提升電動車續航4%的第三代半導體 - SiC碳化矽產業介紹 | 市場動態 | 美股探路客

第三代半導體材料碳化矽(SiC)較傳統矽(Si)晶片減少50%電能轉換損耗、降低20%的電源轉換系統成本,還能提升電動車4%的續航能力!


電動車、5G兩大產業已經成為半導體產業持續成長的主要驅動力,傳統的矽晶圓材料已經無法滿足更高功率、高轉換效率、高頻率的需求,過去汽車是否省油,是由引擎決定,未來電動車要如何省電,則是由第3代半導體的SiC技術決定

作為科技公司造車、顛覆市場的領頭羊,特斯拉Tesla在2018年就領先全球車企採用了SiC的功率半導體元件技術,創造出領先的續航、超充實力。

第三代半導體材料SiC、GaN開始從過去利基市場,正走向主要的舞台,對於半導體產業關注的投資人是不得不關注、了解的方向,也可以從中發掘值得投資的大成長標的。

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▲第三代半導體SiC碳化矽技術對電動車續航、充電效能有巨大的影響 - 圖片來源Cree, Inc.

碳化矽的市場前景 - 2025年成長五倍到25億美金


繼Tesla之後,三年後的今天,眾多車廠終於開始積極的跟進,預計SiC市場將從2019年的5.4億美金,在5年內成長5倍到25億美金,也吸引了眾多汽車半導體大廠積極投入。

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▲碳化矽市場預估 - 資料來源:Yole Developpement

第三代半導體材料種類與應用


  • 碳化矽(SiC):適合超高功率、高電能轉換效率應用,如電動車、充電樁、綠能發電、工業設備等
  • 氮化鎵(GaN):適合高頻率、低功耗、高功率應用,如5G基地台、手機功率放大器、手機快充充電器等
本文先介紹碳化矽(SiC),GaN另外再專文介紹。

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第三代半導體材料SiC、GaN適合應用領域

以應用區分的市場成長性


最主要應用在節能減碳的電動車、充電基礎設施、太陽能、能源儲存等綠能產業,符合美國拜登政府接下來4年的主要政策方向:
  • 最大的市場在電動車EV,38%年複合成長 - 逆變器(Inverter)、車充(OBC, On-Boarder Charger)
  • 次大為太陽能光伏及能源儲存市場,年複合成長17%
  • 第三大為電動車充電樁、基建領域xEV Infrastructure,年複合成長90%!(拜登政府3/31宣布,將在美國投資建置50萬個充電樁

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▲碳化矽市場預估 - 資料來源:Yole Developpement

為什麼碳化矽成為關注的焦點?


相較傳統矽(Si)晶片,碳化矽(SiC)可以減少50%電能轉換損耗,因此可以提升電動車續航4%,還能降低20%的電源轉換系統成本。
  • 更寬的能隙 - 提供更高的耐電壓、電流能力
  • 更薄的耐受電壓隔離層 - 更低的導通電阻 
  • 更高的電子遷移率 - 更快速的切換
  • 晶片更薄、3倍於矽的導熱係數 - 更好的散熱性能 

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▲碳化矽與矽的性能比較 - 資料來源:Cree

SiC晶片耐受電壓層厚度只需Si晶片的1/10,提供高轉換效率,寬能隙材料特性提供更高的崩潰電壓,適合高壓電源轉換。

如果要轉換約1000伏特以上的高電壓,只有SiC能達到要求;換句話說,在電動車快速充電、綠能發電、大型的電動船,SiC都能做得更有效率。

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▲資料來源:Cree, Inc.

主要產品型態


  • SiC晶圓基板
  • SiC裸晶
  • SiC功率元件、模組 - 蕭基二極體(Schottky diode)、場效電晶體(MOSFET)

在電動車領域,廠商的商業模式有:

  • 從晶圓向下垂直整合到提供元件給車廠、一級供應商:Rohm羅姆、Cree/Wolfspeed
  • 提供SiC基板但向下垂直整合擴展 - II-VI
  • 半導體元件製造商提供元件給車廠、一級供應商:Infineon英飛凌、On Semi安森美、STMicro意法半導體
  • 車廠、一級供應商自己投入開發元件:BYD比亞迪、Bosch
可見業內大幅看好SiC的成長趨勢,從產業鏈上、下游都動起來,希望抓住這塊大餅。

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主要廠商動態


  • 日本Rohm:全球第一家商品化SiC功率模組的公司,宣布在2024年之前將增加碳化矽產能16倍,並投資8吋SiC晶圓廠;
  • 美國Cree:2019年,德國福斯集團宣布與Cree獨家合作發展碳化矽技術,同年Cree也宣布投資10億美元,興建全球第一條8吋的SiC晶圓廠;
  • 美國II-VI:2020年透過取得GE公司專利的授權進入SiC功率產品的開發
  • 意法半導體:2018開始供應Tesla逆變器用的SiC模組,2019年宣布與雷諾-日產-三菱汽車結盟,供應電動車所需的碳化矽晶片;
  • Infineon英飛凌:2018年11月以1.24億歐元收購SiC領域廠商Siltectra,推出一系列CoolSiC產品
  • 比亞迪:2020年12月宣布計畫在2021年自建SiC生產線,建立包含晶片設計、晶圓製程完整能力,比亞迪在SiC MOSFET、Si的IGBT產品已經分別進入第三代、第五代
  • 台灣瀚薪科技:2013年工研院團隊成立、漢民投資,據媒體報導因長期未獲利,加上技術無法突破,無法取得後續資金,經營困難只好解散公司,但已經變成中資,技術流至對岸另起爐灶(這是在台灣長期開發核心技術公司常見的困境,相比美國、大陸看的更遠,不斷支持基礎核心技術開發的後果...)
  • 中國隨著第三代半導體材料應用觸角向5G基地台、特高壓、城際高鐵交通、新能源充電樁等關鍵領域,定位為國家2030規劃和十四五國家研發計畫,視為半導體產業彎道超車的機會。

第三代半導體的迷思


SiC和GaN雖然稱為第三代半導體,但最大功用在功率半導體元件,並無法完全取代傳統的Si,SiC其實在1890年代就開發出來,但其晶圓材料製造技術要求極高。

以同樣6吋的晶圓而言,SiC的價格就大約是Si的五十倍,因此SiC功率元件的成本結構中,晶圓基板(substrate)往往會佔近一半成本

從產業鏈的角度來看,SiC 及GaN在單晶、磊晶、元件設計、晶圓製作甚至應用端,彼此間存在著密不可分的唇齒關係,因此要做到完全垂直分工的產業鏈,是件艱鉅的挑戰。

目前,國際大廠如Cree、Rohm為極少數已經掌握從長晶、晶圓基板到功率元件製造的完整技術

台灣則目前多只能做中下游的磊晶跟元件,因為SiC的磊晶、元件製程與Si相似,因此可利用現有Si晶圓製作的生產線加以改裝。

著眼於SiC在電動車市場的高成長,2021年2月國際權威的Compound Semiconductor網站甚至稱SiC正在走EV/HEV(電動車/混合電動車)的紅地毯。

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▲功率半導體元件受惠於電動車產業的高速成長

投資機會


目前All in第三代半導體技術的上市公司就是美國的Cree, Inc.,股票代碼CREE。

過去Cree有基於SiC基板的三大業務:LED、照明、SiC和GaN的功率半導體,2019年3月已經將照明事業出售,2020年10月也宣布將LED事業出售,並計畫將公司改名為Wolfspeed,全力專注第三代功率半導體事業。

Cree是全球少數從SiC晶棒到功率元件生產的垂直整合公司,另一家Rohm則在2009年收購歐洲最大的SiC單晶晶圓製造商SiCrystal,建立垂直整合能力。

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▲Cree在SiC領域的垂直整合能力


Cree目前已經與ST、Infineon、On Semiconductor等汽車半導體領域巨頭公司簽約供應SiC晶圓基板合約,可見其在SiC領域的領導地位,公司也已經大舉投資全球第一個8吋SiC晶圓廠,公司的未來發展值得美股投資人密切關注!

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▲Cree近期簽訂的SiC晶圆基板供貨合約

文章出處:美股探路客
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