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SiC产业面临严峻挑战
发布日期：2021-08-09
浏览次数：3786 作者：网络
随着电动车市场需求升温，除各半导体厂积极布局第三代半导体材料外，鸿海也加入抢攻碳化硅 (SiC) 功率元件商机；虽然产业链上下游整合，有助加速产品开发进程，但目前 SiC 元件量产最大困难，除成本高昂，上游原料取得不易、碳化硅晶圆制程难度高等，均是当前面临的挑战。近来随着电动车与混合动力车发展，第三代半导体材料碳化硅 (SiC) 材料快速在电动车领域崛起，主要应用包括车载充电器、降压转换器与逆变器。特斯拉 (Tesla) 已在旗下 Model 3 电动车的逆变器中，率先采用 SiC MOSFET 元件，降低传导与开关损耗，Model S、Model X 也同样采用 SiC 功率电子元件，提升续航力；而 Honda、Nissan 也证实在电动车上使用 SiC 电子元件，分别可降低 46% 及 50% 能源损失。据研调机构 Yole Développement 预估，2023 年起，SiC 功率半导体全年产值年增幅将超过 4 成，2025 年 SiC 功率半导体产值更可达 32 亿美元。然而，SiC 功率电子元件性能与散热表现虽然较佳，但受限成本过高，加上碳化硅是坚硬、易碎的非氧化物陶瓷材料，长晶时间长、包括切割、研磨及抛光等加工制程相对困难，制程复杂、技术门槛高，良率表现不如硅晶圆，成为上游材料放量生产卡关的关键因素，也使碳化硅目前在电动车领域渗透率仍不高。中美晶荣誉董事长、同时也是朋程及大同董座卢明光就直言，目前 6 吋硅晶圆价格是 20 美元，6 吋碳化硅则要 1500 美元，当碳化硅成本可降至 750 美元，车用 SiC MOSFET 就有机会普及，但预期时间至少要 5 年以上。除面临成本与技术困难，制造碳化硅晶圆原料，多需从国外进口，但越来越多国家视碳化硅材料为战略性资源，采取出口管制，对台厂原料取得造成很大压力。从台厂材料端来看，硅晶圆大厂环球晶 GaN on SiC(碳化硅基氮化镓) 目前只做到 4 吋，SiC(碳化硅) 产能则朝 6 吋积极布局中。去年环球晶与交大合作成立化合物半导体研究中心，盼透过产学合作方式，加速 SiC 基板自主开发生产；母公司中美晶更成为宏捷科第一大股东，朝下游晶圆代工领域布局；且为确保长期稳定供货来源，环球晶早在 2019 年就与上游供应商 GTAT，签碳化硅晶球长约。汉民集团为国内最早投入研发化合物半导体的厂商，汉磊 4 吋 SiC 产线已批量生产，6 吋产线也已建置完成，为首家扩增 SiC 产能的晶圆代工厂，且集团内也有磊晶厂嘉晶 资源挹注，相关车用电子元件开发及质量系统认证也相当顺利，目前持续努力改善良率中，但相关产品对营运贡献仍不显著。鸿海日前也透过买下旺宏6 吋厂，宣示进军 SiC 市场的决心，并认为虽然集团在半导体业投入迟了 30 年，但现在刚好是第三代半导体从 4 吋转往 6 吋的契机，未来该 6 吋厂将定位为研发基地、试产线，属于小量产规模，目前集团规划 2024 年 SiC 相关月产能可达 1.5 万片。
中国工研院产业科技国际策略发展所研究总监杨瑞临分析，未来3 到5 年，最被看好的化合物半导体为SiC 高功率元件以及氮化镓高频元件（GaN-on-SiC），全球SiC 基板（substrate）三大龙头业者分别为Cree、Rohm（SiCrystal）以及II-VI，策略及强项各有不同。美国雷射光学元件设计制造商贰陆公司（II-VI）是全球率先发表8 吋SiC 基板的厂商，过去3 年透过并购、结盟，实现了供应链整合，并成功扩展市场。II-VI 前（2019）年收购光通讯以及iPhone 脸部辨识技术供应商菲尼萨（Finisar），营收出现爆炸性成长，也串接垂直供应链，与日本住友电气合作开发5G 应用的6 吋GaN-on-SiC 晶圆、为欧盟的「展望2020」计划（Horizon 2020）供应实验用SiC 基板、并取得美国奇异（GE）集团授权，进入SiC 功率元件的制造。杨瑞临指出，「II-VI 最值得中国台湾借镜之处，是它以碲化镉（CdTe）以及硒化锌（ZnSe）化合物半导体起家，成功跨足新一代化合物半导体」；台湾产业同样拥有不少化合物半导体的能量，参考II-VI 的发展轨迹，有助于打造最佳策略。另一大厂Rohm 于2009 年即收购碳化硅元件厂商SiCrystal，在高功率元件及模组技术相对领先，目前已推出第四代SiC MOSFET。SiCrystal 母公司罗姆集团（Rohm）原本就拥有广大的出海口，包括日系车厂及重工业制造商，近年更在国际上加速结盟，寻找更多终端应用商机，例如与电动车动力系统厂Vitesco Technologies 合作，提供800V 逆变器的SiC 功率元件。
观察各国科技发展政策，也可发现化合物半导体的地位益形重要。中国大陆在十四五规划中提高SiC 位阶，列入第三代「半导体产业」。目前中国大陆SiC 全球市占率尚低，但SiC 设备已有自制自研能量，由于内需庞大，未来潜力不容小觑。中国大陆也透过政策补贴促进产业发展，该国两家重要SiC 厂商三安光电、天科合达，过去两年接受的补贴金额即超过1,500 万日本政府在第六代行动通讯（6G）重要蓝图中，将化合物半导体纳入重点项目，以满足未来超低功耗的需求。杨瑞临指出，「5G 资料中心与网路，耗能都相当可观，更何况是6G，因此日本政府积极从上游材料寻求解决方案，除了SiC 之外，GaN、三氧化二镓（Ga2O3）都是材料技术选项。」南韩新一代半导体政策有三大发展重点：一是确保电力半导体的竞争力，在初期阶段即加以培育；二是开发以SiC、GaN、Ga2O3 三大宽能隙材料为基础的新一代化合物半导体，打造从元件、模组到系统的综合价值链；三是建立认证及人才培育能量，以支持供应链发展。美国则在国家安全委员会报告中，直接点名GaN 的重要性。此外，从美国半导体产业协会（SIA）新任理事名单，也可看出化合物半导体备受重视，包括Qorvo、Cree、Analog Device 等大厂都名列其中。尽管面对国际大厂来势汹汹，加上各国政策支持，中国台湾在化合物半导体的发展，仍有许多优势利基。首先是政策目标明确，行政院将于2022 年设置化合物半导体科专计画，预计2025 年达成两大目标：一是8 吋SiC 长晶及磊晶设备自主、8 吋SiC 晶圆制程关键设备与材料源自主；二是完备在地供应链，除经济部工业局、技术处与科技部均有相应计划，工研院也将以「南方雨林计计划」，催生化合物半导体的在地能量。
