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第三代半導體爭奪戰開啟，國內外供應商競爭正烈
來自第三代半導體產業技術創新戰略聯盟的數據顯示，2023年，全球SiC/GaN功率電子市場規模約30.7億美元，純電動和混合動力汽車(EV/HEV)市場占比約70%，是核心市場驅動力。Yole預計，在消費電子、數據中心和新能源汽車的帶動下，2029年全球GaN市場容量將達到22億美元，未來5年復合增長率為29%；而受到工業和汽車應用的推動，SiC的市場規模將在2029年達到100億美元。
芯片和器件制造環節上，國際龍頭企業業績均實現高速增長。意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)、Wolfspeed、安森美(onsemi)、羅姆(ROHM)的SiC器件業績較上年同期分別增長了50%以上。5家企業保持高速擴張，設定的業績目標均為在2030年實現SiC功率電子市占率30%-40%。根據2023年企業財報測算，5大龍頭的總體市占率達到82%，產業環節呈現高度集中狀態。
中國市場方面，據CASA Research(第三代半導體產業技術創新戰略聯盟第三代半導體產業研究院)統計，2023年中國SiC/GaN功率器件模組市場規模約為153.2億元人民幣，同比增長45%。第三代半導體在功率電子領域滲透率超過12%，開始進入高速增長階段。這其中，新能源汽車(包括充電基礎設施)是第三代半導體功率電子最大的應用領域，整體市場占比70.67%，其次是消費類電源和PFC(功率因數校正)，分別占比是 11.16%和5.78%。
SiC產能一升再升
碳化硅(SiC)作為半導體材料具有優異的性能，尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。但SiC在天然環境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中發現了少量這種物質，所以其又被稱為“經歷46億年時光之旅的半導體材料”。
SiC最初的應用場景主要集中在光伏儲能逆變器、數據中心服務器UPS電源(不間斷電源)和智能電網充電站等需要轉換效率較高的領域。但人們很快發現，碳化硅的電氣、機械和熱性質也非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器。
在特斯拉(Tesla)為其Model 3/Model Y主驅逆變器采用SiC器件之后，SiC的示范效應被迅速放大，xEV汽車市場很快成為SiC市場興奮的源泉。2020年，比亞迪高端車型“漢”也搭載了SiC器件，預計2024年，比亞迪將在旗下的電動車中實現SiC器件對硅基IGBT器件的全面替代，使整車性能在現有基礎上提升10%。
但在過去的兩三年里，晶圓供應短缺一直是制約SiC產業發展的重大瓶頸之一。面對不斷增長的市場需求，包括晶圓廠在內的眾多重量級玩家已經意識到必須擴大投資，以支持供應鏈建設。 
以安森美為例，早在2021年11月，安森美就宣布收購SiC晶圓襯底供應商GTAT，旨在增強自身SiC的供應能力。而在更早之前的2019年，安森美還與科銳(CREE)簽署了SiC晶圓多年期供應協議。此外，在投資擴產政策的支持下，2022年8月，安森美位于美國新罕布什爾州哈德遜(Hudson, New Hampshire)的SiC工廠落成，該基地將使安森美到2022年底的SiC晶圓產能同比增加五倍；9月，安森美宣布擴建位于捷克共和國Roznov的SiC工廠，預計在未來兩年內，這一擴建將使該基地的SiC產能提高16倍。
得益于此，過去兩年里，安森美在SiC襯底產能、裸芯片產能、封裝產能、以及新產品發布四大關鍵領域，分別實現了10倍、12倍、4倍和3倍的增長。
來自英飛凌方面的消息則顯示，繼2021年9月，英飛凌宣布位于奧地利菲拉赫的300毫米薄晶圓功率半導體芯片工廠正式啟動運營；2022年2月，宣布斥資逾20億歐元，在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區用于生產碳化硅和氮化鎵功率半導體產品之后，2023年2月，又與Resonac Corporation(原昭和電工)簽署了全新的SiC多年期供應和合作協議。協議顯示，英飛凌未來十年用于生產SiC半導體的SiC材料中，約占兩位數份額將由Resonac供給。
今年6月，意法半導體宣布將在意大利卡塔尼亞打造一座集8英寸SiC功率器件和模塊制造、封裝、測試于一體的綜合性大型制造基地。該項目總投資額約為50億歐元，預計2026年運營投產，在2033年前達到全部產能，全面落成后，晶圓產量可達1.5萬片/周。
羅姆也制定了積極的產能擴張計劃，準備在2021-2025年為SiC業務投入1,700-2,200億日元，這一計劃的實現將依托于羅姆位于宮崎的兩個基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預計到2025年羅姆的SiC產能將提升6倍，到2030年提升25倍。
以上只是全球SiC行業投資擴產熱情的一個縮影，據不完全統計，2023年全球公開披露的SiC相關擴產項目就有121起，總投資金額高達260億美元。其中，來自中國的擴產項目就有97起，包括：天岳先進將上海臨港工廠6英寸SiC 襯底生產規模擴大至每年96萬片；三安光電除了與ST合資，在重慶投資32億美元(約合220億元人民幣)建設8英寸SiC外延與芯片代工廠外，還將單獨投資70億元人民幣在重慶建設8英寸SiC襯底工廠。
全面轉向8英寸
SiC功率器件價格目前是同規格Si功率器件價格的4倍左右，且器件成本中襯底占總成本約40%左右。考慮到具有競爭力的成本和穩定的供應量，是SiC功率電子大規模應用的關鍵，為此業界將8英寸作為主要實現手段并不令人感到意外。從Yole數據來看，盡管2023年全球有超過11家企業宣布了8英寸SiC材料擴產計劃，但從實際出貨量來看，8英寸SiC襯底僅占2%，規模量產仍在緩慢推進中，產業化是不及預期的。
行業生產目前仍以6英寸主，SiC從6英寸向8英寸過渡的難點，主要來自工藝層面，包括擴徑生長、溫場控制、晶體切磨拋，以及晶圓加工的一致性、穩定性、良率等挑戰。但隨著上述問題的逐步突破，8英寸規模量產將助力SiC功率電子器件成本快速降低，對應用市場拓展形成有力推動。
集邦咨詢旗下化合物半導體市場此前對中國主流SiC企業的8英寸襯底進度進行了統計，目前中國有10家企業和機構在研發8英寸襯底，包含爍科晶體、晶盛機電、天岳先進、南砂晶圓、同光股份、中科院物理所、山東大學、天科合達、科友半導體、乾晶半導體等。而從其他國家的情況看，Wolfspeed、ROHM、英飛凌、ST等國際碳化硅大廠已經紛紛邁入8英寸，這些廠商的量產節點也紛紛提前到今年。
SiC轉向8英寸的市場動力還源于越來越激烈的市場競爭，以及全球各大公司一直在擴大碳化硅襯底外延方面的產能，導致行業對于產能過剩的擔憂。根據CASA Research預測，到2027年，中國宣布的SiC襯底產能將占全球產能40%以上。以往，中國6英寸碳化硅襯底通常只比國際供應商的報價低5%左右，而最近價格差異已經擴大至30%。
另一方面，隨著全球電動汽車市場需求的疲軟，碳化硅需求有所縮減，供應廠商們為了搶奪訂單，也在不斷降低價格。在意法半導體、英飛凌、羅姆、Wolfspeed、安森美和X-fab等多家頭部企業發布的財報中我們也看到，部分企業調低了碳化硅的營收增長目標。
車用功率器件仍是主”戰場“
從物理特性來看，SiC與硅材料的電子遷移率相差不大，但其禁帶寬度、擊穿電壓、熱導率和電子遷移速度分別是硅材料的3倍、8倍、4倍和2倍。同時，高達9.5的莫氏硬度也高出硅材料50%。這意味著基于碳化硅材料的功率半導體具有高耐壓、低導通電阻、寄生參數小等優異特性，非常適合制造很多大功率汽車電子器件，例如車載充電器(OBC)、降壓轉換器和主驅逆變器。
事實也的確如此。無論是在低壓400V平臺，還是在高壓800V平臺，碳化硅器件都能為電動汽車帶來顯著的效率提升。不過，盡管碳化硅器件可以工作在更高的結溫，具有更快的開關速度和耐壓能力，但這些特性對芯片設計、驅動優化、電路保護、模塊封裝以及系統集成都提出了特別的挑戰。此外，應用碳化硅材料的終端產品在長期可靠性方面的評估和認證仍然具有相當的技術難點。
目前看到的一個明顯趨勢，是隨著汽車制造商對更高能效和續航能力的追求，整車廠在接下來的兩三年里會發布更多搭載800V平臺的車型，對SiC功率器件的需求會進一步增加。據不完全統計，2023年全球近35家車企共推出了50多款支持800V高壓平臺的車型，主流價位在20萬至30萬元/輛，且“800V+SiC”基本成為高端電動汽車標配。
與新能源汽車市場同步高速發展的還有充電基礎設施，尤其是在中國市場，新能源汽車與充電樁的配比達到了2.5:1，遠高于歐美8:1的比例。根據中國充電聯盟數據，2023 年，中國用于充電基礎設施的第三代功率電子市場約4.2億元人民幣，預計到2027年將達 21.8億元人民幣。這其中，高壓直流快充為SiC功率電子創造的市場機會最大。畢竟，隨著高端電動車型從400V電壓平臺升級至800V，直流快充樁電壓也需提升到800V-1,000V，所用功率器件耐壓則需提高到1,200V。
有意思的是，2020年以來，越來越多的整車企業開始布局第三代半導體功率電子業務。國際上整車企業與半導體供應商基本以戰略合作為主，中國車企則是結合各家芯片研發需求及戰略需求，分別采取車企自研、建立合資公司或聯合研發，以及戰略投資功率半導體企業的三種模式。
為GaN打開新機遇的大門
作為寬禁帶半導體家族中的一員，氮化鎵(GaN)功率器件近兩年獲得了比之前更高的關注度，正逐漸成為第三代半導體材料中最耀眼的一顆新星。
根據Yole預測，到2028年，GaN功率器件市場的價值將從2021年的1.26億美元增長到20.4億美元，年復合增長率高達49%，消費電子、汽車、電信、數據通信等應用對其青睞有加。與此同時，大批廠商也力圖在GaN上實現技術和產能突破以搶占市場先機，激烈的競爭正快速推動氮化鎵成為降本增效和可持續綠色發展的關鍵技術之一。
氮化鎵的優勢主要在于開關速度快、高頻和高功率密度，因此在充電頭、服務器電源、光伏微逆等領域優勢很大。客戶在應用氮化鎵時，往往會從系統考慮高頻運行，減小變壓器、電感以及系統的體積，從而最大程度發揮氮化鎵的優勢。
在最具代表性的快速充電市場，借助GaN，智能手機制造商可以制造外殼尺寸更小且性價比更高的充電器。盡管基于GaN的器件的單價比硅貴，但更高的頻率和更高的功率密度值使得每瓦美元更低。據Yole預測，預計到2028 年，功率GaN市場將占電力電子市場的6%以上。其中，消費類快速充電器和適配器仍然是Power GaN的主要驅動力，新趨勢包括更高功率(高達300W)和“全GaN”充電器，從而導致每個充電器的GaN含量更高。
對于太陽能和風能等可再生能源發電系統而言，基于GaN的逆變器可以同時應用在低壓側和高壓側，以及更高的頻率下運行，從而實現更小、更輕的系統。數據顯示，由于開關損耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，從而帶來兩個優勢：一是發電量更高；二是在同樣的體積下，GaN方案有機會實現一倍以上的功率，從而降低系統的成本。 
隨著電池系統向800V演進，支持高壓快充、更大的主驅功率提升和高功率密度設計成為了新的目標，要求車載電源必須要在功率密度、生產制造性、高可靠性與低成本之間找到平衡，但這不是一件輕松的事情。而主機廠之所以越來越傾向于看重GaN器件，無外乎是因為氮化鎵在高頻應用上具備優勢，可以在確保產品性能的同時實現產品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關心的。
數據中心電源功率密度和轉換效率越來越高，是第三代半導體受到青睞的根本原因。目前，服務器電源的功率等級已從800W提升到1.3kW，甚至4kW，因此對功率密度以及效率提出了非常高的要求。氮化鎵的開通與關斷損耗與碳化硅、硅器件相比下降了50%以上，并且沒有反向恢復損耗，可以輕松滿足鈦金級效率需求，因此在數據中心服務器電源中應用越來越多。
從產能布局來看，按照CASA Research的說法，2023年GaN功率電子市場拓展較慢，企業擴產動力不足，2023年新增投資不足百億元人民幣。已公開披露的22起GaN功率電子擴產項目中，中國擬新建項目11起，披露投資金額為53.8 億元人民幣。新增項目中，器件模塊項目占比較多，金額占比達到58.7%。
頭部企業中，來自中國的英諾賽科占據了全球53%以上，中國90%以上的產能，2022年就憑借銷售額與出貨量成為全球最大的氮化鎵企業。根據規劃，英諾賽科在2026年將達到每月7萬片8英寸氮化鎵的產能，基本可以滿足未來市場應用的需求。
建立“SiC+GaN”雙業務引擎
采用這種雙業務引擎的目前主要還是國際頭部企業，目的也很簡單，主要是為搶占市場先機，同時保障供應鏈安全。例如2022年8月，納微半導體(Navitas Semiconductor)正式并購GeneSiC公司，構建起了以GaNFast+GeneSiC為代表的第三代功率半導體“雙引擎”戰略；2023年3月，英飛凌宣布斥資8.億美元收購氮化鎵系統(GaN Systems)公司等；此外還有ST并購Exagan，瑞薩收購Transphorm，Qorvo并購UnitedSiC等等。
拓展產品組合，覆蓋更廣泛的應用場景，是該業務模式帶來的顯而易見的優勢。他們可以根據市場需要靈活部署氮化鎵、碳化硅或硅；可以借助在一種技術上的積累沉淀助力另一種技術的開發；也可以通過采用系統級方法，結合適用于具體應用的正確技術，創建性能一流的解決方案，同時降低系統成本，為客戶帶來雙重優勢，使自身的最終產品與眾不同。
相比之下，中國第三代半導體功率電子產業尚處于成長期，企業規模整體較小，尚未進入整合并購階段。他們的重要戰略舉措主要體現在三個方面：一是加快產能擴充，不斷投資新項目，以期在即將爆發的市場中占領一席之地；二是融資和IPO熱情高漲，資本市場相對活躍；三是積極推動國際戰略合作。
如何打造差異化競爭優勢
如果將中國企業和國際大廠放在一起對比，會發現前者目前仍以Fabless模式為主，更強調應用創新；而后者普遍采用IDM模式，意在從技術、成本、出貨量，到制造、封裝、應用，構建起全方位的戰略競爭優勢。
有行業人士此前曾對《國際電子商情》表示，要想盡快追趕上國際大廠，并最終打贏這場仗，中國企業至少要做到以下三點：第一，要比歐美企業更加勤奮；第二，集中資源打磨更有競爭力的產品，縮短流片時間，加速產品迭代；第三，應用端多給企業一些機會，這是雙贏的結局，所以產業鏈要抱團取暖，分散的小公司很難形成有效的研發實力，更沒有和國際頭部大廠直接競爭的能力。
從供應鏈的角度來看，目前，國際芯片大廠更愿意通過強強合作的方式，通過質量和成本鎖定客戶。而且越來越多的整車廠也非常關注供應鏈企業的供應能力、研發能力和財務狀況，如果不達標，就會遭到淘汰。對中國企業來說，逐漸趨向頭部效應，通過鎖定上下游合作帶來更強的成本優勢和供應能力，也將成為一條必經之路。
至于是否也一定要走IDM這條路，目前產業還存在不同意見。支持者認為一家功率半導體企業做到一定階段之后，如果想要繼續做大做強，形成自己的專利壁壘，IDM這條路是一定要走的。畢竟功率半導體專利跟設備、工廠、流程是緊密聯系在一起的，很難靠別家工廠長期做下去，盡管這條路走起來比較艱辛。
目前來看，雖然中國寬禁帶功率半導體器件從工藝水平來看仍然與國際領先水平相差至少一代，但其產品的封裝水平完全沒有問題，服務響應速度也比國際大廠快。有專家指出，中國企業在積極發展過程中要努力提升差異化優勢，同實際市場需求相結合，避免在中低端領域進行產能的盲目擴張，導致產能過剩。
考慮到2024年是對寬禁帶半導體供應鏈的壓力測試之年，對中國設計公司來說，不僅僅要設計出電學性能出色的產品，更要強化從質量管理體系到供應鏈管理體系的建設，這是一個系統性的工程，必須要花大力氣。只有如此，產品才能以更好的性能和可靠性，更穩定的生命周期供貨，贏得用戶的信心。