:qorvo官網
近年來,隨著汽車電動化浪潮來襲,汽車生產用半導體的數量有所增加,SiC功率半導體需求日漸增長。業界數據顯示,就電動汽車而言,使用SiC功率半導體時,行駛里程可以增加18~20%,預計未來汽車的采用率將從目前的15%提高到60%。
目前,碳化硅功率元件主要應用在汽車領域的主逆變器,包括OBC、DC、車外的充電樁等領域。TrendForce集邦咨詢指出,值得注意的是,在一些非汽車的市場,其實碳化硅的市場也非常值得關注,如工業領域的光伏、儲能。還有像目前AI浪潮推動的服務器領域,其實隨著芯片的功耗不斷的增加,也是推動了整個服務器功率密度的提高,那這其實也對碳化硅提出了新的需求。
xEV應用中經常使用的功率半導體分布圖
圖片來源:Macnica官網
令供應端又喜又憂的是,需求強烈意味著市場蘊含著更多機遇,但也不得不面對襯底材料短缺的問題。SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環節形成,襯底在SiC器件成本中占比高達~45%。從生產環節來看,碳化硅隱含著單晶生產周期長、環境要求高、良率低等問題,而碳化硅襯底的長晶生產環節需要在高溫、真空環境中進行,對溫場穩定性要求高,并且其生長速度比硅材料有數量級的差異。因此,成本高、產量效果不明顯一直是碳化硅器件制造的痛點。
面對市場需求的熱烈呼吁,碳化硅大廠不斷做出相應解決方案,為了降低單個器件的成本,進一步擴大SiC襯底尺寸,在單個襯底上增加器件的數量是降低成本的主要途徑。從碳化硅尺寸發展來看,業界信息顯示,從4英寸升級到6英寸預計單片成本可降低50%,從6英寸到8英寸成本預計還能再降低35%,并且8英寸襯底能夠切出更多的芯片(預計可多切90%),邊緣浪費也會更低。
TrendForce集邦咨詢認為,碳化硅從6英寸升級到8英寸,襯底的加工成本有所增加,但可以提升芯片產量,8英寸能夠生產的芯片數量約為6英寸SiC晶圓的1.8倍,向8英寸轉型,是降低SiC器件成本的可行之法。同時,8英寸襯底厚度增加有助于在加工時保持幾何形狀,減少邊緣翹曲度,降低缺陷密度,從而提升良率,采用8英寸襯底能夠大幅降低單位綜合成本。
目前,6英寸、8英寸碳化硅襯底產品正在加速入市。針對價格變化方面,TrendForce集邦咨詢分析師表示,特別是在這幾年間,隨著中國廠商進入到整個碳化硅市場競爭之中,更是加速了整個碳化硅市場襯底價格的下降幅度。目前從整個碳化硅襯底價格的變化幅度看,6英寸導電型的碳化硅襯底價格,大概是從三四年前的1000美金下滑到了當前的500美金左右。
此外,放眼全球格局,碳化硅市場仍由意法半導體(ST)、Wolfspeed、英飛凌(Infineon)、安森美(onsemi)、羅姆(ROHM)五大廠占據主導地位。據TrendForce集邦咨詢研究顯示,2023年全球SiC功率元件產業在純電動汽車應用的驅動下保持強勁成長,前五大SiC功率元件供應商約占整體營收91.9%,其中意法半導體以32.6%市占率持續領先,onsemi則是由2022年的第四名上升至第二名。
三、碳化硅風起云涌
碳化硅市場如火如荼,針對廠商們大舉擴產,搶抓市場機遇的舉動,TrendForce集邦咨詢認為,瘋狂的產能擴張背后亦蘊藏著價格和產能過剩風險,生產商們必須加以重視并積極調整應對。在此情況下,Infineon等IDM大廠在確保穩定的材料供應后,已將更多注意力轉移到元件、封裝和應用技術上,這是未來關鍵競爭力之所在。但總的來說,SiC正處于一個快速成長和高度競爭的市場,規模經濟比任何其他因素更為重要。領先的IDM廠商紛紛一改過去保守、沉穩的戰略姿態,轉而激進投資SiC擴張計劃,期望建立領導地位。
截至目前,除了上述提到的五家廠商之外,還有爍科晶體、南砂晶圓、天岳先進、天科合達、乾晶半導體、科友半導體、三安光電等均發布8英寸襯底相關擴產計劃;環球晶圓、東尼電子、合盛硅業、天成半導體、平煤神馬合資公司中宜創芯等企業透露正在研發8英寸襯底。據悉,已有超10家企業8英寸SiC襯底進入了送樣、小批量生產階段。
未來市場規模不斷擴大,SiC競賽選手不斷增加,賽場將愈發激烈。TrendForce集邦咨詢研究此前數據指出,8英寸的產品市占率不到2%,并預測2026年市場份額將成長到15%左右。
展望SiC市場未來前景,TrendForce集邦咨詢研究表示,盡管純電動汽車(BEV)銷量增速的明顯放緩已經開始影響到SiC供應鏈,但作為未來電力電子技術的重要發展方向,SiC在汽車、可再生能源等功率密度和效率極其重要的應用市場中仍然呈現加速滲透之勢,未來幾年整體市場需求將維持增長態勢,預估至2028年,全球SiC功率器件市場規模有望上升至91.7億美元。
來源:全球半導體觀察
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