X-Trinsic：碳化硅市场趋势及展望

X-Trinsic 是一家初创公司，致力于提供专注于 SiC 晶圆的工艺服务，同时还帮助提高基于 SiC 设备的采用率。下面对 X-Trinsic 的总裁兼首席技术官Robert Rhoades 关于碳化硅市场趋势及展望的报告进行详细解析。

市场增长：SiC晶圆市场的复合年增长率（CAGR）超过15%。

供应挑战：晶圆供应商在满足需求增长目标方面持续面临挑战。

未来预测：未来1-2年内，150mm n型晶圆的需求将出现最大增长。随后，200mm n型晶圆的需求将迅速增长。

半绝缘衬底增长：用于高频射频（RF）设备的半绝缘衬底的增长也很强劲，但其量大约为用于电力电子的n型晶圆的20%。

从图表可以看出，碳化硅n型晶圆的需求从2019年到2027年呈现出明显的增长趋势。100mm n型晶圆的需求相对稳定，而150mm n型晶圆的需求在2021年开始显著增加。2024年开始，200mm n型晶圆需求出现并快速增长。

电动汽车驱动的碳化硅（SiC）市场

使用碳化硅（SiC）MOSFET替代硅（Si）IGBT，电动汽车（EV）市场将出现以下显著优势：

1. 使用SiC MOSFET的逆变模块可以使电动汽车在同等电池容量下的续航里程增加超过20%。
2. 设计师可以保持同样的续航里程，同时每辆车减少300至640美元的电池总成本。
3. 在充电电路中，SiC可以将充电时间减少2到3倍，从2-3小时减少到小于40分钟。
4. 改善的效率和高温运行能力使得冷却系统的成本降低500到1000美元。
5. 许多政府已发布指令，要求新车销售在2030年至2040年间超过50%为电动汽车（美国和欧盟设定为2035年）。
6. 为了重新调整汽车行业的主要部分，正在进行大规模的基础设施变革。

在大多数国家，最常见的公共充电站是输出功率为10-20kW的二级“慢速”充电器，可以在几小时内完全充电。新型“快速”或“超级充电器”可以提供高达300kW的功率，能够在不到40分钟内完成充电。然而，这些快速充电器要求车辆设计能够快速接受如此高的功率，这意味着需要在充电电路中使用碳化硅（SiC）。

图表展示了2015年至2021年间“慢速”和“快速”公共可用充电器的数量增长情况。中国、欧洲、美国和其他国家的充电器数量均显著增加。慢速充电器的数量在2021年达到约1200千个，而快速充电器的数量也在同年接近600千个。

最近的电动汽车（EV）趋势显示，新车中电动汽车的比例在增加，但增速不如过去三年预测的那么快。消费者的接受度低于预期，充电和续航问题在严冬条件下让驾驶者感到沮丧，二手电动汽车市场表现疲软。赫兹公司正在出售2万辆电动汽车，以购买汽油车为代替。

各类型车辆（轿车/旅行车、SUV、卡车SUV、小型货车/厢式车、皮卡）的市场份额接近10%。从图中可以看出，电动汽车在市场上的生产份额从2010年到2023年逐步增加，特别是在最近几年，增长显著加速。数据来自2023年EPA汽车趋势报告。

分布式发电系统，如风能和太阳能，需要高效的电力管理系统来进行能量存储、电压转换（DC-AC转换）和与现有电网的接口。风力涡轮机和太阳能电池板生成直流（DC）电能，这些电能在不同的电压下存储在电池组中，然后转换为交流（AC）电能用于直接使用或传输至电网。在电压转换或DC-AC转换过程中，损耗会减少输送到终端用户的电能量。

使用碳化硅（SiC）材料制成的电力设备效率至少提高30%，因此即使初期建设成本较高，其回报周期也很短，尤其是对于大型太阳能和风能发电场。

数据中心是互联网的核心，负责存储、处理和传输我们每天依赖的数字数据流。全球约3%的电力消耗在IT系统和数据中心，预计到2030年，这一比例可能达到20%，特别是在人工智能继续快速发展的情况下。

在数据中心内，冷却系统消耗了大约一半的电力，电压调节保护服务器则占另一个11%。使用碳化硅（SiC）材料的电压调节设备可以将电力消耗减少一半：

• 基于SiC的电压调节器和不间断电源（UPS）系统比目前的硅基系统效率高出20-30%。
• 提高的效率产生较少的热量，从而显著降低冷却系统的平均负载。

图表显示了典型数据中心的电力使用情况，其中冷却系统占50%，服务器和存储设备占26%，网络硬件占10%，电力转换占11%，照明占3%。

电力器件市场目前由硅MOSFET和IGBT主导。宽带隙（WBG）器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），其增长速度远超硅基器件。尤其是SiC，预计在未来五年内仍将供不应求。长期来看，硅器件和WBG器件之间将会平衡，这种平衡受技术需求和终端应用的利润容忍度驱动。

图表显示了不同应用领域的SiC和GaN电力器件市场预测，包括其他应用、军事和航空航天、光伏逆变器、工业电机驱动、HEV充电基础设施、商用车辆、混合动力和电动汽车、UPS和电源供应。2023年电力器件市场总额为260亿美元，其中WBG器件占比不到10%，预计到2030年，这一比例将接近20%。

材料的选择取决于功率水平和工作频率。硅（Si）技术成熟、可靠且生产成本最低，因此设计师会尽可能使用硅。碳化硅（SiC）属于宽带隙材料，适用于更高频率和功率水平，但成本较高。氮化镓（GaN）也是宽带隙材料，具有更快的电子速度，但热导率较差，成本更高且成熟度较低。

图表展示了Si、SiC和GaN在不同功率水平和频率下的应用领域。硅主要应用于较低功率和频率的领域，如消费电子。碳化硅适用于更高功率和频率的应用，如中央光伏（PV）系统和电动汽车充电。氮化镓则在更高频率下表现出色，适用于通信设备和数据中心电源等。

对于长期的发展，所有三种材料都有其特定的优势和应用场景，需求强劲，各自表现出优异的性能。

SiC晶圆的生产正在迅速扩展，150mm晶圆将在未来几年内继续占据主导地位。200mm晶圆的过渡速度将在未来几年加快，而100mm晶圆的需求将保持不变，但已成为遗留产品。

图表显示了n型碳化硅晶圆的需求预测，从2019年到2027年，150mm和200mm晶圆的需求持续增长。2023年后，200mm晶圆的需求显著增加。

尽管需求强劲，当前的供应仍无法满足市场需求。许多新进入晶圆供应市场的企业增加了所需工具的数量，更多企业投资于新技术以迅速获得竞争优势。晶圆供应增长的速度目前受限于设备的可用性，特别是生长炉和一些需要较长交付时间的工艺工具。

150mm和200mm晶圆的稳定增长预计将持续到2027年，但供应链的限制将继续对市场产生影响。

半绝缘型碳化硅（SiC）晶圆的生产正在迅速扩展，主要用于微波和射频（RF）设备。半绝缘（SI）晶圆的供应量大约是n型晶圆供应量的20%。由于高质量材料的生长和加工难度较大，SI晶圆比n型晶圆更昂贵。预计200mm的SI晶圆在2027年之后才会出现，目前的重点仍是提高150mm晶圆的质量。

图表显示了从2019年到2027年，100mm和150mm半绝缘碳化硅晶圆的需求预测。随着时间的推移，150mm晶圆的需求显著增加，而100mm晶圆的需求相对稳定。

碳化硅（SiC）由于其极高的硬度和低化学反应性，极难加工。之前在硅或III-V族材料方面的经验对SiC的应用价值有限。材料特性要求在每个工艺步骤进行适应，通常伴随设备设计的根本性变化。用于研磨的消耗品使用金刚石磨料，类似于其他材料，但抛光涉及更硬的磨料和更强的化学物质。大多数新进入者在多个工艺步骤上面临陡峭的学习曲线，这可能为OEM厂商和外部服务提供商与工程团队的合作开辟机会。

碳化硅（SiC）晶圆制造的标准工艺流程：整个流程包括多个清洗和测量步骤，以确保最终产品的高质量和低缺陷率。这些步骤涵盖了从初始材料到成品晶圆的全过程，确保了SiC晶圆的精确加工和质量控制。

从150mm过渡到200mm的碳化硅（SiC）晶圆生产涉及一系列批处理工艺流程，这些流程已在150mm晶圆生产中得到很好地建立，包括清洗、批量研磨、清洗、晶圆测量和分类、批量金刚石抛光、清洗、晶圆测量和分类、批量库存抛光、批量最终抛光和清洗。

单片晶圆处理可能更适合200mm SiC晶圆，原因如下：

• 每片晶圆的单独工艺控制，可实现更严格的工艺规范。
• 更容易实现全自动化。
• 可以施加更高的压力和速度。
• 破损风险较低，且仅损失单片晶圆，而不是整个批次。
• 消除了按厚度进行的预排序。
• 显著减少了制造中的劳动需求。
• 大大减少了返工。
• 更低的缺陷率。
• 更高的产量。

技术趋势显示，多个业务驱动因素正在推动200mm晶圆的过渡，并尽可能快地提高产量。晶锭生长、破损风险和晶圆加工产量是技术障碍，可能需要从批量处理过渡到单片晶圆处理。

为了提高晶体生长和产量，必须解决PVT生长中的缺陷来源（种子、热梯度、纯度）和取向限制。N型外延沉积在偏轴4度时最有效，但偏轴生长更容易产生缺陷，而轴向生长在切片步骤中会导致几何损失。

最大化每个晶锭的晶圆数量对每片晶圆的成本有极大影响，意味着尽可能薄的切片。原来的目标是500μm，现在行业正在推动350μm。相比之下，200mm硅晶圆的标准厚度是725μm。

对碳化硅（SiC）器件的需求由多种终端用途驱动，包括电动汽车及其超级充电站、电力设备（尤其是高压和高功率电压调节）、绿色能源（特别是电压转换和DC-AC逆变器）以及5G和其他高频应用的射频设备。

许多政府推动在2035年（或更早）实现新车中50%或更多为电动汽车。尽管供应增长率超过15%的复合年增长率（CAGR），但SiC晶圆仍然供不应求。目前，大型SiC器件制造商的趋势是垂直整合，以便更好地控制其SiC晶圆供应和利润率。数十亿美元正被投资于产能扩展。

电动汽车市场的疯狂增长略有放缓，可能使其他应用领域对未来SiC器件的可用性更有信心，从而使整个行业更加健康。

来源： 半导体信息

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