碳化硅器件与硅基器件的成本构成有着很大的区别,碳化硅衬底和外延成本分别占47%、23%,几乎占据了大半部分的器件成本,而硅基器件的成本有50%是在硅晶圆制造上,衬底仅占7%。换句话来说,限制碳化硅器件成本和产能的因素更偏向于上游材料。
根本原因在于,以现在的制备技术而言,碳化硅衬底制造难度高、生长周期长、良率低,对比硅晶圆而言,简直一个天一个地,只能多造几个厂或者往8英寸晶圆方向发展,用量变来引起质变。
碳化硅粉末经过长晶、加工、切割、研磨、抛光及清洗后形成衬底。而一步碳化硅晶体生长就面临加工难度高、生长速度缓慢、生产环境要求高的问题。目前主流的碳化硅长晶方法是物理气相传输法(PVT),这种方法对制造环境要求很高,需要精准控制,且生长速度很缓慢。
一般硅晶圆只需要2-3天就可长出2米的8英寸柱体,而碳化硅耗时一周只能长出2cm,“事倍功半”。
长得慢就算了,它还很娇嫩。
碳化硅衬底的加工过程主要经过切割、削薄和抛光。介于碳化硅目前的加工工艺还不成熟,传统的切割工具容易损坏晶片,使得良率比较低。碳化硅本身韧性也不够,容易在削薄过程中开裂,所以这也是一道技术活。
所有这些制造及加工工艺,同样会影响后期器件的性能,影响良率,进而影响产能、成本。以特斯拉Model 3为例,其主驱动逆变器采用了48个碳化硅MOSFET,总成本约为5000元,是硅基IGBT的3-5倍。
据Wolfspeed预测,2022年碳化硅材料的市场规模为7亿美元,器件市场规模为43亿美元。2026年碳化硅材料市场规模达到17亿美元,器件市场规模将达到89亿美元。2022到2026年,材料市场规模年均复合增长率为24.84%,超过器件市场规模的年均复合增长率。
由此可见,碳化硅衬底产能的扩大对行业的发展有极大的推动作用。
碳化硅下游应用范围广泛,包含5G通信、光伏、航空航天、新能源汽车等领域,但仅新能源汽车就会消耗掉全球大部分的碳化硅产能。
Strategy Analytics预计到2025年全球新能源汽车销量将达到2240万辆,假设每一辆新能源汽车都用上了碳化硅器件,在保守的情况下,高压平台的碳化硅需求量会在219万片,中高压平台则会到437万片。
三安光电以及市场调研机构的数据预测,2025年全球碳化硅衬底总共是282万片,其中中国达到89万片,中国以外的地区是193万片。整体来看,产能缺口将达到400万片以上。