又一半導體設備實現國產出貨！碳化硅未來需求帶來設備放量

近日，北京中電科電子裝備有限公司（以下簡稱“北京中電科”）碳化硅全自動減薄機順利交付，并批量市場銷售。

據悉，該設備是碳化硅全自動減薄機最新研發成果的集中體現，重要技術指標和性能對標國際先進水平。

碳化硅減薄機是一款用于碳化硅晶錠、襯底片或芯片背面進行減薄的設備。“碳化硅是一種非常硬的材料，因此其減薄厚度的準確測量與控制非常難把握，對于減薄機的磨削精度要求非常高。”北京中電科相關負責人介紹道，其自主研發的全自動減薄機解決了碳化硅精準減薄難題。

該機器匯集了北京中電科自主研發的核心零部件氣浮主軸與氣浮載臺、超低速亞微米級運動控制技術，晶圓厚度分區域自動控制等多項最新研發關鍵技術，不僅加工一致性好、面型精度控制能力強、效率高、損傷層小，而且易于實現自動化。


如何實現碳化硅減薄過程的穩定、精準？

北京中電科技術人員打了一個比方：比如一片φ300mm硅晶圓，初始厚度有780微米，要將其磨削至80微米甚至50微米，比頭發絲還要細，這在國內很少有設備可以實現。而這款碳化硅減薄機，利用安裝在空氣靜壓電主軸上的專用金剛石砂輪，橫向高速旋轉，縱向以亞微米的速度向下進給，磨削吸附在陶瓷吸盤上的碳化硅圓片表面，達到更平、更薄的效果。最終可以實現碳化硅晶圓100微米以下的超精密磨削，領先國內水平，與國際水平相當。

“鐵杵成針”！一直以來，北京中電科深耕半導體襯底材料、晶圓制造、半導體器件、先進封裝、MEMS等領域的超精密研削加工技術，以更平、更薄、更可靠為技術導向，開發了技術領先、性能優越和工藝穩定的碳化硅減薄機，為碳化硅材料及器件減薄加工提供了成套工藝解決方案和設備。在新能源汽車、光伏儲能、智能電網等應用領域，北京中電科突破高剛度空氣靜壓電主軸、高精度低熱膨脹氣浮載臺、亞微米進給系統等多項關鍵技術，貫通碳化硅襯底、外延、芯片、模塊全產業鏈量產平臺，實現新能源汽車、光伏、智能電網等領域碳化硅減薄機批量供貨，有力保障碳化硅功率器件供應鏈安全，支撐產業鏈向高端躍升。

“下一步，北京中電科將面向國家重大戰略需求，聚焦汽車芯片等領域，繼續完善產品譜系、拓展產品類型，實現核心零部件的產業化銷售，全力提升碳化硅減薄機產能，進一步推進新能源汽車用碳化硅減薄機關鍵核心技術攻關及產業化應用，把擁有自主可控核心技術的國產集成電路裝備做大做強。”北京中電科相關負責人說。


企業紛紛布局，碳化硅加速產業化

碳化硅是新型電力系統——特高壓電網必需的可達萬伏千安等級的唯一功率半導體材料，同時也是高鐵和新能源汽車牽引、電控系統的“心臟”，可使高鐵動力系統體積、重量減小20％，損耗降低20％；新能源汽車電控系統體積重量減少80%，電能轉換效率提升20%。氮化鎵則是目前能同時實現高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級換代、6G通信基站優先布局、軍用雷達性能得以提高的關鍵材料。

據不完全統計，2022年美國、英國、意大利、新加坡、日本、法國等國家新布局21個第三代半導體公共研發項目，金額超12.6億美元。涉及材料、外延、器件、系統等各環節，突出8英寸碳化硅襯底和晶圓制造、車用800V電壓平臺的碳化硅功率器件及電控系統等。

在新能源汽車、光伏、儲能等需求帶動下，第三代半導體產業高速發展，2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場規模約23.7億美元。

從國際應用范圍來看，碳化硅主要應用于新能源汽車、智能電網領域。碳化硅單晶襯底方面，目前半絕緣型襯底以4英寸為主，導電型襯底以6英寸為主，8英寸導電型、半絕緣型襯底已開發出樣品。面向車用的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模塊是企業當前開發的重點。氮化鎵則主要應用于消費類電子市場。氮化鎵襯底以2至4英寸為主，日本住友化學、三菱化學占全球85%市場份額，商業化的氮化鎵同質外延仍以2英寸為主，3英寸處于研發階段。藍寶石基氮化鎵外延材料應用以LED為主，LED芯片市場占光電市場90%以上，植物照明、車用和顯示屏應用市場均呈現較大幅度擴展，主要器件企業包括日亞化學、歐司朗、三星等；硅基氮化鎵外延材料主要應用于消費類電子、新能源汽車等領域，商業化產品以6至8英寸為主，12英寸產品已開發正推進規模化應用，主要企業包括英飛凌、安森美、意法半導體、松下等。

從國際技術發展水平來看，碳化硅方面，8英寸襯底開始產業化，車規級功率器件是當前開發重點，多家廠商已推出大功率模組及高溫封裝產品，碳化硅器件正向耐受更高電壓、更高電流密度、更低導通壓降、更高開關頻率方向發展。目前商業化SiC MOSFET產品電壓集中在650V、1200V、1700V，部分新品耐壓等級已提高至2000V，越來越多應用于牽引主逆變器、車載充電機以及高低壓DC-DC轉換器中。氮化鎵方面，國際上已制備出6英寸單晶襯底，功率器件向小型化、高功率密度、耐輻照方向發展，耐壓1200V的商業化產品和垂直型功率器件已實現小批量供貨。以氮化鎵射頻為例，2022年美國Integra公司宣布100V氮化鎵射頻器件開始出貨，意法半導體和美國Macom公司已生產出硅基氮化鎵原型，多家企業推出氮化鎵毫米波產品。

從裝備和輔材發展來看，一方面，8英寸碳化硅設備有望帶動產業鏈成本下降。2022年德國愛思強股份有限公司發布8英寸碳化硅外延設備，相比競爭對手有10%至15%的成本優勢，預計2023年推動成本下降25%。另一方面，耐高溫材料、高效散熱材料開發速度加快。日本田村公司已開發出用于第三代半導體器件的無鉛焊料接合材料，計劃2023年實現量產。

面對不穩定不確定的外部環境，第三代半導體始終保持高速發展態勢。以車用為首的下游市場將進入高速增長期，上游晶圓供不應求，未來幾年8英寸技術將推動產品性能不斷提升、成本逐步下降，國產材料和芯片在客戶端的認可度不斷提高。


國內外襯底廠商放量在即，帶來巨大設備空間

根據產能梳理，我們預計至 2026年碳化硅襯底名義產能達 839.2 萬片， 對應設備總市場空間 251.8 億元，當年市場空間 48.0 億元。2023-2026 年，預計國外龍頭企業 Wolfspeed、Coherent 有望憑借先發優勢，碳化硅 襯底產能將率先突破百萬片；國內廠商也在陸續擴產，其中東尼電子、 天科合達產能擴張較快。根據 Yole 市場空間預測數據，2026 年全球導 電型碳化硅襯底市場規模約占襯底總市場規模的78.9%,假設襯底良率為 60%，我們折算出 2026 年導電型襯底有效產能約為 397.3 萬片，相比于 455.7 萬片的需求，仍存在約 58.4 萬片的有效供給缺口，對應約 29.2 億 元設備投資空間。

碳化硅晶圓和器件的制備基本工藝流程同硅基半導體基本一致，但部分工藝段使用專用設備，部分需要在硅設備基礎上加以改進。根據我們梳理，目前長晶設備已基本實現國產化，其他各工藝環節設備國產化率在0％-20％之間。國產替代空間廣闊。集成電路產業鏈自主可控是國家多次強調的大趨勢，伴隨《關于做好2023年中央企業投資管理進一步擴大有效投資有關事項的通知》等一批積極的政策出臺，碳化硅設備將加快國產化步伐。

襯底環節是碳化硅器件制造中最核心、最困難的環節。碳化硅襯底價格高是制約碳化硅應用落地的主要原因。由于切片環節良率較低，切拋磨環節約占襯底總成本的2/3，切磨拋設備是襯底加工最核心的設備，國產化率約20％。

根據我們測算，預計2025年中國車用6英寸SiC晶圓拋磨設備市場空間約為50.9億元。在器件封裝環節，由于納米銀燒結工藝具備可實現高溫服役、高熱導率、高導電率、高可靠性幾大優勢，契合三代半導體封裝需求，納米銀燒結設備成為碳化硅封裝固化工藝的最核心設備，截至2022年未實現國產化。根據我們測算，預計2025年國內納米銀燒結設備市場規模為30億元。