近日，北京中電科電子裝備有限公司（以下簡稱“北京中電科”）碳化硅全自動減薄機順利交付，并批量市場銷售。

據(jù)悉，該設(shè)備是碳化硅全自動減薄機最新研發(fā)成果的集中體現(xiàn)，重要技術(shù)指標和性能對標國際先進水平。

碳化硅減薄機是一款用于碳化硅晶錠、襯底片或芯片背面進行減薄的設(shè)備。“碳化硅是一種非常硬的材料，因此其減薄厚度的準確測量與控制非常難把握，對于減薄機的磨削精度要求非常高?！北本┲须娍葡嚓P(guān)負責人介紹道，其自主研發(fā)的全自動減薄機解決了碳化硅精準減薄難題。

該機器匯集了北京中電科自主研發(fā)的核心零部件氣浮主軸與氣浮載臺、超低速亞微米級運動控制技術(shù)，晶圓厚度分區(qū)域自動控制等多項最新研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，不僅加工一致性好、面型精度控制能力強、效率高、損傷層小，而且易于實現(xiàn)自動化。


如何實現(xiàn)碳化硅減薄過程的穩(wěn)定、精準？

北京中電科技術(shù)人員打了一個比方：比如一片φ300mm硅晶圓，初始厚度有780微米，要將其磨削至80微米甚至50微米，比頭發(fā)絲還要細，這在國內(nèi)很少有設(shè)備可以實現(xiàn)。而這款碳化硅減薄機，利用安裝在空氣靜壓電主軸上的專用金剛石砂輪，橫向高速旋轉(zhuǎn)，縱向以亞微米的速度向下進給，磨削吸附在陶瓷吸盤上的碳化硅圓片表面，達到更平、更薄的效果。最終可以實現(xiàn)碳化硅晶圓100微米以下的超精密磨削，領(lǐng)先國內(nèi)水平，與國際水平相當。

“鐵杵成針”！一直以來，北京中電科深耕半導體襯底材料、晶圓制造、半導體器件、先進封裝、MEMS等領(lǐng)域的超精密研削加工技術(shù)，以更平、更薄、更可靠為技術(shù)導向，開發(fā)了技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)越和工藝穩(wěn)定的碳化硅減薄機，為碳化硅材料及器件減薄加工提供了成套工藝解決方案和設(shè)備。在新能源汽車、光伏儲能、智能電網(wǎng)等應用領(lǐng)域，北京中電科突破高剛度空氣靜壓電主軸、高精度低熱膨脹氣浮載臺、亞微米進給系統(tǒng)等多項關(guān)鍵技術(shù)，貫通碳化硅襯底、外延、芯片、模塊全產(chǎn)業(yè)鏈量產(chǎn)平臺，實現(xiàn)新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域碳化硅減薄機批量供貨，有力保障碳化硅功率器件供應鏈安全，支撐產(chǎn)業(yè)鏈向高端躍升。

“下一步，北京中電科將面向國家重大戰(zhàn)略需求，聚焦汽車芯片等領(lǐng)域，繼續(xù)完善產(chǎn)品譜系、拓展產(chǎn)品類型，實現(xiàn)核心零部件的產(chǎn)業(yè)化銷售，全力提升碳化硅減薄機產(chǎn)能，進一步推進新能源汽車用碳化硅減薄機關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化應用，把擁有自主可控核心技術(shù)的國產(chǎn)集成電路裝備做大做強?！北本┲须娍葡嚓P(guān)負責人說。


企業(yè)紛紛布局，碳化硅加速產(chǎn)業(yè)化

碳化硅是新型電力系統(tǒng)——特高壓電網(wǎng)必需的可達萬伏千安等級的唯一功率半導體材料，同時也是高鐵和新能源汽車牽引、電控系統(tǒng)的“心臟”，可使高鐵動力系統(tǒng)體積、重量減小20％，損耗降低20％；新能源汽車電控系統(tǒng)體積重量減少80%，電能轉(zhuǎn)換效率提升20%。氮化鎵則是目前能同時實現(xiàn)高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級換代、6G通信基站優(yōu)先布局、軍用雷達性能得以提高的關(guān)鍵材料。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年美國、英國、意大利、新加坡、日本、法國等國家新布局21個第三代半導體公共研發(fā)項目，金額超12.6億美元。涉及材料、外延、器件、系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)，突出8英寸碳化硅襯底和晶圓制造、車用800V電壓平臺的碳化硅功率器件及電控系統(tǒng)等。

在新能源汽車、光伏、儲能等需求帶動下，第三代半導體產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場規(guī)模約23.7億美元。

從國際應用范圍來看，碳化硅主要應用于新能源汽車、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。碳化硅單晶襯底方面，目前半絕緣型襯底以4英寸為主，導電型襯底以6英寸為主，8英寸導電型、半絕緣型襯底已開發(fā)出樣品。面向車用的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模塊是企業(yè)當前開發(fā)的重點。氮化鎵則主要應用于消費類電子市場。氮化鎵襯底以2至4英寸為主，日本住友化學、三菱化學占全球85%市場份額，商業(yè)化的氮化鎵同質(zhì)外延仍以2英寸為主，3英寸處于研發(fā)階段。藍寶石基氮化鎵外延材料應用以LED為主，LED芯片市場占光電市場90%以上，植物照明、車用和顯示屏應用市場均呈現(xiàn)較大幅度擴展，主要器件企業(yè)包括日亞化學、歐司朗、三星等；硅基氮化鎵外延材料主要應用于消費類電子、新能源汽車等領(lǐng)域，商業(yè)化產(chǎn)品以6至8英寸為主，12英寸產(chǎn)品已開發(fā)正推進規(guī)?；瘧茫饕髽I(yè)包括英飛凌、安森美、意法半導體、松下等。

從國際技術(shù)發(fā)展水平來看，碳化硅方面，8英寸襯底開始產(chǎn)業(yè)化，車規(guī)級功率器件是當前開發(fā)重點，多家廠商已推出大功率模組及高溫封裝產(chǎn)品，碳化硅器件正向耐受更高電壓、更高電流密度、更低導通壓降、更高開關(guān)頻率方向發(fā)展。目前商業(yè)化SiC MOSFET產(chǎn)品電壓集中在650V、1200V、1700V，部分新品耐壓等級已提高至2000V，越來越多應用于牽引主逆變器、車載充電機以及高低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中。氮化鎵方面，國際上已制備出6英寸單晶襯底，功率器件向小型化、高功率密度、耐輻照方向發(fā)展，耐壓1200V的商業(yè)化產(chǎn)品和垂直型功率器件已實現(xiàn)小批量供貨。以氮化鎵射頻為例，2022年美國Integra公司宣布100V氮化鎵射頻器件開始出貨，意法半導體和美國Macom公司已生產(chǎn)出硅基氮化鎵原型，多家企業(yè)推出氮化鎵毫米波產(chǎn)品。

從裝備和輔材發(fā)展來看，一方面，8英寸碳化硅設(shè)備有望帶動產(chǎn)業(yè)鏈成本下降。2022年德國愛思強股份有限公司發(fā)布8英寸碳化硅外延設(shè)備，相比競爭對手有10%至15%的成本優(yōu)勢，預計2023年推動成本下降25%。另一方面，耐高溫材料、高效散熱材料開發(fā)速度加快。日本田村公司已開發(fā)出用于第三代半導體器件的無鉛焊料接合材料，計劃2023年實現(xiàn)量產(chǎn)。

面對不穩(wěn)定不確定的外部環(huán)境，第三代半導體始終保持高速發(fā)展態(tài)勢。以車用為首的下游市場將進入高速增長期，上游晶圓供不應求，未來幾年8英寸技術(shù)將推動產(chǎn)品性能不斷提升、成本逐步下降，國產(chǎn)材料和芯片在客戶端的認可度不斷提高。


國內(nèi)外襯底廠商放量在即，帶來巨大設(shè)備空間

根據(jù)產(chǎn)能梳理，我們預計至 2026年碳化硅襯底名義產(chǎn)能達 839.2 萬片， 對應設(shè)備總市場空間 251.8 億元，當年市場空間 48.0 億元。2023-2026 年，預計國外龍頭企業(yè) Wolfspeed、Coherent 有望憑借先發(fā)優(yōu)勢，碳化硅 襯底產(chǎn)能將率先突破百萬片；國內(nèi)廠商也在陸續(xù)擴產(chǎn)，其中東尼電子、 天科合達產(chǎn)能擴張較快。根據(jù) Yole 市場空間預測數(shù)據(jù)，2026 年全球?qū)?電型碳化硅襯底市場規(guī)模約占襯底總市場規(guī)模的78.9%,假設(shè)襯底良率為 60%，我們折算出 2026 年導電型襯底有效產(chǎn)能約為 397.3 萬片，相比于 455.7 萬片的需求，仍存在約 58.4 萬片的有效供給缺口，對應約 29.2 億 元設(shè)備投資空間。

碳化硅晶圓和器件的制備基本工藝流程同硅基半導體基本一致，但部分工藝段使用專用設(shè)備，部分需要在硅設(shè)備基礎(chǔ)上加以改進。根據(jù)我們梳理，目前長晶設(shè)備已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，其他各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備國產(chǎn)化率在0％-20％之間。國產(chǎn)替代空間廣闊。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈自主可控是國家多次強調(diào)的大趨勢，伴隨《關(guān)于做好2023年中央企業(yè)投資管理進一步擴大有效投資有關(guān)事項的通知》等一批積極的政策出臺，碳化硅設(shè)備將加快國產(chǎn)化步伐。

襯底環(huán)節(jié)是碳化硅器件制造中最核心、最困難的環(huán)節(jié)。碳化硅襯底價格高是制約碳化硅應用落地的主要原因。由于切片環(huán)節(jié)良率較低，切拋磨環(huán)節(jié)約占襯底總成本的2/3，切磨拋設(shè)備是襯底加工最核心的設(shè)備，國產(chǎn)化率約20％。

根據(jù)我們測算，預計2025年中國車用6英寸SiC晶圓拋磨設(shè)備市場空間約為50.9億元。在器件封裝環(huán)節(jié)，由于納米銀燒結(jié)工藝具備可實現(xiàn)高溫服役、高熱導率、高導電率、高可靠性幾大優(yōu)勢，契合三代半導體封裝需求，納米銀燒結(jié)設(shè)備成為碳化硅封裝固化工藝的最核心設(shè)備，截至2022年未實現(xiàn)國產(chǎn)化。根據(jù)我們測算，預計2025年國內(nèi)納米銀燒結(jié)設(shè)備市場規(guī)模為30億元。