日前，美國總統拜登視察以製造碳化矽功率半導體聞名於世的廠商Wolfspeed總部，開啟了「投資美國」之行的首站。最近一段時間，美國碳化矽半導體公司動作頻繁，日本也是遙相呼應。看來，由特斯拉引發的碳化矽「減量」的躁動之聲早已煙消雲散。
去年，安森美投資3億美元擴大了其位於捷克共和國羅茲諾夫工廠的產能，工廠落成後兩年內產能將逐步提高16倍。最近該公司表示，未來5-10年碳化矽不會過剩，將持續擴產。 同年，英飛凌也宣布在馬來西亞居林工廠投資逾20億歐元建造第三個廠區，擴大碳化矽和氮化鎵等寬禁帶半導體產能，新工廠計劃於2024年投產。英飛凌最近表示，正在加緊布局和擴大產能，預計到2027年碳化矽產能將增加10倍，銷售額將增至約30億歐元。 進入2023年，主要功率電子製造商都公布了提高碳化矽產能的計劃。有幾家公司備受關注，我們來看看他們都是怎麼做的。 全球碳化矽產業美國主導Yole預測，截至2027年，全球碳化矽器件產能將增至三倍，增量主要來自五大巨頭：意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、安森美和羅姆。分析師預測，碳化矽器件市場在未來五年規模可達60億美元，至2030年代初期可達100億美元。2022年，器件和晶圓級碳化矽領先企業如下圖所示。
2022年SIC玩家市場份額
8因此晶圓生產的主導者仍然是Wolfspeed，它是世界上唯一一家能量產8因此碳化矽晶圓的公司，未來兩到三年無人能及。有可能與其匹敵的是2022年10月意法半導體宣布將興建的一座整合式碳化矽襯底製造廠。新廠預計2024-2025年投產，以實現碳化矽襯底對內供應及行業供貨的平衡。 因此，美國在碳化矽晶圓方面仍處於領先地位，除了Wolfspeed，還有Coherent（高意集團）、安森美，以及韓國SK Siltron的美國子公司SK Siltron CSS，後者正在密西根州擴建其碳化矽晶圓生產廠。另一方面，歐洲在碳化矽器件方面擁有強勢地位。 政策加持，重獎之下必有勇夫2023年2月，美國Microchip Technology宣布計劃投資8.8億美元，其中包括科羅拉多州斯普林斯市和埃爾帕索縣給予了約4700萬美元的擴張獎勵。未來幾年內，Microchip將擴大科羅拉多州科羅拉多斯普林斯製造工廠的碳化矽和矽產能，以應對不斷增長的需求。 科羅拉多設施的擴建得到了州和地方激勵措施的支持，包括《晶片和科學法案》。Microchip是國家安全的寶貴資產——儘管它不是美國唯一的碳化矽晶片製造商，但它在向美國航空航天和國防市場供應方面有著良好的記錄。
Microchip投資8.8億美元投建一條8英寸生產線，用於生產碳化矽二極體、MOSFET和模塊。
擴建的一個重要階段是開發和升級其占地50英畝、58萬平方英尺的科羅拉多校區，以增加碳化矽製造，用於電動汽車、電網基礎設施、綠色能源、航空航天和國防應用。 該園區目前有850多名員工，生產6英寸晶圓產品。Microchip正在安裝的製造設備將在8英寸晶圓上運行，將顯著增加該地點生產的晶片數量。預計該設施將新增400個工作崗位，包括從生產專家到設備採購和管理、過程控制和測試工程方面的技術角色。 Microchip模擬業務高級副總裁Rich Simoncic表示：「Microchip在碳化矽方面的投資超過20年，產品組合旨在為我們的客戶提供創新的電源解決方案。該園區是生產我們的碳化矽技術的一個組成部分，以確保我們的客戶在過渡到碳化矽解決方案時有確定性的供應。」 Microchip總裁兼執行長Ganesh Moorthy表示：「Microchip與該市和州有著悠久的合作歷史，我們讚賞他們繼續支持我們在美國推進半導體產業的努力。《晶片和科學法案》通過投資稅收抵免對我們的業務產生了積極影響，我們正在為幾家半導體工廠尋求產能擴張補助，包括我們的科羅拉多工廠。我們認為，良好的合作夥伴關係、州和地方的激勵措施以及強大的當地人才隊伍，將使該地區將有一個光明的未來。」 Microchip擁有多樣化產品組合，包括碳化矽二極體、MOSFET和模塊，其技術來自於2018年收購的Microsemi，此前的2003年Microsemi收購了Advanced Power Technology碳化矽產品業務。 在美國，Microchip的雙晶圓廠戰略是利用內部和外部晶圓廠生產碳化矽，將碳化矽外延片加工成各種器件。Microchip碳化矽事業部副總裁Clayton Pillion表示：「從我們的角度來看，我們會繼續擴大規模。外部產能的增加有助於提高這一能力。」 發力8英寸碳化矽晶圓投資建廠熱潮中，大家不謀而合，都把重點放在了8英寸碳化矽晶圓廠的投建上。2023年3月中旬，為應對電動汽車和其他低能量損耗應用對碳化矽功率半導體的快速增長需求，三菱電機宣布將建立一個新的晶圓工廠，以增加碳化矽功率半導體的產量。
三菱電機新的8英寸碳化矽晶圓廠
這意味著該公司將在截至2026年3月的五年內投資約20億美元（2600億日元），是之前宣布的投資計劃的兩倍。其中7.56億美元（1000億日元）將用於建設一個新的8英寸碳化矽晶圓廠並加強相關生產設施。 新工廠將納入熊本縣紫水區的一家工廠，生產大直徑8英寸碳化矽晶圓，引進具有最先進能源效率和高水平自動化生產效率的潔淨室。此外，該公司還將加強其6英寸碳化矽晶圓的生產設施，以滿足該領域不斷增長的需求。 三菱還將投資約7500萬美元（100億日元）建設一個新工廠，該工廠將整合目前分散在福岡地區的現有業務，用於功率半導體的組裝和檢測。 上下游一個都不少2023年2月，全球最大的碳化矽襯底製造商Wolfspeed宣布，計劃在德國薩爾州建造一座高度自動化、採用前沿技術的8英寸碳化矽晶圓製造工廠，它是Wolfspeed 65億美元產能擴張計劃的重要組成部分，預計投資30億美元，工廠建設預計於2023年上半年啟動。 Wolfspeed的65億美元產能擴張計劃還包括2022年4月開業的8英寸莫霍克谷器件工廠，以及正在建設的北卡羅來納州占地445英畝（180公頃）的碳化矽材料工廠，即以Wolfspeed聯合創始人兼首席技術官、美國國家工程院院士John Palmour博士命名的John Palmour碳化矽製造中心）。
John Palmour碳化矽製造中心效果圖
同月，Wolfspeed透露，將與德國汽車零部件巨頭采埃孚（ZF）在德國建造一座價值30億美元的碳化矽晶圓廠，用於製造電動汽車和其他應用的晶片，預計四年後在德國西南部薩爾州開始生產。對此Wolfspeed執行長Gregg Lowe去年就曾表示：正在考慮在德國建設一家半導體工廠，投資決定將取決於其獲得的補貼。 早在2019年，這家世界500強企業、銷售額為334億美元的汽車零部件製造商就和Wolfspeed建立了持續的戰略合作夥伴關係，旨在創建電動傳動系統。2020年，雙方開始採用碳化矽技術提升電機逆變器的工作效率，從而提高電動汽車電池壽命，或在相同電池壽命下使用更小的電池容量，以節省成本。ZF在中國瀋陽、上海、南京、杭州等地也有工廠。 對於供應鏈上游，Wolfspeed也沒有放過。就在2023年3月29日，德國特種石墨和複合材料供應商SGL Carbon根據與Wolfspeed已建立的業務關係簽訂了供應協議，將擴大產能支持Wolfspeed在碳化矽高性能應用領域的增長。 Wolfspeed全球採購與規劃高級副總裁Jeff Ferraro表示：「我們將SGL Carbon視為石墨解決方案的強大合作夥伴，這些解決方案是不斷擴大的碳化矽半導體需求所必需的。」 據介紹，在碳化矽半導體生產過程中，石墨是必不可少的成分。從碳化矽粉末的合成到成品晶圓，SGL Carbon可以提供由等靜壓石墨和碳複合材料以及絕緣材料製成的定製解決方案。 據悉，SGL Carbon將為Wolfspeed最近正式啟用的世界上第一個也是目前最大的8英寸碳化矽晶圓廠——莫霍克山谷晶圓廠提供材料，也包括正在建設中的John Palmour碳化矽製造中心。 產學研合作模式助力研發美國公司也非常重視產學研合作，2023年3月30日，在Wolfspeed總部與拜登總統舉行的一次活動上，Wolfspeed宣布和北卡羅來納州農業技術州立大學（NC A&T）建立產學研合作夥伴關係，通過建立研發設施——上面提到的John Palmour碳化矽製造中心，促進碳化矽技術的進步。 合作雙方打算申請《晶片和科學法案》資金，在北NC A&T校園內建造一個新的研發設施，專注於碳化矽技術。雙方將在今年秋天發布研發設施資助機會通知，將該項目作為《晶片和科學法案》的一部分提交給聯邦投資。 Wolfspeed總裁兼執行長Gregg Lowe表示：「Wolfspeed一直在與北卡羅來納州A&T合作，以發展未來的員工隊伍，開發未來的技術。研發設施將使下一代創新者能夠探索新的工藝、應用和突破性進展，以支持全球從矽技術向碳化矽技術的轉型，並在各種行業實現新的可持續性和能源效率水平。」 John Palmour碳化矽製造中心是世界上最大的碳化矽晶體生長設施。其第一階段建設預計將於2024年完成，全面建成後加上該公司目前正在達勒姆總部進行的材料擴建，Wolfspeed的材料產量將增加10倍以上，並創造1800個新的就業機會。該工廠將向Wolfspeed去年在紐約開業的莫霍克山谷晶圓廠供應8英寸碳化矽晶圓。 A&T是美國領先的工程機構之一，Wolfspeed將其視為公司人才發展戰略的關鍵組成部分。2020年，Wolfspeed承諾在五年內向哈佛商學院捐贈400萬美元，這是當時該大學歷史上最大的一筆捐款，用於創建Wolfspeed捐贈學者計劃。2022年9月，兩家實體宣布建立合作夥伴關係，制定全面的教育和培訓課程，包括碳化矽半導體製造的本科生和研究生證書，以及現有半導體製造工人的培訓和職業發展計劃。 為進一步支持Wolfspeed日益增長的人才需求，該公司正在與北卡羅來納州社區大學系統內的幾所學校合作，以發展其先進位造業需求所需的技能，包括學徒和學徒前的機會、定製的培訓課程、高中生的職業和大學承諾途徑，以及基於工作的學習計劃。追趕不能放棄未來5-10年，碳化矽產能不會過剩，相反，政策支持加成本下降將使其應用範圍不斷擴大。目前，海外廠商在碳化矽領域占有先發優勢，而國內企業仍在起步階段，技術上在不斷追趕，產能尚在爬坡。 近年來，我國也陸續出台政策鼓勵碳化矽行業的發展與創新，並向大尺寸碳化矽襯底演進，以有效提升材料使用率。隨著國內企業產品驗證進程的加速，下游廠商認可程度將不斷提升，海外企業與國內企業的差距也將會縮小，國產替代具有廣闊的市場空間。