中国三安建造世界上最昂贵的碳化硅生产厂

中国有希望超越竞争者的一个领域是复合半导体。具体来说，是用于电源和RF应用中的碳化硅和氮化镓。因此，大量资金正被注入这一领域。HDSC、GZSC 和Tankeblue（北京天科合达半导体股份有限公司）各自投资超过 1 亿美元建设 SiC 晶圆设施。

最大的项目是湖南三安半导体晶圆厂。它的目标是成为一个完全集成的SiC晶圆厂，从外延生长和切片一路到动力设备，封装和测试。该设施在第一阶段和第二阶段的造价高达 25 亿美元，每月总产量为 30，000片 6英寸的晶圆。母公司三安光电表示，第一阶段在不到一年的时间内建成，已经可以生产6"SiC晶圆。

三安IC技术营销和销售总监说“这是我们工厂的第一阶段，每月15，000晶圆，我们已经带来了一半的满容量生产能力...在第二阶段，我们将构建第一阶段的镜像。我们有一个积极的计划，使工厂全面运作 - 这意味着装备到2024年每月交付30，000片6寸晶圆”。

三安建成世界上最昂贵的碳化硅工厂

全球碳化硅竞赛开始

随着 SiC 向更高电压移动，BEV（电动汽车） 用户获得更快的充电速度、扩展续航距离和更低的系统成本；

各种汽车芯片越来越多地采用碳化硅（SiC），这已经到了一个临界点，大多数芯片制造商现在认为这是一个相对安全的赌注，从引发了激烈的市场争夺，并将这种宽频段技术推向主流的竞争地位。

SiC在许多汽车应用方面有着巨大的应用前景，尤其是电池电动汽车领域。与硅相比，它可以延长每次充电的行驶距离，减少电池充电所需的时间，并通过提供电池容量更小、重量更轻的相同续航里程来促进电动汽车的整体效率桁架。现在的挑战是降低这些器件的制造成本，这就是为什么SiC晶圆厂从6英寸（150毫米）迁移到8英寸（200毫米）晶圆的原因。

美国能源部为加速采用SiC和GaN电力电子而成立的美国电力制造研究所执行主任兼首席技术官维克多·维利亚迪斯（Victor Veliadis）表示："这些引人注目的好处正导致在 BEV（电动汽车） 中大量采用 SiC，这使 SiC 制造成本因规模经济而降低。"这是 SiC 制造商关注的主要批量应用，并正在推动其制造扩张。这也是许多新来者进入 SiC 领域的原因，也是我们看到 BEV 设计的激烈竞争获胜的原因。

据管理 PowerAmerica 的北卡罗来纳州立大学电气工程学教授 Veradis 说， SiC 入到几个 EV 系统中，包括牵引逆变器、直流变频器和车载充电器。该技术还有助于减少向 BEV（电动汽车） 充电所需的时间。

他说："高压SiC电源设备也是实现快速充电基础设施的关键，这些基础设施将解除了消费者在电动汽车接受度方面的最后一个主要障碍。SiC 在高压下效率很高，可实现与传统车辆油箱加注相当的快速电池充电时间。“

继特斯拉在2017年采用SiC作为主逆变器后，电动汽车已成为SiC的杀手级应用， 约尔·德维洛普门特复合半导体和新兴基板团队首席分析师Ezgi Dogmus指出。Dogmus说："从那时起，我们见证了几乎所有汽车制造商和一级汽车制造商对SiC的兴趣。比亚迪、丰田和现代都选择了SiC作为他们的电动汽车车型，奥迪、通用、牛和大众也有望效仿。""随着 SiC 解决方案的设计成功率显著提高，我们预测 2020 年至 2026 年SiC在电动汽车中应用的前景将十分光明。事实上，汽车市场无疑是最重要的驱动力，因此，到 2026 年，汽车市场将占据 SiC 器件市场份额的 60% 以上。

除了电动汽车应用，Dogmus 还看到了在充电基础设施中采用 SiC 的趋势，即它提高了效率并缩小了系统尺寸。此外，预计SiC在2019年至2026年间在铁路、电机驱动和光伏发电等领域的复合年增长率将达到两位数。

SiC市场细分和增长预测

SiC vs. GaN

在动力电子领域，SiC 比标准硅产品以及其他宽带状半导体（如氮化镓（GaN） 具有显著优势。

Dogmus 说："硅 MOSFET 经历了渐进式增长和数十年的改进，并正在接近其理论性能的界限。"从历史上看，这些 MOSFET 产品已足够用于其目标应用。同时，创新的宽带隙材料（如 SiC 和 GaN）的性能超过硅基器件的性能，"Dogmus 说。"由于故障电压高、开关速度快、外形尺寸小，宽带隙材料是电力市场行业具有优势的候选材料。此外，它们允许减少每个系统的被动组件的数量，从而形成紧凑的设计。然而，与硅器件相比，这些材料仍然昂贵。

其他人也同意。英飞凌科技公司高压转换高级总监兼产品营销主管罗伯特·赫尔曼（Robert Hermann）表示，从高层来看，硅、碳化硅和氮化镓的定位非常简单。"与硅相比，碳化硅在高温、高功率和高开关频率的混合方面最强。这与主逆变器和车载充电的衍生系统成本降低相得益彰。

氮化镓是另一种主要的宽带隙技术，其效率更高，频率行为也更强。赫尔曼说："与碳化硅相比，这两个因素将功率密度提升到更高的水平。但是，要释放这种优势，需要实现更大的系统更改。此外，还应提供互补半导体和被动器件产品。

每种工艺技术的优势

不过，目前，SiC在逆变器领域在电动汽车应用和大功率系统方面真正的竞争是硅，Yole的Dogmus说。"对于 SiC 来说，在更高的电压下，成本/性能比率具有吸引力。例如，在 800V 电池车辆中实施， 1，200V SiC器件将代表一个重大的市场机会。同时，氮化镓（GaN）将继续打入手机应用的快速充电市场。事实上，与 SiC 相比，GaN 的功率较低，成本效益更好。氮化镓（GaN）还将渗透到数据通信和电信电力市场，用于 3kW 以下的系统，以及 EV 应用中的 OBC 和直流转换器。

SiC应用的 时间表

SiC 的优势大于障碍

并非所有的测试和检查流程都已完全解决，汽车应用零缺陷的需求是所有新材料的最高标准。但许多半导体制造商认为，这些问题可以相对较快地克服，并且仍然非常看好电动汽车SiC芯片的前景。

Rohm半导体技术营销经理苏明表示："虽然SiC电源二极管已在商业上使用多年，但SiC MOSFET是迅速改变SiC电源电子市场格局的游戏规则改变者。"最近市场增长的主要驱动力之一是电动汽车系统。自几年前SiC MOSFET技术首次应用于汽车牵引逆变器以来，SiC在能效和系统尺寸缩减方面比硅器件更具有优势，已被汽车行业广泛接受。

苏明说，今天，几乎所有的汽车原始设备制造商和电动汽车初创公司已经采用SiC或处于产品设计阶段，或者已经在他们的EV牵引逆变器和车载充电器使用SiC器件。"在燃料电池车辆中也采用了SIC装置。使用 SiC 的其他汽车功率转换器包括直流直流转换器，可将电池电压降低到 12V 或 48V，以及无线电池充电器。

在CO2排放等政府法规的推动下，欧盟和其他地区规定的碳排放限制，电动汽车正在经历一场巨大的繁荣。英飞凌的赫尔曼说："人们强烈希望保护环境，同时仍然享受着有趣的驾驶体验，电动汽车也强调了这一点。"这意味着销量增加，走出一个大利基市场，进入汽车生产大众市场的未来，并为原始设备制造商施加更大的定价压力。在这种情况下，碳化硅（SiC）发挥着非常重要的作用，因为它支持了电动汽车应用的各种趋势。

这反过来又为原始设备制造商开辟了一长串新的选项，并为芯片制造商提供了同等数量的机会。

"碳化硅与 IGBT 相比的一个技术优势是更高的能源效率。这可以很好地说明主要的汽车逆变器，其中几个百分点直接转化为更大的续航范围或和/或较小的电池尺寸，"赫尔曼说。"随着电力损失的减少，热管理得到简化。这意味着，尽管纯功率半导体成本高于 IGBT，但 SiC 可显著降低系统成本。对于电动汽车购车者来说，配方很简单 - 更长的续航范围，成本更低。

SiC 的效率还可以转化为车辆内部的更多空间。"碳化硅可以通过另一种应用，即汽车车载充电，直接为更多的空间做出贡献，"他说。"为了增加电池续航里程，电池容量会增加。这意味着车载充电的功率水平需要提高，否则不可能在一夜之间为电池充满电。此外，还有越来越多的使用案例需要双向充电，如车辆到电网。如果没有设计和技术措施，车载充电器会变大，占用车内的现有空间。使用碳化硅，不仅能提高效率，还能实现更高的开关频率。这会导致较小的被动器件以及冷却工作量减少。事实上，我们相信碳化硅的功率密度可以比传统的硅基解决方案提高一倍，实现雄心勃勃的设计目标，并缩小车载充电器的尺寸。

汽车制造商正在转向800V直流总线，以增加车辆和各种应用的可用功率，而不扩大电气连接器的大小，这将增加不必要的重量和大小的EV。SiC 比硅更高效地用于这些应用，从而减少产生过多热量的损失。

STMicro电子电力晶体管 MACRO 部门的战略营销、创新和关键项目经理菲利波·迪乔瓦尼说："由于这种电压，1，200V 的 SiC MOSFET 是适当的设计选择，而不是使用 650V，这将是 400V 电池和系统更合适的选择。"这意味着配备 SiC 的逆变器本质上效率更高，从而延长给定容量电池的行驶距离。此外，SiC 不太严格的冷却要求是另一个大优势。GaN 晶体管（或高电子移动晶体管、HEMT）也可用于高电压应用（如电动汽车中的牵引逆变器）的效率优势，但 SiC 比 GAN 效率更高，氮化镓（GaN） 具有横向结构，不允许像 SiC MOSFET 那样的垂直结构容易获得高压。

SiC 是下一代半导体的关键材料，为 SiC 电源开关设备提供技术优势，显著提高了电动汽车、电动汽车充电和能源基础设施的系统效率。"SIC 电源模块是一个受欢迎的市场需求，但 SiC 裸die部分的需求也在快速增长。

更高的电压，更低的整体成本

移动到高电压架构进行快速充电对 BEV 具有广泛的影响。

Veliadis 说："在高压下，SiC 的效率优势比硅的效率优势更为明显。"今天，几乎所有的 BEV 制造商的设计都是在 400V，硅是非常有竞争力的。例如，通过调高电压 （ 800 到 1，000V ） 来减轻重量和更好的封装，因为更高的电压意味着同一功率级别的电流放大器更少。

这有助于削减成本，提高整个系统的效率。"EV 客户希望看到与内燃机产品相当的定价。要达到这个目标是需要做更多的工作，"他说。"关于 4C 与电动汽车中的硅定价，当今 SiC 设备的成本较高，但 SiC 优势带来的整体系统简化（包括更高的频率操作和更低的冷却要求）抵消了成本的降低。此外，SiC 效率越高，电池数量就越少，这代表电动汽车的显著成本。因此，总的来说，EV 中的 SiC 具有竞争力，而且比硅解决方案更便宜。大规模 SiC EV 插入的主要障碍是可靠性和坚固性等问题，以及缺乏培训的劳动力来实施这些技术。

他补充说，由于快速充电需要更高的电压结构才能获得相同的电流功率（从而降低布线的重量、体积和成本），SiC的价值 主张将变得更加明显。

为了帮助推动这些技术的推广，并部分地提高效率，原始设备制造商正在变得更加垂直整合。这反过来又给第 1 级和第 2 级供应商带来了进一步降低成本的压力。它还有助于确保不间断的供应链，从初始晶圆到制造设备，以满足高需求。

这引发了在SiC领域的投资浪潮，包括一些并购活动。"行业收购是一种趋势，"维利亚迪斯说。对于新来者来说，要有效和及时地与在 SiC 技术方面有着悠久历史的公司竞争，收购补充其专业知识的 SiC 公司可以带来协同效应和市场速度。

一个例子：8月，onsemi宣布，它已达成最终协议，收购GT先进技术公司，一家碳化硅（SiC）晶体生长技术和基板制造商。

Onsemi 的 Zahn 说："400V 电池电压在当今很普遍，但从 2024 年以后开始，对 800V 电池系统的需求日益增长。"这些系统可能会成为标准，因为它们通过提高密度和效率，在不造成汽车内部和充电站内的分布损失或电缆尺寸增加的情况下，实现每次充电的更长行驶距离。 在 800V 总线所需的 1，200V 电压等级中，SiC技术的优势更为明显。SiC 可在更高的开关频率下工作，并有可能在受包装限制的较高温度下工作。鉴于特斯拉成功的 SiC 坡道和对更高范围的需求，许多 OEM 正在积极推动实施 SiC 电动传动系统。

各国政府的推动

要求减少排放的结论性压力，加上 BEV 的日益普及，正在将碳化硅以及其他宽带隙材料推向最前沿。然而，所有这些都需要时间，到目前为止，SiC 和 GaN 是某些汽车应用中取代硅的主要候选者。

在产量、缺陷和各种制造工艺方面，任何新材料都要付出代价，但 SiC 有足够的优势让汽车制造商开始将其设计成电动汽车中的各种部件。随着汽车行业将这项技术推向主流，SiC 的使用预计将从这里开始增长，这给定价带来了压力，并关闭了工厂中可能出现的任何问题。

（参考来源：semiengineering）