近日集邦咨询发布报告，2023年中国正迈向8英寸SiC衬底，多家企业正在推进8英寸碳化硅（SiC）衬底的开发。
同时业内人士也将2023年称为“8英寸SiC元年”。在这一年，国际功率半导体巨头纷纷加快对8英寸碳化硅的研发应用步伐，如Wolfspeed更是疯狂的投入资金扩张碳化硅产能，包括客户投入的约83亿美元，还有美国芯片法案支持的50亿美元资金，最后不够甚至还借贷了12.5亿美元，而扩产的重要部分就是建设8英寸SiC衬底制造工厂，保障未来对多家企业的200毫米SiC裸片供应。
国内8英寸碳化硅也有了突破性的进展，涵盖了设备、衬底及外延等上下游环节，如天岳先进和天科合达都在今年5月，与英飞凌签订了长期协议，未来将制备供应8英寸碳化硅衬底，帮助英飞凌向200毫米直径晶圆的过渡；设备方面，晶升股份实现了8英寸碳化硅长晶设备的批量生产，晶盛机电、纳设智能成功研制8英寸碳化硅外延生长设备，总总迹象表明，8英寸碳化硅的时代比我们想象中来的更早。
8英寸衬底的到来，对碳化硅行业来说是一个新的里程碑，不仅能很大程度上缓解目前碳化硅衬底产能低、价格高的困境，还能为碳化硅功率器件应用开辟新的可能性，并为相关企业带来新的发展契机。
8英寸衬底实现碳化硅降本增产
成本高是目前碳化硅器件应用的主要问题，以特斯拉Model3为例，其主驱动逆变器采用的48个碳化硅MOSFET，成本就达5000元，是传统方案硅基IGBT的3-5倍，今年3月，马斯克直接喊话要减少75%的碳化硅用量，一大原因就是难以承受如此高的价格。
从产业链结构上看，碳化硅器件的成本主要由衬底、外延、流片和封测等环节形成，其中衬底在总成本中占比高达45%，因此想要降本首要就在碳化硅衬底。
碳化硅衬底的生产成本如此高昂，在于其制备工艺难度大，长晶环节需要在高温、真空环境中进行，对温场稳定性要求高，并且其生长速度还比硅材料缓慢许多，产品的良品率也难以提升，这一系列因素导致碳化硅衬底生产成本居高不下。
业内认为，通过进一步扩大碳化硅衬底尺寸，来增加单个衬底上可制造芯片的数量，是降低成本的有效方式，从数据来看，8英寸碳化硅衬底比6英寸，在降低器件单位成本、增加产能供应方面拥有明显优势。
图源：山东天岳先进科技股份有限公司
Wolfspeed数据显示，从6英寸升级到8英寸，衬底的加工成本有所增加，但合格芯片产量可以增加 80%-90%；同时8英寸衬底厚度增加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，从而提升良率，采用8英寸衬底可以将单位综合成本降低50%。
集邦咨询报告也显示，目前碳化硅产业以6英寸为主流，占据近80%市场份额，8英寸则不到1％。8英寸的晶圆尺寸扩展，是进一步降低碳化硅器件成本的关键，若达到成熟阶段，8英寸单片的售价约为6英寸的1.5倍，而8英寸能够生产的晶粒数约为6英寸SiC晶圆的1.8倍，晶圆利用率显著提高。
显然，6英寸碳化硅衬底向8英寸扩径已是行业明确的趋势，Wolfspeed预计到2024年，8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于2022年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%，成本的下降将进一步打开应用市场，集邦咨询研究数据指出，目前8英寸的产品市占率不到2%，预计到2026年市场份额将增长到15%左右。
电动汽车碳化硅市场将大幅增长
在“碳达峰碳中和”的大背景下，未来电动汽车数量将持续增长，以2018年到2022年的数据作为参考，到2030年，全球电动汽车在轻型汽车市场的份额将增长3.8倍，从约1700万辆增至6400万辆。
碳化硅器件对于电动汽车来说拥有极高的适应性，应用于电驱电控系统中，可有效降低开关损耗，提高系统工作效率，并能显著降低电力电子系统的体积、重量，能提高电动汽车续航里程达10%左右，目前各大主流新能源汽车厂商都在积极布局碳化硅车型。
据集邦咨询数据统计，2023年整体SiC功率器件市场规模达22.8亿美元，增长率达41.4%，预计2026年SiC功率器件市场规模有望达53.3亿美元，其中车用SiC功率器件市场规模将攀升至39.8亿美元，市场占比超过70%，可见电动汽车对碳化硅器件来说是一个极大的机遇。
图源：集邦咨询
此外，如今电动汽车高压快充车型发展如火如荼，不管是造车新势力还是传统车企，都纷纷推出了支持800V高压快充的车型，据不完全统计，已有超过20家汽车品牌或计划或已经推出了800V高压平台，比较知名的有比亚迪e平台3.0、小鹏扶摇架构、吉利SEA浩瀚架构等。
高压快充不管是对汽车本身的零部件质量，还是对充电桩设备的高效性和安全性，都提出了更高的要求和挑战，传统的IGBT等器件很难满足要求，而碳化硅器件却能有效解决充电桩设备亟需的更耐高压、耐高温、安全的新型器件的痛点，以碳化硅替代可谓势在必行。
目前，无论是在电动汽车还是充电桩市场，碳化硅的应用都还处于起步阶段，渗透率较低，不过在高续航以及超快充需求的大背景下，碳化硅加速应用的趋势越发显著，需求有望持续增长，而当前的主要妨碍依然是碳化硅产能的不足与高昂的价格，由此8英寸碳化硅衬底的到来就显得更为重要了。
国产企业抢抓8英寸碳化硅机遇
目前全球8英寸碳化硅衬底还处于起步阶段，只有Wolfspeed实现了大规模供货，而英飞凌、罗姆、ST等大厂则在加快批量生产。据麦肯锡分析，8英寸碳化硅衬底的批量生产预计将于2024年和2025年开始，届时行业领先的制造商将陆续投产，此后8英寸晶圆的产量也将迅速攀升，到2030年有望达到50%的市场渗透率。
国内碳化硅衬底市场，总体处于4英寸逐渐退出，6英寸加速实现量产的状态，而8英寸则基本都还在研发验证阶段，尚未实现量产或仅小规模量产，领先布局的企业包括三安光电、天岳先进、天科合达等，设备上有晶升股份、晶盛机电等获得突破。
今年10月，三安光电宣布，旗下子公司湖南三安8英寸碳化硅衬底已完成开发，产品进入小批量生产及送样阶段。据介绍，湖南三安依托精准热场控制的自主PVT工艺，8英寸碳化硅衬底实现更低成本及更低缺陷密度，后续将持续提升良率，加快设备调试与工艺优化，并持续推进湖南与重庆工厂量产进程。
天岳先进则表示，公司在8英寸碳化硅衬底上已经具备量产能力，可以根据下游客户需求情况合理规划产品产销安排。在今年的Semicon China展会上，天岳先进公布了业内首创的采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体，通过热场、溶液设计和工艺创新，突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题。今年5月，天岳先进与英飞凌签订了一项新的晶圆和晶锭供应协议，供货碳化硅6英寸衬底、合作制备8英寸衬底。
图源：天岳先进
还有天科合达在去年年底发布了8英寸导电型碳化硅衬底产品，并宣布将于今年内实现8英寸导电型碳化硅衬底小规模量产，同样在今年5月，天科合达与英飞凌签署长期协议，天科合达将提供200毫米（8英寸）直径碳化硅材料，帮助英飞凌向200毫米直径晶圆的过渡。
图源：晶盛机电
长期来看，随着碳化硅衬底从6英寸到8英寸，大尺寸新产品带来的规模化效应将会推动衬底成本的下降，国产碳化硅企业想要实现突围，也要紧跟时代，实现规模化生产及应用，才有足够的市场竞争力，目前来看，国产8英寸碳化硅衬底将在2025年左右起量，虽晚于国外但未有太大差距，有望赶上碳化硅市场的发展机遇。
不过8英寸的碳化硅衬底，与6英寸的制造工艺有不小的差别，存在很多新的技术难点，比如8英寸籽晶的研制、大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分布和输运效率问题，以及高温生长晶体内部应力加大导致开裂等，想要顺利发展，还需要产业上下游紧密协作，共同来攻克技术难题。
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：中国8英寸碳化硅时代来临！衬底、设备已取得重大突破