碳化硅8英寸时代临近,中国企业加速追赶

科技电力不缺一 2024-12-09 19:05:07

碳化硅是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料之一,近20年来随着SiC材料加工技术的不断提升,其应用领域不断扩大。目前SiC芯片的制备仍然以6英寸(1英寸=25.4 mm)晶圆为主,但是行业龙头企业已经开始研发基于8英寸SiC晶圆的下一代器件和芯片。

一直在推进,尚未进入8英寸时代

尺寸越做越大,这是晶圆普遍现象。虽然从晶圆加工成本的角度而言,晶圆尺寸变大,成本随之增加;但是大尺寸晶圆可切割的裸片数量也随之更多,产量增加,综合下来芯片成本将更低。

根据Wolfspeed报告,8英寸碳化硅衬底裸片数量比6英寸提高了近90%,边缘裸片数量占比从14%降低至7%。从长期来看,8 英寸衬底从终端器件角度可大幅降低成本、提高效率。有资料显示,8英寸的单片衬底制备的器件成本能够降低30%左右。

因此,想要降低单个器件的成本,进一步扩大碳化硅衬底尺寸是主要路径。但关键是,国际上8英寸的碳化硅单晶衬底研制早有成功案例,只是市场中还未实现产品应用。早先一直在提的8英寸时代,其实并未真正来临。

表面上来看,从主流的6英寸到8英寸只是尺寸变化问题,但实际上不同尺寸对于晶体生长工艺的技术要求存在很大区别。8英寸的碳化硅单晶衬底有两大生长难点:一是扩径生长下的温场不均匀和气相原料的分布以及运输效率问题;二是切割应力加大后的出现的晶体开裂问题。

要解决这两大问题,并非易事。全球范围内,首家8英寸碳化硅晶圆制造厂是Wolfspeed,从2015年项目发布到2022年建成投产以及实现量产共历时7年。同样是在2022年,II-VI、ST、Onsemi、昭和电工、Mipox、英飞凌也在积极建厂扩产能。

与此同时,国内的8英寸碳化硅研究也取得了新进展。中国科学院物理研究所经过多年潜心研究,2021年10月在自研衬底上成功生长出了8英寸碳化硅晶体。到2022年,国内已有不少企业成功研发了8英寸的碳化硅衬底,并在加紧小批量量产研发。

规模量产脚步临近

从6英寸向8英寸扩展是碳化硅产业的一个明确发展趋势,其中最突出的优势就是成本降低。资料显示,从4英寸升级到6英寸预计单片成本可降低50%,从6英寸到8英寸成本预计还能再降低35%。TrendForce集邦咨询报告显示,碳化硅从6英寸升级到8英寸,衬底的加工成本有所增加,但可以提升芯片产量,8英寸能够生产的芯片数量约为6英寸碳化硅晶圆的1.8倍。同时,8英寸衬底厚度增加也有助于在加工时保持几何形状,减少边缘翘曲度,降低缺陷密度,提升产品良率。也就是说,采用8英寸衬底能够大幅降低单位综合成本。

当然,就目前价格来看,8英寸碳化硅晶圆成本仍然高于6英寸。但英飞凌科技高级副总裁、英飞凌科技汽车业务大中华区负责人曹彦飞指出,任何技术的发展都有一定的周期,这种周期伴随着技术的持续提升,也伴随着成本的改善。事实上,尤其碳化硅这几年在高压平台确实有非常多车企和车型采用。

此外,硅基共线也可推动晶圆制造成本的大幅降低。8英寸硅基产线能很大程度上与碳化硅产线共线,仅需要增加几种高温设备就能实现硅线向碳化硅线的转换。将已有硅产线改造为碳化硅产线(棕地建线),可大大降低建线成本。根据安森美的披露,其棕地建线成本比Wolfspeed的绿地建设成本低40%。所以现在有很多传统的做硅基功率器件的企业也在考虑将其富余的8英寸产能转换为碳化硅器件产能。

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