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？

Posted 2020-11-25

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。
　　<strong>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</strong>，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”。
　　<strong>与传统的硅晶圆相较，碳化硅凭什么一夕爆红？</strong>
　　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。
　　<strong>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。</strong>
　　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<strong>碳化硅产业还面临四个挑战：</strong><strong>供应不足、良率、产品电气性能表现待提升、成本过高。</strong>
　　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。
　　<strong>特斯拉：</strong>
　　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，<strong>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。</strong>
　　<strong>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</strong>，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。
　　<strong>保时捷（Porsche）：</strong>
　　在 2018 年 10 月即发表碳化硅 SiC MOSFET 模组的电动车快速充电桩。
　　<strong>德国汽车零组件供应商 Delphi ：</strong>
　　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。
　　<strong>比亚迪（BYD）：</strong>
　　<strong>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</strong>，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。
　　<strong>美国科锐（Cree）</strong>：
　　<strong>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。</strong>
　　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。
　　<strong>美国材料公司 II-VI：</strong>
　　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。
　　<strong>南韩硅晶圆厂 SK Siltron：</strong>
　　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，<strong>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。</strong>
　　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。
　　<strong>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</strong>，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<strong>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。</strong>
　　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，<strong>碳化硅目标是实现与 IGBT 成本接近。</strong>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，<strong>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。</strong>
　　碳化硅对于 Soitec 而言，是全新业务。除此之外，<strong>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。</strong>
　　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，<strong>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。</strong>
　　<strong>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。</strong>
　　<strong>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</strong>，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<strong>硅光子（Silicon Photonics）</strong>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，<strong>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</strong>，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，<strong>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</strong>，其实氮化镓也可以使用 Smart Cut 技术，目前是处于研究阶段。
　　<strong>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。</strong>
　　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。
　　<strong>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</strong>，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。