SiC/GaN,海外巨头疯狂扩产

微信公众号:半导体行业观察L晨光2022-02-24 14:41事业线
以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料逐渐崭露头角,正成为全球半导体市场争夺的焦点。

近日,功率半导体龙头厂商英飞凌宣布,将投资超20亿欧元在马来西亚居林工厂建造第三个厂区,以大幅增加产能,新厂区主要涉及外延工艺和晶圆切割等关键工艺,将于6月开始施工,预计第一批晶圆将于2024年下半年下线。

英飞凌此前透露,其2022财年的投资将大幅提升至24亿欧元。如今超八成资金被用在了第三代半导体投资上。未来,英飞凌还将持续为其第三代半导体业务注资,将把奥地利菲拉赫的6英寸、8英寸硅基半导体生产线改造为第三代半导体生产线,这意味着英飞凌正集中火力向第三代半导体产业的纵深处进发。

长期以来,硅始终是集成电路芯片制造最广泛的原材料,然而在5G走向成熟落地、物联网设备连接数持续增加、汽车产业智能化转型加速的趋势下,受材料本身特性的限制,硅基半导体逐渐无法满足日益提高的市场需求。

在这种情况下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料逐渐崭露头角,凭借其高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,展现巨大的市场前景,正成为全球半导体市场争夺的焦点,国内外第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。

据TrendForce预测,2025年全球SiC功率器件市场规模将达到33.9亿美元,GaN功率器件市场规模也将达8.5亿美元。

2020-2025年全球SiC功率市场规模(单位:亿美元)图源:TrendForce

01 行业厂商大幅扩产

之所以敢于不断加码第三代半导体,源自英飞凌对行业的高度看好。除了英飞凌之外,业界还有很多企业都在加大对第三代半导体的投资力度。

以SiC为例,安森美半导体表示今年要将SiC产能扩充4倍,2022财年第一季度,安森美预计资本支出约为1.5-1.7亿美元,主要用于扩产12英寸硅产线产能。去年10月,安森美以约26.87亿人民币正式收购SiC衬底厂商GTAT。据安森美此前说法,2022年和2023年的SiC资本支出预计将占总收入的12%左右。

意法半导体2021年的资本支出达到约21亿美元,其中14亿美元将投入全球产能扩建,同时也在继续投资供应链的垂直化整合,计划到2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍,SiC营收将达到10亿美元。

罗姆也立下了SiC的增长目标。2021年5月,罗姆提出要抢占全球30% SiC市场的目标。为了满足日益扩大的SiC产品需求,罗姆相继加大投资力度,在日本阿波罗筑后和宫崎新工厂将于2022年投入运营,计划器件产能提高5倍以上。此外,罗姆还将把在马来西亚的半导体工厂产能扩大到1.5倍,计划到2023年8月建成。除了马来西亚工厂新厂房开工建设和日本筑后工厂的SiC新厂房正式运转之外,2022年罗姆还将继续对前工程和后工程进行积极投资。

近日,韩国SK Siltron第三次对SiC业务进行扩产,预计到2024年将投资近10亿元,负责后段工艺的生产,计划于今年下半年开始量产。一旦该厂的扩建和良率稳定下来,SK Siltron的SiC生产规模将较去年大幅扩大。这是SK Siltron第三个扩产动作,之前还在美国和韩国扩充SiC产能。SK Siltron近期表示将在未来5年内,在美国将投资约38.42亿人民币,以扩大美国SiC晶圆生产规模。

最近几个月,还有TRinno、Scenic等多家韩国企业也在建线,涉及SiC衬底、外延和器件等环节。此外,行业公司包括鸿海、环球晶、汉磊科技等都在进行扩产、收并购、产业链上下游整合等一系列举措。

从上述众多的扩产和加大投资等事件来看,整个第三代半导体产业正在释放出国际企业大力完善第三代半导体产业布局,强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额的信号。

头部SiC企业规划在未来几年投入巨资,扩充产能,进一步支持和推动客户业务和市场发展。根据SEMI的预估,全球功率暨第三代半导体的投资额,将在2021年成长20%至70亿美元,2022年将持续创新高至85亿美元,2017-2022年复合成长率高达15%。

资本市场以及行业厂商大幅扩产的背后,也反映着第三代半导体市场需求正在被快速打开。

2018年,特斯拉在Model 3上采用了650V SiC MOSFET,逆变器效率提升了5%-8%,电动车的续航显著提升,此举让SiC成为了全球车企的关注焦点。

如今,汽车领域的SiC应用正处于关键市场窗口期。

一方面车规SiC市场来的很快很猛很集中,随着特斯拉和比亚迪等车企的示范效应,新能源旗舰车型也逐步由600V平台向800V平台切换,近几年成为各家车厂的爆款车型应用SiC的市场窗口期;

另一方面,如果说五年内是硅抽身让出来给SiC公司肆意狂奔的相对弱竞争市场,还是Si和SiC之间的竞争,那么五年后新进入者要面对的可能便是SiC和SiC的竞争。根据Yole的预测数据显示,预计2025年汽车领域的SiC销售额占比约达到61%。

另外,SiC在光伏、轨道交通等领域均有巨大应用前景。

光伏发电系统中,硅基逆变器成本占系统的10%,但却是系统能量损耗的主要来源。使用SiCMOSFET功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用SiC器件的需求。SiC器件的应用可以提高装置效率,提升系统整体效能。

目前,SiC器件并不像其他芯片那样缺货,但是上下游企业纷纷开始绑定产能,以应对未来的市场爆发。

SiC衬底方面,据意法半导体透露,目前其已经锁定了Wolfspeed超过60%的SiC衬底供应,而GTAT又被安森美并购了,国际优质SiC衬底供应更为紧张。SiC外延产能的争夺也很激烈,以昭和电工为例,2021年5月-9月,英飞凌、罗姆和东芝三家企业都跟昭和电工绑定多年协议,去年12月日本电装也抢了一部分产能。

国内市场,东莞天域跟露笑科技签订了15万片SiC衬底的战略合作。此外,还与II-VI公司达成了6英寸导电型SiC衬底战略合作,行业人士认为这也是在锁定衬底产能。

不过,国产SiC离“上车”还有一段距离。由于车规级SiC产品的缺陷控制要求非常高,目前国内SiC模块产业链还不完备,现阶段都是采用进口SiC技术,这类产品主要集中在英飞凌、罗姆和Wolfspeed等国际头部厂商手中,国内产品占比相对较少。

02 国内厂商如何破局?

全球第三代半导体产业竞争市场显现出美日欧三足鼎立格局。以SiC市场为例,美国在SiC 领域全球独大,美国Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、Transphorm、道康宁等行业巨头占据了全球70 %以上的市场份额;欧洲拥有英飞凌、意法半导体、IQE、Siltronic等代表公司,以构建从衬底到外延、器件以及应用的完整SiC全产业链;日本的罗姆半导体、三菱电机、富士电机、松下、瑞萨电子、住友电气等则是在终端设备和功率模块开发方面占据领先地位。

从布局趋势来看,跨国企业纷纷加快布局速度,持续提升技术水平。SiC衬底和外延方面,部分器件企业选择延伸切入该领域,以增强整体服务能力。技术进展方面,6英寸SiC衬底产品实现商用化,8英寸是未来发展方向,几大主流厂商均推出8英寸衬底样品,预计5年内8英寸将全面商用。SiC外延6英寸产品实现商用化,已经研制出8英寸产品,可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求。

反观国内市场,国内第三代半导体产业起步较晚,但已形成一定基础,目前正高速发展。据CASA Research不完全统计,截至2020年底,国内有超过170家从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业,而2018年尚不足100家,覆盖了从上游材料的制备(衬底、外延)、中游器件设计、制造、封测到下游的应用,基本形成完整的产业链结构。

如SiC衬底制造商天科合达、山东天岳、露笑科技等;SiC外延片生产企业东莞天域、瀚天天成、英诺赛科、晶湛半导体、聚能晶源等;负责器件设计的企业有深圳基本半导体、瞻芯电子、苏州锴威特、陆芯科技等。而以IDM模式生产器件和模块的企业有比亚迪半导体、泰科天润、瑞能半导体、士兰微、扬杰科技汇川技术、中国中车等多家企业,以及与Wolfspeed、罗姆类似的全流程布局的有三安光电等。

国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主,同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能、露笑科技等厂商已完成6英寸衬底的研发;中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底,在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系。从市场现状来看,在SiC这条赛道上,国内企业经过几年深入耕耘,正在积极进入一些关键产品的供应链,但目前与国外还存在一定差距。

业内人士认为,除了LED发光和射频,SiC的技术难点主要在于衬底缺陷的控制。当前低缺陷密度的衬底材料主要是欧美及日本厂商生产,国内想要突破还需要相当长的一段时间。同时SiC材料工艺控制难度高、产品批次性波动大导致良率偏低以及主要材料供应被垄断,甚至推导到市场价格一直居高不下,目前只限定在部分应用市场。

另一边,GaN领域,目前全球有超过30家企业从事GaN半导体的研发,其中实现商业化量产的企业仅有10家左右。GaN 器件产业链各环节依次为:GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工,其中,住友电工在GaN衬底领域一家独大,市场份额超过90%;外延片龙头包括IQE、COMAT等;GaN制造环节代表性企业包括稳懋、富士通和台积电,大陆方面以三安光电为代表,有成熟的GaN制程代工服务。

GaN器件产业链各环节主要企业

从应用端来看,GaN功率元件主要应用于消费性产品,消费电子(60%)、新能源车(20%)、通讯及数据中心(15%)为前三大应用领域。其中消费电子成为GaN 最主要应用市场,2020年以来,受到小米、OPPO、华为等手机厂商的热捧。GaN在消费电子领域迅速起量的同时,其应用范围也在持续扩展,正向新基建所涉及的5G、数据中心、新能源汽车等领域渗透。

中国的GaN发展虽然起步晚,但在政策不断支持下 GaN 相关产业也在迅速地发展。目前可以小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产的能力,开发出了6英寸样品,并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。

总体上看,国际龙头企业正在大力完善产业布局,强化竞争优势,沿产业链上下游延伸趋势日益明显,全产业链布局进一步提升了其竞争优势。在这种形势下,国内企业如何破局是需要思考和面对的问题。

中国第三代半导体兴起的时间较短,回顾国内产业发展历程,2013年,科技部863计划首次将第三代半导体产业列为国战战略发展产业。2016年为第三代半导体发展元年,国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点,国内企业扩大第三半导体研发项目投资,行业进入快速发展期。

2018年,中车时代电气国内第一条6 英寸SiC生产线和泰科天润国内第一条SiC器件生产线相继建成;2019年9月,三安集成建成国内第一条6英寸GaN、砷化镓(GaAs)外延芯片产线并投入量产;在2020年7月,华润微宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产;同年9月,第三代半导体写入“十四五”规划,行业被推向风口。

当前,在全球第三代半导体竞争趋于白热化的情况下,为了满足市场需求,抢滩市场份额,国内半导体公司纷纷加大资本投入,积极布局SiC、GaN为主的第三代半导体相关产业。

近一年来,国产半导体企业不断跑马圈地、投资扩产,持续完善第三代半导体产业链。

去年4月,赛微电子宣布投资10亿元建设6至8英寸硅基GaN功率器件半导体制造工厂,二期建成投产后月产能将达到1.2万片晶圆;

随后,三安光电也宣布其湖南半导体基地一期开始投产,全面建成达产后6英寸SiC晶圆月产能可达3万片,将成为国内首条SiC垂直整合产业链;

11月,露笑科技发布《2021年度非公开发行A股股票预案》,拟募资29.4亿元用于投资生产6英寸SiC衬底和建设大尺寸SiC衬底研发中心,建成后将形成年产24万片6英寸导电型SiC衬底片的生产能力,而研发中心项目投资额为5亿元,重点推进8英寸SiC衬底片的技术研发工作;

2021年底,中科钢研集团高纯SiC粉项目于山东菏泽开工,投资额超过10亿元;

今年初,国家第三代半导体技术创新中心研发与产业化基地也正式开工建设,总统投资超18亿元。据悉,该项目建成后将加速推动产业链集聚发展,支撑关键技术攻坚和成果转化;

安世半导体也通过收购英国晶圆厂Newport Wafer Fab提升了在第三代半导体产品领域的IDM能力,2022年安世半导体的SiC、GaN等产品都将逐步量产。

除了上述企业的投资扩产计划,还有以晶盛机电、斯达半导体为代表的企业,通过定增募资的方式扩大SiC业务布局。华润微、纳微科技、中国电科46所等多家企业也陆续传出新技术研发、新产品投放市场的消息。

抛开如火如荼的扩产投资,第三代半导体产业格局逐渐迎来空前重构和变化,产业链布局正在加速。面对差距以及行业巨头的大举进攻,本土芯片供应商应该以技术创新为驱动,更加注重推动第三代半导体功率器件的研发和应用,同时聚焦下游市场,通过绑定家电龙头,联手新能源汽车企业,加速科研成果转化和技术应用落地。

03 写在最后

无论是从技术还是到应用,第三代半导体产业仍处于“起跑阶段”,创造的产值相较于第一代半导体仍难以比拟。

然而,当科技的演进带动时代的基调,朝着高效能、绿能零碳的大方向走,未来我们除了需要持续仰仗硅芯片的运算力之外,也需要GaN及SiC等第三代半导体材料在能源与通讯两大领域做出突破性进展。

有观点认为,第三代半导体是支撑下一代移动通信、新能源汽车、能源互联网、国防军工等产业自主创新发展的重要技术,也是我们产业转型升级和关键材料、关键领域进步的核心器件,是中国最有机会突破技术封锁,形成战略优势的领域之一。

近年来,受惠于国家的支持和国产半导体行业的不懈努力,国产第三代半导体正在以不可思议的速度高速成长。在第三代半导体方面,国内外差距没有一、二代半导体明显。

科技部原副部长曹健林曾在第三代半导体论坛上表示:“我们面临着历史性的机遇与挑战,中国发展第三代半导体已经有一定的基础和积累,一是产业链比较完整,具备技术突破和产业发展协同的基础,二是国际半导体产业和装备巨头在第三代半导体领域还没有形成专利、标准和规模的垄断,国内企业还有机会赶上。”

只是如今,在国际大厂相继大举投资扩产,“All in”第三代半导体市场背后,不清楚国内产业的机会还有多大,时间窗口还有多少。

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