長期來,成本低廉且易於加工的矽,一直是半導體領域的關鍵材料。近年來,隨著追求能源效率的電動車產業崛起,以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)材料為首的第3類半導體,開始受到關注。
電池是電動車最為昂貴的零件,成本超過全車的3分之1,碳化矽晶片可以令電動車在同樣體積的電池配置下跑得更遠。「我們看到傳統汽車產業和新創對使用碳化矽產生了濃厚興趣,因為它的續航能力更強。」全球最大碳化矽晶圓廠商Wolfspeed亞太區副總裁王瑞興點出。
專利優勢,拿下通用、福斯訂單
成立於1987年的Wolfspeed,最初名為科銳(Cree),業務包括半導體、照明及LED,近年來為求轉型,相繼出售照明及LED業務,將目光聚焦在半導體領域。
2021年10月上旬,執行長格雷格.羅爾(Gregg Lowe)帶領管理團隊在紐約證交所(NYSE)敲鐘,宣布公司將從科銳更名為Wolfspeed,以旗下半導體部門作為企業名稱,明確昭示專注於碳化矽半導體的方針。
羅爾指出,「碳化矽將形塑下一代功率半導體,其優異的性能將創造全新可能性,改變我們的生活。」Wolfspeed的技術實力,數字會說話。在基板、磊晶的碳化矽材料領域,該公司市占超過6成。跨國研究公司IndustryArc的資料也顯示,Wolfspeed在碳化矽晶圓製造擁有65%市占。
日本專利分析公司Patent Result依照專利數量、關注度發布的一份分析則顯示,Wolfspeed在碳化矽領域的專利競爭力高居全球第一,遠超其他企業,在基板及結晶化方面尤為突出。根據國際能源署(IEA)2021年4月底發布的報告,全球電動車數量預估2030年將達1.45億輛;若各國努力實現氣候目標,更能上看2.3億輛。
小辭典
【結晶化】crystallization,由原子或分子組織成晶體結構的過程,主要分為「成核」及「長晶」兩步驟,晶體屬性取決於溫度、空氣壓力等多種因素。
【長晶】crystal growth,利用晶體物質相變(如液體氣體)情況,結晶微顆粒的表面逐漸沉積更多固體,最後生長成大型晶體顆粒。
電動車的前景可期,也是Wolfspeed決心專注投入碳化矽的重要原因。在宣布改名的同時,該公司一併揭曉與通用汽車(GM)達成供應協議,將其碳化矽元件使用於通用的次世代電動車動力系統Ultium Drive。
另外,包括福斯(Volkswagen)旗下未來汽車供應鏈專案FAST(Future Automotive Supply Tracks)、德爾福汽車(Delphi)、ZF集團等汽車零組件大廠,還有車用半導體大廠英飛凌(Infineon)、意法半導體(STMicroelectronics,簡稱ST)在內的半導體業者,也都青睞Wolfspeed的產品,締結合作關係。
在Wolfspeed 2021年第3季財報中,半導體業務營收1.57億美元、年增35.6%,顯示碳化矽晶片需求火熱。
打造「碳化矽走廊」,產能翻30倍
與第1類半導體(矽)相比,碳化矽等第3類半導體具備寬能隙(wide bandgap)、熱導性佳等優勢,可承受更高的電壓、電流及溫度,降低晶片切換與傳輸的能量損失;再加上碳化矽模組較矽的體積更小、重量更輕盈,對於配置空間錙銖必較的電動車,還有充電站及鐵路等應用,都是更優質的選擇。
不過,碳化矽質地堅硬,難以切割、研磨、拋光,加上長晶效率比矽慢上逾100倍,還須在攝氏超過2,100度的高溫環境,導致成本相對高昂,一直以來難以普及。近年來,由於產能提升、技術進步等因素,使得碳化矽與矽的成本差距從5、6年前的10倍降低至2、3倍,市場需求也日漸增加。
根據法國市場研究機構Yole Développement預測,採用碳化矽的功率半導體市場,將從2020年不到10億美元的規模,在2026年時成長6倍,達到44.8億美元。碳化矽需求高漲,也令競爭對手開始積極搶占市場。日本大廠羅姆半導體(ROHM)便持續擴充產能,目標2025年吃下碳化矽晶圓3成市占。
面對競爭者虎視眈眈,王瑞興反應泰然,認為這代表市場機會更受到肯定,也能夠激發這塊領域的創新。他指出,Wolfspeed從客戶業務看到未來商機,預測5年內發展總產值高達180億美元,「汽車產業是帶動成長的主因,工業、航太、國防及能源領域也有顯著成長動能。」
為了積極擴大產能,Wolfspeed早已展開布局,2019年就宣布在紐約州瑪西(Marcy)設立迄今最大的碳化矽晶圓廠,建立8吋碳化矽晶圓製造能力(目前市場主流為6吋);同時還將在北卡羅萊納州建設大型材料工廠,喊出要在美國東海岸打造一條「碳化矽走廊」,預計投入10億美元,最終目標是讓碳化矽材料及晶圓產能提升30倍。
位於瑪西的晶圓廠,可望於2022上半年完工,王瑞興透露,「該工廠採100%自動化,晶圓成本、生產周期可較現有廠房降低超過一半,產量則提高20~30%。」
在以電動車為首,各產業激增的碳化矽晶片需求下,Wolfspeed相信,憑藉自身的主導地位及迅速擴張產能的策略,將能夠推動成本降低,進而贏得客戶的長期供應協議,從這場第3類半導體的浪潮中勝出。
Wolfspeed
成立:1987年
董事長:格雷格.羅爾(Gregg Lowe)
近期財報:2021年前3季累計合併營收達4.4億美元(約新台幣122億元),年增30%(2020年第4季宣布出售LED業務前,營收以Wolfspeed半導體部門營收計算)
關鍵技術:全球最大碳化矽晶圓廠商,在材料和晶圓製造的市占均超過6成
目標:預計2024年前投資10億美元,將碳化矽材料生產及晶圓製造產能提升30倍
責任編輯:吳佩臻、張庭銉