Knowmade近日發(fā)布了一份新的碳化硅(SiC)知識產(chǎn)權(IP)報告,,分析師選擇并分析了500多個不同實體提交的13,700多個專利族(發(fā)明),,從專利格局的角度對碳化硅的競爭,、技術發(fā)展和進行了全面分析,,涵蓋碳化硅晶錠和外延,、襯底到碳化硅器件,、模塊和電路,。
電動汽車推動下
碳化硅現(xiàn)大格局
Yole Dédevelopement最近預測,,未來幾年碳化硅功率器件市場將達到數(shù)十億美元,,2027年將超過60億美元,2021-2027年預計復合年增長率為34%,。但碳化硅晶圓業(yè)務的進入壁壘非常高,,目前能夠為功率器件制造商大規(guī)模生產(chǎn)大面積高質量碳化硅晶圓的公司數(shù)量有限就是明證,因為他們需要能夠符合電動汽車行業(yè)預期的嚴格器件要求,。
2021,,碳化硅功率器件市場收入超過10億美元,主要由位于歐洲(意法半導體(ST),、英飛凌),、美國(Wolfspeed,、安森美(onsemi))和日本(羅姆半導體、三菱電機,、富士電機)的公司賺取,。
近年來,在電動汽車(EV)中采用碳化硅功率器件的推動下,,碳化硅市場正在蓬勃發(fā)展,。越來越多的汽車廠商研究了碳化硅功率器件的使用,尤其是在控制電機的電動汽車主逆變器方面,。
2020-2021年收入前六大碳化硅功率器件制造商
生長碳化硅晶體是一個漫長而困難的過程,,而且制造高質量和大面積的碳化硅晶圓仍然很昂貴,因此能夠提供此類晶圓的公司數(shù)量非常有限,。為了緩解這兩個問題,,主要的碳化硅功率器件制造商都已與多家碳化硅晶圓供應商(如英飛凌與Wolfspeed和Showa Denko、ST與Wolfspeed和SiCrystal)簽署了LTSA,,和/或通過收購碳化硅材料供應商實現(xiàn)襯底自供,,采用了垂直整合模式(例如,ST收購Norstel,、羅姆收購SiCrystal,、安森美收購GTAT),重塑了碳化硅生態(tài)系統(tǒng),。
此外,,越來越多的碳化硅晶圓供應商正在開發(fā)200mm碳化硅晶圓的技術,意法半導體曾表示,,首批200mm碳化硅晶圓質量上乘,,影響芯片良率、晶體位錯的缺陷非常少,。與150mm晶圓相比,,200mm晶圓可增加產(chǎn)能,可用面積擴大幾乎一倍,,良率則可增加80-90%,。這代表了一種中期或長期解決方案。一些制造商正在對200mm碳化硅晶圓進行送樣,,包括Wolfspeed,、II-VI、SiCrystal,、ST,、GTAT、SK Siltron的美國子公司SK Siltron CSS,。
與此同時,,幾家公司也在開發(fā)顛覆性技術以解決成本和供應問題,,目前已進入碳化硅生態(tài)系統(tǒng)的有:Siltectra、Disco的激光切割/減薄技術,;Soitec的Smart CutTM碳化硅工程襯底和Sumitomo Metal Mining(住友金屬礦業(yè))的碳化硅激光退火設備。
2021年基于150mm襯底的1200V/100A碳化硅MOSFET片芯成本明細
碳化硅專利市場中國力量
趕了晚集卻有望趕上
專利格局反映了新興行業(yè)的新參與者進入市場之前的準備情況,,可以更好地了解他們在特定技術方面的專業(yè)知識和訣竅,。Knowmade化合物半導體和電子技術和專利分析師Rémi Comyn表示:“專利反映了一個國家或參與者在特定技術上的研發(fā)投資水平,同時也暗示了主要IP參與者達到的技術準備水平,。此外,,價值鏈上的技術覆蓋率和專利組合的地理覆蓋率與IP參與者的業(yè)務戰(zhàn)略密切相關?!?/p>
垂直整合創(chuàng)新戰(zhàn)略與全球專利相結合
有助于克服碳化硅行業(yè)高進入壁壘
盡管歷史上的IP廠商(Wolfspeed,、SiCrystal、II-VI)不斷申請新的專利,,表明其技術不斷改進,,但住友電氣和昭和電機在碳化硅襯底專利領域占據(jù)了IP領先地位。
功率碳化硅供應鏈上的主要專利受讓人
Knowmade的專利分析表明,,大量碳化硅專利領域的知名IP參與者都擁有加入或分拆碳化硅晶圓業(yè)務新公司的專業(yè)知識和訣竅,,就像SKC于2021成立Scenic一樣。Scenic公司的前身是SKC集團的碳化硅子公司,,于2004年成立,,是韓國唯一的碳化硅襯底公司,已成功開發(fā)2英寸至6英寸碳化硅晶圓,。2021年9月,,私募基金公司Paratus Investment以700億韓元(約3.7億人民幣)收購SKC的碳化硅晶圓資產(chǎn),成立了Scenic公司,。
從全球看,,前十大IP廠商和市場前六大功率器件廠商的專利組合是:三菱電機、住友電氣,、英飛凌,、Rohm、豐田/電裝,、Wolfspeed,、富士電機、日立,、東芝,、ST、安森美和松下,。
知識產(chǎn)權戰(zhàn)略頭部參與者
主要參與者的碳化硅專利組合
在中國,,有許多從事碳化硅襯底研發(fā)的IP公司,,其中一些公司已進入碳化硅晶錠專利領域,SiCC(山東天岳),、Synlight Crystal(同光股份),、TankeBlue(天科合達)、San'an(三安光電)表現(xiàn)突出,。
功率供應鏈上的主要中國專利受讓人
Knowmade認為,,一些從事顛覆性技術開發(fā)的主要公司正在解決碳化硅晶圓的成本和可用性問題(Soitec、Toyota Tsusho/Kwansei Gakuin大學,、Sumitomo Metal Mining/SiCoxs,、英飛凌/Siltectra等)。
作為及時應對新興功率碳化硅市場的捷徑,,企業(yè)需要在整個價值鏈上獲得創(chuàng)新,。雖然許多公司正致力于構建垂直整合供應鏈,以確保其碳化硅業(yè)務的長期安全,,但很少有公司在整個碳化硅價值鏈上開發(fā)出強大的專利組合,,日本的豐田和電裝是個例外。
功率碳化硅的供應鏈/價值鏈
許多公司可能沒有預料到歐洲或中國是功率碳化硅業(yè)務的關鍵市場,,因此需要加強其在這些地理區(qū)域的知識產(chǎn)權地位,。為此,大多數(shù)領先公司需要將內部創(chuàng)新能力與外部創(chuàng)新源相結合,,例如通過并購運營(如onsemi/GTAT,、ST/Norstel、Wolfspeed/APEI,、Danfoss/Semikron),、許可協(xié)議(如II-VI/GE)或知識產(chǎn)權合作(如豐田/電裝、奧迪/ABB),,以加速其碳化硅技術的部署,。
“更重要的是,全球創(chuàng)新戰(zhàn)略重點不僅在建立垂直整合的生產(chǎn)線方面,,從而壓低供應商利潤率并在內部確保供應鏈的安全,,它還使參與者在發(fā)展過程中不受供應鏈不同層次——從材料優(yōu)化到模塊集成技術和成本壁壘的限制,”Comyn說:“因此,,在供應鏈的各個階段擁有關鍵專利的老牌企業(yè)有望在市場上獲得長期競爭優(yōu)勢,,而新來者在碳化硅行業(yè)面臨著特別高的進入壁壘?!边@也表明,,主要參與者的知識產(chǎn)權戰(zhàn)略對強化整個碳化硅價值鏈關鍵技術至關重要。
中國發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)似乎有點晚,但現(xiàn)在有望在價值鏈的各個層面迎頭趕上,,近年來針對眾多碳化硅產(chǎn)業(yè)和研發(fā)項目提供了資金,。2021年,功率碳化硅領域的新進入者三安光電宣布投資25億美元建立中國第一條垂直整合碳化硅生產(chǎn)線,,這是中國服務自身市場的雄心壯志的一個案例,。
不過,對于碳化硅領域的新參與者來說,,要滿足碳化硅功率器件所需的材料質量,,通常不僅需要強大的專業(yè)知識和巨大的投資,而且還需要在晶體和外延生長,、切片、拋光等方面進行多年的開發(fā),,更不用說碳化硅器件制造和測試的難度,,以及汽車應用(功率碳化硅的主要市場)的苛刻要求。因此,,目前中國功率碳化硅技術的發(fā)展給碳化硅行業(yè)帶來了許多問題,。
這份碳化硅專利報告指出,中國參與者正在塑造中國新興碳化硅供應鏈,,加速其專利活動以支持碳化硅技術的發(fā)展,,更重要的是催生一個完整的國內供應鏈,并確保其功率半導體產(chǎn)品線的供應安全,。
目前,,中國專利申請者覆蓋了整個供應鏈,包括各細分市場上相對成熟的IP領域,,參與者種類繁多(學術,、工業(yè)、代工,、IDM,、集成商、純玩家等),,涉及密集的IP合作和IP傳輸網(wǎng)絡,。因此,在供應鏈的大多數(shù)環(huán)節(jié),,中國與外國供應商的技術差距有望縮小,。
關于發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)
一些理性思考
圖源 | Asia Times
上面提到中國碳化硅發(fā)展存在一些問題,這里分析一下,。目前,,國內碳化硅產(chǎn)業(yè)看上去紅紅火火,但硅的霸主地位依舊不可撼動,80%集成電路仍在使用硅,,而碳化硅的優(yōu)勢主要在于其功率特性,。
車用市場是碳化硅首先引爆的應用市場,2022年以后,,SBD會因為國內廠商的崛起引發(fā)激烈競爭,,而車規(guī)MOSFET應用的高壁壘形成了精英賽道,能夠跑到最后的競爭者有限,。因此,,是否有能力開展MOSFET的研發(fā),是否有能力出貨,,就成了判斷碳化硅器件公司成功與否的客觀標準,。
未來,從產(chǎn)業(yè)鏈價值分布及客戶優(yōu)勢等方面看,,上游擁有襯底量產(chǎn)技術,、外延能力的企業(yè),以及擁有功率半導體器件經(jīng)驗,、下游客戶或具備大量應用數(shù)據(jù)的功率半導體公司將有望脫穎而出,。其中產(chǎn)能十分關鍵,而國內廠商大部分講的是規(guī)劃產(chǎn)能,,并不等于有效的高質量產(chǎn)能,,有實力真正實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的并不多,最終良率偏低,、影響產(chǎn)能的項目可能會被以兼并重組的方式淘汰,。
2022年“兩會”提案中,代表們多次提及半導體及相關產(chǎn)業(yè),,希望繼續(xù)發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢,,進一步強化國家科技重大專項對核心芯片研發(fā)創(chuàng)新的支持力度,進一步擴大國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金投資規(guī)模,。
碳化硅的發(fā)展還受限于標準不夠完善,,雖然行業(yè)正在獲得一些認證,但借用的AEC Q-101,、AQG324只是入門級要求,,在車規(guī)級碳化硅方面需要更高級別的現(xiàn)場認證,國內剛剛開始有一些團體標準,。
有代表建議,,加速建設集成電路材料表征測試和應用研究平臺,為研發(fā)機構和企業(yè)提供材料表征測試的“一站式”解決方案,;建立集成電路材料相關行業(yè)標準和評價體系,;加快建設自主可控的集成電路材料行業(yè)數(shù)據(jù)庫,以及集成電路材料基因組技術創(chuàng)新平臺,構建材料機理和組分,、工藝和集成條件,、材料和芯片性能之間關系數(shù)據(jù)庫和模型,設計并篩選新材料,。
還有代表表示,,化合物半導體制造產(chǎn)業(yè)建線周期長,技術攻關難,,一些企業(yè)長期處于虧損狀態(tài),,急需國家有針對性的特殊政策。例如在出臺“穩(wěn)鏈強鏈”扶持政策時,,充分考慮化合物半導體晶圓制造企業(yè)的特點,,在選擇頭部企業(yè)、承擔國家重大項目以及稅收等方面給予支持和扶持,。
總之,,以碳化硅為代表的第三代半導體投資不是一朝一夕的事情,必須有長遠規(guī)劃,,也需要有芯片企業(yè)、汽車等應用企業(yè)的共同參與,,還要構建產(chǎn)業(yè)人才的引進與培養(yǎng)長期機制,,才能實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展。