那些早期投资于碳化硅(SiC)的公司正看到他们的努力开始得到回报。但同时竞争对手也在到处涌现,更多与SiC有关的并购和合作交易正在发生。问题是,随着时间的推移,谁能建立正确的生态系统来推进SiC技术,降低成本,并确保原材料和SiC晶圆的稳定供应。

 

或许要达到生态的完善还要假以时日。无论是否准备好了,领先的车厂和电子制造商都非常热衷于SiC技术,SiC技术的已知优势已可以充分显示其竞争优势。

 

触发整个行业对这种新型材料追捧的是SiC器件在Tesla上取得的成功。SiC曾经被认为是功率电子设备的首选,现在又出现了一个明确的增长细分市场,就是电动车的功率电子设备,以及其他工业和绿色能源领域。原因是什么?据该技术拥护者称,SiC提供了Si半导体制造商梦寐以求的延迟、外形尺寸和能效。

 

甚至那些一直袖手旁观的公司也已经采取行动了。仅在2021年下半年,半导体行业在SiC的业务、技术和供应链方面的收购比以往任何时候都多。

 

8月初,富士康宣布以9080万美元从台湾旺宏国际收购一家6英寸晶圆厂,并计划生产“汽车芯片”。此举让很多人大跌眼镜,因为富士康并非一家半导体公司。Yole Développement的分析师怀疑,可能是Apple影响了富士康收购该工厂的决定,以便为未来的Apple Car制造SiC器件。

 

11月,Qorvo收购了UnitedSiC,这是一家位于新泽西州普林斯顿的SiC功率半导体领先制造商。

 

同月,Onsemi完成了对GTAT(GT Advanced Technologies)的收购,这是一家位于新罕布什尔州哈德逊的公司,从事晶体生长和SiC晶圆开发。

 

但近年来向SiC转变最大的公司是Wolfspeed,该公司在2019年剥离了LED业务,并在上个月将其名称从Cree正式改为Wolfspeed,据总裁兼CEO Gregg Lowe称,其目标是“将功率电子市场从Si转化为SiC”。

 

Lowe说:“我们正在谈论的是行业中的一个重大变化,从Si到SiC。上一次半导体行业发生这样的变化是大约40年前,当时是从双极晶体管变成了CMOS。”

 

那么,为什么会有这么多公司加入SiC的浪潮?基本原因是,电动车和绿色能源等高增长市场的需求使SiC能够在更大的半导体市场中占据一席之地,尽管目前规模仍然相对较小。

 

SiC市场的电源管理部分预计将在未来几年引领行业潮流,因为它对多个行业领域具有最大的吸引力。Yole Développement的研究人员估计,到2026年,功率SiC市场将从2021年的略低于10亿美元增长到略高于30亿美元。领先的是电动车市场的SiC,预计将占到2026年销售额的三分之二以上,其次是工业和能源应用。

 

 

即便如此,在一个到2026年销售额可能超过1万亿美元的半导体市场中,SiC的份额仍是微不足道的。

 

事实上,该行业离Wolfspeed的Lowe所预见的“从Si到SiC的转变”还有一段距离。虽然预计未来五年将快速增长,但SiC在半导体出货量中的份额仍然微不足道。根据市场的不同,估计有很大差异,但普遍的看法是,SiC目前的销售额约为20亿美元,五年内将增长到60-70亿美元的高点,到本十年末可能达到400亿美元。

 

SiC技术不为人知的一面

 

尽管SiC自夸比Si有优势,但是什么阻碍了它的发展?简单地说,SiC仍然有巨大的技术和供应链挑战。困扰了SiC几代人的良率问题仍然具有挑战性。相对于Si,良率低和成本仍是一个巨大的问题。业内高管表示,SiC供应商面临的最大挑战是生产,这几乎需要科幻级别的条件。

 

Wolfspeed的Lowe说:“SiC的生产与Si不同,非常具有挑战性。SiC在2500度的相当疯狂的温度下生长,这是太阳表面温度的一半。这是一项很难掌握的技术,我们用的机器必须是相当不可思议的。”

 

还有更多。SiC生产商通常被迫开发整个生态系统以达到规模和效率,导致垂直整合的制造过程,而此时Si正坚定地朝着相反的方向发展,由无晶圆厂的IC供应商主导,并得到代工厂的积极和有效的支持。必须采购和管理整个生产系统,包括开发对成本效益高的SiC生产至关重要的创新,意味着制造商的成本高于普通的Si,给市场带来了额外的负担。

 

这些高期望值和主要障碍的双重对立,长期以来一直困扰着SiC。目前,所有可以算作SiC供应领导者的半导体公司都有曲折但也激励人心的故事可以叙述。SiC产品的开发、研究和投资多年来一直在更成功的Si半导体的阴影下进行。

 

在Infineon、STMicroelectronics、Wolfspeed及其供应商等负责实现SiC梦想的研究人员知道,这个梦想之所以能够存活,是因为关键高层人士的坚持,他们固执地相信有一天这项技术将不负众望地得以实现。由于坚信SiC的魅力,这些倡导者愿意忽视SiC市场的负面因素,并努力解决SiC市场的挑战。事实上,听SiC支持者描述该产品,它似乎接近于完美。这有点像强大的阿喀琉斯,尽管他的脚跟很脆弱。

 

真实世界的成功一些OEM成功部署SiC的现实例子也有助于提高其知名度。行业观察人士表示,在Tesla电源管理系统中使用SiC使其使其脱颖而出,并激发了其他关注电源管理、散热和密度的电动车公司的兴趣,这些领域都被认为是SiC的主要优势。

 

Wolfspeed最近与通用签署了一项协议,为通用未来的电动车项目开发和提供SiC功率器件解决方案。今年早些时候,ST与雷诺集团达成战略合作协议。

 

 

SiC有望从最初的市场进一步发展到技术世界的所有领域,这也解释了为什么许多Si半导体供应商一直在投资该产品。例如,Infineon于1992年开始进行SiC的研究和开发工作,随后ST于1996年开始,尽管大家都知道距离量产、出货和实际销售还有几十年的时间。这两家公司最近开始销售SiC元件,并预计在未来十年内出货量会强劲增长。

 

在企业申报文件、采购协议和并购交易(有时是与竞争对手)的公告中,不断涌现出SiC需求激增的迹象。随着SiC需求的持续增长,以及其他经济部门生产电子产品的OEM厂商采用该技术,这些举措将在未来几年激增。

 

未来可期

 

不过,目前SiC的应用仍处于起步阶段。ST的Edoardo Merli表示,由于成本相对较高,这种材料仅限于某些应用,主要是电动车的电源管理、电网、逆变器、工厂自动化系统、工业、太阳能电池板等。

 

Merli在接受采访时说:“这项技术已经证明了自己在我们的目标应用中具有系统优势,特别是在电动车领域。其他应用包括太阳能电池板、电网、潮汐逆变器、能源储存等等。但是,并非所有都以同样的方式采用SiC,或具有与电动车同样的增长动力。”

 

思考一下,功率电子器件几乎用于任何依赖电力的设计类型,无论是将直流太阳能转换为家用交流电,还是帮助调节电动车的电池功率。功率电子器件甚至在消费者在家庭中使用的许多设备中的功率转换器中也发挥作用。

 

正如Wolfspeed所解释的,SiC的击穿强度明显高于Si,这意味着它可以在更小的尺寸内处理更高的电压,并支持更高的MOSFET阻断电压。导热系数(与半导体散热的速度有关)是另一个重要特性。该公司补充说,如果一个半导体不能有效地散热,就会严重限制半导体元件能够处理的工作电压和温度范围。

 

Wolfspeed是SiC市场的顶级供应商之一,其最近的发展反映了该行业的变化。自从四年前加入该公司以来,Lowe已经卖掉了占销售额约三分之二的业务,留下一个核心业务,现在只专注于SiC和GaN。重组是基于这样的信念,即SiC市场在未来十年内将会实现增长。

 

Lowe说:“SiC的发展速度确实很快。电动车正在飞速发展,SiC的采用非常迅速。有些人预测SiC市场将在未来十年左右从目前的几十亿美元上升到400亿美元。”

 

当然,时间将证明这些预测是否正确。