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

據(jù)悉，該設(shè)備是碳化硅全自動(dòng)減薄機(jī)最新研發(fā)成果的集中體現(xiàn)，重要技術(shù)指標(biāo)和性能對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)水平。

碳化硅減薄機(jī)是一款用于碳化硅晶錠、襯底片或芯片背面進(jìn)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(zhǔn)確測(cè)量與控制非常難把握，對(duì)于減薄機(jī)的磨削精度要求非常高。”北京中電科相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹道，其自主研發(fā)的全自動(dòng)減薄機(jī)解決了碳化硅精準(zhǔn)減薄難題。

該機(jī)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(tái)、超低速亞微米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，晶圓厚度分區(qū)域自動(dòng)控制等多項(xiàng)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(qiáng)、效率高、損傷層小，而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。


如何實(shí)現(xiàn)碳化硅減薄過(guò)程的穩(wěn)定、精準(zhǔn)？

北京中電科技術(shù)人員打了一個(gè)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(xì)，這在國(guó)內(nèi)很少有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)。而這款碳化硅減薄機(jī)，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(jìn)給，磨削吸附在陶瓷吸盤上的碳化硅圓片表面，達(dá)到更平、更薄的效果。最終可以實(shí)現(xiàn)碳化硅晶圓100微米以下的超精密磨削，領(lǐng)先國(guó)內(nèi)水平，與國(guó)際水平相當(dāng)。

“鐵杵成針”！一直以來(lái)，北京中電科深耕半導(dǎo)體襯底材料、晶圓制造、半導(dǎo)體器件、先進(jìn)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(dǎo)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(jī)，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(chǔ)能、智能電網(wǎng)等應(yīng)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(tái)、亞微米進(jìn)給系統(tǒng)等多項(xiàng)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(tái)，實(shí)現(xiàn)新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域碳化硅減薄機(jī)批量供貨，有力保障碳化硅功率器件供應(yīng)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(guó)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(shí)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(jī)產(chǎn)能，進(jìn)一步推進(jìn)新能源汽車用碳化硅減薄機(jī)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，把擁有自主可控核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)集成電路裝備做大做強(qiáng)。”北京中電科相關(guān)負(fù)責(zé)人說(shuō)。


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(dá)萬(wàn)伏千安等級(jí)的唯一功率半導(dǎo)體材料，同時(shí)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(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級(jí)換代、6G通信基站優(yōu)先布局、軍用雷達(dá)性能得以提高的關(guān)鍵材料。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年美國(guó)、英國(guó)、意大利、新加坡、日本、法國(guó)等國(guó)家新布局21個(gè)第三代半導(dǎo)體公共研發(fā)項(xiàng)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(tái)的碳化硅功率器件及電控系統(tǒng)等。

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

從國(guó)際應(yīng)用范圍來(lái)看，碳化硅主要應(yīng)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(dǎo)電型襯底以6英寸為主，8英寸導(dǎo)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模塊是企業(yè)當(dāng)前開發(fā)的重點(diǎn)。氮化鎵則主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子市場(chǎng)。氮化鎵襯底以2至4英寸為主，日本住友化學(xué)、三菱化學(xué)占全球85%市場(chǎng)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(lán)寶石基氮化鎵外延材料應(yīng)用以LED為主，LED芯片市場(chǎng)占光電市場(chǎng)90%以上，植物照明、車用和顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)均呈現(xiàn)較大幅度擴(kuò)展，主要器件企業(yè)包括日亞化學(xué)、歐司朗、三星等；硅基氮化鎵外延材料主要應(yīng)用于消費(fèi)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(jìn)規(guī)模化應(yīng)用，主要企業(yè)包括英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體、松下等。

從國(guó)際技術(shù)發(fā)展水平來(lái)看，碳化硅方面，8英寸襯底開始產(chǎn)業(yè)化，車規(guī)級(jí)功率器件是當(dāng)前開發(fā)重點(diǎn)，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(dǎo)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(jí)已提高至2000V，越來(lái)越多應(yīng)用于牽引主逆變器、車載充電機(jī)以及高低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中。氮化鎵方面，國(guó)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(shí)現(xiàn)小批量供貨。以氮化鎵射頻為例，2022年美國(guó)Integra公司宣布100V氮化鎵射頻器件開始出貨，意法半導(dǎo)體和美國(guó)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(lái)看，一方面，8英寸碳化硅設(shè)備有望帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈成本下降。2022年德國(guó)愛思強(qiáng)股份有限公司發(fā)布8英寸碳化硅外延設(shè)備，相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有10%至15%的成本優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)2023年推動(dòng)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(dǎo)體器件的無(wú)鉛焊料接合材料，計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

面對(duì)不穩(wěn)定不確定的外部環(huán)境，第三代半導(dǎo)體始終保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。以車用為首的下游市場(chǎng)將進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，上游晶圓供不應(yīng)求，未來(lái)幾年8英寸技術(shù)將推動(dòng)產(chǎn)品性能不斷提升、成本逐步下降，國(guó)產(chǎn)材料和芯片在客戶端的認(rèn)可度不斷提高。


國(guó)內(nèi)外襯底廠商放量在即，帶來(lái)巨大設(shè)備空間

根據(jù)產(chǎn)能梳理，我們預(yù)計(jì)至 2026年碳化硅襯底名義產(chǎn)能達(dá) 839.2 萬(wàn)片， 對(duì)應(yīng)設(shè)備總市場(chǎng)空間 251.8 億元，當(dāng)年市場(chǎng)空間 48.0 億元。2023-2026 年，預(yù)計(jì)國(guó)外龍頭企業(yè) Wolfspeed、Coherent 有望憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，碳化硅 襯底產(chǎn)能將率先突破百萬(wàn)片；國(guó)內(nèi)廠商也在陸續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，其中東尼電子、 天科合達(dá)產(chǎn)能擴(kuò)張較快。根據(jù) Yole 市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2026 年全球?qū)?電型碳化硅襯底市場(chǎng)規(guī)模約占襯底總市場(chǎng)規(guī)模的78.9%,假設(shè)襯底良率為 60%，我們折算出 2026 年導(dǎo)電型襯底有效產(chǎn)能約為 397.3 萬(wàn)片，相比于 455.7 萬(wàn)片的需求，仍存在約 58.4 萬(wàn)片的有效供給缺口，對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(jìn)。根據(jù)我們梳理，目前長(zhǎng)晶設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，其他各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率在0％-20％之間。國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈自主可控是國(guó)家多次強(qiáng)調(diào)的大趨勢(shì)，伴隨《關(guān)于做好2023年中央企業(yè)投資管理進(jìn)一步擴(kuò)大有效投資有關(guān)事項(xiàng)的通知》等一批積極的政策出臺(tái)，碳化硅設(shè)備將加快國(guó)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(jià)格高是制約碳化硅應(yīng)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(guó)產(chǎn)化率約20％。

根據(jù)我們測(cè)算，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)車用6英寸SiC晶圓拋磨設(shè)備市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高溫服役、高熱導(dǎo)率、高導(dǎo)電率、高可靠性幾大優(yōu)勢(shì)，契合三代半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。根據(jù)我們測(cè)算，預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)納米銀燒結(jié)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為30億元。