宽禁带半导体的“左右互搏”

根据TrendForce集邦咨询《2022第三代半导体功率应用市场报告》显示，虽受俄乌冲突与疫情反复影响，消费电子等终端市场需求有所下滑，但应用于功率元件的第三代半导体在各领域的渗透率仍然呈现持续攀升之势，绿色能源、800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等领域的快速发展，推升了SiC/GaN功率半导体市场需求。bT5esmc

产能提升，提升，再提升

碳化硅(SiC)作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用做功率转换和控制的功率元器件时，其性能可得到极大程度的释放。但SiC在天然环境下非常罕见，人们最早在46亿年前诞生的陨石中发现了少量这种物质，所以它又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。bT5esmc

Yole预计，未来5年内，全球将有数十亿美元的资金投向SiC晶体、晶圆制造及设备加工，SiC功率器件将快速占据30%的功率器件市场。到2027年，其市场潜力将达到60亿美元，该数值高于2021年的10亿美元左右。bT5esmc

最初，SiC的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但人们很快发现，SiC的电气、机械和热性质也非常适合制造很多大功率汽车电子器件，例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是，特斯拉(Tesla)在其Model 3主驱逆变器中采用了SiC器件之后，由该公司带动的示范效应被迅速放大，使xEV汽车市场迅速成为SiC市场关注的焦点。bT5esmc

但在过去两三年里，晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求，包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资，以支持供应链建设。 bT5esmc

罗姆公司从2000年就开始进行SiC MOSFET的基础研究，并在2009年收购德国SiC晶圆材料厂商SiCrystal，从而拥有了从晶棒生产、晶圆工艺到封装组装的完全垂直整合的制造工艺。市场调研机构的相关数据显示，2013年罗姆在全球SiC市场的份额为12%(Yole Development)，到2018年已增长至23%(富士经济)。bT5esmc

面对市场对SiC产品急速增长的需求，罗姆制定了积极的产能扩张计划，准备在2021-2025年为SiC业务投入1,700-2,200亿日元，这一计划的实现将依托于罗姆位于日本宫崎的两个基地和筑后工厂新厂房的投入使用。相比2021年，预计2025年SiC产能将提升6倍，到2030年提升25倍。bT5esmc

据罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲的介绍，该公司2021年推出的第4代SiC器件的导通电阻(RonA)较第3代下降了40%，预计2025年和2028年节点推出的第5代和第6代产品还将再降30%。另外，罗姆在今年将实现从6英寸升级到8英寸衬底的量产，并且通过技术提高单个元件尺寸，从目前主流的25平方毫米到2024年实现50平方毫米以支持更高电流输出的需求。bT5esmc

当前，电动化和数字化是驱动汽车业务增长的两大核心动力。相关数据表明，与一辆传统汽车中半导体器件的成本大约为500美元截然不同的是，一辆完全由软件定义的电动汽车中的半导体器件成本预估将达到1,500-2,000美元，是传统汽车的3-4倍，主要来自电驱逆变器、车载充电器、DC-DC变换器和电池管理系统这四大主要电子模块。这其中，碳化硅功率模块/IGBT扮演着极为重要的角色，因为它可以帮助减少汽车二氧化碳排放，确保电动车的电驱和电源转换实现最佳性能，是当下毫无争议的热点。bT5esmc

意法半导体(ST)汽车和分立器件产品部(ADG)战略业务拓展负责人Luca Sarica表示，ST为此扩大了12英寸晶圆产能和宽禁带技术产能，包括2022年7月宣布和格芯在法国建立300mm新厂推进FD-SOI生态系统建设；10月宣布在意大利建立碳化硅衬底综合制造厂等，预计2023年实现8英寸SiC晶圆量产，到2025年SiC产能再提高2倍。bT5esmc

来自英飞凌方面的消息则显示，2021年9月，英飞凌宣布位于奥地利菲拉赫的300毫米薄晶圆功率半导体芯片工厂正式启动运营；2022年2月，该公司宣布斥资逾20亿欧元，在马来西亚居林工厂建造第三个厂区用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品；2023年2月，英飞凌又与Resonac Corporation(原昭和电工)签署了全新的SiC多年期供应和合作协议。协议显示，未来十年内，在英飞凌用于生产SiC半导体的SiC材料中，由Resonac供应的材料约占两位数的份额。bT5esmc

安森美总裁兼首席执行官(CEO) Hassane El-Khoury此前在接受《国际电子商情》采访时就曾指出，2022-2023年公司的资本支出将占总收入的15%-20%，在这些支出当中，有75%-80%将用于SiC的产能扩张。bT5esmc

根据规划，通过与客户群签订长期供应协议，安森美在未来3年预计可以实现40亿美元的SiC收入，这意味着2022年该公司的SiC收入比2021年增加了两倍，并有望在2023年实现超过10亿美元的收入。bT5esmc

早在2021年11月，安森美就宣布收购SiC晶圆衬底供应商GTAT，旨在增强自身SiC的供应能力。而在更早之前的2019年，安森美还与科锐(Cree)签署了SiC晶圆多年长期供应协议。此外，在投资扩产政策的支持下，2022年8月，安森美位于美国新罕布什尔州哈德逊的SiC工厂落成，该基地促使安森美截至2022年底的SiC晶圆产能同比增加五倍；9月，安森美宣布扩建位于捷克共和国Roznov的SiC工厂，预计在未来两年内，这一扩建将使该基地的SiC产能提高16倍。bT5esmc

SiC的“敦刻尔克时刻”？

正当业界都在为SiC市场的蓬勃发展欢呼雀跃之时，2023年3月1日，特斯拉负责动力系统工程的总裁Colin Campbell却在其投资者大会上表示，“碳化硅是一种‘了不起的半导体’，但碳化硅很昂贵，真的很难扩大规模，因此在汽车中减少使用碳化硅是我们的一大胜利。”("Silicon carbide is an amazing semiconductor, but it's also expensive and it's really hard to scale. So using less of it is a big one for us.")bT5esmc

特斯拉有自己的考虑，尤其是在成本方面。bT5esmc

2022年，Model 3的成本已降低了30%，但特斯拉希望将下一代汽车的生产成本再降50%，驱动单元的成本则是其中的关键一环。具体而言，特斯拉下一代动力总成将减少75%的碳化硅用量，占板面积减少50%，总成本将比当前一代减少1,000美元，但不会损害汽车的性能或效率。bT5esmc

这样的表态无疑是给了想要凭借电动汽车得到大发展的SiC市场一记重拳，有媒体甚至将其形容为开启“核打击”模式、迎来“敦刻尔克时刻”。消息一出，相关概念股也受到影响而大跌。bT5esmc

外界都在猜测，特斯拉下一代汽车将采用何种技术路线，才能如此大幅降低碳化硅用量，但目前尚无定论。一个颇具代表性的观点是：有分析机构认为，特斯拉很可能采用混合解决方案——沟槽碳化硅MOS与硅基IGBT配对。该机构分析指出，如果如此，这意味着，2025年用于电动车主驱的碳化硅MOSFET市场空间，可能比市场预期低20%-30%，即从30-33亿美元降至25亿美元。这可能源于每辆电动汽车的碳化硅价值量降低30%-40%，但渗透率会更高(2025年渗透率超过60%，而之前估计为40%-45%)。bT5esmc

由此带来的连锁效应是：由于2025年电动汽车中碳化硅的价值量减少，2025年6英寸SiC晶圆和4英寸/6英寸衬底的需求量可能低于预期，2025/2026年全球碳化硅衬底供需比将达到130%-150%，明显供过于求。bT5esmc

但也有行业人士表示，如果特斯拉通过电机革新、提高芯片功率密度、创新封装技术、 提高母线电压、改进电驱系统等措施，来降低全碳化硅动力总成的成本，这对SiC产业不是利空而是利好，为SiC在更大范围内取代硅基IGBT创造了更好的条件。如此一来，SiC在电动汽车的使用会从高中端乘用车向低端乘用车下探，从乘用车向商用车及特种车发展，在碳化硅的产业链和价值链中，芯片制造及封装的价值份额会提高。 bT5esmc

但无论外界如何猜测，相信特斯拉不会放弃碳化硅的人还是占了大多数。毕竟他们的态度之一就是“通过进一步的优化功率模块设计，实现碳化硅器件用量的减少。”如果不看好碳化硅，特斯拉完全没必要这么做，更不必在投资者日上来公开宣布。另一方面，SiC取代硅基IGBT是不可逆的趋势，尤其是在800V充电架构之下，硅基IGBT已经达到性能的极限，很难满足主驱逆变器的技术需求。bT5esmc

每一项新的技术从试用到使用，再到大规模商用，都要经过一段很长的时间，这里面既有技术的成熟度原因，也有产品的成本和供应原因。理论上而言，随着各种碳化硅项目纷纷上马、上游供应量提升、在更多领域得以应用，碳化硅产品的使用门槛应该将会有所降低。bT5esmc

但并不是所有的应用都需要碳化硅的这些特性，毕竟现阶段SiC器件的价格确实比传统硅器件贵很多。当前，比较适合SiC的光伏发电、电动汽车和充电桩应用，算是迈出了从传统硅器件转向碳化硅器件的第一步，至于其它行业是否会跟进，还要通过更长时间来检验，同时也有赖于碳化硅器件成本的下降速度。bT5esmc

多管齐下

其实，近期市场上还出现了另一个值得关注的现象，笔者将其称之为“宽禁带半导体行业的左右互搏”，尤其以氮化镓龙头企业纳微(Navitas)半导体宣布收购碳化硅企业GeneSiC和英飞凌收购GaN Systems(氮化镓系统公司)最具代表性。bT5esmc

Navitas“GaN+SiC”双引擎战略

2022年8月，纳微正式并购GeneSiC公司，构建起了以GaNFast+GeneSiC为代表的第三代功率半导体双引擎战略。此后，该公司还并购了VDD TECH公司，并于今年1月与广东希荻微电子达成协议，获得希荻微拥有并经授权使用的与硅控制器相关技术许可。至此，纳微实现了对电压等级40V到6,500V，功率等级20/30瓦到兆瓦级应用场景的全覆盖。bT5esmc

纳微半导体副总裁兼中国区总经理查莹杰透露的数据显示，截至2022年5月，纳微GaNFast芯片出货量超过7千万颗，交付周期6-16周，产能会在2023年再扩充3倍；而GeneSiC产品发货量则超过800万颗，排名进入全球前8，交付周期16-26周，预计产能会在今年扩增5倍。bT5esmc

电动汽车、光伏和储能系统、数据中心服务器电源是GaNFast/GeneSiC的主要应用场景。以数据中心为例，如果将铂金电源全部升级为钛金电源，整个中国数据中心市场可以提升1.8%的电源效率，节电50亿度，相当于减少50万吨二氧化碳排放，或是2万吨标准煤的使用，这还仅是在单一AC-DC电源通过使用第三代半导体后做出的贡献。bT5esmc

纳微半导体新能源汽车应用中心总监孙浩认为，“SiC具备的高压、高结温特性，使得它在800V主驱系统中产生的价值是其他功率器件所不可替代的。“ 换言之，主机厂对于SiC在主驱性能、续航里程提升，以及更大功率系统在高端车型中的应用，是认可并愿意买单的。bT5esmc

而对于GaN大规模上车的时间点，孙浩预计会在未来2年内。他分析称，主机厂之所以越来越倾向于看重GaN器件，无外乎是因为氮化镓在高频应用上具备优势，可以在确保产品性能的同时，实现产品的轻量化、小型化，这是整车厂最为关心地方。受制于工艺限制，GaN当前仍主要集中应用于650伏左右的中低压领域，但在一些特定车型的主驱应用(200V-300V，功率30kW以下)中也有应用。bT5esmc

与ST、安森美、英飞凌等IDM厂商不同，纳微半导体在SiC上选择了更加灵活的商业模式，与包括X-FAB在内的12家以上的伙伴展开了合作，以确保产能和交付能力。据查莹杰透露，当前碳化硅行业的瓶颈仍然是在衬底侧，不但占据总成本的45%-50%，还要考虑良率、缺陷、封装、器件设计等多个要素，需要整个产业链共同努力解决。bT5esmc

英飞凌收购GaN Systems

英飞凌和GaN Systems在今年3月2日联合宣布，双方已签署最终协议。根据该协议，英飞凌将斥资8.3亿美元收购总部位于加拿大渥太华的GaN Systems公司。通过此次收购，英飞凌将同时拥有硅、碳化硅和氮化镓三种主要的功率半导体技术。bT5esmc

英飞凌首席执行官Jochen Hanebeck在谈及此次收购时称，“氮化镓技术在移动充电、数据中心电源、家用太阳能逆变器和电动汽车车载充电器等领域的应用正处于关键拐点，氮化镓技术为打造更加低碳节能的解决方案扫清了障碍，有助于推动低碳化进程。“ bT5esmc

作为一种宽禁带半导体材料，GaN通过更高的功率密度、更高的效率和更小的尺寸为客户提供价值，尤其是在更高的开关频率下。这些特性可实现节能和更小的外形尺寸，使GaN 适合广泛的应用。bT5esmc

从可持续性和盈利能力角度来看，使用GaN半导体将同时通过提高数据中心的数据密度来增加企业收入，并减轻对环境的影响。此外，随着可再生能源大规模收集、储存和使用技术的大规模推广，太阳能发电系统将需要更节能的电源逆变器、DC-DC转换器和能量密集型存储，GaN技术将成为该解决方案的核心。bT5esmc

市场研究公司Yole预测，GaN功率器件市场将从2021年的1.26亿美元增长到2027 年20亿美元，复合年均增长率(CAGR)高达59%，消费电源、数据通信/电信和汽车将成为氮化镓市场的主要推动力。bT5esmc

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图1：2021-2027年按应用划分的GaN功率器件市场规模细分 制图：国际电子商情 数据来源：Yole GroupbT5esmc

GaN快速充电器在手机市场的迅速增长正变得毫无争议。借助GaN，智能手机制造商可以制造外壳尺寸更小且性价比更高的充电器。尽管基于GaN的器件的单价比硅贵，但更高的频率和更高的功率密度导致每瓦成本更低——三星的45W Si快速充电器的功率密度为0.55W/cm³，而其45W基于GaN的充电器拥有0.76W/cm³的功率密度，占板面积缩小了近30%。bT5esmc

接下来，智能手机快速充电器高于75W的目标功率新趋势，可能会在不久的将来推动智能手机OEM对GaN的采用。大多数国家超过75W的功率需要功率因数校正(PFC)电路，这需要使用更多的GaN器件。到2027年，消费级GaN功率器件市场的价值将超过9.1亿美元，2021-2027年复合年增长率为52%。 bT5esmc

而在数据通信/电信行业，随着数据中心每三到五年更新一次硬件，加上生效的欧盟生态设计Lot 9效率监管要求，GaN将有机会在机架式电源和服务器中的独立冗余电源中取代硅。同时，新标准也将加速电源向更高效率和更小外形尺寸的转变。例如开放计算机项目(OCP)为服务器电源定义了一个新的标准外形尺寸M-CRPS，可将尺寸减小 30%。传统的硅MOSFET将难以满足这一标准，而GaN在这方面表现出色。据Yole预计，数据通信/电信市场的GaN功率器件市场规模将在2027年达到6.18亿美元，复合年增长率为69%。bT5esmc

汽车市场也很值得关注。2021年车用GaN功率器件市场规模为530万美元，但由于汽车电气/电子架构快速发展，越来越多的原始设备制造商开始采用GaN进行生产，尤其是随着更多400V系统设计的重要性上升，GaN半导体公司将开始看到他们在EV设计中的份额增加，800V系统的多级GaN解决方案将得到验证。预测数据显示，2022-2027年，该市场的复合年增长率将达99%，预计将增长至规模2.27亿美元。其中，车载DC-DC转换器和车载充电器(OBC)预计将迎来下一波增长。bT5esmc

Yole称，更多的“玩家”正进入供应链——罗姆正在为电信/数据通信应用提供150V GaN产品；比利时的一家新的氮化镓代工厂BelGaN最近收购了安森美位于奥德纳尔德的晶圆厂；英诺赛科正在投资超过4亿美元，以期到2025年将其每月1万片8英寸晶圆的产量扩大到每月7万片晶圆。在募资层面，Navitas在与Live Oak Acquisition Corp达成价值10.4亿美元的协议后合并上市。bT5esmc