得碳化硅者得天下?面向未來的碳化硅產業

發布時間:2019/9/25 17:12:54 瀏覽次數:575

                                                                             2019-08-27  來源:IT商業價值

今年的碳化硅(SiC)概念頗為火熱。

  華為自涉足創新投資以來,投資風向便備受市場關注。2019423日,華為成立哈勃科技投資有限公司。短短半年不到的時間里,哈勃投資已經投資兩家半導體相關公司,碳化硅相關的山東天岳先進材料科技有限公司,電源管理芯片設計的杰華特微電子(杭州)有限公司。

大企業的一些重大措施往往是行業的風向標。

 

  

2019823日,華為發布全球最強算力AI芯片。哈勃科技用投資的方式來進入到芯片生產的上游,也表示華為正圍繞芯片制造打造完整的供應能力,在為將來的5G通信、物聯網設備甚至是電動汽車產品做準備。

  其實,在《中國制造2025》在電子信息領域的規劃中,就早已明確提出要大力發展第三代半導體產業,其中包括以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體電力電子器件制造成套工藝與裝備。

  碳化硅憑借出色的性能優勢被眾多應用行業寄予厚望。作為新興的戰略先導產業,碳化硅正被探索、應用到更多的領域,市場正呈現爆發式增長。

  碳化硅是一種第三代寬禁帶半導體材料,具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和度以及更高的抗輻射能力,在電動汽車、電源、軍工、航天等領域備受歡迎,為眾多產業發展打開了全新的應用可能性,被行業寄予厚望。

  5G網絡建設、大數據傳輸、云計算、AI技術、物聯網等下游新興需求,對網絡傳輸速度及容量提出了更高要求。硅材料的負載量已達極限,而碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底材料,綜合性能較硅材料可提升上千倍。第三代半導體材料憑借著其優異的特性,未來應用前景十分廣闊。

碳化硅在大自然也存在,就是罕見的礦物寶石莫桑石。人類1905年第一次在隕石中發現碳化硅,現在主要來源于人工合成。
 

 

 

  

器件市場被國外企業壟斷

  從產業鏈角度看,碳化硅包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件制造等環節,目前全球碳化硅市場基本被國外企業所壟斷。

  在全球市場中,單晶襯底企業主要有CreeDowCorningSiCrystalII-VI、新日鐵住金、Norstel等,外延片企業主要有DowCorningII-VINorstelCree、羅姆、三菱電機、Infineon等,器件方面,全球大部分市場份額被InfineonCree、羅姆、意法半導體等少數企業瓜分。

  由于碳化硅產業環節如芯片性能與材料、結構設計、制造工藝之間的關聯性較強,不少企業仍選擇采用IDM模式,如羅姆和Cree均覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件、模組全產業鏈環節,其中Cree占據襯底市場約40%份額、器件市場約23%份額。

  碳化硅器件在國內光伏逆變器、車載充電器、充電樁等領域雖已開始應用,但國內市場上大部分碳化硅功率器件依賴進口,主要為CreeInfineon、日本羅姆等占有。

  1987年成立的美國科銳在碳化硅襯底材料、外延片、器件和模塊領域占據著絕對領先地位。

  前不久,英飛凌宣布以1.39億美元收購初創企業Siltectra,獲得后者創新技術ColdSpilt以用于碳化硅晶圓的切割上,進一步加碼碳化硅市場。

XFab、日本羅姆等企業早些時候也相繼宣布將擴大碳化硅產能,碳化硅產業海外重要玩家已開始備戰。

 

備受關注的國內企業

據相關數據統計,中國約有碳化硅冶煉企業三百多家,年生產能力近三百萬噸。碳化硅加工制砂微粉生產企業主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。中國的碳化硅冶煉生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到世界領先水平,黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界級。

碳化硅粗料已能大量供應,但是技術含量極高的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。碳化硅晶片在我國研發尚屬起步階段,碳化硅晶片在國內的應用較少,碳化硅材料產業的發展缺乏下游應用企業的支撐。

事實上,目前整個碳化硅產業尚未進入成熟期。國內碳化硅產業仍處于起步階段,與國際水平仍存在差距。在政府政策支持以及市場需求的驅動下,國內已初步形成了涵蓋各環節的碳化硅產業鏈。

隨著碳化硅市場的發展,國內布局碳化硅等第三代半導體的企業有望受關注。

單晶襯底領域企業主要有山東天岳先進材料科技有限公司,北京天科合達半導體股份有限公司,浙江博藍特半導體科技股份有限公司,河北同光晶體有限公司,中科鋼研節能科技有限公司等。

外延片領域企業主要有瀚天天成電子科技(廈門)有限公司、東莞市天域半導體科技公司等。

器件模塊IDM領域企業主要有中國電子科技集團有限公司,株洲中車時代電氣股份有限公司,北京世紀金光半導體有限公司,泰科天潤半導體科技公司,廈門芯光潤澤科技有限公司,揚州揚杰電子科技股份有限公司,上海瞻芯電子科技有限公司,全球能源互聯網研究院有限公司,深圳基本半導體有限公司等。

作為碳化硅半導體產業鏈中的中游產品,碳化硅外延晶片對整個產業起著承上啟下的作用。

在碳化硅產業鏈上,目前福建不僅在中游企業中占據絕對優勢,還擁有如閩東電機、東南汽車、金龍汽車、科華恒盛、中船重工等碳化硅器件的重要終端用戶群。通過與這些用戶的強強合作,以及終端產品市場的帶動,可以形成材料、器件和應用的整個產業鏈互補式發展與整體提升。

  

 

 

 

應用市場前景廣泛,行業跨度大

碳化硅有許多用途,行業跨度大,可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

光伏領域是目前碳化硅器件最大的應用市場。

光伏逆變器對光伏發電作用非常重要,不僅具有直交流變換功能,還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。國內逆變器廠家對新技術和新器件的應用還是太少,在光伏逆變器應用上或有突破。

新能源汽車是碳化硅功率器件的主要增長點,將會逐漸超過光伏領域。以直流充電樁為例,據CASA測算,電動汽車充電樁中的碳化硅器件的平均滲透率達到10%2018年整個直流充電樁SiC電力電子器件的市場規模約為1.3億,較2017年增加了一倍多。

在微電子領域,碳化硅半導體的優勢在1000V以上的中高電壓范圍。1200V以上的碳化硅應用領域有新能源汽車,光伏,機車牽引,智能電網等,高鐵機車的牽引電壓在6500V以上,地鐵則一般在3300V左右。

碳化硅半導體的電力電子、微波設備在軍事、航天上均有大量應用。

微波器件領域是整個碳化硅器件應用的一個細分市場。微波通訊在軍用領域的一個典型應用是相陣控雷達,像美國的F/A-18戰斗機,已經裝備了碳化硅襯底外延氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)。還有地基導彈系統,像薩德系統中的核心器件就是碳化硅襯底外延氮化鎵的HEMT,美軍已基本全面裝備使用,而我國仍未完全立項。

射頻微波領域對應于民用就是通訊領域,也是整個碳化硅半導體產業應用增長的關鍵領域。20186月,首個完整版全球統一5G標準正式出爐。5G的應用會大大推動碳化硅半導體產業化的進程。

基于碳化硅材料的功率半導體適合應用于高頻高功率高工作電壓的應用場合。例如,光伏儲能和數據中心服務器領域,已經在廣泛使用碳化硅器件,隨著碳化硅MOS的工作電壓的提高,未來高速鐵路、風電等領域也是碳化硅的潛在應用市場。

在航空領域,碳化硅制作成碳化硅纖維,碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料,耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。如做成噴氣式飛機的剎車片、發動機葉片、著陸齒輪箱和機身結構材料等,還可用做體育用品,其短切纖維則可用做高溫爐材等。

其他的應用方向像LED產品已實現產業化,是非常大的一個應用領域,但專利主要被美國的科銳公司所控制。

另外,碳化硅材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作為最廣泛的半導體材料,硅仍然具有它的不可替代的應用領域。

 

 

面向未來的碳化硅

美國總統奧巴馬主導成立第三代半導體產業聯盟,歐洲的Smart PM(Smart Powe Management)組織,日本的“首相戰略”等,均瞄準并投入巨資推動第三代半導體產業的研究與發展。大力發展第三代半導體產業已在國內外達成共識。

中國產業信息網數據顯示,預計導電型碳化硅襯底片全球市場規模將從2017年的4億美元增長到2022年的16億美元,樂觀預測甚至能達到34億美元。半絕緣型碳化硅襯底片全球市場規模將從2017年的4億美元增長到2022年的11億美元。

碳化硅存在很多優勢,也存在不少問題,制作工藝、環保、價格在制約進一步發展。隨著技術領域的新突破,必然對多個重要領域產生很強的推動作用。

可以這樣講,得碳化硅未必必然得天下,忽視碳化硅肯定沒有天下。(綜合)

  來源:IT商業價值

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