西線無戰(zhàn)事，碳化硅五巨頭的硝煙

發(fā)布時間：2022-06-01作者來源：薩科微瀏覽：3658

毋庸置疑，碳化硅已經成為了半導體行業(yè)，特別是功率半導體細分市場的那個“遠方”。行業(yè)老對手和新玩家紛紛涌入，加倍[敏感詞]（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《五國關于限制海軍軍備條約》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(zhàn)中完成歷史的輪回——這五家供應商占據了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(guī)劃”，嘗試在已有項目、客戶資源、產品技術和制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。

2021年碳化硅功率器件市場市占率分布情況

（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[敏感詞]數據，截止2022財年第1季度，公司碳化硅產品已經在75個客戶的98個項目中送樣測試，其中工業(yè)應用和電動汽車應用各占一半。同時意法宣布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(fā)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(guī)模采購，合同金額在10億歐元左右。

賽米控eMPACK功率模塊由三塊半橋通用構建塊組成，已與意法達成協(xié)議采用其碳化硅MOSFET芯片（來源：Semikron）

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。目前采用意法碳化硅產品的整車廠客戶首推特斯拉，自Model 3車型以來就開始采用意法提供的TPAK碳化硅模塊，這也成為碳化硅上車并實現規(guī)?；\用的標志性事件。另外，去年底開始交付的豪華電動車Lucid Air也是采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(yè)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并不大。猜測主要原因是意法現有碳化硅產能已經綁定了頭號客戶特斯拉，因此在新產能上線前，意法能做的事并不多。

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(xù)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，位于新加坡的第二座6寸碳化硅晶圓廠。公司另將9億美元戰(zhàn)略投資中的一部分投入到碳化硅襯底的生產上，用于產業(yè)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(fā)上繼續(xù)投入相當資源。在生產技術上，意法于2021年年中宣布其挪威分部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制造，預計相應技術將在2025年前后成熟，并應用到規(guī)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(xù)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(guī)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。

意法碳化硅MOSFET的產品路線圖新舊版本略有區(qū)別

（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(fā)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(guī)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年的市占率為37%，即便未來群雄割據，管理層也表示有信心占有30%的碳化硅功率器件市場份額。

英飛凌 Infineon

這個季度英飛凌宣布碳化硅產品線再獲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，沖擊3億歐元。

綜合現有Design-in和Design-win項目，公司管理層預測到2025年前后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戶包括現代集團，其Ioniq 5電動緊湊型休旅車采用緯湃科技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，用于旗艦SUV車型G9中，預計今年第3季度起正式交付。

英飛凌對碳化硅功率器件業(yè)務的財務預期

（來源：Infineon）

雖然英飛凌的碳化硅營收增長迅猛，但是英飛凌并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于車規(guī)產品事業(yè)部和工業(yè)產品事業(yè)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于墊底的位置，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，其原因在于起采用的溝槽碳化硅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(yè)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”作者的說法，“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！”

平面碳化硅MOSFET的品質因素FOM遜于溝槽柵設計

（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。[敏感詞]代以1200V為主，目前處于量產階段。而第二代產品包括1200V和750V兩個電壓規(guī)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(fā)的碳化硅模塊產品上，英飛凌著重擴充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(yè)內知名度和客戶資源，減少市場推廣成本，降低客戶切入的壁壘。

不過為了獲得更好的性能和更緊湊的方案尺寸，第二代CoolSiC也采用了業(yè)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。

英飛凌CoolSiC技術的迭代，以及對應的電壓規(guī)格和功率模塊封裝

（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于產能。因此，公司一方面從技術要產能，通過開發(fā)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。目前這一技術處于小批量試產中，預計2024年完全成熟。

另一方面，公司也在年初宣布斥資逾20億歐元在馬來西亞建設第三期Kulim晶圓廠，專門用于寬禁帶半導體包括碳化硅的前道生產。新廠區(qū)計劃在今年6月開始施工，2024年夏季進行設備安裝，首批晶圓于2024年下半年開始出貨。

英飛凌的冷裂技術可使碳化硅襯底產能翻倍

（來源：英飛凌）

Wolfspeed

Wolfspeed這個季度（2022財年第3季度）[敏感詞]的新聞就是其位于紐約州莫霍克谷（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。這座晶圓廠占地6.3萬平方米，耗資10億美元，是目前世界上[敏感詞]的碳化硅生產線。

根據公司在2021年投資者大會上公布的信息，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%，并且得益于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于目前水平。而管理層對MVF晶圓廠帶來的成本優(yōu)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%。

Wolfspeed對MVF建成后碳化硅芯片成本變化的預期，其中28%的降本來自良率提高，25%來自規(guī)模效應，另有10%來自自動化減少的人工和生產周期

（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）分別為每周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170萬臺和2024年240萬臺電動汽車的需求。

本季度除了營收同比和環(huán)比繼續(xù)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(yè)，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(wěn)定量產后，Lucid也將使用內含MVF碳化硅芯片的XM3模塊用于Lucid Air及后續(xù)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(yè)典禮時作為客戶代表致辭，也是為了能夠盡快拿到MVF晶圓廠的量產芯片。

Lucid Air的逆變器中用到了3塊Wolfspeed XM3碳化硅模塊

（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臺項目。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，這意味著Design-win對應的客戶已經開始實際批量采購Wolfspeed的碳化硅芯片，且至少占預期[敏感詞]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戶需求，因此產能不足造成的訂單積壓仍然是一大挑戰(zhàn)。考慮到這個情況，管理層把擴充碳化硅襯底和器件制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宣布公司已經開始著手第二座8寸碳化硅晶圓廠的籌備工作，比之前的規(guī)劃大大提前。CEO Gregg Lowe透露新晶圓廠較MVF規(guī)模更大，并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戶的需求。

Wolfspeed的碳化硅MOSFET采用平面設計，目前處于第3代（Gen 3），涵蓋650V到1200V之間的多個電壓規(guī)格。與之前兩代產品相比，Gen 3 平面MOSFET采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 m?·cm²和2.7 m?·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[敏感詞]代平面產品M1采用Hex Cell設計，但是在后面的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）

Wolfspeed Gen 3碳化硅MOSFET采用Hex Cell的平面技術

（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(fā)中，具體量產時間還沒有透露。

不過，作為一家在碳化硅行業(yè)中浸淫了超過30年的企業(yè)，Wolfspeed及其前身Cree在1991年就推出了[敏感詞]片量產碳化硅襯底。深厚的經驗積累和歷史沉淀讓Wolfspeed的碳化硅襯底性能和質量獨占鰲頭，就連意法、英飛凌和安森美等同行業(yè)競爭對手不得不花費上億美元向其采購。因此，Wolfspeed的碳化硅產品獲得了至關重要的先發(fā)優(yōu)勢，成為了整個碳化硅行業(yè)的風向標。

Wolfspeed 8英寸碳化硅襯底的結構質量和化學機械拋光（CMP）工藝后的表面質量都表現出色

（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(yè)，其投資者關系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(yè)余也是極具信心——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(yè)務目標來自羅姆積極的產業(yè)布局。公司已經與國際多家客戶建立了緊密的聯系，合作項目帶來的預期營收就占到總營收目標的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制造業(yè)務的合資企業(yè)海姆希科。同時，與整車廠吉利汽車，以及國內汽車行業(yè)知名一級供應商聯合電子UAES分別成為戰(zhàn)略伙伴關系或[敏感詞]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(chuàng)企業(yè)臻驅Leadrive成立聯合實驗室或者聯合研發(fā)中心。

羅姆碳化硅營收增長目標（23-26財年，對應日歷年2022年到2025年），以及目前已經公布的產業(yè)合作

（來源：Rohm）

當然，野望需要有匹配的實力才能實現。羅姆已經規(guī)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后市 Apollo 工廠新大樓的建設，從而提高了 SiC 芯片產能。

大量投資也涌入了羅姆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于領先地位。2010 年公司就開始量產[敏感詞]碳化硅MOSFET，與之后推出的第2代產品都采用平面柵極設計。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。

羅姆的碳化硅MOSFET技術路線圖，以及第4代產品的銷售占比變化

（來源：Rohm）

2020 年更進一步，推出了針對電動汽車優(yōu)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占比逐漸增加，直至2024-2025年成為銷售主力。

與其他尚在挑戰(zhàn)[敏感詞]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(fā)中，預計比上一代產品減低30%的單位面積導通電阻，計劃于2025年量產。不止于此，第6代碳化硅MOSFET也出現在技術路線圖的遠景規(guī)劃中，將于2028年量產。

安森美 onsemi

安森美在2022年第1季度繼續(xù)保持強勁增長，毛利潤率也達到了近50%的歷史新高，處于公司成立以來的高光時期。碳化硅產品的業(yè)績貢獻雖然占比還比較小，但是增長動量十足——安森美與客戶簽訂的未來三年長期供應協(xié)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。

蔚來汽車ET7將采用安森美900V碳化硅功率模塊驅動

（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，并在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于公司平均水平。這歸結于之前安森美尚未規(guī)模供應碳化硅模塊產品，今年下半年起的產能爬坡所需的啟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(yè)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；與器件設計實力超群的英飛凌相比，安森美又有來自GTAT碳化硅材料的加成。

安森美在碳化硅業(yè)務上的布局

（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(guī)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。

在碳化硅晶圓制造上，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(yè)領先者的步伐，在材料方面和晶圓制造上均開始嘗試8寸碳化硅的生產。

得益于仙童半導體在碳化硅技術上的積累，安森美在收購仙童后也獲得了開發(fā)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）采用平面設計，耐壓等級為1200V。之后從中衍生出900V和750V耐壓的規(guī)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于M1與其衍生出的M2平臺。

目前[敏感詞]的一代碳化硅技術（M3）仍然采用平面技術，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(guī)碳化硅平臺，在電壓規(guī)格上覆蓋電動汽車主流的400V和800V平臺。

而安森美的下一代技術平臺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。這意味著以前210kW輸出功率需要4片碳化硅芯片并聯才能實現，而M4平臺預計只需要其一半面積的芯片即可。如果再加上M4平臺可能采用8寸晶圓生產，預期M4的成本較之前將顯著降低。

安森美的碳化硅技術持續(xù)進步，功率密度、散熱能力和成本不斷優(yōu)化

（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，占到總營收的近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(guī)應用的關鍵研發(fā)領域之一。

通過IGBT模塊上的多年積累，安森美在大功率車規(guī)模塊上早有布局，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(huán)氧樹脂材料的塑封式模塊。前者即是被應用于蔚來汽車ET7的功率模塊，而后者更是安森美的研發(fā)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，可以根據客戶的要求進行半定制或者完全定制。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(fā)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制造產能。與此同時，這些公司也積極進行技術升級，包括向8英寸制造演進，以及開發(fā)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。

不止于此，五巨頭在各自擅長的領域建立了準入壁壘，包括意法的應用經驗和封裝，Wolfspeed的8寸制造能力，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(yè)領導者的地位。

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