寬禁帶半導體的“左右互搏”

根據TrendForce集邦咨詢《2022第三代半導體功率應用市場報告》顯示，雖受俄烏沖突與疫情反復影響，消費電子等終端市場需求有所下滑，但應用于功率元件的第三代半導體在各領域的滲透率仍然呈現持續攀升之勢，綠色能源、800V汽車電驅系統、高壓快充樁、消費電子適配器、數據中心及通訊基站電源等領域的快速發展，推升了SiC/GaN功率半導體市場需求。

產能提升，提升，再提升

碳化硅(SiC)作為半導體材料具有優異的性能，尤其是用做功率轉換和控制的功率元器件時，其性能可得到極大程度的釋放。但SiC在天然環境下非常罕見，人們最早在46億年前誕生的隕石中發現了少量這種物質，所以它又被稱為“經歷46億年時光之旅的半導體材料”。

Yole預計，未來5年內，全球將有數十億美元的資金投向SiC晶體、晶圓制造及設備加工，SiC功率器件將快速占據30%的功率器件市場。到2027年，其市場潛力將達到60億美元，該數值高于2021年的10億美元左右。

最初，SiC的應用場景主要集中在光伏儲能逆變器、數據中心服務器UPS電源和智能電網充電站等需要轉換效率較高的領域。但人們很快發現，SiC的電氣、機械和熱性質也非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器。尤其是，特斯拉(Tesla)在其Model 3主驅逆變器中采用了SiC器件之后，由該公司帶動的示范效應被迅速放大，使xEV汽車市場迅速成為SiC市場關注的焦點。

但在過去兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產業發展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內的眾多重量級玩家已經意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設。

羅姆公司從2000年就開始進行SiC MOSFET的基礎研究，并在2009年收購德國SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合的制造工藝。市場調研機構的相關數據顯示，2013年羅姆在全球SiC市場的份額為12%(Yole Development)，到2018年已增長至23%(富士經濟)。

面對市場對SiC產品急速增長的需求，羅姆制定了積極的產能擴張計劃，準備在2021-2025年為SiC業務投入1,700-2,200億日元，這一計劃的實現將依托于羅姆位于日本宮崎的兩個基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預計2025年SiC產能將提升6倍，到2030年提升25倍。

據羅姆半導體(上海)有限公司技術中心副總經理周勁的介紹，該公司2021年推出的第4代SiC器件的導通電阻(RonA)較第3代下降了40%，預計2025年和2028年節點推出的第5代和第6代產品還將再降30%。另外，羅姆在今年將實現從6英寸升級到8英寸襯底的量產，并且通過技術提高單個元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實現50平方毫米以支持更高電流輸出的需求。

當前，電動化和數字化是驅動汽車業務增長的兩大核心動力。相關數據表明，與一輛傳統汽車中半導體器件的成本大約為500美元截然不同的是，一輛完全由軟件定義的電動汽車中的半導體器件成本預估將達到1,500-2,000美元，是傳統汽車的3-4倍，主要來自電驅逆變器、車載充電器、DC-DC變換器和電池管理系統這四大主要電子模塊。這其中，碳化硅功率模塊/IGBT扮演著極為重要的角色，因為它可以幫助減少汽車二氧化碳排放，確保電動車的電驅和電源轉換實現最佳性能，是當下毫無爭議的熱點。

意法半導體(ST)汽車和分立器件產品部(ADG)戰略業務拓展負責人Luca Sarica表示，ST為此擴大了12英寸晶圓產能和寬禁帶技術產能，包括2022年7月宣布和格芯在法國建立300mm新廠推進FD-SOI生態系統建設；10月宣布在意大利建立碳化硅襯底綜合制造廠等，預計2023年實現8英寸SiC晶圓量產，到2025年SiC產能再提高2倍。

來自英飛凌方面的消息則顯示，2021年9月，英飛凌宣布位于奧地利菲拉赫的300毫米薄晶圓功率半導體芯片工廠正式啟動運營；2022年2月，該公司宣布斥資逾20億歐元，在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區用于生產碳化硅和氮化鎵功率半導體產品；2023年2月，英飛凌又與Resonac Corporation(原昭和電工)簽署了全新的SiC多年期供應和合作協議。協議顯示，未來十年內，在英飛凌用于生產SiC半導體的SiC材料中，由Resonac供應的材料約占兩位數的份額。

安森美總裁兼首席執行官(CEO) Hassane El-Khoury此前在接受《國際電子商情》采訪時就曾指出，2022-2023年公司的資本支出將占總收入的15%-20%，在這些支出當中，有75%-80%將用于SiC的產能擴張。

根據規劃，通過與客戶群簽訂長期供應協議，安森美在未來3年預計可以實現40億美元的SiC收入，這意味著2022年該公司的SiC收入比2021年增加了兩倍，并有望在2023年實現超過10億美元的收入。

早在2021年11月，安森美就宣布收購SiC晶圓襯底供應商GTAT，旨在增強自身SiC的供應能力。而在更早之前的2019年，安森美還與科銳(Cree)簽署了SiC晶圓多年長期供應協議。此外，在投資擴產政策的支持下，2022年8月，安森美位于美國新罕布什爾州哈德遜的SiC工廠落成，該基地促使安森美截至2022年底的SiC晶圓產能同比增加五倍；9月，安森美宣布擴建位于捷克共和國Roznov的SiC工廠，預計在未來兩年內，這一擴建將使該基地的SiC產能提高16倍。

SiC的“敦刻爾克時刻”？

正當業界都在為SiC市場的蓬勃發展歡呼雀躍之時，2023年3月1日，特斯拉負責動力系統工程的總裁Colin Campbell卻在其投資者大會上表示，“碳化硅是一種‘了不起的半導體’，但碳化硅很昂貴，真的很難擴大規模，因此在汽車中減少使用碳化硅是我們的一大勝利。”("Silicon carbide is an amazing semiconductor, but it's also expensive and it's really hard to scale. So using less of it is a big one for us.")

特斯拉有自己的考慮，尤其是在成本方面。

2022年，Model 3的成本已降低了30%，但特斯拉希望將下一代汽車的生產成本再降50%，驅動單元的成本則是其中的關鍵一環。具體而言，特斯拉下一代動力總成將減少75%的碳化硅用量，占板面積減少50%，總成本將比當前一代減少1,000美元，但不會損害汽車的性能或效率。

這樣的表態無疑是給了想要憑借電動汽車得到大發展的SiC市場一記重拳，有媒體甚至將其形容為開啟“核打擊”模式、迎來“敦刻爾克時刻”。消息一出，相關概念股也受到影響而大跌。

外界都在猜測，特斯拉下一代汽車將采用何種技術路線，才能如此大幅降低碳化硅用量，但目前尚無定論。一個頗具代表性的觀點是：有分析機構認為，特斯拉很可能采用混合解決方案——溝槽碳化硅MOS與硅基IGBT配對。該機構分析指出，如果如此，這意味著，2025年用于電動車主驅的碳化硅MOSFET市場空間，可能比市場預期低20%-30%，即從30-33億美元降至25億美元。這可能源于每輛電動汽車的碳化硅價值量降低30%-40%，但滲透率會更高(2025年滲透率超過60%，而之前估計為40%-45%)。

由此帶來的連鎖效應是：由于2025年電動汽車中碳化硅的價值量減少，2025年6英寸SiC晶圓和4英寸/6英寸襯底的需求量可能低于預期，2025/2026年全球碳化硅襯底供需比將達到130%-150%，明顯供過于求。

但也有行業人士表示，如果特斯拉通過電機革新、提高芯片功率密度、創新封裝技術、 提高母線電壓、改進電驅系統等措施，來降低全碳化硅動力總成的成本，這對SiC產業不是利空而是利好，為SiC在更大范圍內取代硅基IGBT創造了更好的條件。如此一來，SiC在電動汽車的使用會從高中端乘用車向低端乘用車下探，從乘用車向商用車及特種車發展，在碳化硅的產業鏈和價值鏈中，芯片制造及封裝的價值份額會提高。

但無論外界如何猜測，相信特斯拉不會放棄碳化硅的人還是占了大多數。畢竟他們的態度之一就是“通過進一步的優化功率模塊設計，實現碳化硅器件用量的減少。”如果不看好碳化硅，特斯拉完全沒必要這么做，更不必在投資者日上來公開宣布。另一方面，SiC取代硅基IGBT是不可逆的趨勢，尤其是在800V充電架構之下，硅基IGBT已經達到性能的極限，很難滿足主驅逆變器的技術需求。

每一項新的技術從試用到使用，再到大規模商用，都要經過一段很長的時間，這里面既有技術的成熟度原因，也有產品的成本和供應原因。理論上而言，隨著各種碳化硅項目紛紛上馬、上游供應量提升、在更多領域得以應用，碳化硅產品的使用門檻應該將會有所降低。

但并不是所有的應用都需要碳化硅的這些特性，畢竟現階段SiC器件的價格確實比傳統硅器件貴很多。當前，比較適合SiC的光伏發電、電動汽車和充電樁應用，算是邁出了從傳統硅器件轉向碳化硅器件的第一步，至于其它行業是否會跟進，還要通過更長時間來檢驗，同時也有賴于碳化硅器件成本的下降速度。

多管齊下

其實，近期市場上還出現了另一個值得關注的現象，筆者將其稱之為“寬禁帶半導體行業的左右互搏”，尤其以氮化鎵龍頭企業納微(Navitas)半導體宣布收購碳化硅企業GeneSiC和英飛凌收購GaN Systems(氮化鎵系統公司)最具代表性。

Navitas“GaN+SiC”雙引擎戰略

2022年8月，納微正式并購GeneSiC公司，構建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導體雙引擎戰略。此后，該公司還并購了VDD TECH公司，并于今年1月與廣東希荻微電子達成協議，獲得希荻微擁有并經授權使用的與硅控制器相關技術許可。至此，納微實現了對電壓等級40V到6,500V，功率等級20/30瓦到兆瓦級應用場景的全覆蓋。

納微半導體副總裁兼中國區總經理查瑩杰透露的數據顯示，截至2022年5月，納微GaNFast芯片出貨量超過7千萬顆，交付周期6-16周，產能會在2023年再擴充3倍；而GeneSiC產品發貨量則超過800萬顆，排名進入全球前8，交付周期16-26周，預計產能會在今年擴增5倍。

電動汽車、光伏和儲能系統、數據中心服務器電源是GaNFast/GeneSiC的主要應用場景。以數據中心為例，如果將鉑金電源全部升級為鈦金電源，整個中國數據中心市場可以提升1.8%的電源效率，節電50億度，相當于減少50萬噸二氧化碳排放，或是2萬噸標準煤的使用，這還僅是在單一AC-DC電源通過使用第三代半導體后做出的貢獻。

納微半導體新能源汽車應用中心總監孫浩認為，“SiC具備的高壓、高結溫特性，使得它在800V主驅系統中產生的價值是其他功率器件所不可替代的。“ 換言之，主機廠對于SiC在主驅性能、續航里程提升，以及更大功率系統在高端車型中的應用，是認可并愿意買單的。

而對于GaN大規模上車的時間點，孫浩預計會在未來2年內。他分析稱，主機廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因為氮化鎵在高頻應用上具備優勢，可以在確保產品性能的同時，實現產品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關心地方。受制于工藝限制，GaN當前仍主要集中應用于650伏左右的中低壓領域，但在一些特定車型的主驅應用(200V-300V，功率30kW以下)中也有應用。

與ST、安森美、英飛凌等IDM廠商不同，納微半導體在SiC上選擇了更加靈活的商業模式，與包括X-FAB在內的12家以上的伙伴展開了合作，以確保產能和交付能力。據查瑩杰透露，當前碳化硅行業的瓶頸仍然是在襯底側，不但占據總成本的45%-50%，還要考慮良率、缺陷、封裝、器件設計等多個要素，需要整個產業鏈共同努力解決。

英飛凌收購GaN Systems

英飛凌和GaN Systems在今年3月2日聯合宣布，雙方已簽署最終協議。根據該協議，英飛凌將斥資8.3億美元收購總部位于加拿大渥太華的GaN Systems公司。通過此次收購，英飛凌將同時擁有硅、碳化硅和氮化鎵三種主要的功率半導體技術。

英飛凌首席執行官Jochen Hanebeck在談及此次收購時稱，“氮化鎵技術在移動充電、數據中心電源、家用太陽能逆變器和電動汽車車載充電器等領域的應用正處于關鍵拐點，氮化鎵技術為打造更加低碳節能的解決方案掃清了障礙，有助于推動低碳化進程。“

作為一種寬禁帶半導體材料，GaN通過更高的功率密度、更高的效率和更小的尺寸為客戶提供價值，尤其是在更高的開關頻率下。這些特性可實現節能和更小的外形尺寸，使GaN 適合廣泛的應用。

從可持續性和盈利能力角度來看，使用GaN半導體將同時通過提高數據中心的數據密度來增加企業收入，并減輕對環境的影響。此外，隨著可再生能源大規模收集、儲存和使用技術的大規模推廣，太陽能發電系統將需要更節能的電源逆變器、DC-DC轉換器和能量密集型存儲，GaN技術將成為該解決方案的核心。

市場研究公司Yole預測，GaN功率器件市場將從2021年的1.26億美元增長到2027 年20億美元，復合年均增長率(CAGR)高達59%，消費電源、數據通信/電信和汽車將成為氮化鎵市場的主要推動力。

圖1：2021-2027年按應用劃分的GaN功率器件市場規模細分 制圖：國際電子商情 數據來源：Yole Group

GaN快速充電器在手機市場的迅速增長正變得毫無爭議。借助GaN，智能手機制造商可以制造外殼尺寸更小且性價比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度導致每瓦成本更低——三星的45W Si快速充電器的功率密度為0.55W/cm3，而其45W基于GaN的充電器擁有0.76W/cm3的功率密度，占板面積縮小了近30%。

接下來，智能手機快速充電器高于75W的目標功率新趨勢，可能會在不久的將來推動智能手機OEM對GaN的采用。大多數國家超過75W的功率需要功率因數校正(PFC)電路，這需要使用更多的GaN器件。到2027年，消費級GaN功率器件市場的價值將超過9.1億美元，2021-2027年復合年增長率為52%。

而在數據通信/電信行業，隨著數據中心每三到五年更新一次硬件，加上生效的歐盟生態設計Lot 9效率監管要求，GaN將有機會在機架式電源和服務器中的獨立冗余電源中取代硅。同時，新標準也將加速電源向更高效率和更小外形尺寸的轉變。例如開放計算機項目(OCP)為服務器電源定義了一個新的標準外形尺寸M-CRPS，可將尺寸減小 30%。傳統的硅MOSFET將難以滿足這一標準，而GaN在這方面表現出色。據Yole預計，數據通信/電信市場的GaN功率器件市場規模將在2027年達到6.18億美元，復合年增長率為69%。

汽車市場也很值得關注。2021年車用GaN功率器件市場規模為530萬美元，但由于汽車電氣/電子架構快速發展，越來越多的原始設備制造商開始采用GaN進行生產，尤其是隨著更多400V系統設計的重要性上升，GaN半導體公司將開始看到他們在EV設計中的份額增加，800V系統的多級GaN解決方案將得到驗證。預測數據顯示，2022-2027年，該市場的復合年增長率將達99%，預計將增長至規模2.27億美元。其中，車載DC-DC轉換器和車載充電器(OBC)預計將迎來下一波增長。

Yole稱，更多的“玩家”正進入供應鏈——羅姆正在為電信/數據通信應用提供150V GaN產品；比利時的一家新的氮化鎵代工廠BelGaN最近收購了安森美位于奧德納爾德的晶圓廠；英諾賽科正在投資超過4億美元，以期到2025年將其每月1萬片8英寸晶圓的產量擴大到每月7萬片晶圓。在募資層面，Navitas在與Live Oak Acquisition Corp達成價值10.4億美元的協議后合并上市。