功率器件雙雄，激戰(zhàn)SiC

　　SiC，一顆在功率半導體領(lǐng)域中冉冉升起的新星。

　　如今我們提起它，就離不開特斯拉和意法半導體，*個吃螃蟹的特斯拉用SiC MOSFET敲開了新世界的大門，而意法的SiC也因為特斯拉Model 3這股東風扶搖直上，超越英飛凌成為了SiC領(lǐng)域里說一不二的新霸主。

　　特斯拉憑借Model 3、Model Y的熱銷，成為了SiC裝車的先鋒，而隨著比亞迪漢EV、蔚來ES6、理想L9等熱門車型的陸續(xù)上市，SiC裝車量得到進一步擴大。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年上半年，全球已有40款SiC車型進入量產(chǎn)交付，可查到交付數(shù)據(jù)的SiC車型上半年累計銷售118.7萬輛。

　　熱門的SiC便吸引了歐洲芯片雙雄意法和英飛凌在其中押下重注。

　　SiC已為意法帶來了源源不斷的收入，2016年意法半導體營收不過69.44億美元，到了2022年，總營收已經(jīng)來到了161.3億美元，全年凈利潤為43.23億美元，而其中碳化硅功率器件營收從無到有，迅速增長至7億美元。

　　而英飛凌在SiC方面相對較落后，但在整個功率元件領(lǐng)域包括IGBT、SiC、GaN等，依舊處在*位置地位，作為全球*的汽車半導體廠家，汽車業(yè)務(wù)占據(jù)了其2022年142.18億歐元總營收中的47%，而這部分收入中又有56%來自功率器件。

　　作為功率半導體近年來發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，不論是意法還是英飛凌，都不愿讓這塊越做越大的肥肉讓予競爭對手，在未來勢必有一番更激烈的爭奪，昔日霸主與今日新王的PK，各自勝算又有幾何，不妨來仔細分析一番。

　　意法，SiC新王

　　2018年，特斯拉發(fā)布Model 3，在這款車型上，最主要的一項創(chuàng)新就是采用了意法半導體的650V SiC MOSFET逆變器，與過去電車上所采用的IGBT，SiC MOSFET能帶來5%～8%的逆變器效率提升，對電動車的續(xù)航能力有著顯著提升。

　　Model 3為大家普及了碳化硅這個概念，但事實上，碳化硅的特性早在 20 世紀初期就已確立，*個碳化硅二極管的歷史可追溯到 1907年，當時的物理學家們經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，碳化硅在室溫下的帶隙比硅寬約 2 eV，這意味著碳化硅器件的臨界電場可以高出五到十倍，因而這一技術(shù)可以極大地提高轉(zhuǎn)換效率，同時承受更高的電壓和更惡劣的條件。

　　不過，直到上世界90年代末，碳化硅距離商用依舊遙遙無期，原因很簡單，碳化硅襯底有太多缺陷，且碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘較高，為了解決這部分問題， 1996年，意法開始與卡塔尼亞大學合作開發(fā)碳化硅技術(shù)，研究將之量產(chǎn)商業(yè)化的可能性。

　　作為首批大力投資該技術(shù)并與學術(shù)界合作的公司，意法收獲了自己的回報，在2002年5月成功展示了*個肖特基碳化硅二極管;2006年，意法在三英寸晶圓上試產(chǎn)了SiC器件，并于次年批量生產(chǎn)了*代碳化硅二極管;2014年，意法開始生產(chǎn)*代 SiC MOSFET，此后迅速進行迭代：2017 年發(fā)布第二代 MOSFET， 2020 年推出了第三代產(chǎn)品……前后算下來，意法在碳化硅技術(shù)的研發(fā)上已有25年之久。

　　從產(chǎn)品線來看，目前意法的650V/1200V 第三代碳化硅 MOSFET正式投產(chǎn)，該系列通過優(yōu)化Ron和Qg兩個參數(shù)，更適合高頻應(yīng)用，同時也分為650V、750V、900V和1200V四個產(chǎn)品線，第四代產(chǎn)品目前正在產(chǎn)前測試中，產(chǎn)品頻率可達1MHz，導通電阻也減少了15%。

　　而意法在碳化硅領(lǐng)域的選擇，是繼續(xù)深挖平面設(shè)計碳化硅MOSFET的技術(shù)潛力，包括第四代碳化硅產(chǎn)品，依舊采用了平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點是工藝簡單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高，如特斯拉等車企選擇的就是平面柵SiC MOSFET功率模塊，開發(fā)歷史較長的它更方便量產(chǎn)，在成本控制上也有一定優(yōu)勢。

　　但平面結(jié)構(gòu)也有著自己的問題，當電流被限制在中間狹窄的區(qū)域流過時，會產(chǎn)生JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻，同時寄生電容也較大，因而溝槽結(jié)構(gòu)就被提上了日程，其能*限度地發(fā)揮SiC材料的特性，尤其是可以進一步降低器件成本和導通電阻，但目前來說成本較高，難以在更多場景中應(yīng)用。

　　2019年，System Plus Consulting給出的碳化硅 MOSFET對比報告中，意法的產(chǎn)品FoM還較大，但隨著幾次迭代，其在平面工藝已經(jīng)有了極大進步。根據(jù)意法的宣發(fā)，其最新的平面 MOSFET為晶體管行業(yè)樹立了新的品質(zhì)因數(shù) (FoM) 標桿，業(yè)界認可的FoM [導通電阻 (Ron) x 裸片面積和Ron x 柵極電荷 (Qg)]算法表示晶體管能效、功率密度和開關(guān)性能，用普通硅技術(shù)改善 FoM 變得越來越困難，因此，碳化硅技術(shù)是進一步改進FoM的關(guān)鍵。

　　當然，作為行業(yè)龍頭，意法也在溝槽結(jié)構(gòu)上有所布局，但由于技術(shù)和市場等問題，最終順延成為意法的第5代碳化硅MOSFET，依舊處在在工程樣品測試階段，量產(chǎn)時間待定。

　　值得一提的是，意法為了保持住自己在碳化硅領(lǐng)域的地位，不光在產(chǎn)品技術(shù)上花費了大量功夫，對于產(chǎn)業(yè)鏈的投資也是不遺余力。

　　首先在襯底及晶圓方面，意法先后與Wolfspeed/Cree和Rohm/碳化硅rystal簽署多項晶圓供貨協(xié)議，并且通過收購Norstel AB(已更名為ST 碳化硅 AB)完成自有的襯底生產(chǎn)線的建設(shè)。其表示，2020年一季度，ST首次內(nèi)部供應(yīng)6英寸碳化硅晶圓，2021年三季度推出了*8英寸晶圓原型，并計劃于2024年量產(chǎn)，預計屆時內(nèi)部晶圓采購將占到總采購量的40%。

　　而在Fab上，ST正在將位于其卡塔尼亞工廠從6寸升級至8寸，并且在2021年三季度，位于新加坡的6英寸碳化硅生產(chǎn)線順利通過認證。而在后道封裝上，也有中國深圳的賽意法和位于摩洛哥的布斯庫拉工廠。

　　需要注意的是，今年6月，意法宣布與國內(nèi)的三安光電股份有限公司合資32億美元在重慶建8英寸碳化硅外延與芯片代工廠，成為國內(nèi)碳化硅領(lǐng)域*轟動性的一筆投資規(guī)劃，其將于2025 年完成階段性建設(shè)并逐步投產(chǎn)，2028年達產(chǎn)，規(guī)劃達產(chǎn)后生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓1萬片/周。

　　穩(wěn)步更迭的平面與溝槽技術(shù)，通過收購實現(xiàn)晶圓襯底自產(chǎn)自用，最后配合大手筆的擴產(chǎn)，意法的龍頭地位依舊穩(wěn)固，之前立下的2024年碳化硅產(chǎn)品營收達到10億美元目標有望再2023年提前達成，這一成績足以讓其自傲與碳化硅領(lǐng)域。

　　英飛凌，奮起直追

　　與意法相比，英飛凌的在碳化硅技術(shù)上的積累也不遑多讓，早在2001年，英飛凌就推出了*顆碳化硅二極管，甚至比意法還早上一年，但在后續(xù)技術(shù)開發(fā)上，英飛凌的步伐落后了少許，最終導致了意法成為了*個吃到螃蟹的廠商。

　　與意法不同的是，英飛凌并沒有選擇突入平面結(jié)構(gòu)的市場，而是毅然決然地選擇了溝槽結(jié)構(gòu)，在碳化硅產(chǎn)品上走了一條高質(zhì)高價的路線，與生產(chǎn)工藝較為簡單，成本較低的平面結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET生產(chǎn)工藝相比，英飛凌的溝槽柵設(shè)計表現(xiàn)出了前者難以具備的優(yōu)勢。

　　從目前的反饋來看，英飛凌所推出的碳化硅產(chǎn)品做到了揚長抑短，不但具有性能的優(yōu)勢，在可靠性和耐用性方面也通過具有專利的半包溝槽柵結(jié)構(gòu)設(shè)計和嚴苛的測試克服了缺點，成為業(yè)內(nèi)少數(shù)幾個可以量產(chǎn)并大規(guī)模應(yīng)用的車規(guī)碳化硅MOSFET。

　　產(chǎn)品線方面，英飛凌碳化硅產(chǎn)品名為CoolSiC，目前已有兩代產(chǎn)品推出，*代為量產(chǎn)的1200V產(chǎn)品，已有樣品提供，導通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，第二代則包括1200V和750V兩個電壓規(guī)格，導通電阻性能或者載電流能力較上一代提高25%，750V產(chǎn)品目前還處在研發(fā)中。

　　根據(jù)英飛凌提供的材料，這家在溝槽結(jié)構(gòu)上*一步的公司，已然開始了第三代1200V平臺的開發(fā)，性能較第二代產(chǎn)品可以再次提升20%，預計推出時間為2025年底到2026年初。

　　在針對電動汽車開發(fā)的碳化硅模塊產(chǎn)品上，英飛凌著重擴充HybridPACK Drive系列產(chǎn)品，推出了尺寸和管腳兼容的的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的業(yè)內(nèi)知名度和客戶資源，減少市場推廣成本，降低客戶切入的壁壘。

　　值得一提的是，英飛凌在整個碳化硅技術(shù)以及溝槽碳化硅MOSFET方面都積累了大量的專利，數(shù)量分別達到919件(包括已授予和申請中)件和82件，在碳化硅五巨頭中位列*。

　　不過在晶圓和襯底方面，英飛凌由于沒有像意法那樣在自產(chǎn)襯底方面的布局，只能將外購襯底的價值發(fā)揮到*，2018年11月12日，英飛凌收購了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra GmbH，看重的就是這家公司冷裂(Cold Split)技術(shù)，這項技術(shù)能減少晶錠(boule)切割過程中的材料損失，從相同的晶錠中獲得多一倍的碳化硅襯底，目前該技術(shù)處于小批量試產(chǎn)中，預計2024年完全成熟。

　　需要注意的是，2023年5月，英飛凌與中國公司天科合達、天岳先進簽訂供應(yīng)協(xié)議，兩家公司將供應(yīng)6英寸碳化硅晶圓和晶錠，作為Wolfspeed的補充，也有有消息人士稱，英飛凌很可能未來在歐洲自行生產(chǎn)碳化硅晶體，以求供應(yīng)穩(wěn)定。

　　在Fab方面，受困于產(chǎn)能的英飛凌在2022年開始了公司歷史上最激進的投資計劃。除了在德國德累斯頓投入50億歐元建設(shè)歐洲*的晶圓廠、提高混合信號產(chǎn)品產(chǎn)能外，還針對第三代半導體進行分別在奧地利Villach和馬來西亞Kulim進行超過20億歐元的投資。

　　根據(jù)規(guī)劃，目前進行中的奧地利Villach的產(chǎn)能爬坡在2025年完成后，英飛凌的碳化硅產(chǎn)值可以達到10億歐元，而在建的馬來西亞Kulim三代半工廠在2024年底投產(chǎn)后，產(chǎn)值可以在隨后的2年時間再增加20億歐元。

　　與意法相比，英飛凌雖然在技術(shù)上似乎更進一步，早已開始溝槽結(jié)構(gòu)技術(shù)的布局，但在產(chǎn)品的產(chǎn)能和自產(chǎn)的襯底方面，面臨著不小的挑戰(zhàn)，伴隨著碳化硅市場的不斷發(fā)展，持續(xù)發(fā)展技術(shù)和投入產(chǎn)能的它依舊有著翻盤制勝的可能性。

　　總結(jié)

　　作為歐洲的老牌廠商，意法和英飛凌本就在功率半導體市場中相互競爭，如今新能源汽車催生出了碳化硅廣闊的應(yīng)用市場，兩家的競爭態(tài)勢只會愈發(fā)激烈，不論是技術(shù)還是產(chǎn)能，誰也不肯輸給誰，看不見硝煙的戰(zhàn)爭已經(jīng)打響。

　　競爭的背后，碳化硅市場也在瞬息萬變，今年3月，*個采用碳化硅的特斯拉卻在投資者日活動上表示，計劃減少下一代電動汽車動力系統(tǒng)中碳化硅晶體管的使用量，消息一出也讓碳化硅企業(yè)的股價受到了影響。

　　碳化硅技術(shù)已經(jīng)落地成熟，但是第 一個吃到螃蟹的車企卻開始嫌棄起了螃蟹貴，這無疑為意法和英飛凌敲響了警鐘，如何在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，控制碳化硅的成本，讓更多車企愿意讓碳化硅上車，或許就是未來制勝的關(guān)鍵所在。