西線無戰事，碳化硅五巨頭的硝煙_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2022-05-30 23:13
毋庸置疑，碳化硅已經成為了半導體行業，特別是功率半導體細分市場的那個“遠方”。行業老對手和新玩家紛紛湧入，加倍下注（double down）這個新興市場。其中不但有射頻大廠Qorvo跨界收購UnitedSiC，還有三安、露笑等投資百億試圖趕超。如火如荼的場景不禁讓人聯想到百年前列強簽訂《五國關於限制海軍軍備條約》前的場景。
前有美英法意日五大強國的海軍博弈，今有意（法半導體 STMicroelectronics）、英（飛凌科技 Infineon）、美（國Wolfspeed）、日（本羅姆 Rohm）和安（森美 onsemi）在碳化硅市場爭奪戰中完成歷史的輪迴——這五家供應商佔據了2021年碳化硅功率器件市場份額的88%。
然而五巨頭對現狀依然充滿敬畏，在這個逆水行舟的市場中，分別祭出了各自的“Z計劃”和“八八艦隊規劃”，嘗試在已有項目、客户資源、產品技術和製造產能等多方面超越競爭對手，下面就讓我們盤點這五巨頭的籌碼和底牌。
（來源：Yole，01芯聞整理）
意法半導體 STMicroelectronics
根據意法半導體在近期財報中透露的最新數據，截止2022財年第1季度，公司碳化硅產品已經在75個客户的98個項目中送樣測試，其中工業應用和電動汽車應用各佔一半。同時意法宣佈在這個季度獲得了多個Design-win, 包括與德國模塊大廠賽米控（Semikron）簽署了一項為期4年的技術合作，由意法提供碳化硅芯片，賽米控提供封裝技術，共同開發針對電動汽車的eMPACK功率模塊。該模塊已被一家德國整車廠選用，預計2025年開始大規模採購，合同金額在10億歐元左右。
根據當前的項目和訂單儲備，意法預計2022年來自碳化硅產品的營收在7億美元左右，而這一數字在2024年將達到10億美元。目前採用意法碳化硅產品的整車廠客户首推特斯拉，自Model 3車型以來就開始採用意法提供的TPAK碳化硅模塊，這也成為碳化硅上車並實現規模化運用的標誌性事件。另外，去年底開始交付的豪華電動車Lucid Air也是採用意法的碳化硅模塊。
考慮到意法在碳化硅市場的地位，筆者認為意法對未來業務增長的預期略顯保守，與其他幾個碳化硅主要供應商相比增幅並不大。猜測主要原因是意法現有碳化硅產能已經綁定了頭號客户特斯拉，因此在新產能上線前，意法能做的事並不多。
針對這一狀況，意法計劃在2022財年投入21億美元的資本金，主要目的之一便是增加碳化硅產能——一方面繼續擴容意大利西西里島卡塔尼亞的6寸碳化硅晶圓廠，另一方面投入到2022年開始運營的，位於新加坡的第二座6寸碳化硅晶圓廠。公司另將9億美元戰略投資中的一部分投入到碳化硅襯底的生產上，用於產業鏈垂直整合，在2025年實現40%的襯底需求內部供應。
同時，公司也在碳化硅研發上繼續投入相當資源。在生產技術上，意法於2021年年中宣佈其挪威分部STMicroelectronics Silicon Carbide A.B. （前身為2019年收購的Norstel A.B.）開始進行8寸碳化硅材料的實驗室製造，預計相應技術將在2025年前後成熟，並應用到規劃中的新加坡8寸碳化硅生產線中。
在芯片設計上意法繼續深挖平面設計碳化硅MOSFET的技術潛力，推出了第4代平面柵碳化硅，預計在今年第二季度量產。而之前規劃的溝槽柵設計產品則順延成為意法的第5代碳化硅MOSFET，目前應該在工程樣品測試階段，量產時間待定。
（來源：STMicroelectronics）
相比上一代產品，第4代平面柵碳化硅的性能有所進步，包括導通電阻減少15%，工作頻率增加一倍至1MHz。碳化硅芯片技術的進展再搭配意法開發的先進封裝，例如STPAK，ACEPACK SMIT/DRIVE等，為意法保持其碳化硅產品核心供應商的地位提供了重要支柱。再加上意法碳化硅TPAK在特斯拉電動車中近5年的大規模應用積累下來的海量數據，讓意法的產品在多個維度都領先眾多競爭對手——Yole Developpment的數據顯示意法2021年的市佔率為37%，即便未來羣雄割據，管理層也表示有信心佔有30%的碳化硅功率器件市場份額。
英飛凌 Infineon
這個季度英飛凌宣佈碳化硅產品線再獲Design-win, 分別為中國整車廠的電動汽車逆變器和車載充電機應用提供產品，合同總金額達到上億歐元。即使這兩個項目不能在今年貢獻顯著的營收，目前已有的碳化硅訂單也使得2022財年來自碳化硅產品的收入超過去年近一倍，衝擊3億歐元。
綜合現有Design-in和Design-win項目，公司管理層預測到2025年前後碳化硅功率器件產品線可以為公司帶來10億美元左右的營收。目前已經開始英飛凌貢獻碳化硅產品營收的客户包括現代集團，其Ioniq 5電動緊湊型休旅車採用緯湃科技Vitesco提供的800V逆變器，內部使用的碳化硅模塊即來自英飛凌。與此同時，英飛凌還是小鵬汽車的碳化硅模塊的主要提供商，用於旗艦SUV車型G9中，預計今年第3季度起正式交付。
（來源：Infineon）
雖然英飛凌的碳化硅營收增長迅猛，但是英飛凌並非通過薄利多銷的方式來擴大其碳化硅市場份額。CEO Jochen Hanebeck表示碳化硅帶來的毛利潤率反而高於車規產品事業部和工業產品事業部的平均值。這一點對英飛凌尤為重要：與德州儀器和NXP等競爭對手相比，目前英飛凌在模擬和功率半導體公司中運營利潤率處於墊底的位置，急需改變所銷售的產品構成來提供利潤率，鞏固其功率細分市場一哥的位置。
英飛凌碳化硅產品能夠定位高質高價，其原因在於起採用的溝槽碳化硅MOSFET技術的先進和成熟。雖然平面結構碳化硅MOSFET生產工藝較為簡單，柵極氧化物可靠性更高，但是在與性能相關的單位面積導通電阻和寄生電容，以及成本相關的單位電流芯片尺寸上不能比肩溝柵設計。
而英飛凌的半包溝槽結構是業界不多的幾個能夠量產上車的碳化硅溝槽結構設計（其他還包括羅姆的雙溝槽和住友的接地雙掩埋結構等）——按照公眾號“碳化硅芯片學習筆記”作者的説法，“溝槽MOS成套工藝及結構IP，是未來十年碳化硅競爭的入場券！”
（來源：SystemPlus Consulting）
英飛凌的溝槽結構碳化硅以CoolSiC作為商品名，目前已推出了兩代產品。第一代以1200V為主，目前處於量產階段。而第二代產品包括1200V和750V兩個電壓規格，相較上一代增加了25-30%的載電流能力。
在針對電動汽車開發的碳化硅模塊產品上，英飛凌着重擴充HybridPACK Drive系列產品，推出了尺寸和管腳兼容的的HybridPACK Drive CoolSiC。目的是充分利用前期HybridPACK Drive建立的業內知名度和客户資源，減少市場推廣成本，降低客户切入的壁壘。
不過為了獲得更好的性能和更緊湊的方案尺寸，第二代CoolSiC也採用了業內逐漸流行的雙面水冷封裝HybridPACK DSC，推出了全新的碳化硅塑封模塊。
（來源：英飛凌）
與同處歐洲的競爭對手意法半導體類似，英飛凌的碳化硅營收也受制於產能。因此，公司一方面從技術要產能，通過開發冷裂（Cold Split）技術減少晶錠（boule）切割過程中的材料損失，從相同的晶錠中獲得多一倍的碳化硅襯底。目前這一技術處於小批量試產中，預計2024年完全成熟。
另一方面，公司也在年初宣佈斥資逾20億歐元在馬來西亞建設第三期Kulim晶圓廠，專門用於寬禁帶半導體包括碳化硅的前道生產。新廠區計劃在今年6月開始施工，2024年夏季進行設備安裝，首批晶圓於2024年下半年開始出貨。
（來源：英飛凌）
Wolfspeed
Wolfspeed這個季度（2022財年第3季度）最大的新聞就是其位於紐約州莫霍克谷（MVF）的8寸碳化硅晶圓廠正式開始運營，預計在2023年上半年貢獻顯著營收。這座晶圓廠佔地6.3萬平方米，耗資10億美元，是目前世界上最大的碳化硅生產線。
根據公司在2021年投資者大會上公佈的信息，每片8寸晶圓上的碳化硅芯片數量將比現有的6寸晶圓增加了近90%，並且得益於先進的自動化生產設備，良率也比Wolfspeed的6寸產線提高20%-30%。
按照粗略的計算，MVF的8寸晶圓生產總成本（包括襯底和前道工藝）只要不超過Wolfspeed Durham晶圓廠6寸晶圓成本的2.5倍，MVF晶圓廠生產的碳化硅芯片成本就可以低於目前水平。而管理層對MVF晶圓廠帶來的成本優化的預期更為樂觀，認為2024財年Wolfspeed單顆碳化硅芯片成本將僅為當前的37%。
（來源：Wolfspeed）
MVF晶圓廠的運營也給Wolfspeed的產能帶來飛躍。根據投資者日上間接透露的信息計算，2022財年和2024財年的公司碳化硅襯底總產能（以8寸晶圓計）分別為每週2千3百片和3千3百片。假設這些襯底全部內部消化且只用來生產功率器件，Wolfspeed碳化硅模塊的產能理論上可以滿足2022年170萬台和2024年240萬台電動汽車的需求。
本季度除了營收同比和環比繼續保持增長外，Wolfspeed的Design-in項目金額也與上季度一樣保持高位，達到16億美元。這使得本財年迄今為止的Design-in總金額增加到38億美元，較去年同期增加一倍。
這些新增的Design-in項目中，有大約70%來自電動汽車行業，包括明星電動車企Lucid的旗艦車型Lucid Air。在意法的碳化硅模塊之外，這款高端電動汽車也將引入Wolfspeed的XM3碳化硅功率模塊。預計2023年MVF 8寸線能夠穩定量產後，Lucid也將使用內含MVF碳化硅芯片的XM3模塊用於Lucid Air及後續車型。因此，Lucid首席工程師、產品資深副總Eric Bach在MVF晶圓廠開業典禮時作為客户代表致辭，也是為了能夠儘快拿到MVF晶圓廠的量產芯片。
（來源：Lucid，Wolfspeed）
如果將時間拉長到過去三年，Wolfspeed累積的Design-in金額在87億美元這個驚人的水平，其中包括大眾集團“未來汽車供應路線（FAST）”計劃和通用汽車奧騰能平台項目。另外，市場也傳言戴姆勒集團和奧迪的下一代E-tron車型也選擇了Wolfspeed的產品。
本季度管理層表示已經有45%的Design-in即40億美元轉化為Design-win，這意味着Design-win對應的客户已經開始實際批量採購Wolfspeed的碳化硅芯片，且至少佔預期第一年數量的20%。
按照公司預估的2024財年15億美元營收目標，這也需要差不多3年時間才能滿足已有的客户需求，因此產能不足造成的訂單積壓仍然是一大挑戰。考慮到這個情況，管理層把擴充碳化硅襯底和器件製造產能依舊作為公司的首要工作。
舉措之一就是在本季度財報電話會議中，Wolfspeed宣佈公司已經開始着手第二座8寸碳化硅晶圓廠的籌備工作，比之前的規劃大大提前。CEO Gregg Lowe透露新晶圓廠較MVF規模更大，並且美國聯邦和州政府依然將提供大力支持，更多信息會在今年底釋出。另外，第三座襯底工廠的建設也在考慮中，以滿足內部和外部襯底客户的需求。
Wolfspeed的碳化硅MOSFET採用平面設計，目前處於第3代（Gen 3），涵蓋650V到1200V之間的多個電壓規格。與之前兩代產品相比，Gen 3 平面MOSFET採用六邊形晶胞微觀設計，650V Gen 3和1200V Gen 3+的單位面積導通電阻分別為2.3 mΩ·cm2和2.7 mΩ·cm2，較上一代Strip Cell減少了16%。
（一個有趣的對比是，另一家碳化硅MOSFET大廠安森美的技術升級路線與Wolfspeed正好相反，其第一代平面產品M1採用Hex Cell設計，但是在後面的M3中改為Strip Cell，性能提高的幅度也是16%，有待考證為何雙方矛盾的技術升級卻得到了相同的結果）
（來源：Wolfspeed）
一份較早的資料中Wolfspeed提到其Gen 3碳化硅MOSFET已經到達了平面設計的實際性能極限，下一代產品將是溝槽柵設計。目前Wolfspeed的Gen 4 溝槽柵仍在開發中，具體量產時間還沒有透露。
不過，作為一家在碳化硅行業中浸淫了超過30年的企業，Wolfspeed及其前身Cree在1991年就推出了第一片量產碳化硅襯底。深厚的經驗積累和歷史沉澱讓Wolfspeed的碳化硅襯底性能和質量獨佔鰲頭，就連意法、英飛凌和安森美等同行業競爭對手不得不花費上億美元向其採購。因此，Wolfspeed的碳化硅產品獲得了至關重要的先發優勢，成為了整個碳化硅行業的風向標。
（來源：wolfspeed）
羅姆 Rohm
羅姆作為一家在東京證卷交易所上市的科技企業，其投資者關係網站上提供的英文資料有限。但是從能夠找到的資料中，可以看到公司對其碳化硅業餘也是極具信心——管理層預測2025財年碳化硅產品營收將超過1000億日元（7.7億美元），而目前已挖掘出來的市場機會則超過8400億日元（65億美元）。
這些財務和業務目標來自羅姆積極的產業佈局。公司已經與國際多家客户建立了緊密的聯繫，合作項目帶來的預期營收就佔到總營收目標的20%-30%。
僅在中國，羅姆就與正海集團成立主營碳化硅功率模塊設計和製造業務的合資企業海姆希科。同時，與整車廠吉利汽車，以及國內汽車行業知名一級供應商聯合電子UAES分別成為戰略伙伴關係或首選供應商。另外，也與聯合電子和專注新能源汽車動力解決方案的初創企業臻驅Leadrive成立聯合實驗室或者聯合研發中心。
（來源：Rohm）
當然，野望需要有匹配的實力才能實現。羅姆已經規劃在2021年至2025年的5年間，投入1200億至1700億日元（10億-13億美元）的資金，將碳化硅產能擴充至少6倍。這些投資現在已看到部分成果，包括在今年初完成了日本筑後市 Apollo 工廠新大樓的建設，從而提高了 SiC 芯片產能。
大量投資也湧入了羅姆2010年收購的SiCrystal。這家碳化硅襯底供應商的中期目標是每年生產數十萬片碳化硅襯底，實現上億美元的營收。同時，SiCrystal也在探索8英寸襯底生產的可能性，目前已經開始驗證工作，預計2023年批量生產。
在碳化硅器件技術方面羅姆也處於領先地位。2010 年公司就開始量產首款碳化硅MOSFET，與之後推出的第2代產品都採用平面柵極設計。2015年羅姆又領先競爭對手，率先量產雙溝槽結構的第3代產品。
（來源：Rohm）
2020 年更進一步，推出了針對電動汽車優化的第 4 代 1200V碳化硅MOSFET，在不降低短路耐受時間的情況下，通過改進雙溝槽結構設計，比第3代產品降低了40%的導通電阻。同時，通過降低柵漏電容（Cgd），使得開關損耗減少了至多50%。綜合來看，第4代產品獲得了更好的FOM（品質因數，Figure of Merit）。羅姆預測第4代碳化硅MOSFET從今年起在其銷售構成中的佔比逐漸增加，直至2024-2025年成為銷售主力。
與其他尚在挑戰首款量產溝槽柵產品的競爭對手相比，羅姆已領先數個身位，第5代產品正在開發中，預計比上一代產品減低30%的單位面積導通電阻，計劃於2025年量產。不止於此，第6代碳化硅MOSFET也出現在技術路線圖的遠景規劃中，將於2028年量產。
安森美 onsemi
安森美在2022年第1季度繼續保持強勁增長，毛利潤率也達到了近50%的歷史新高，處於公司成立以來的高光時期。碳化硅產品的業績貢獻雖然佔比還比較小，但是增長動量十足——安森美與客户簽訂的未來三年長期供應協議（LTSA）總金額已達到26億美元，其中有超過20億美元來自電動汽車動力總成對碳化硅模塊的需求，包括蔚來汽車和特斯拉。
（來源：onsemi，蔚來汽車）
CEO Hassan El-Khoury表示這些承諾訂單將從2022年下半年起開始批量履約，推動碳化硅產品線在2022年的營收較上一年增加超過一倍，並在2023年為安森美貢獻10億美元的銷售額。
不過與英飛凌不同的是，管理層透露2022年下半年至2023年上半年期間碳化硅產品的利潤率將低於公司平均水平。這歸結於之前安森美尚未規模供應碳化硅模塊產品，今年下半年起的產能爬坡所需的啓動成本降低了毛利潤率。
雖然安森美在五巨頭中排名末席，但是其綜合實力不可小覷，尤其是2021年第3季度通過收購襯底供應商GTAT，搭建了從碳化硅晶錠、襯底、器件生產到模塊封裝的垂直整合模式。雖然其中一些項目的技術實力與各領域領先企業還有所差距，但是整體實力卻更為均衡——與襯底龍頭Wolfspeed相比，安森美的模塊封測和量產經驗略勝一籌；與器件設計實力超羣的英飛凌相比，安森美又有來自GTAT碳化硅材料的加成。
（來源：onsemi）
安森美也看到了自身在碳化硅方面的綜合實力，把碳化硅確立為公司兩大資產投資方向之一，規劃在2022年將碳化硅襯底產能增加四倍，意圖在未來能夠自產所需的全部碳化硅襯底和外延片。
在碳化硅晶圓製造上，安森美已經在6寸晶圓上實現量產，目前推出的絕大部分產品如碳化硅MOSFET單管，光伏碳化硅模塊等均來自韓國Bucheon晶圓廠6寸線。與此同時，安森美也跟隨Wolfspeed等行業領先者的步伐，在材料方面和晶圓製造上均開始嘗試8寸碳化硅的生產。
得益於仙童半導體在碳化硅技術上的積累，安森美在收購仙童後也獲得了開發各類碳化硅產品的堅實基礎。
安森美的第1代碳化硅MOSFET技術（M1）採用平面設計，耐壓等級為1200V。之後從中衍生出900V和750V耐壓的規格，微觀結構也改為Hex Cell設計，這兩個改動相疊加使得碳化硅MOSFET的導通電阻降低了35%左右。目前安森美推出的大部分碳化硅產品均基於M1與其衍生出的M2平台。
目前最新的一代碳化硅技術（M3）仍然採用平面技術，但是改為Strip Cell設計，導通性能較上一代衍生版本再提高了16%。這一代產品將逐漸成為公司的主力車規碳化硅平台，在電壓規格上覆蓋電動汽車主流的400V和800V平台。
而安森美的下一代技術平台M4則會從平面結構升級為溝槽結構，目前已積累了大約20份相關專利。與初代碳化硅技術相比，在相同載電流的要求下可以減少相當的芯片面積。這意味着以前210kW輸出功率需要4片碳化硅芯片並聯才能實現，而M4平台預計只需要其一半面積的芯片即可。如果再加上M4平台可能採用8寸晶圓生產，預期M4的成本較之前將顯著降低。
（來源：onsemi）
根據研究機構Yole Développement最近的一份研報，碳化硅器件的主要應用場合為電動汽車，佔到總營收的近80%。而碳化硅功率模塊又是碳化硅芯片的主流封裝模式。因此，高性能大功率模塊封裝是碳化硅應用，特別是車規應用的關鍵研發領域之一。
通過IGBT模塊上的多年積累，安森美在大功率車規模塊上早有佈局，其技術涵蓋了市場上主流的兩種大功率模塊類型，一是有凝膠灌封的框架式模塊，二是整體覆蓋環氧樹脂材料的塑封式模塊。前者即是被應用於蔚來汽車ET7的功率模塊，而後者更是安森美的研發重點。
相較框架式模塊，塑封模塊可以實現更高的功率密度。同時，外形設計具有靈活性，可以根據客户的要求進行半定製或者完全定製。正是因為這些特點，再加上公司在模塊設計和量產上的成功經驗，最終讓安森美從特斯拉初獲得了TPAK模塊新增供應商的門票。
小結
碳化硅功率器件五巨頭都對未來市場發展和各自公司碳化硅產品營收增長表達了樂觀的看法，因此投入重金積極擴充碳化硅襯底和晶圓製造產能。與此同時，這些公司也積極進行技術升級，包括向8英寸製造演進，以及開發溝槽結構MOSFET，以期獲得性能提升的同時，獲得更多的單位產出和更低的成本。
不止於此，五巨頭在各自擅長的領域建立了准入壁壘，包括意法的應用經驗和封裝，Wolfspeed的8寸製造能力，英飛凌和羅姆的溝槽柵設計，以及安森美的垂直整合，意圖在未來仍然維持起行業領導者的地位。
來源：
2.www.infineon.com/cms/en/about-infineon/investor
3.investor.wolfspeed.com/overview/default.aspx
4.www.rohm.com/investor-relations
6.Yole Développement，《Power SiC 2022》
8.SystemPlus Consulting，《SiC Transistor Comparison 2020》
9.Rohm，《ROHM at PCIM 2022: New power highlights and investments in SiC production capacities》
10.onsemi，《NIO Selects High-Efficiency Silicon Carbide Traction Power Modules from onsemi》
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：寧一，謝謝。