Knowmade近日發布了一份新的碳化硅（SiC）知識產權（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（發明），從專利格局的角度對碳化硅的競爭、技術發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%。但碳化硅晶圓業務的進入壁壘非常高，目前能夠為功率器件制造商大規模生產大面積高質量碳化硅晶圓的公司數量有限就是明證，因為他們需要能夠符合電動汽車行業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），重塑了碳化硅生態系統。
此外，越來越多的碳化硅晶圓供應商正在開發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系統的有：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）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參與者的業務戰略密切相關。”
垂直整合創新戰略與全球專利相結合
有助于克服碳化硅行業高進入壁壘
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務新公司的專業知識和訣竅，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，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。
知識產權戰略頭部參與者
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，企業需要在整個價值鏈上獲得創新。雖然許多公司正致力于構建垂直整合供應鏈，以確保其碳化硅業務的長期安全，但很少有公司在整個碳化硅價值鏈上開發出強大的專利組合，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務的關鍵市場，因此需要加強其在這些地理區域的知識產權地位。為此，大多數領先公司需要將內部創新能力與外部創新源相結合，例如通過并購運營（如onsemi/GTAT、ST/Norstel、Wolfspeed/APEI、Danfoss/Semikron）、許可協議（如II-VI/GE）或知識產權合作（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，全球創新戰略重點不僅在建立垂直整合的生產線方面，從而壓低供應商利潤率并在內部確保供應鏈的安全，它還使參與者在發展過程中不受供應鏈不同層次——從材料優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有望在市場上獲得長期競爭優勢，而新來者在碳化硅行業面臨著特別高的進入壁壘。”這也表明，主要參與者的知識產權戰略對強化整個碳化硅價值鏈關鍵技術至關重要。
中國發展碳化硅產業似乎有點晚，但現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業和研發項目提供了資金。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，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展給碳化硅行業帶來了許多問題。
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、代工、IDM、集成商、純玩家等），涉及密集的IP合作和IP傳輸網絡。因此，在供應鏈的大多數環節，中國與外國供應商的技術差距有望縮小。
關于發展碳化硅產業
一些理性思考
圖源 | Asia Times
上面提到中國碳化硅發展存在一些問題，這里分析一下。目前，國內碳化硅產業看上去紅紅火火，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激烈競爭，而車規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，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，從產業鏈價值分布及客戶優勢等方面看，上游擁有襯底量產技術、外延能力的企業，以及擁有功率半導體器件經驗、下游客戶或具備大量應用數據的功率半導體公司將有望脫穎而出。其中產能十分關鍵，而國內廠商大部分講的是規劃產能，并不等于有效的高質量產能，有實力真正實現大規模量產的并不多，最終良率偏低、影響產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業，希望繼續發揮新型舉國體制優勢，進一步強化國家科技重大專項對核心芯片研發創新的支持力度，進一步擴大國家集成電路產業投資基金投資規模。
碳化硅的發展還受限于標準不夠完善，雖然行業正在獲得一些認證，但借用的AEC Q-101、AQG324只是入門級要求，在車規級碳化硅方面需要更高級別的現場認證，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，為研發機構和企業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標準和評價體系；加快建設自主可控的集成電路材料行業數據庫，以及集成電路材料基因組技術創新平臺，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據庫和模型，設計并篩選新材料。
還有代表表示，化合物半導體制造產業建線周期長，技術攻關難，一些企業長期處于虧損狀態，急需國家有針對性的特殊政策。例如在出臺“穩鏈強鏈”扶持政策時，充分考慮化合物半導體晶圓制造企業的特點，在選擇頭部企業、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，必須有長遠規劃，也需要有芯片企業、汽車等應用企業的共同參與，還要構建產業人才的引進與培養長期機制，才能實現長期可持續發展。