SiC，一顆在功率半導體領域中冉冉升起的新星。
如今我們提起它，就離不開特斯拉和意法半導體，第一個吃螃蟹的特斯拉用SiC MOSFET敲開了新世界的大門，而意法的SiC也因為特斯拉Model 3這股東風扶搖直上，超越英飛凌成為了SiC領域里說一不二的新霸主。
特斯拉憑借Model 3、Model Y的熱銷，成為了SiC裝車的先鋒，而隨著比亞迪漢EV、蔚來ES6、理想L9等熱門車型的陸續(xù)上市，SiC裝車量得到進一步擴大。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年上半年，全球已有40款SiC車型進入量產(chǎn)交付，可查到交付數(shù)據(jù)的SiC車型上半年累計銷售118.7萬輛。
熱門的SiC便吸引了歐洲芯片雙雄意法和英飛凌在其中押下重注。
SiC已為意法帶來了源源不斷的收入，2016年意法半導體營收不過69.44億美元，到了2022年，總營收已經(jīng)來到了161.3億美元，全年凈利潤為43.23億美元，而其中碳化硅功率器件營收從無到有，迅速增長至7億美元。
而英飛凌在SiC方面相對較落后，但在整個功率元件領域包括IGBT、SiC、GaN等，依舊處在領先位置地位，作為全球最大的汽車半導體廠家，汽車業(yè)務占據(jù)了其2022年142.18億歐元總營收中的47%，而這部分收入中又有56%來自功率器件。
作為功率半導體近年來發(fā)展最快的領域之一，不論是意法還是英飛凌，都不愿讓這塊越做越大的肥肉讓予競爭對手，在未來勢必有一番更激烈的爭奪，昔日霸主與今日新王的PK，各自勝算又有幾何，不妨來仔細分析一番。
意法，SiC新王
2018年，特斯拉發(fā)布Model 3，在這款車型上，最主要的一項創(chuàng)新就是采用了意法半導體的650V SiC MOSFET逆變器，與過去電車上所采用的IGBT，SiC MOSFET能帶來5%～8%的逆變器效率提升，對電動車的續(xù)航能力有著顯著提升。
Model 3為大家普及了碳化硅這個概念，但事實上，碳化硅的特性早在 20 世紀初期就已確立，第一個碳化硅二極管的歷史可追溯到 1907年，當時的物理學家們經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，碳化硅在室溫下的帶隙比硅寬約 2 eV，這意味著碳化硅器件的臨界電場可以高出五到十倍，因而這一技術可以極大地提高轉換效率，同時承受更高的電壓和更惡劣的條件。
不過，直到上世界90年代末，碳化硅距離商用依舊遙遙無期，原因很簡單，碳化硅襯底有太多缺陷，且碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘較高，為了解決這部分問題， 1996年，意法開始與卡塔尼亞大學合作開發(fā)碳化硅技術，研究將之量產(chǎn)商業(yè)化的可能性。
作為首批大力投資該技術并與學術界合作的公司，意法收獲了自己的回報，在2002年5月成功展示了第一個肖特基碳化硅二極管；2006年，意法在三英寸晶圓上試產(chǎn)了SiC器件，并于次年批量生產(chǎn)了第一代碳化硅二極管；2014年，意法開始生產(chǎn)第一代 SiC MOSFET，此后迅速進行迭代：2017 年發(fā)布第二代 MOSFET， 2020 年推出了第三代產(chǎn)品……前后算下來，意法在碳化硅技術的研發(fā)上已有25年之久。
從產(chǎn)品線來看，目前意法的650V/1200V 第三代碳化硅 MOSFET正式投產(chǎn)，該系列通過優(yōu)化Ron和Qg兩個參數(shù)，更適合高頻應用，同時也分為650V、750V、900V和1200V四個產(chǎn)品線，第四代產(chǎn)品目前正在產(chǎn)前測試中，產(chǎn)品頻率可達1MHz，導通電阻也減少了15%。
而意法在碳化硅領域的選擇，是繼續(xù)深挖平面設計碳化硅MOSFET的技術潛力，包括第四代碳化硅產(chǎn)品，依舊采用了平面結構，該結構的特點是工藝簡單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高，如特斯拉等車企選擇的就是平面柵SiC MOSFET功率模塊，開發(fā)歷史較長的它更方便量產(chǎn)，在成本控制上也有一定優(yōu)勢。
但平面結構也有著自己的問題，當電流被限制在中間狹窄的區(qū)域流過時，會產(chǎn)生JFET效應，從而增加通態(tài)電阻，同時寄生電容也較大，因而溝槽結構就被提上了日程，其能最大限度地發(fā)揮SiC材料的特性，尤其是可以進一步降低器件成本和導通電阻，但目前來說成本較高，難以在更多場景中應用。
2019年，System Plus Consulting給出的碳化硅 MOSFET對比報告中，意法的產(chǎn)品FoM還較大，但隨著幾次迭代，其在平面工藝已經(jīng)有了極大進步。根據(jù)意法的宣發(fā)，其最新的平面 MOSFET為晶體管行業(yè)樹立了新的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 標桿，業(yè)界認可的FoM [導通電阻 (Ron) x 裸片面積和Ron x 柵極電荷 (Qg)]算法表示晶體管能效、功率密度和開關性能，用普通硅技術改善 FoM 變得越來越困難，因此，碳化硅技術是進一步改進FoM的關鍵。
當然，作為行業(yè)龍頭，意法也在溝槽結構上有所布局，但由于技術和市場等問題，最終順延成為意法的第5代碳化硅MOSFET，依舊處在在工程樣品測試階段，量產(chǎn)時間待定。
值得一提的是，意法為了保持住自己在碳化硅領域的地位，不光在產(chǎn)品技術上花費了大量功夫，對于產(chǎn)業(yè)鏈的投資也是不遺余力。
首先在襯底及晶圓方面，意法先后與Wolfspeed/Cree和Rohm/碳化硅rystal簽署多項晶圓供貨協(xié)議，并且通過收購Norstel AB（已更名為ST 碳化硅 AB）完成自有的襯底生產(chǎn)線的建設。其表示，2020年一季度，ST首次內(nèi)部供應6英寸碳化硅晶圓，2021年三季度推出了首個8英寸晶圓原型，并計劃于2024年量產(chǎn)，預計屆時內(nèi)部晶圓采購將占到總采購量的40%。
而在Fab上，ST正在將位于其卡塔尼亞工廠從6寸升級至8寸，并且在2021年三季度，位于新加坡的6英寸碳化硅生產(chǎn)線順利通過認證。而在后道封裝上，也有中國深圳的賽意法和位于摩洛哥的布斯庫拉工廠。
需要注意的是，今年6月，意法宣布與國內(nèi)的三安光電股份有限公司合資32億美元在重慶建8英寸碳化硅外延與芯片代工廠，成為國內(nèi)碳化硅領域最具轟動性的一筆投資規(guī)劃，其將于2025 年完成階段性建設并逐步投產(chǎn)，2028年達產(chǎn)，規(guī)劃達產(chǎn)后生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓1萬片/周。
穩(wěn)步更迭的平面與溝槽技術，通過收購實現(xiàn)晶圓襯底自產(chǎn)自用，最后配合大手筆的擴產(chǎn)，意法的龍頭地位依舊穩(wěn)固，之前立下的2024年碳化硅產(chǎn)品營收達到10億美元目標有望再2023年提前達成，這一成績足以讓其自傲與碳化硅領域。
英飛凌，奮起直追
與意法相比，英飛凌的在碳化硅技術上的積累也不遑多讓，早在2001年，英飛凌就推出了第一顆碳化硅二極管，甚至比意法還早上一年，但在后續(xù)技術開發(fā)上，英飛凌的步伐落后了少許，最終導致了意法成為了第一個吃到螃蟹的廠商。
與意法不同的是，英飛凌并沒有選擇突入平面結構的市場，而是毅然決然地選擇了溝槽結構，在碳化硅產(chǎn)品上走了一條高質(zhì)高價的路線，與生產(chǎn)工藝較為簡單，成本較低的平面結構碳化硅MOSFET生產(chǎn)工藝相比，英飛凌的溝槽柵設計表現(xiàn)出了前者難以具備的優(yōu)勢。
從目前的反饋來看，英飛凌所推出的碳化硅產(chǎn)品做到了揚長抑短，不但具有性能的優(yōu)勢，在可靠性和耐用性方面也通過具有專利的半包溝槽柵結構設計和嚴苛的測試克服了缺點，成為業(yè)內(nèi)少數(shù)幾個可以量產(chǎn)并大規(guī)模應用的車規(guī)碳化硅MOSFET。
產(chǎn)品線方面，英飛凌碳化硅產(chǎn)品名為CoolSiC，目前已有兩代產(chǎn)品推出，第一代為量產(chǎn)的1200V產(chǎn)品，已有樣品提供，導通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，第二代則包括1200V和750V兩個電壓規(guī)格，導通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，750V產(chǎn)品目前還處在研發(fā)中。
根據(jù)英飛凌提供的材料，這家在溝槽結構上領先一步的公司，已然開始了第三代1200V平臺的開發(fā)，性能較第二代產(chǎn)品可以再次提升20%，預計推出時間為2025年底到2026年初。
在針對電動汽車開發(fā)的碳化硅模塊產(chǎn)品上，英飛凌著重擴充HybridPACK Drive系列產(chǎn)品，推出了尺寸和管腳兼容的的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的業(yè)內(nèi)知名度和客戶資源，減少市場推廣成本，降低客戶切入的壁壘。
值得一提的是，英飛凌在整個碳化硅技術以及溝槽碳化硅MOSFET方面都積累了大量的專利，數(shù)量分別達到919件（包括已授予和申請中）件和82件，在碳化硅五巨頭中位列第一。
不過在晶圓和襯底方面，英飛凌由于沒有像意法那樣在自產(chǎn)襯底方面的布局，只能將外購襯底的價值發(fā)揮到最大，2018年11月12日，英飛凌收購了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra GmbH，看重的就是這家公司冷裂（Cold Split）技術，這項技術能減少晶錠（boule）切割過程中的材料損失，從相同的晶錠中獲得多一倍的碳化硅襯底，目前該技術處于小批量試產(chǎn)中，預計2024年完全成熟。
需要注意的是，2023年5月，英飛凌與中國公司天科合達、天岳先進簽訂供應協(xié)議，兩家公司將供應6英寸碳化硅晶圓和晶錠，作為Wolfspeed的補充，也有有消息人士稱，英飛凌很可能未來在歐洲自行生產(chǎn)碳化硅晶體，以求供應穩(wěn)定。
在Fab方面，受困于產(chǎn)能的英飛凌在2022年開始了公司歷史上最激進的投資計劃。除了在德國德累斯頓投入50億歐元建設歐洲最大的晶圓廠、提高混合信號產(chǎn)品產(chǎn)能外，還針對第三代半導體進行分別在奧地利Villach和馬來西亞Kulim進行超過20億歐元的投資。
根據(jù)規(guī)劃，目前進行中的奧地利Villach的產(chǎn)能爬坡在2025年完成后，英飛凌的碳化硅產(chǎn)值可以達到10億歐元，而在建的馬來西亞Kulim三代半工廠在2024年底投產(chǎn)后，產(chǎn)值可以在隨后的2年時間再增加20億歐元。
與意法相比，英飛凌雖然在技術上似乎更進一步，早已開始溝槽結構技術的布局，但在產(chǎn)品的產(chǎn)能和自產(chǎn)的襯底方面，面臨著不小的挑戰(zhàn)，伴隨著碳化硅市場的不斷發(fā)展，持續(xù)發(fā)展技術和投入產(chǎn)能的它依舊有著翻盤制勝的可能性。
英飛凌，奮起直追
作為歐洲的老牌廠商，意法和英飛凌本就在功率半導體市場中相互競爭，如今新能源汽車催生出了碳化硅廣闊的應用市場，兩家的競爭態(tài)勢只會愈發(fā)激烈，不論是技術還是產(chǎn)能，誰也不肯輸給誰，看不見硝煙的戰(zhàn)爭已經(jīng)打響。
競爭的背后，碳化硅市場也在瞬息萬變，今年3月，第一個采用碳化硅的特斯拉卻在投資者日活動上表示，計劃減少下一代電動汽車動力系統(tǒng)中碳化硅晶體管的使用量，消息一出也讓碳化硅企業(yè)的股價受到了影響。
碳化硅技術已經(jīng)落地成熟，但是第一個吃到螃蟹的車企卻開始嫌棄起了螃蟹貴，這無疑為意法和英飛凌敲響了警鐘，如何在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，控制碳化硅的成本，讓更多車企愿意讓碳化硅上車，或許就是未來制勝的關鍵所在。（文：半導體行業(yè)觀察）
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