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SiC争夺战一触即发!

2019-05-08
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近些年,随着电动汽车以及其他系统的增长,碳化硅(SiC)功率半导体市场正在经历需求的突然激增,因此也吸引了产业链相关企业的关注。在产业应用进一步成熟的趋势下,SiC的争夺战正一触即发!


根据市场研究机构Yole Développement的数据,全球SiC功率半导体市场将从2017年的3.02亿美元,快速成长至2023年的13.99亿美元,2017~2023年的市场规模年复合成长率(CAGR)为29%,推动力来自混合动力及电动汽车、电力和光伏(PV)逆变器等方面的需求,市场潜力巨大!



2019年5月8日,Cree宣布将投资10亿美元用于扩大SiC(碳化硅)产能,在公司美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造一座采用最先进技术的自动化200mm SiC(碳化硅)生产工厂和一座材料超级工厂。此次产能扩大,将带来SiC碳化硅晶圆制造产能的30倍增长和材料生产的30倍增长。


此笔交易是Cree在生产制造领域最大的一笔投资,而这也预示着SiC产能的争夺战再次打响。


SIC的前世今生



SiC(碳化硅)由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途。此外,SiC(碳化硅)的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。


与普通硅相比,采用SiC(碳化硅)的元器件有如下特性:



在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。从SiC被发现以来,关于其研究就一直没有停止过。



另外,特别是在碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”上,国际知名的半导体器件厂商,如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。关于碳化硅器件产业化的议题,再次成为行业关注的较多。


由于SiC(碳化硅)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对其研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划


美国:2014年1月,美国总统奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后,是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。


欧洲:德国英飞凌公司与欧洲17家企业共同成立Smart PM(Smart Power Management)组织,拓展碳化硅在电源和电器设备中的应用。欧洲纳米科技咨询委员会(ENIAC)的“高效率电动汽车计划”则专注于碳化硅功率器件在新型电动汽车中的应用技术研发,由英飞凌公司主导。


日本:日本政府在2013年就将SiC纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过它来实现,创造清洁能源的新时代。日本经济产业省积极开展碳化硅的研发及生产,促进碳化硅在通讯电源、混合动力汽车、可再生能源变频器、工业马达驱动等领域的应用。


另外,一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。目前,已经有很多厂商开始生产碳化硅器件比如Cree、Microsemi、Infineon和Rohm公司等。


SiC争夺战悄然打响



从产业进程来看,SiC的研究经历了多次高峰期。但受制于工艺技术,产能等因素,如何平衡好性能与成本,成为SiC器件产业化的最重要因素。


近些年,由于电动汽车等新兴产业快速发展,对于SiC器件的需求呈现上升趋势,进一步促进了其产业化进程,由此也使得上游晶圆供应进一步吃紧。除了Cree此次投资之外,另一家拥有全供应链优势的SiC大厂罗姆在之前也发布了其扩产计划。


据了解,罗姆将扩增使用于电动车(EV)等用途的碳化硅(SiC)电源控制芯片产能,将在旗下生产子公司「ROHM Apollo」的筑后工厂(福冈县)内兴建新厂房,预计于2019年2月动工、2020年12月完工。


除此之外,日本昭和电工在2017年9月、2018年1月分别宣布增产SiC晶圆,以应对市场需求的增长。但由于SiC电源控制芯片市场急速成长,近日昭和电工也宣布了第三轮增产计划。据了解,在经过三次增产之后,昭和电工SiC晶圆月产能已经从3,000片提升至9,000片,足以体现出市场旺盛的需求。


在此背景下,下游的代工厂也由此收益。2018年9月,X-Fab宣布计划将其位于德克萨斯州6英寸SiC工艺工厂产能翻番,以满足客户对高效功率半导体器件日益增长的需求。为了使容量翻倍,X-Fab 德州工厂购买了第二台加热离子注入机,用于制造6英寸SiC晶圆。


目前全球能够提供稳定SiC晶圆产能的也就三、四家企业,短期内上游晶圆依旧持续缺货,器件厂商也纷纷签订长约以保证产能供应。以Cree为例,2018年英飞凌就与其签订战略性长期供货协议。随后,意法半导体也与Cree签订价值2.5亿美元的晶圆供应协议。下游旺盛的需求,使得上游厂商纷纷抛出增产计划,以争夺下游订单或保障器件的稳定供应。


除了上游产能竞争之外,SiC器件领域的争夺显然更加激烈。包括安森美、东芝、富士电机、三菱、英飞凌、罗姆、意法半导体、Littelfuse、通用电气和GeneSiC等公司都跃跃欲试


国内SiC布局情况



相对国外市场,我国开展SiC材料及器件方面的研究工作比较晚,在科技部及军事预研项目的支持下,取得了一定的成果,逐步缩小了与国外先进技术的差距,在军工领域已取得了一些应用。但是,研究的主要成果还停留在实验室阶段,器件性能离国外还有很大差距。


随着十三五规划的实施,国内很多地方政府开始针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持,也取得了一系列进展和突破


2018年1月,在中国科学院微电子研究所的技术支持和协助下,株洲中车时代电气股份有限公司国内首条6英寸SIC(碳化硅)芯片生产线顺利完成技术调试,厂务、动力、工艺、测试条件均已完备,可实现4寸及6寸SiC SBD、PiN、MOSFET等器件的研发与制造。


2018年5月1日,由上海瞻芯电子研制第一片国产6英寸碳化硅(SiC)MOSFET晶圆在上海临港科技林诞生。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期,为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。


2018年12月,比亚迪发布的一项被称为“IGBT 4.0”的技术,在电动汽车行业内颇受关注,打破了目前国内碳化硅大功率器件被德国英飞凌、日本富士垄断的局面,另外,比亚迪对外宣布已投入巨资布局半导体材料SIC(碳化硅),有望于2019年推出搭载SIC(碳化硅)电控的电动车。


SiC(碳化硅)产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应用环节。近些年,国内在相关产业链中正在逐步完善布局。


目前,国内SiC衬底生产企业包括天科合达、山东天岳、河北同光、北京世纪金光和中科节能等。


1、天科合达


公司成立于2006年9月,目前注册资本8697.62万元,是专业从事第三代半导体碳化硅晶片研发、生产和销售的国有控股企业,目前拥有一家全资子公司。总部公司设在北京市大兴区生物医药基地,拥有一个研发中心和一个集晶体生长-晶体加工-晶片加工-清洗检测的全套碳化硅晶片生产基地;全资子公司—新疆天科合达蓝光半导体有限公司位于新疆石河子市,主要进行碳化硅晶体生长。作为国内成立时间最早、规模最大的制备即开即用型SiC晶片的企业,依托于中国科学院物理所多年在碳化硅领域的研究成果,集技术、管理、市场和资金优势,在国内首次建立了完整的碳化硅晶片生产线,突破了缺陷抑制、快速生长和籽晶处理等关键技术,形成了具有自主知识产权的完整技术路线。


2、山东天岳


山东天岳成立于2010年,碳化硅单晶生长和加工技术来自山东大学晶体材料国家重点实验室的技术转让。山东天岳公司发展起源碳化硅材料,致力于碳化硅产业链的发展,在做好材料的同时,公司在碳化硅芯片及电子应用领域进行了技术储备和产业布局。


3、河北同光


河北同光晶体有限公司成立于2012年5月28日,位于河北省保定市高新区。河北同光和中科院半导体所紧密合作,打造了一支具有国内领先水平的研发队伍,中科院半导体所和河北同光成立了“第三代半导体材料联合研发中心”,并在河北同光建立院士工作站,中科院半导体所成果转化基地。


4、北京世纪金光


北京世纪金光成立于2010年12月24日,始建于1970年,其前身为中原半导体研究所。公司主营宽禁带半导体晶体材料、外延和器件的研发与生产,是国内首家贯通整个碳化硅全产业链的高新技术企业,既:碳化硅高纯粉料→单晶材料→外延材料→器件→功率模块制备。2018年2月1日,北京世纪金光6英寸碳化硅器件生产线成功通线。


5、中科节能


中科节能成立于2016年6月,是由中国钢研科技集团的新冶集团(占股40%)、国宏华业投资有限公司(占股35%)和公司骨干员工(占股25%)三方共同出资成立的由央企控股的混改公司。未来三年(2018-2020年),中科钢研致力于突破6英寸“高品质、低成本”导电型碳化硅晶体升华法长晶工艺及装备、4英寸无掺杂高纯半绝缘碳化硅晶体高温化学气相沉积法长晶工艺及装备,并达到产业化应用水平,将联合国宏华业投资有限公司等4至5家已取得共识的合作单位通过全国布局投资30亿人民币,打造国内最大的碳化硅晶体衬底片生产基地。


在外延环节,我国相关企业主要有瀚天天成和东莞天域,世纪金光和Norstel也有SiC外延生产业务。此外,国民技术全资子公司国民投资拟与陈亚平技术团队等合作设立成都国民天成化合物半导体有限公司,建设和运营6吋第二代和第三代半导体集成电路外延片项目。


1、瀚天天成


瀚天天成成立于2011年,是中美合资企业(董事长赵建辉博士为美籍华人)。赵建辉于1988年获得美国卡内基梅隆大学工学博士,是美国第一个因对碳化硅研发及产业化做出重大贡献而被评选为国际电机电子工程院士的领军者。公司是中国第一家提供产业化3、4和6英寸SIC(碳化硅) 外延片的企业。公司引进德国Aixtron公司制造的全球先进的碳化硅外延晶片生长炉和各种进口高端检测设备,形成了完整的碳化硅外延晶片生产线。


2、东莞天域


公司成立于2009年1月7日。2010年5月公司与中国科学院半导体所合作成立了“碳化硅技术研究院”。目前公司已引进4台世界一流的SiC-CVD(德国Aixtron和意大利LPE)及配套检测设备。


另外,在器件、模组环节,我国生产企业主要包括泰科天润、芯光润泽、深圳基本、世纪金光和扬州国扬电子等SiC器件生产企业,以及中车时代电气、士兰微和扬杰科技等传统功率器件生产企业。


1、三安集成


三安集成注册成立于2014年,目前在第三代半导体领域定位做代工服务。公司成功收购瑞典SIC(碳化硅)衬底和外延生产企业Norstel,并与美国代工企业GCS设立合资公司三安环宇,三安持股51%。


2、海威华芯


2015年,四川海特高新技术股份有限公司收购中电科29所旗下成都嘉石科技,控股53%,成立海威华芯。2016年4月,海威华芯第一条6英吋第二代化合物半导体集成电路生产线贯通,该生产线同时具有砷化镓、氮化镓以及相关高端光电产品的生产能力。同时公司在GaN、SIC(碳化硅)等化合物半导体领域已逐渐展开布局。


3、泰科天润


泰科天润成立于2011年是中国第一家致力于SIC(碳化硅)功率器件研发、制造与销售于一体的的生产型高科技企业。


4、芯光润泽


芯光润泽公司成立于2016年3月,规划总投资20亿,主要进行第三代半导体碳化硅功率模块的设计、研发及制造,形成硅基和碳化硅半导体材料的 IGBT、MOSFET、FRD、SBD、JBS 等大功率分立器件、大功率模块系列产品生产线,是国内先进的碳化硅功率模块封装厂之一。


5、深圳基本半导体


深圳基本半导体成立于2016年,由瑞典碳化硅领军企业Ascatron AB联合青铜剑科技(主打产品IGBT驱动芯片)、力合科创、英智资本联合打造,并与深圳清华大学研究院共建“第三代半导体材料与器件研究中心”,从事碳化硅功率器件的研发与产业化。基本半导体通过引进由海归人才和外籍专家组成的高层次创新团队,对碳化硅器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等各方面进行研发,覆盖产业链各个环节,建立了一支国际一流的研发和产业化团队。


6、扬州国扬电子


扬州国扬电子成立于2014年,是中国电子科技集团公司第55研究所控股公司。主要产品设计IGBT模块、大功率智能模块、SiC混合功率模块及全SiC功率模块等系列产品。


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