安森美併購GTAT取得碳化矽長晶技術
2021/09/11閱讀時間約 12 分鐘
車用電源與傳感器大廠安森美(On-semi)與碳化矽生產及設備商GTAT(GT Advanced Technologies)，於美國時間8/25宣布已達成收購協議，將由安森美以現金4.15億美元收購GTAT，宣布後，繼意法半導體收購Norstel後，又一IDM車廠針對碳化矽材料的上游進行垂直整合。本文將藉安森美對GTAT的收購案，簡要說明碳化矽目前產業其他大廠的佈局動向、與此次收購對整個產業競爭態勢的影響，包含近來也積極發展碳化矽基板，且同時為On-semi晶圓供應商與GTAT碳化矽晶球客戶的環球晶，以及2020年才與GTAT簽下5年的供貨合約的英飛凌等廠商，並簡要說明，除IDM廠商外近期興起的第三方代工模式。
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碳化矽已成EV車最關鍵零組件的材料
自從Tesla Model 3採用意法半導體跟英飛凌SiC逆變器，碳化矽(SiC)的前景不用多提，碳化矽可作為分離元件與半導體場效電晶體(Mosfet)的材料，如SiC Mosfet、SiC Schottky等，可應用於車用、工控、高速通訊、航太與國防，尤其新能源車於功率元件、逆變器、DC-DC轉換器、與車載充電應用，在新能源車高於預期需求驅動下，新能源車已成碳化矽相關元件最大成長動能。根據Yole Développement預估，2025年時新能源車與相關應用(如充電樁)帶來的碳化矽市場約17.78億，占碳化矽總市場規模70%。
台廠如環球晶佈局碳化矽基板、太極更是開發SiC長晶，而漢磊、朋程、強茂、茂矽、德微等也都積極佈局代工封裝跟模組領域，希望進入車用市場，更別提中國的比亞迪半導體已導入自製的SiC Mosfet到「漢」的新能源車上。
碳化矽生產瓶頸在上游長晶過程
晶圓成本如果依材料大致如下，矽晶圓大概10美元、GaN大約25美元，但炭化矽晶圓的成本高達1,000美元。
我們試著簡單說明碳化矽的生產過程，目的是找出這生產過程中的關鍵，更近一步理解車用IDM廠如意法半導體、安森美併購碳化矽上游廠商的原因。綜觀碳化矽的整個製造流程，最前端是由碳與矽的粉末開始，後經成型、加工、PVC法燒結長晶，去頭部跟底部後便是碳化矽晶球(Boule，如下圖)。
我們試著簡單說明碳化矽的生產過程，目的是找出這生產過程中的關鍵，更近一步理解車用IDM廠如意法半導體、安森美併購碳化矽上游廠商的原因。綜觀碳化矽的整個製造流程，最前端是由碳與矽的粉末開始，後經成型、加工、PVC法燒結長晶，去頭部跟底部後便是碳化矽晶球(Boule，如下圖)。
然後再將晶球經切片、研磨等流程後製成基板(Substrate)，最後在基板上長程磊晶(EPI)。晶圓代工廠再以碳化矽磊晶製程IC，後切割封裝交給模組廠製成不同的碳化矽原件模組。
我們將碳化矽的生產流程與對應的廠商整理在下表，可以看到這是一個上游寡占，下游競爭廠商眾多的產業結構，這跟碳化矽在高溫長晶的技術難度有關，目前碳化矽晶球、基板只有少數幾家廠商可以供應，目前CREE、SiCrystal (Rohm)與II-VI是具上游長晶製程的廠商，同時也是碳化矽基板與磊晶主要供應商，其中CREE更是佔有全球50%產能，預計2022年全球第一座8吋碳化矽晶圓廠將投產，屆時將碳化矽的製造將由現有主流的4吋與6吋升級。
碳化矽市場競爭狀況
如果我們將碳化矽市場參與者做個分類，可分為以下三類：
- 碳化矽基板/磊晶供應商：如CREE、II-VI、以及本次被收購對象GTAT，另外，也有一些晶圓業者，自身並無長晶產能，而是向上游購買碳化矽晶球後製成碳化矽基板或是磊晶，如環球晶，或是購入基板製程磊晶如嘉晶等。這部分的瓶頸在於，市面上極少有碳化矽的「長晶設備」，如CREE、II-VI、GTAT等的設備都是自行研發。
- IDM業者：傳統車用IGBT等組件是由IDM廠供應，IDM自有設計、晶圓製造、模組封裝的產能，可直接為車廠客戶設計、生產組件，例如英飛凌、意法半導體、On-Semi、住友、三菱與比亞迪等屬於此類業者。
- 第三方代工業者：類似矽製程中的第三方代工業者，主要為fabless的IC設計業者服務，目前這部分的IC設計業者較少，但中國有一些專注在IGBT IC Design的公司，例如星電半導體、江蘇中科，而碳化矽的晶圓製造廠如漢磊，這裡組成一個fabless與晶圓代工的生產鏈。
安森美為何要收購GTAT?
第一：IPM整合SiC Mosfet在新能源產業的應用
ON SEMI是車用CIS的領導廠商，專注在汽車傳感領域已久，主要優勢來自於在封裝上的技術能改善散熱與體積，車用CIS的市佔30%以上，除此外，ON SEMI也是IPM的大廠，IPM是集成多個MOSFET或IGBT等功率開關、驅動IC與電壓保護元件的模組，目前有能力供應EV車IPM的以英飛凌、意法與安森美等IDM大廠為主，，應用在白色家電、重電、工控、電動車領域，這些領域在2030年前預估都有很好的成長率。
第二：鞏固碳化矽晶圓產能
而在碳化矽的佈局上，GTAT本已是安森美碳化矽晶圓供應商，除GTAT外，安森美的主要供應商是CREE，只是CREE同時也是意法(主要供給特斯拉)、英飛凌的大客戶，而碳化矽晶圓第二大廠SiCrystal除了需供應給母公司Rohm外，也與意法簽訂多年的供貨合約，市場上具有碳化矽晶圓生長能力的廠商供給不足，也讓這些IDM廠爭相併購上游具備長晶能力的碳化矽廠商。
第三：8吋碳化矽晶圓＋6吋廠製造設備將成2022~2025的主流
除CREE將在2022開始量產8吋的碳化矽晶圓外，意法半導體在今年7月時，也於瑞典工廠展示自己生產的8吋碳化矽晶圓與其基板，中國的三安光電也從LED切入碳化矽晶圓，並新建從晶圓生長到模組製造的垂直整合產線，預計2024年將開始生產8吋碳化矽晶圓，而II-VI(市場碳化矽晶圓第三大供應商)，今年也在中國增產並包含8吋的產線，可預期在2022年起8吋的碳化矽晶圓的供應，加上可應用目前主流6吋廠＋8吋的生產設備，成本有望大幅下降。
而6吋廠＋8吋設備相對容易解決，瓶頸仍在於是否能取得相對有成本優勢的碳化矽晶圓，來製成基板，所以，安森美在此時併購GTAT，更明確地說，是希望推進其8吋廠碳化矽晶圓生長的產能。
還有哪些IDM廠在進行碳化矽的垂直整併？
觀察碳化矽相關廠商的競爭狀態，可以發現兩個趨勢正在發生，首先是上下游的垂直整併，不只上游的碳化矽基板供應商自行跨入晶圓製造、封裝領域生產終端的模組，IDM廠也向上整併，掌握更穩定的碳化矽基板與磊晶的產能
例如握有大多數碳化矽基板跟磊晶產能的CREE，近期已經將整個LED業務分割出售給Smart Global Holdings，更擴大在北卡的產能，預計2022年全球最大的碳化矽工廠將會量產，Cree除了是意法半導體最主要的碳化矽供應商外，也正發展自主品牌Wolfspeed，將生產碳化矽功率元件，直接跟IDM客戶意法半導體、英飛凌、Rohm、安森美等的功率元件競爭。
而IDM廠當然也沒閒下來，除了本文提到的On-Semi，其他廠商甚至更早，更積極往上游整併。
案例1：代工與模組廠Rohm併購SiCrystal
Rohm是全球二極體的龍頭，除二極體外，產品線包含收購LAPIS取得的低功耗MCU、併購Kionix取得MEM傳感器產品線、廣泛用於車用、工用等領域，車用除行車資訊系統外，在新能源車上對應的產品包含車用變流器、電池管理系統等，車廠客戶包含豐田、本田、福特。除此外，Rohm在2010收購德國的SiCrystal取得碳化矽上游技術後，目前是全球碳化矽基板產能僅次於Cree的大廠，而SiCrystal在德國新工廠也將有碳化矽晶圓新產能，除供應給自家Rohm，也是意法半導體的長期供應商。
Rohm除上游基板外，可以看到Rohm將結合本身車用產品技術推出更多碳化矽產品，在新能源車中取得更多市佔。
Rohm在2015年時即推出第一代的SiC Mosfet，近期法說中提到2022年日本將會有新的模組封裝產能，也將發展新能源車用的SiC Power Module。
Rohm在2015年時即推出第一代的SiC Mosfet，近期法說中提到2022年日本將會有新的模組封裝產能，也將發展新能源車用的SiC Power Module。
案例2：意法半導體(STMicroelectronics)併購Norstel AB
意法半導體在IDM廠中的強項是IC設計，在碳化矽晶圓上游的技術主要來自過去併購的瑞典公司Norstel AB，綜觀意法半導體的佈局，即使2019年併購Norstel，掌握了長晶技術，但其主要碳化矽晶圓的來源仍是CREE與Rohm，市場2020年時甚至質疑收購Norstel卻無碳化矽晶圓的進展，但很明顯意法賦予的任務是8吋碳化矽晶圓的研發，一直到2021年7月在瑞典發表了200mm(8吋)的碳化矽晶圓，繼CREE、英飛凌、Rohm後加入8吋碳化矽晶圓量產的公司，並規劃在2024年時自行生產40%碳化矽晶圓。
目前意法半導體有兩條6吋碳化矽晶圓產線(義大利與新加坡)，並分別在摩洛哥跟中國封裝測試。
案例3:英飛凌(Infineon)原本希望收購Wolfspeed
儘管目前應用上，意法半導體因特斯拉的採用領先英飛凌，但在中國新能源車市場的市佔率最高，2020年底英飛凌發表的CoolSiC CIPOS Maxi，是市場上首款的1200V的SiC IPM，集成6個SiC Mosfet，IPM模組是將驅動IC、功率開關元件(如MosfetIGBT)以及電壓保護元件，這是一款可用於工控與HVAC的碳化矽IPM，後不久三菱、意法、Rohm都推出碳化矽IPM。
英飛凌在2016年希望收購Wolfspeed，這是Cree下發展碳化矽的部門，其SiC Mosfet的技術領先當時的英飛凌，不過該筆交易2017時為美國政府拒絕，後英飛凌與CREE達成長期的供貨協議，除此外，英飛凌碳化矽晶圓的供應商還包含Rohm的SiCrystal、GTAT與Showa Denko。
或許是其與CREE的長期供貨協議，但目前看起來英飛凌並沒有自己生產炭化矽晶圓的計畫，而是更專注在如何使碳化矽的製造成本下降，2018英飛凌收購Siltectra，這家新創公司具有切割SiC晶圓的技術，英飛凌認為這將是能使其SiC晶圓成本快速下降的原因。
大量投產後預估碳化矽晶圓供給瓶頸將會紓緩
其中值得留意的是中國廠商的爭相投入，主要是其新能源車需求、中國再生能源政策催生許多電力再造的工程、以及白色家電政策都為碳化矽塑造廣大的潛在市場。
比亞迪半導體目前已成除英飛凌外，中國第二大的IGBT供應商，亦由晶圓生產到模組封裝垂直整合的佈局，其碳化矽產品應用於2020年推出EV車「漢」，並供應給中國國內許多的新能源車廠。
中國另一IGBT廠中車時代2017年便以成功生產6吋碳化矽晶圓，
三安光電原來就已有供應碳化矽二極體，SiC Mosfet亦在認證中，而今年三安在湖南開了第一條碳化矽的產線，從晶圓生長到模組封裝垂直整合，並研發8吋晶圓規劃2024年投產。
碳化矽產業趨勢：第三方代工模式的探索
除上下游垂直整併外，許多廠商也試著切入提供第三方代工服務，過往晶圓代工模式在以矽製程中成為主流，只是在車用市場，或是整個第三代半導體產業，不像矽製程由IC Design House跟代工廠主導，而是大多由IDM廠包辦，僅自有產能不足供應時才會將訂單發包給代工廠。
但新能源車，尤其中國的造車新勢力的興起、原在手機的品牌商如小米、APPLE磨刀霍霍，希望進軍電動車，都讓車用器件除IDM廠外，多了第三方代工的可能性，其中，鴻海動作積極，更取得旺宏的6吋晶圓廠，預期將會改為製造汽車模組的製造廠，而更上游，環球晶也透過併購，取得碳化矽基板的生產能力，但要留意，目前環球晶尚未有碳化矽晶圓生長的製程能力，其碳化矽晶球也是向GTAT取得，後由環球晶據以生產基板，供應給中游製造商，不過，基板生成能力的關鍵設備相較之下較碳化矽晶圓生長，也比較不屬於瓶頸所在，而環球晶在碳化矽基板的佈局，主要可能還是為了子公司如朋程、茂矽、以及其他IDM外包廠的生意，或是未來第三方代工廠商的需求，在這些IDM廠上游佈局完整的情況下，不太容易將基板直接供應給IDM廠。
而綜觀台灣這些由資通產業轉型發展車用的，大致上有兩種，除了原本就是IDM廠外包的代工廠，如順德、朋程等外，其他如鴻海都是在探索第三方代工模式，也就是說，在既有汽車供應鏈上，IDM廠應仍會是主流，在既有車場開始供應新能源車的情況下，IDM廠更能快速整合上游，包含此次安森美併購GTAT都是這樣的案例。
相較之下，第三方代工模式各自發展，雖現有鴻海希望集其大成，但仍缺領頭羊如Apple等投入，上游碳化矽晶圓的供應在幾年內都還會是問題，或許只能向IDM廠外購取得。
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