SiC，一颗在功率半导体领域中冉冉升起的新星。



如今我们提起它，就离不开特斯拉和意法半导体，第一个吃螃蟹的特斯拉用SiC MOSFET敲开了新世界的大门，而意法的SiC也因为特斯拉Model 3这股东风扶摇直上，超越英飞凌成为了SiC领域里说一不二的新霸主。



特斯拉凭借Model 3、Model Y的热销，成为了SiC装车的先锋，而随着比亚迪汉EV、蔚来ES6、理想L9等热门车型的陆续上市，SiC装车量得到进一步扩大。据不完全统计，截至2023年上半年，全球已有40款SiC车型进入量产交付，可查到交付数据的SiC车型上半年累计销售118.7万辆。



热门的SiC便吸引了欧洲芯片双雄意法和英飞凌在其中押下重注。



SiC已为意法带来了源源不断的收入，2016年意法半导体营收不过69.44亿美元，到了2022年，总营收已经来到了161.3亿美元，全年净利润为43.23亿美元，而其中碳化硅功率器件营收从无到有，迅速增长至7亿美元。



而英飞凌在SiC方面相对较落后，但在整个功率元件领域包括IGBT、SiC、GaN等，依旧处在领先地位，作为全球最大的汽车半导体厂家，汽车业务占据了其2022年142.18亿欧元总营收中的47%，而这部分收入中又有56%来自功率器件。



作为功率半导体近年来发展最快的领域之一，不论是意法还是英飞凌，都不愿让这块越做越大的肥肉让予竞争对手，在未来势必有一番更激烈的争夺，昔日霸主与今日新王的PK，各自胜算又有几何，不妨来仔细分析一番。



意法，SiC新王



2018年，特斯拉发布Model 3，在这款车型上，最主要的一项创新就是采用了意法半导体的650V SiC MOSFET逆变器，与过去电车上所采用的IGBT，SiC MOSFET能带来5%～8%的逆变器效率提升，对电动车的续航能力有着显著提升。



Model 3为大家普及了碳化硅这个概念，但事实上，碳化硅的特性早在 20 世纪初期就已确立，第一个碳化硅二极管的历史可追溯到 1907年，当时的物理学家们经过研究后发现，碳化硅在室温下的带隙比硅宽约 2 eV，这意味着碳化硅器件的临界电场可以高出五到十倍，因而这一技术可以极大地提高转换效率，同时承受更高的电压和更恶劣的条件。



不过，直到上世纪90年代末，碳化硅距离商用依旧遥遥无期，原因很简单，碳化硅衬底有太多缺陷，且碳化硅缺陷密度去除工艺壁垒较高。为了解决这部分问题，1996年，意法开始与卡塔尼亚大学合作开发碳化硅技术，研究将之量产商业化的可能性。



作为首批大力投资该技术并与学术界合作的公司，意法收获了自己的回报，在2002年5月成功展示了第一个肖特基碳化硅二极管；2006年，意法在三英寸晶圆上试产了SiC器件，并于次年批量生产了第一代碳化硅二极管；2014年，意法开始生产第一代 SiC MOSFET，此后迅速进行迭代：2017 年发布第二代 MOSFET， 2020 年推出了第三代产品……前后算下来，意法在碳化硅技术的研发上已有25年之久。






从产品线来看，目前意法的650V/1200V 第三代碳化硅 MOSFET正式投产，该系列通过优化Ron和Qg两个参数，更适合高频应用，同时也分为650V、750V、900V和1200V四个产品线，第四代产品目前正在产前测试中，产品频率可达1MHz，导通电阻也减少了15%。



而意法在碳化硅领域的选择，是继续深挖平面设计碳化硅MOSFET的技术潜力，包括第四代碳化硅产品，依旧采用了平面结构，该结构的特点是工艺简单，单元的一致性较好，雪崩能量比较高，如特斯拉等车企选择的就是平面栅SiC MOSFET功率模块，开发历史较长的它更方便量产，在成本控制上也有一定优势。



但平面结构也有着自己的问题，当电流被限制在中间狭窄的区域流过时，会产生JFET效应，从而增加通态电阻，同时寄生电容也较大，因而沟槽结构就被提上了日程，其能最大限度地发挥SiC材料的特性，尤其是可以进一步降低器件成本和导通电阻，但目前来说成本较高，难以在更多场景中应用。



2019年，System Plus Consulting给出的碳化硅 MOSFET对比报告中，意法的产品FoM还较大，但随着几次迭代，其在平面工艺已经有了极大进步。根据意法的宣发，其最新的平面 MOSFET为晶体管行业树立了新的品质因数（FoM）标杆，业界认可的FoM [导通电阻 (Ron) x 裸片面积和Ron x 栅极电荷 (Qg)]算法表示晶体管能效、功率密度和开关性能，用普通硅技术改善 FoM 变得越来越困难，因此，碳化硅技术是进一步改进FoM的关键。



当然，作为行业龙头，意法也在沟槽结构上有所布局，但由于技术和市场等问题，最终顺延成为意法的第5代碳化硅MOSFET，依旧处在工程样品测试阶段，量产时间待定。



值得一提的是，意法为了保持住自己在碳化硅领域的地位，不光在产品技术上花费了大量功夫，对于产业链的投资也是不遗余力。



首先在衬底及晶圆方面，意法先后与Wolfspeed/Cree和Rohm/碳化硅rystal签署多项晶圆供货协议，并且通过收购Norstel AB（已更名为ST 碳化硅 AB）完成自有的衬底生产线的建设。其表示，2020年一季度，ST首次内部供应6英寸碳化硅晶圆，2021年三季度推出了首个8英寸晶圆原型，并计划于2024年量产，预计届时内部晶圆采购将占到总采购量的40%。



而在Fab上，ST正在将位于其卡塔尼亚工厂从6寸升级至8寸，并且在2021年三季度，位于新加坡的6英寸碳化硅生产线顺利通过认证。而在后道封装上，也有中国深圳的赛意法和位于摩洛哥的布斯库拉工厂。



需要注意的是，今年6月，意法宣布与国内的三安光电股份有限公司合资32亿美元在重庆建8英寸碳化硅外延与芯片代工厂，成为国内碳化硅领域最具轰动性的一笔投资规划，其将于2025 年完成阶段性建设并逐步投产，2028年达产，规划达产后生产8英寸碳化硅晶圆1万片/周。



稳步更迭的平面与沟槽技术，通过收购实现晶圆衬底自产自用，最后配合大手笔地扩产，意法的龙头地位依旧稳固，之前立下的2024年碳化硅产品营收达到10亿美元目标有望在2023年提前达成，这一成绩足以让其自傲于碳化硅领域。



英飞凌，奋起直追



与意法相比，英飞凌的在碳化硅技术上的积累也不遑多让，早在2001年，英飞凌就推出了第一颗碳化硅二极管，甚至比意法还早上一年，但在后续技术开发上，英飞凌的步伐落后了少许，最终导致了意法成为了第一个吃到螃蟹的厂商。



与意法不同的是，英飞凌并没有选择突入平面结构的市场，而是毅然决然地选择了沟槽结构，在碳化硅产品上走了一条高质高价的路线。与生产工艺较为简单，成本较低的平面结构碳化硅MOSFET生产工艺相比，英飞凌的沟槽栅设计表现出了前者难以具备的优势。



从目前的反馈来看，英飞凌所推出的碳化硅产品做到了扬长抑短，不但具有性能的优势，在可靠性和耐用性方面也通过具有专利的半包沟槽栅结构设计和严苛的测试克服了缺点，成为业内少数几个可以量产并大规模应用的车规碳化硅MOSFET。



产品线方面，英飞凌碳化硅产品名为CoolSiC，目前已有两代产品推出，第一代为量产的1200V产品，已有样品提供，导通电阻性能或者载电流能力较上一代提高25%，第二代则包括1200V和750V两个电压规格，导通电阻性能或者载电流能力较上一代提高25%，750V产品目前还处在研发中。






根据英飞凌提供的材料，这家在沟槽结构上领先一步的公司，已然开始了第三代1200V平台的开发，性能较第二代产品可以再次提升20%，预计推出时间为2025年底到2026年初。



在针对电动汽车开发的碳化硅模块产品上，英飞凌着重扩充HybridPACK Drive系列产品，推出了尺寸和管脚兼容的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的业内知名度和客户资源，减少市场推广成本，降低客户切入的壁垒。



值得一提的是，英飞凌在整个碳化硅技术以及沟槽碳化硅MOSFET方面都积累了大量的专利，数量分别达到919件（包括已授予和申请中）件和82件，在碳化硅五巨头中位列第一。



不过在晶圆和衬底方面，英飞凌由于没有像意法那样在自产衬底方面的布局，只能将外购衬底的价值发挥到最大。2018年11月12日，英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra GmbH，看重的就是这家公司冷裂（Cold Split）技术，这项技术能减少晶锭（boule）切割过程中的材料损失，从相同的晶锭中获得多一倍的碳化硅衬底，目前该技术处于小批量试产中，预计2024年完全成熟。



需要注意的是，2023年5月，英飞凌与中国公司天科合达、天岳先进签订供应协议，两家公司将供应6英寸碳化硅晶圆和晶锭，作为Wolfspeed的补充，也有有消息人士称，英飞凌很可能未来在欧洲自行生产碳化硅晶体，以求供应稳定。



在Fab方面，受困于产能的英飞凌在2022年开始了公司历史上最激进的投资计划。除了在德国德累斯顿投入50亿欧元建设欧洲最大的晶圆厂、提高混合信号产品产能外，还针对第三代半导体进行分别在奥地利Villach和马来西亚Kulim进行超过20亿欧元的投资。



根据规划，目前进行中的奥地利Villach的产能爬坡在2025年完成后，英飞凌的碳化硅产值可以达到10亿欧元，而在建的马来西亚Kulim三代半工厂在2024年底投产后，产值可以在随后的2年时间再增加20亿欧元。



与意法相比，英飞凌虽然在技术上似乎更进一步，早已开始沟槽结构技术的布局，但在产品的产能和自产的衬底方面，面临着不小的挑战。伴随着碳化硅市场的不断发展，持续发展技术和投入产能的它依旧有着翻盘制胜的可能性。



总结



作为欧洲的老牌厂商，意法和英飞凌本就在功率半导体市场中相互竞争，如今新能源汽车催生出了碳化硅广阔的应用市场，两家的竞争态势只会愈发激烈，不论是技术还是产能，谁也不肯输给谁，看不见硝烟的战争已经打响。



竞争的背后，碳化硅市场也在瞬息万变，今年3月，第一个采用碳化硅的特斯拉却在投资者日活动上表示，计划减少下一代电动汽车动力系统中碳化硅晶体管的使用量，消息一出也让碳化硅企业的股价受到了影响。



碳化硅技术已经落地成熟，但是第一个吃到螃蟹的车企却开始嫌弃起了螃蟹贵，这无疑为意法和英飞凌敲响了警钟，如何在扩大生产规模的同时，控制碳化硅的成本，让更多车企愿意让碳化硅上车，或许就是未来制胜的关键所在。



参考来源

Yole Développement，《Power SiC 2022》

西线无战事，碳化硅五巨头的硝烟——01芯闻

透过意法半导体，浅析宽禁带布局的关键——新浪网



本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸琦