电动汽车等高压应用引发了电力短缺和价格上涨的担忧。
的碳化硅(SiC)行业正处于大规模扩张运动中，但供应商正在努力满足市场对SiC功率器件和晶圆的潜在需求。
在扩张努力的一个例子中，Cree计划投资高达10亿美元，以提高其SiC晶圆厂和晶圆产能。作为计划的一部分，Cree正在开发世界上第一个200mm(8英寸)SiC晶圆厂，但在一段时间内，150mm(6英寸)仍将是主流SiC晶圆尺寸。其他公司也在扩大150mm SiC容量。
然而，这可能还不够。根据各种预测，由于产品价格高企，碳化硅的供应仍可能受到限制。碳化硅是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中，专门的SiC晶圆在晶圆厂开发和加工，从而产生基于SiC的功率半导体。基于sic的功率半芯片和竞争对手技术是在高压下切换电流的专用晶体管。
SiC的突出表现有几个原因。与传统的硅基功率半器件相比，SiC具有10倍的击穿场强和3倍的热导率，使其成为高压应用的理想选择，如电源和太阳能逆变器。碳化硅最大的增长机会是电池电动汽车。
“我们看到对碳化硅的巨大需求，”该公司电力产品高级总监盖伊•莫西(Guy Moxey)表示Wolfspeed．“我不仅对电动汽车和充电基础设施感到乐观，而且如果你进一步关注发电、清洁电力和清洁电力的分销，这对碳化硅来说是一个充满机遇的世界。”
然而，随着中国市场放缓，对SiC器件的需求略有暂停。即使出现停滞，碳化硅行业的晶圆厂和晶圆产能也刚刚足够满足当前的需求。但在某个时点，需求预计将再次飙升，这对许多人来说是一个令人担忧的迹象。
IHS Markit分析师理查德·伊登(Richard Eden)表示:“由于政府需要减少空气污染和降低对化石燃料的依赖，不仅每辆车使用的SiC设备数量会增加，而且预计在2019年至2028年期间，插电式电动汽车的数量也将大幅增加。”“然而，几家碳化硅设备供应商认为，供应链基础设施还没有到位，无法应对预期中的大幅增长。最重要的是，需要更多优质150mm SiC坯料晶圆供应商来满足不断增长的需求，并使由此产生的竞争降低成本。”
Cree和其他公司最近宣布的扩张可能会缓解一些潜在的供应限制。但该行业需要密切关注供应链。其中的关键领域是:
SiC是什么?
据Yole称，2017年碳化硅功率器件业务达到3.02亿美元，比2016年增长22%。根据IHS的数据，SiC MOSFET市场预计将在2018年至2028年间增长31%，到2028年将达到12.5亿美元。据IHS称，SiC功率模块业务同期将增长49%，到2028年将达到18亿美元。
SiC器件的供应商包括富士、英飞凌、利特尔夫斯、微芯片、三菱、安森半导体、意法半导体、罗姆、东芝和Cree的Wolfspeed部门。
SiC功率半器件是市场上众多类型的功率器件之一。功率半晶体管是专门的晶体管，它作为开关工作。它们允许电源在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。这些设备提高了效率，并最大限度地减少了系统的能量损失。
基于硅，功率场效应管和绝缘栅双极晶体管(igbt)是市场上占主导地位的功率半器件。功率mosfet被用于高达900伏的应用。领先的中端功率半导体器件是IGBT，用于400伏至10千伏的应用。
功率mosfet和igbt都已达到其理论极限，并遭受能量损失，这促使人们需要一些新技术，即出(GaN)和SiC功率半晶片。GaN和SiC都是宽带隙技术，这意味着它们比igbt和功率mosfet提供更快的开关速度和更高的击穿电压。
图1:什么是电源开关，它们是如何分类的?来源:英飞凌
GaN和SiC的缺点都是成本。techhinsights分析师吉姆·海恩斯(Jim Hines)表示:“我们开始看到碳化硅更多地用于汽车领域。”“不仅是在汽车应用中，一直阻碍这种技术发展的是相对于硅的成本。因此，只要igbt和其他类似的设备能够变得更具成本效益，这将是一个逆风。”
通常，设备制造商销售SiC功率mosfet和SiC二极管，用于600伏特至10千伏的应用。SiC功率MOSFET是一种功率开关晶体管。二极管是一种向一个方向传递电流并在相反方向阻挡电流的装置。
从2005年开始，该行业开始在100mm(4英寸)晶圆厂增加SiC功率器件。然后，从2016年到2017年，SiC器件制造商完成了从100mm晶圆厂到150mm晶圆厂的迁移。今天，150mm是SiC的主流晶圆尺寸。
150mm晶圆厂解决了成本问题。当迁移到新的晶圆尺寸时，每片晶圆的芯片增加了2.2倍。更大的晶圆尺寸降低了整体生产成本。
这种转变并不容易。
“每个人都对4英寸很满意。但现在，需求已经飙升。每个人都试图在6英寸的屏幕上尽可能多地赚钱，”公司战略营销总监卢埃林·沃恩-埃德蒙兹说应用材料．“你不能只是把你的程序从4英寸转移到6英寸。有各种各样的问题。当你在不同尺寸的晶圆上进行技术转移时，很难保持在这些工艺窗口内。”
今天，一些但不是所有的SiC供应商仍在为150mm的产量而挣扎。在处理SiC材料时，晶圆和器件中往往会出现位错和晶格缺陷。
“大多数SiC半导体制造商已经从4英寸晶圆转向6英寸晶圆，所以这本身不是问题，”IHS的Eden说。“然而，可以理解的是，几家制造商在做出这一改变时，产量下降了，而优化更大直径的产量和产量引起了一些头痛。在晶圆供应商中，更大的问题是生产6英寸的晶圆，以达到与4英寸直径相同的质量。”
尽管面临挑战，SiC器件市场在2015年左右开始升温，原因是对电动汽车、电源和太阳能逆变器的需求。然后，市场在2017年得到了提振，当时特斯拉开始在其电池电动Model 3汽车中使用意法半导体的SiC功率器件作为牵引逆变器。牵引逆变器为电机提供牵引以推动车辆。
其他电动汽车制造商使用更便宜的igbt作为牵引逆变器，但特斯拉证明了SiC是一个可行的解决方案。碳化硅半动力板也被用于电动汽车的其他部分，如车载充电器。
Canaccord Genuity分析师杰德·多尔谢默(Jed Dorsheimer)表示:“碳化硅动力设备的主要驱动因素是，人们认识到，复合半晶片为纯电动汽车提供了令人信服的价值主张。”“电池的高成本推动了提高效率、减轻重量和减少占地面积的需求。SiC很好地满足了这些需求。”
尽管如此，从2015年到2018年，SiC和其他功率半晶片处于强劲的增长周期，导致市场出现短缺。然后，在2018年底，中国和其他地方的市场冷却下来。如今，碳化硅供需平衡。
但在不久的将来，这种情况可能会发生变化，尤其是在纯电动汽车市场。“到目前为止，使用任何(SiC)材料的原始设备制造商的数量都是有限的。在美国有特斯拉，在中国有蔚来，还有少数传统的原始设备制造商采取了准纯电动汽车战略，比如通用汽车。”“但你开始看到越来越多的公司在设计获奖类别或资格方面采取这种做法。因此，如果每个人都推出他们计划发布的汽车，根据我们对市场的看法，碳化硅似乎将在一段时间内严重短缺。”
这不是一个短暂的事件。“从供应/需求的角度来看三到五年的时间范围，在我们看来，我们仍将处于供应不足的环境。这将导致市场的产能扩张。”Dorsheimer补充道。
SiC晶圆厂，设备
需求已经开始回升。例如，得益于特斯拉等公司，意法半导体预计其SiC收入将在2019年翻一番，达到2亿美元。
为了满足需求，SiC供应商正在增加他们的晶圆厂和/或晶圆产能。例如，作为其10亿美元投资计划的一部分，Cree将在2024年之前将其SiC晶圆厂产能扩大至30倍。该公司还将把碳化硅材料的产量提高30倍。
“我们继续看到汽车和通信基础设施部门对利用碳化硅的好处来推动创新的极大兴趣。然而，对碳化硅的需求早已超过了供应，”Cree首席执行官格雷格•洛(Gregg Lowe)表示。“我们相信，这将使我们能够满足Wolfspeed碳化硅材料和器件在未来五年及更长时间内的预期增长。”
一段时间以来，Cree一直在扩大其150毫米晶圆厂产能。此外，Cree正在推进下一个SiC晶圆尺寸- 200mm。据IHS称，200毫米碳化硅晶圆厂最早要到2022年才能投产。
Cree正在北卡罗来纳州的两个工厂进行扩张——North Fab和Durham。“北方晶圆厂将是一条完全通过汽车认证的200毫米生产线，我们预计在2021年年中扩大该晶圆厂，使用150毫米晶圆。在接下来的几年里，我们将根据需求将生产改为200mm晶圆，”Wolfspeed高级副总裁兼总经理Cengiz Balkas表示。“科力将投资4.5亿美元，在科力达勒姆园区扩建一个空置的现有设施，并创建一个符合汽车标准的200毫米晶圆厂。Cree还将另外拨款4.5亿美元，在达勒姆基地建立一个大型材料工厂，同时将现有的一个较小的晶圆厂改造为第二个碳化硅晶体生长设施。”
与此同时，Rohm去年宣布了在新大楼内扩建150毫米晶圆厂的计划。总的来说，到2025年，Rohm将把其SiC产能增加16倍，总投资达600亿日元(5.461亿美元)。
Rohm也在考虑200mm。Rohm还预计在不久的将来会生产8英寸晶圆。所以我们已经决定在新的大楼里安装8英寸的设备。因此，我们可以根据技术和市场情况，使用这条6英寸或8英寸的生产线，”罗门集团总经理Kazuhide Ino说。
另一家供应商英飞凌生产150mm生产线的SiC器件。英飞凌高级总监彼得•弗里德里希斯(Peter Friedrichs)表示:“我们确实看到人们对基于sic的功率器件的兴趣越来越大，其增长远高于预期的一般市场水平。”“在短期和中期，150mm就足够了。然而，从长远来看，为了提高技术水平并降低成本，需要200毫米。”
英飞凌的SiC生产线位于其300mm晶圆厂内，该晶圆厂生产硅基功率半导体。“由于我们将SiC生产集成到大批量硅生产线中，我们可以从大批量的灵活性中受益。因此，在不需要大量投资的情况下，生产扩张可以根据实际需求进行管理。”
尽管如此，碳化硅的突然激增最近还是让供应链，即设备行业感到意外。多年来，设备行业一直为SiC供应商提供服务，主要是旧的或翻新的晶圆厂工具。
这种情况正在开始改变。“现在每个人都在竞相尝试制造更好、更高质量的外延、蚀刻、栅氧化设备化学汽相淀积以及其他类型的东西，”应用材料公司的沃恩-埃德蒙兹说。
对于碳化硅，设备供应商正在开发150mm和200mm的工具。一般来说，150mm的工具可以改装为200mm。
虽然200mm SiC晶圆厂在一段时间内不会投入生产，但设备行业需要为此做好准备。“今天的挑战是向200mm SiC器件制造的下一个过渡，”该公司战略营销高级总监戴维•海恩斯(David Haynes)表示林的研究．“转向200mm生产有可能降低单位模具价格，与IGBT技术相比，提高SiC解决方案的经济性，同时，开辟了更先进的工艺工具，提高了工艺能力，与硅晶圆厂的兼容性。”
向200mm的转变给SiC带来了一些挑战。该公司产品营销经理Mukund Raghunathan表示:“目前150mm SiC基板仍然存在影响产量的缺陷和高密度晶体位错缺陷心理契约．开发高质量的生产级200mm基板将是一个行业挑战。”
碳化硅在晶圆厂不是一种简单的材料。“它的透明性和高折射率使其成为一种非常具有挑战性的材料，用于检查可能影响外延生长或最终器件产量的表面缺陷。SiC衬底上最常见的缺陷类型包括微管、划痕、凹坑、表面颗粒、污渍和晶体堆积故障。”“微管是一种螺旋位错，会影响设备性能。虽然许多SiC衬底制造商已经优化了他们的生长工艺以降低微管密度，但很少有公司仍然在苦苦挣扎，特别是在直径更大的150mm晶圆上。”
幸运的是，设备制造商已经发展起来了检查和计量处理SiC的工具。与此同时，一旦SiC晶圆制成，基板就会被转移到晶圆厂，在那里它们被加工成器件。
Lam的Haynes说:“无论器件是在150毫米还是200毫米的尺寸上制造，与硅相比，碳化硅等强结合材料的加工带来了一些挑战。”“特别是，蚀刻具有精确轮廓控制、表面质量和高通量的SiC是实现从平面SiC MOSFET到SiC沟槽MOSFET架构过渡所需的关键能力。”
然后，在晶圆厂的晶圆上处理器件后，它们被切丁和包装。切丁的过程带来了一些挑战。“碳化硅是地球上第三硬的复合材料，莫氏硬度为9.5，”孟Lee说Veeco．“晶圆非常难以切割，因为它们几乎和切割它们的钻石轮一样坚硬。这些硅片在切割过程中也很脆，很容易碎裂，导致刀片磨损很快。”
最后，SiC器件需要某种形式的封装或模块。“从包装的角度来看，似乎没有任何重大障碍可以阻止它进入汽车市场，”福特汽车业务发展高级副总裁Rich Rice说日月光半导体．
但是，用于功率半封装的集成电路的一般领域带来了一些新的问题。“显然，鉴于不断增长的需求和应用演变，汽车电源包装正在以更快的速度发展。汽车的电气化(HEV, EV)带来了新的电力应用，有更多的电压转换和电机驱动，”Rice说。“因此，我们期待更多集成和高效的电源模块，使用精密的带夹子结构的引线框架，以及PCB技术中的嵌入式模具，允许更小的尺寸和更高效的电源传输性能。对银(银)烧结等先进材料的要求是获得更好性能的关键，而对模具化合物等更高温度材料的要求则是获得更高可靠性性能的关键。System-in-package也将发挥作用，因为过模模模块本质上比PCBA组件更可靠。”
碳化硅晶片
当然，SiC晶圆也很关键。“SiC要想获得相对于硅的市场份额，SiC半导体器件需要有更低的价格。SiC器件asp从根本上依赖于SiC晶圆成本，而在过去三年里，这些成本下降得不够快。”
有两种类型的SiC晶圆供应商-垂直集成和第三方。Wolfspeed, ST和Rohm是垂直整合的。Wolfspeed不仅为自己的功率半晶圆供应SiC晶圆，而且还将其销售给其他公司。英飞凌和意法半导体最近与Wolfspeed/Cree签署了晶圆供应协议。
Rohm销售功率器件，还拥有一个内部SiC晶圆制造部门。然后，为了获得更多的供应，意法半导体最近收购了碳化硅晶圆供应商Norstel的多数股份。其次，II-VI、陶氏、昭和电工、住友等都是第三方SiC晶圆供应商。
然而，问题是明确的——是否有足够的SiC晶圆供应来满足潜在的需求?Eden表示:“简而言之，Cree最近的声明将有助于实现SiC电源供应链的潜力。”“大多数SiC晶圆供应商也在尽快扩大产能。”
因此，碳化硅供应链正在为电动汽车和其他行业可能出现的一波需求做好准备。然而，电动汽车市场是否会大规模起飞仍有待观察。如果果真如此，碳化硅和其他动力设备将迎来疯狂的发展。
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SiC的成熟度仅次于Si。未来几年，碳化硅的市场将大幅增长，因为就功率器件而言，它具有巨大的潜力。
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