5G、電動車的新材料，華爲、特斯拉都入局的碳化硅產業爲什麼很重要？

時間 2020-01-01

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特斯拉的 Model 3 用碳化硅取代傳統的硅基底芯片來作電流轉換模組; 華爲將碳化硅使用在 5G 基站的功率放大器中，併入局佈局該產業，以旗下公司名義投資第三類半導體材料碳化矽企業山東天嶽。
　　碳化硅是屬於第三代半導體材料，也是地球上第三硬的化合物，僅次於鑽石和碳化硼，聽說是太陽系剛誕生的 46 億年前的隕石中，所發現的少許物質，所以，碳化硅又被稱爲是「經歷 46 億年時光之旅的半導體材料」。
　　與傳統的硅晶圓相較，碳化硅憑什麼一夕爆紅？
　　碳化硅相較於傳統硅晶圓有更高的功率密度、讓設備的尺寸和體積更小、相應的電池體積也會更小，所以能夠延長電池使用壽命，讓電動車的行駛里程更遠。
　　打個比方，使用碳化硅材料的逆變器模塊，與使用傳統硅材料的相比，電池效能可提升 10%，且電池的體會積縮小 30%，這也能夠解釋爲何電動車會大力倡導碳化硅這項新材料。
　　另外一個大量的應用，是射頻 RF 元件，由於碳化硅能夠有更好的散熱，所以，5G 基地臺中的射頻元件也很是適合使用碳化硅。
　　既然碳化硅有這麼多優勢，那爲何市面上應用不大舉取代硅晶圓？
　　主要在於碳化硅產業還面臨四個挑戰：供應不足、良率、產品電氣性能表現待提高、成本太高。
　　由於碳化硅產量還過小且穩定度不夠，且上述也提到，碳化硅是地球是第三硬的化合物，所以與硅相比，碳化硅堅硬的材質和複雜的製造流程，也致使成本很高。
　　雖然單個碳化硅元件的成本還是高於傳統硅元件，但以總體系統成本角度視之，還是節省不少。
　　例如，在電動車中，碳化硅可能會額外增長 300 美圓的前期成本，但從整個系統來看，電池成本、電動車空間和冷卻成本的下降，能夠減小約 2,000 美圓的成本。
　　再進一步深刻探討碳化硅產業以前，咱們先來看看有哪些產業巨頭已經開始使用這種新材料，而且帶來什麼樣的市場衝擊。
　　特斯拉：
　　全球碳化硅功率半導體市場的規模，將從 2017 年的 3.02 億美圓，快速成長至 2023 年的 13.99 億美圓，將來車廠在功率電子中採用碳化硅的比重會持續增長，像是主逆變器、車載充電器 (OBC)、直流 - 直流(DC-DC) 轉換器等。
　　特斯拉的 Model 3 是第一家採用碳化硅 SiC MOSFET 來作逆變器的車廠，主要是與意法半導體合做，相較於市面上的電動車可能是使用硅基底芯片如 IGBT、MOSFET 等來製做。
　　Model 3 使用了 SiC MOSFET 模組後，AC / DC 的電流轉換效率在長距離電動車市場上排名第一，加速特斯拉的主要競爭對手車商開始評估使用碳化硅材料 SiC MOSFET。
　　保時捷（Porsche）：
　　在 2018 年 10 月即發表碳化硅 SiC MOSFET 模組的電動車快速充電樁。
　　德國汽車零組件供應商 Delphi ：
　　Delphi 在 2019 年發表最新使用碳化硅模組的 800V Inverter，相較於目前電動車以使用 400V Inverter 系統爲主，使用碳化硅的 800V Inverter 能延長行駛距離，並縮短充電時間。
　　比亞迪（BYD）：
　　已入局自研碳化硅產業，而且擴大碳化硅功率元件的規劃，要創建完整的產業鏈，整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延片（Epitaxy）、硅片、模組封裝等，以下降碳化硅器件的制形成本，加快碳化硅應用在電動車領域。
　　目前碳化硅晶圓供應商是以美國科銳（Cree）爲龍頭，但加入該領域的半導體商愈來愈多，美國、韓國、歐洲都有碳化硅晶圓供應商參與其中。
　　美國科銳（Cree）：
　　目前是碳化硅領域的龍頭，市佔率過半。由於 Cree 看好將來需求，也在 2019 年啓動擴產計劃，總投資 10 億美圓，估計在碳化硅晶圓產能與碳化硅晶圓製做材料上，可增長高達 30 倍。
　　另外，Cree 也將把旗下的功率元件（Power）和射頻（RF）事業羣改名爲 Wolfspeed，而 Wolfspeed 是 SiC Diode、SiC MOSFET 的主要廠商，也讓整個 Cree 集團在碳化硅產業供應鏈勢力擴大。
　　美國材料公司 II-VI：
　　是一家工程材料和光電元件供應商，同時也是碳化硅材料供應商。
　　南韓硅晶圓廠 SK Siltron：
　　2019 年宣佈收購美國化學大廠杜邦（DuPont）的碳化硅晶圓事業。
　　值得注意的是，除了上述的美、韓供應商，法國材料供應商 Soitec 也正式入局，而且宣佈與半導體設備大廠應用材料合做。
　　應用材料與 Soitec 看好電動車、通訊設備、工業應用等應用對於以碳化硅爲襯底的芯片需求蓬勃成長，所以攜手展開對新一代碳化硅襯底的研發。
　　Soitec 有一項專利技術 Smart Cut，目前已普遍應用於絕緣硅 SOI 產品的生產，此次與應用材料的合做，將得到應用材料在製程技術與生產設備方面的支持。
　　Soitec 全球戰略執行副總裁 Thomas Piliszczuk 表示，兩家公司將在 CEA-Leti 的襯底創新中心中增添一條碳化硅優化襯底的實驗生產線，目標是在2020 年上半年開始運行，下半年可推出使用 Soitec 的 Smart Cut 技術生產碳化硅晶圓片樣品。
　　Piliszczuk 進一步指出，在處理碳化硅的流程上，主要是採用 Smart Cut 技術將碳化硅晶圓體進行精準切割成超薄單晶碳化硅層，再將切割後的超薄單晶碳化硅層，放置在其餘的材料之上，而造成了一個全新的結構。這樣的全新結構，與純的碳化硅的材料相比，能夠有更好的電氣性能，並增長良率。
　　將來，碳化硅目標是實現與 IGBT 成本接近。IGBT 從 1990 年發展至今，中間 30 年經歷了 7 代技術，晶圓尺寸更從 4 吋一直擴大到 12 吋，晶片厚度從 300μm 下降到 60μm，成本也降到了本來的 5 分之 1。
　　由此可知，碳化硅之旅也一樣須要經歷一段不短的時間，才能讓成本與 IGBT 接近。
　　將來，碳化硅並不會徹底取代 IGBT 或 MOSFET，由於這些技術產品在開關特性、功耗、成本等方面都不相同，硅與碳化硅元件會同時並存發展。
　　碳化硅對於 Soitec 而言，是全新業務。除此以外，Soitec 也普遍提供各類材料，像是 FD-SOI 晶圓、壓電絕緣材料 POI、硅光子（Silicon Photonics）、氮化鎵 GaN 等材料。
　　FD-SOI 技術不少人對於並不陌生，由於 GlobalFoundries、三星、意法半導體已經推展該技術多年，FD-SOI 技術更被視爲是臺積電、英特爾引領的 FinFET 技術以外的另外一個條路線。
　　FD-SOI 技術很是適合於邊緣計算和 AIOT（人工智能和物聯網結合）領域的芯片，市面上已經有不少公司是採用 FD-SOI 技術生產相關芯片，包括瑞芯微電子、NXP 等。
　　在壓電絕緣材料 POI 方面，主要用於 5G 手機上須要的射頻濾波器上，也是因應 5G 時代到臨下，頻譜愈來愈密集，須要手機前端的射頻模塊來進行過濾頻率信號。
　　在硅光子（Silicon Photonics）方面，主要是用於數據中心及高速計算的硅光子（Silicon Photonics）。
　　在氮化鎵 GaN 方面，Soitec 在 2019 年 6 月收購了一家名字叫作 EpiGaN 的公司，正式跨入 GaN 材料領域，是一家在 GaN 領域很是領先的小型公司，將來能提供 5G 的基礎設施。
　　再者，Soitec 在收購 EpiGaN 後，已經推出了兩款產品，分別爲硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵。
　　針對獨有的 Smart Cut 技術，目前 Soitec 有三種產品使用 Smart Cut 技術，分別爲絕緣硅 SOI 產品、新型壓電產品 POI、碳化硅 SiC，其實氮化鎵也可使用 Smart Cut 技術，目前是處於研究階段。
　　Soitec 也積極展開在中國的佈局，2019 年與上海新傲科技強化合做，上海廠的 200mm SOI 晶圓年產量將從年產 180,000 片提高至 360,000 片，新增產能主要針對車用領域所須要的 RF-SOI 與功率 Power-SOI 元件等，雙方合做模式是由新傲負責 SOI 晶圓製造，Soitec 則管理全球產品銷售。
　　對於碳化硅的晶圓來講，最爲普遍的是 6 英寸尺寸，Soitec 預測在 2024 年，全球整體有效市場（TAM）對於碳化硅晶圓的需求將會達到每一年 400 萬～500 萬片。
　　在碳化硅硅片製造商方面，主要的功率半導體 IDM 廠商包括英飛凌、ON Semiconductor、意法半導體、ROHM、Mitsubishi Electrics 等，都提供市場碳化硅硅片與 SiC Module。
　　Soitec 但願能是 2020 年上半年實現基於 Smart CutTM 技術的碳化硅襯底樣品，第二個目標是 2021 年上半年，能使用 Smart Cut 的技術完成碳化硅產品的量產。前端

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