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5G、电动车的新材料，华为、特斯拉都入局的碳化硅产业为何很重要？

2019-12-31 23:01:01 作者：互联网

特斯拉的 Model 3 用碳化硅取代传统的硅基底芯片来做电流转换模组; 华为将碳化硅使用在 5G 基站的功率放大器中，并入局布局该产业，以旗下公司名义投资第三类半导体材料碳化矽企业山东天岳。
　　碳化硅是属于第三代半导体材料，也是地球上第三硬的化合物，仅次于钻石和碳化硼，据说是太阳系刚诞生的 46 亿年前的陨石中，所发现的少量物质，因此，碳化硅又被称为是“经历 46 亿年时光之旅的半导体材料”。
　　与传统的硅晶圆相较，碳化硅凭什么一夕爆红？
　　碳化硅相较于传统硅晶圆有更高的功率密度、让设备的尺寸和体积更小、相应的电池体积也会更小，因此可以延长电池使用寿命，让电动车的行驶里程更远。
　　打个比方，使用碳化硅材料的逆变器模块，与使用传统硅材料的相比，电池效能可提高 10%，且电池的体会积缩小 30%，这也可以解释为什么电动车会大力倡导碳化硅这项新材料。
　　另一个大量的应用，是射频 RF 元件，因为碳化硅可以有更好的散热，因此，5G 基地台中的射频元件也非常适合使用碳化硅。
　　既然碳化硅有这么多优点，那为什么市面上应用不大举取代硅晶圆？
　　主要在于碳化硅产业还面临四个挑战：供应不足、良率、产品电气性能表现待提升、成本过高。
　　因为碳化硅产量还太小且稳定度不够，且上述也提到，碳化硅是地球是第三硬的化合物，因此与硅相比，碳化硅坚硬的材质和复杂的制造流程，也导致成本很高。
　　虽然单个碳化硅元件的成本仍是高于传统硅元件，但以整体系统成本角度视之，仍是节省很多。
　　例如，在电动车中，碳化硅可能会额外增加 300 美元的前期成本，但从整个系统来看，电池成本、电动车空间和冷却成本的降低，可以减少约 2,000 美元的成本。
　　再进一步深入探讨碳化硅产业之前，我们先来看看有哪些产业巨头已经开始使用这种新材料，并且带来什么样的市场冲击。
　　特斯拉：
　　全球碳化硅功率半导体市场的规模，将从 2017 年的 3.02 亿美元，快速成长至 2023 年的 13.99 亿美元，未来车厂在功率电子中采用碳化硅的比重会持续增加，像是主逆变器、车载充电器 (OBC)、直流 - 直流(DC-DC) 转换器等。
　　特斯拉的 Model 3 是第一家采用碳化硅 SiC MOSFET 来做逆变器的车厂，主要是与意法半导体合作，相较于市面上的电动车多是使用硅基底芯片如 IGBT、MOSFET 等来制作。
　　Model 3 使用了 SiC MOSFET 模组后，AC / DC 的电流转换效率在长距离电动车市场上排名第一，加速特斯拉的主要竞争对手车商开始评估使用碳化硅材料 SiC MOSFET。
　　保时捷（Porsche）：
　　在 2018 年 10 月即发表碳化硅 SiC MOSFET 模组的电动车快速充电桩。
　　德国汽车零组件供应商 Delphi ：
　　Delphi 在 2019 年发表最新使用碳化硅模组的 800V Inverter，相较于目前电动车以使用 400V Inverter 系统为主，使用碳化硅的 800V Inverter 能延长行驶距离，并缩短充电时间。
　　比亚迪（BYD）：
　　已入局自研碳化硅产业，并且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，以降低碳化硅器件的制造成本，加快碳化硅应用在电动车领域。
　　目前碳化硅晶圆供应商是以美国科锐（Cree）为龙头，但加入该领域的半导体商越来越多，美国、韩国、欧洲都有碳化硅晶圆供应商参与其中。
　　美国科锐（Cree）：
　　目前是碳化硅领域的龙头，市占率过半。因为 Cree 看好未来需求，也在 2019 年启动扩产计划，总投资 10 亿美元，估计在碳化硅晶圆产能与碳化硅晶圆制作材料上，可增加高达 30 倍。
　　另外，Cree 也将把旗下的功率元件（Power）和射频（RF）事业群更名为 Wolfspeed，而 Wolfspeed 是 SiC Diode、SiC MOSFET 的主要厂商，也让整个 Cree 集团在碳化硅产业供应链势力扩大。
　　美国材料公司 II-VI：
　　是一家工程材料和光电元件供应商，同时也是碳化硅材料供应商。
　　南韩硅晶圆厂 SK Siltron：
　　2019 年宣布收购美国化学大厂杜邦（DuPont）的碳化硅晶圆事业。
　　值得注意的是，除了上述的美、韩供应商，法国材料供应商 Soitec 也正式入局，并且宣布与半导体设备大厂应用材料合作。
　　应用材料与 Soitec 看好电动车、通信设备、工业应用等应用对于以碳化硅为衬底的芯片需求蓬勃成长，因此携手展开对新一代碳化硅衬底的研发。
　　Soitec 有一项专利技术 Smart Cut，目前已广泛应用于绝缘硅 SOI 产品的生产，这次与应用材料的合作，将获得应用材料在制程技术与生产设备方面的支持。
　　Soitec 全球战略执行副总裁 Thomas Piliszczuk 表示，两家公司将在 CEA-Leti 的衬底创新中心中增添一条碳化硅优化衬底的实验生产线，目标是在2020 年上半年开始运行，下半年可推出使用 Soitec 的 Smart Cut 技术生产碳化硅晶圆片样品。
　　Piliszczuk 进一步指出，在处理碳化硅的流程上，主要是采用 Smart Cut 技术将碳化硅晶圆体进行精准切割成超薄单晶碳化硅层，再将切割后的超薄单晶碳化硅层，放置在其他的材料之上，而形成了一个全新的结构。这样的全新结构，与纯的碳化硅的材料相比，可以有更好的电气性能，并增加良率。
　　未来，碳化硅目标是实现与 IGBT 成本接近。IGBT 从 1990 年发展至今，中间 30 年经历了 7 代技术，晶圆尺寸更从 4 吋一直扩大到 12 吋，晶片厚度从 300μm 降低到 60μm，成本也降到了原本的 5 分之 1。
　　由此可知，碳化硅之旅也同样需要经历一段不短的时间，才能让成本与 IGBT 接近。
　　未来，碳化硅并不会完全取代 IGBT 或 MOSFET，因为这些技术产品在开关特性、功耗、成本等方面都不相同，硅与碳化硅元件会同时并存发展。
　　碳化硅对于 Soitec 而言，是全新业务。除此之外，Soitec 也广泛提供各种材料，像是 FD-SOI 晶圆、压电绝缘材料 POI、硅光子（Silicon Photonics）、氮化镓 GaN 等材料。
　　FD-SOI 技术很多人对于并不陌生，因为 GlobalFoundries、三星、意法半导体已经推展该技术多年，FD-SOI 技术更被视为是台积电、英特尔引领的 FinFET 技术之外的另一个条路线。
　　FD-SOI 技术非常适合于边缘计算和 AIOT（人工智能和物联网结合）领域的芯片，市面上已经有很多公司是采用 FD-SOI 技术生产相关芯片，包括瑞芯微电子、NXP 等。
　　在压电绝缘材料 POI 方面，主要用于 5G 手机上需要的射频滤波器上，也是因应 5G 时代到临下，频谱越来越密集，需要手机前端的射频模块来进行过滤频率信号。
　　在硅光子（Silicon Photonics）方面，主要是用于数据中心及高速计算的硅光子（Silicon Photonics）。
　　在氮化镓 GaN 方面，Soitec 在 2019 年 6 月收购了一家名字叫做 EpiGaN 的公司，正式跨入 GaN 材料领域，是一家在 GaN 领域非常领先的小型公司，未来能提供 5G 的基础设施。
　　再者，Soitec 在收购 EpiGaN 后，已经推出了两款产品，分别为硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓。
　　针对独有的 Smart Cut 技术，目前 Soitec 有三种产品使用 Smart Cut 技术，分别为绝缘硅 SOI 产品、新型压电产品 POI、碳化硅 SiC，其实氮化镓也可以使用 Smart Cut 技术，目前是处于研究阶段。
　　Soitec 也积极展开在中国的布局，2019 年与上海新傲科技强化合作，上海厂的 200mm SOI 晶圆年产量将从年产 180,000 片提升至 360,000 片，新增产能主要针对车用领域所需要的 RF-SOI 与功率 Power-SOI 元件等，双方合作模式是由新傲负责 SOI 晶圆制造，Soitec 则管理全球产品销售。
　　对于碳化硅的晶圆来说，最为广泛的是 6 英寸尺寸，Soitec 预测在 2024 年，全球总体有效市场（TAM）对于碳化硅晶圆的需求将会达到每年 400 万～500 万片。
　　在碳化硅硅片制造商方面，主要的功率半导体 IDM 厂商包括英飞凌、ON Semiconductor、意法半导体、ROHM、Mitsubishi Electrics 等，都提供市场碳化硅硅片与 SiC Module。
　　Soitec 希望能是 2020 年上半年实现基于 Smart CutTM 技术的碳化硅衬底样品，第二个目标是 2021 年上半年，能使用 Smart Cut 的技术完成碳化硅产品的量产。

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