芯耀
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作者：暢秋
近期，業(yè)內(nèi)完成了一起并購案，美國功率器件大廠Wolfspeed以1.25億美元的價格，將其射頻業(yè)務(wù)（Wolfspeed RF）出售給了美國另一家模擬和混合信號芯片廠商MACOM Technology。
在出售的射頻業(yè)務(wù)中，還包括GaN-on-SiC（以SiC為襯底的GaN芯片技術(shù)）產(chǎn)品組合及其專利，主要用于制造射頻芯片），這部分業(yè)務(wù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、國防、工業(yè)和電信。
對于這起并購案，Wolfspeed總裁兼首席執(zhí)行官Gregg Lowe表示：“鑒于在汽車，工業(yè)和可再生能源市場看到的顯著增長，我們相信現(xiàn)在是進(jìn)一步專注于擴(kuò)展功率器件和材料業(yè)務(wù)以滿足這一市場需求的正確時機(jī)，”可見，長期以來一直押注功率半導(dǎo)體的Wolfspeed，這次又進(jìn)一步，干脆將射頻業(yè)務(wù)賣掉了，把全部精力都集中在了功率器件方面。
相對于Wolfspeed，MACOM更加關(guān)注射頻業(yè)務(wù)，近些年，該公司一直在發(fā)展新興射頻技術(shù)，特別是基于GaN的射頻芯片，它在手機(jī)基站應(yīng)用中如魚得水，替代傳統(tǒng)LDMOS芯片的勢頭很猛，具有很好的發(fā)展前景。因此，此次收購到Wolfspeed RF業(yè)務(wù)，對MACOM的GaN技術(shù)和產(chǎn)品水平提升有很大幫助。
可以看到，Wolfspeed和MACOM在兩條不同的發(fā)展路徑上行走，且集中度在不斷提高。
?01、SiC和GaN的應(yīng)用路徑
作為第三代半導(dǎo)體材料工藝的代表，SiC和GaN一直備受關(guān)注，且有很多行業(yè)知名半導(dǎo)體企業(yè)投入大量資金和人力在它們上面，以期在未來競爭中占據(jù)有利位置。
無論是SiC，還是GaN，都可以在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用，這是由它們自身的材料特性（禁帶寬度、擊穿電壓、耐高溫等性能）決定的。不過，從目前的發(fā)展情況來看，這兩種材料在實(shí)際應(yīng)用中還是存在明顯差異，SiC在功率半導(dǎo)體，特別是高壓（800V以上）應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅猛，電動汽車是典型代表，由于市場空間廣闊，SiC幾乎成為先進(jìn)功率器件的代名詞。而GaN則更傾向于在射頻應(yīng)用領(lǐng)域拓展，它在功率器件方面的拓展步伐不如SiC，目前來看，更多的是在中小功率應(yīng)用方面，典型代表是手機(jī)充電器。
SiC的應(yīng)用介紹起來相對簡單，因?yàn)樗挥迷诟邏汗β拾雽?dǎo)體領(lǐng)域。
2017年，特斯拉在Model 3的逆變器中采用了SiC MOSFET，目前，多家電動汽車制造商在推出的多種車型中都使用了SiC。SiC器件主要由英飛凌、安森美、羅姆和Wolfspeed提供。
在電力電網(wǎng)應(yīng)用方面，由于電壓極高，SiC器件非常適合用于額定電壓為3 kV及以上設(shè)備的超高壓功率轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)、將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并在傳輸級電壓下再次轉(zhuǎn)換回交流電等。
GaN的應(yīng)用相對復(fù)雜一些，因?yàn)樗瓤梢杂糜诠β势骷部捎糜谏漕l器件。
在射頻應(yīng)用方面，5G基站是GaN的主戰(zhàn)場，它的速度和高功率密度明顯優(yōu)于以硅材料為基礎(chǔ)的LDMOS器件，目前，雖然LDMOS的性能較低，但憑借成本優(yōu)勢，依然占有相當(dāng)大的市場份額，不過它更多應(yīng)用在4G和3G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，而GaN在4 GHz以上頻率應(yīng)用中是沒有真正競爭對手的，未來，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普及和器件成本的下降，GaN在射頻應(yīng)用領(lǐng)域還有很大拓展空間。
另外，在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，GaN也有很好的應(yīng)用前景。目前，美國軍方正在部署許多使用GaN器件的地面雷達(dá)系統(tǒng)，包括諾斯魯普-格魯曼公司為美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)建造的地面/空中任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)和有源電子掃描陣列雷達(dá)，雷神公司的SPY6雷達(dá)已交付給美國海軍，并于2022年 12月首次在海上進(jìn)行測試，該系統(tǒng)極大地?cái)U(kuò)展了艦載雷達(dá)的范圍和靈敏度。
GaN在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域也有應(yīng)用，不過不如SiC市場規(guī)模那么大，且GaN主要集中在中低功率應(yīng)用領(lǐng)域。
從2019年開始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始推出基于GaN的消費(fèi)類電子產(chǎn)品充電器，高開關(guān)速度（300 kHz，效率高于92%），相對低的成本，以及低功率（25W- 500 W）工作特性使GaN非常適合這方面的應(yīng)用。
微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要，與電池相結(jié)合，它們可以組成不間斷電源，此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，該電路調(diào)整電源的交流波形以提高效率。在這方面，GaN可以提供低損耗和經(jīng)濟(jì)的解決方案，未來有替代硅器件的發(fā)展趨勢，不過，就目前情況來看，GaN在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模還較小，大部分市場份額依然被硅器件占據(jù)著。
?02、市場競爭加劇
以上介紹了SiC和GaN的應(yīng)用特點(diǎn)，以及主要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著應(yīng)用的拓展和技術(shù)的不斷成熟，相應(yīng)的市場空間越來越大，各大廠商的市場爭奪戰(zhàn)也越來越激烈，特別是在SiC領(lǐng)域，由于可見的蛋糕更大，廠商之間的競爭不斷升級，此次，Wolfspeed將其射頻業(yè)務(wù)出售給MACOM，集中精力發(fā)展功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)（當(dāng)然，除了SiC，Wolfspeed也在發(fā)展GaN功率半導(dǎo)體應(yīng)用）。
縱觀Wolfspeed近些年的發(fā)展歷程，可以清晰地看出該公司不斷集中精力和資源發(fā)展功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的決心。Wolfspeed公司原名為Cree，2016年7月，英飛凌同意以8.5億美元收購Cree旗下的Wolfspeed業(yè)務(wù)部門（主營RF和電力電子業(yè)務(wù)），然而，由于兩家公司無法解決監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出的國家安全問題，該交易于2017年2月被取消；2018年3月，Cree反過來以3.45億歐元收購了英飛凌的射頻業(yè)務(wù)；2019年5月，Cree將其照明產(chǎn)品部門出售給了Ideal Industries Inc；2019年9月，Cree宣布投資10億美元在紐約Marcy的半導(dǎo)體制造工廠建設(shè)世界上最大的SiC晶圓廠；2020年10月，Cree將其LED業(yè)務(wù)以3億美元的價格出售給了SMART Global Holdings；2021年10月，Cree更名為Wolfspeed，充分表達(dá)出押注功率半導(dǎo)體，特別是SiC市場的決心。
近兩年，以Wolfspeed為代表，全球各大知名半導(dǎo)體廠商在爭奪全球SiC霸主方面的動作越來越大，也越來越頻繁。
近期，瑞薩電子證實(shí)，該公司已向Wolfspeed支付了SiC功率器件訂單的第一筆錢10億美元，明年將再支付其余款項(xiàng)。英飛凌和Wolfspeed一直在爭奪全球SiC老大的位置，今年5月，Wolfspeed在紐約州莫霍克（Mohawk）谷的全自動8英寸SiC晶圓廠出貨了第一批產(chǎn)品。2022年9月，Wolfspeed宣布在北卡羅來納州查塔姆縣靠近其達(dá)勒姆（Durham）總部的地方投資約13億美元，建造一座大型SiC晶圓廠，工廠臨近該公司已建成的達(dá)勒姆SiC襯底工廠，而新工廠的建成也將使它們的SiC產(chǎn)能增加10倍，主要生產(chǎn)8英寸SiC襯底，供貨給紐約莫霍克谷工廠。
?03、對此，英飛凌也不甘示弱
未來5年，英飛凌將在其馬來西亞三號廠區(qū)的第二階段建設(shè)期間，向Kulim晶圓廠投資50億歐元，該公司表示，這超出了2022年2月宣布的原始投資，并將創(chuàng)建世界上最大的8英寸SiC晶圓廠。據(jù)悉，計(jì)劃中的擴(kuò)張得到了客戶的支持，包括來自汽車和工業(yè)應(yīng)用約50億歐元的新設(shè)計(jì)訂單，以及包括法國施耐德電氣在內(nèi)的客戶約10億歐元的預(yù)付款。
在半導(dǎo)體市場低迷的當(dāng)下，客戶為SiC晶圓廠支付的預(yù)付款顯著增加了芯片制造商的現(xiàn)金流，這有助于功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)抵御市場其它版塊周期性變化帶來的負(fù)面影響，并及時提高產(chǎn)能，以適應(yīng)電動汽車和可再生能源的應(yīng)用需求，以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)和電池儲能系統(tǒng)所需的逆變器市場的快速增長。
英飛凌的投資將使該公司2030年的SiC年?duì)I收潛力達(dá)到70億歐元，同時計(jì)劃將Villach和Kulim的8英寸傳統(tǒng)硅晶圓廠轉(zhuǎn)換為SiC產(chǎn)線。采取這些措施的目標(biāo)是在未來10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)占全球30%市場份額的目標(biāo)。英飛凌表示，該公司2025財(cái)年的SiC營收將超過10億歐元。
英飛凌擁有6個汽車OEM客戶，其中3家來自中國大陸，包括福特、上汽和奇瑞，另外，還有SolarEdge，以及3家領(lǐng)先的中國光伏和儲能系統(tǒng)公司。
安森美半導(dǎo)體也是SiC器件大廠，該公司已經(jīng)為汽車和可再生能源應(yīng)用的設(shè)備簽訂了超過20億美元的長期供貨協(xié)議。
除了以上這幾家公司，2023上半年，意法半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、羅姆、Soitec等都在擴(kuò)產(chǎn)，意法半導(dǎo)體在1月宣布斥資40億美元用于擴(kuò)產(chǎn)12英寸晶圓和增加SiC制造能力，又在6月與三安光電合資成立了8英寸SiC器件制造合資企業(yè)，建設(shè)總額預(yù)計(jì)達(dá)到32億美元。
中國本土廠商也在擴(kuò)建SiC晶圓產(chǎn)能，例如，中車時代電氣將投資111.19億元建設(shè)中低壓功率器件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目；長飛先進(jìn)計(jì)劃建設(shè)第三代半導(dǎo)體功率器件生產(chǎn)項(xiàng)目，包括外延片、晶圓制造、封測等產(chǎn)線，建設(shè)完成后將形成6英寸SiC晶圓及外延片36萬片/年的產(chǎn)能；比亞迪計(jì)劃斥資2億元，在深圳建設(shè)SiC外延片中試線項(xiàng)目，擴(kuò)建后將新增SiC外延片產(chǎn)能6000片/年，總產(chǎn)能達(dá)18000片/年。
以上主要介紹了各大廠商在SiC方面的競爭，下面看一下GaN。
與SiC類似，GaN產(chǎn)業(yè)鏈也由襯底、外延片、器件設(shè)計(jì)、制造組成。隨著GaN市場規(guī)模的擴(kuò)大，襯底需求也隨之增長，在整個產(chǎn)業(yè)鏈上，襯底所占比重較大，價值最重，制造工藝難度和門檻最高。就成本而言，襯底占整個產(chǎn)品制造的50%左右，因此，晶圓尺寸越大，成本效益越好，目前，SiC襯底以6英寸為主，8英寸晶圓有一些出貨量，但由于制造難題較大，出貨量還比較小。與SiC相比，GaN的襯底尺寸就更小了，目前以4英寸和6英寸為主，8英寸的還難以商業(yè)化。
按襯底類型劃分，GaN主要有4種，分別是GaN-on-SiC，GaN-on-Si，GaN-on-Sapphire，GaN-on-GaN，其中，GaN-on-SiC和GaN-on-Si器件已商用，但前者較貴，后者相對便宜，MACOM原本就是以GaN-on-Si為主攻方向，此次，收購Wolfspeed射頻業(yè)務(wù)后，得到了GaN-on-SiC相關(guān)技術(shù)和專利，有望在這方面有所拓展。GaN-on-GaN各項(xiàng)性能指標(biāo)都很高，但襯底價格過于昂貴，目前很難商用。
基于GaN-on-SiC襯底的外延片主要用于制造射頻器件，GaN-on-Si外延片主要用于制造功率器件，GaN-on-Sapphire和GaN-on-GaN外延片主要用于制造光電器件，這種光電器件在Mini LED、Micro LED、傳統(tǒng)LED照明領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢突出。
在商業(yè)拓展方面，今年3月，英飛凌以8.3億美元收購了GaN Systems，這是近年來GaN市場最為引人關(guān)注的并購案。
綜上，對于全球兩大專注于功率器件的半導(dǎo)體廠商（Wolfspeed和英飛凌）而言，它們的發(fā)展策略殊途同歸，無論是SiC，還是GaN，都要抓住，全方位拓展未來的功率半導(dǎo)體市場。
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