AI芯片，急需可量产的12英寸碳化硅

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）自天岳先进在2024年发布了行业首款12英寸N型碳化硅衬底之后，产业界陆续将研发投入到12英寸中。对于功率半导体而言，从8英寸到12英寸的过渡可能要需要一段时间，但在先进封装领域，12英寸SiC已经成为目前AI芯片的关键。

碳化硅在先进封装中的应用

传统封装受限于PCB基板，布线密度低、信号传输距离较长导致延迟高，对于多芯片封装，包括chiplet架构、2.5D/3D封装等形态，无法满足芯片与芯片之间的互连需求。因此在目前“大芯片”的趋势下，为了实现每一颗芯片die之间的低延迟、高带宽、高密度互连，就需要采用一种新的结构来实现更高密度的布线。

所以，这种先进封装技术的结构可以理解为，在传统基板和芯片之间，加入一个中介层，而这个中介层的布线密度可以比传统基板更高。以台积电 CoWoS-S为例，其采用硅片作为中介层，大概的制造步骤是在硅片上蚀刻深孔，在深孔中填充铜，形成硅通孔（TSV）作为与布线层的链接；在硅通孔顶部制作多层金属布线；顶部芯片通过μBump倒装焊到中介层，于是芯片通过TVS的极短的垂直通道连接到布线层实现互连，最后中介层底部再连接到封装基板，形成一个多芯片的封装模块。

硅中介层由于其较高的布线密度，是2.5D/3D先进封装的最佳选择之一，当然考虑到成本和量产难度，台积电也推出了CoWoS-R，采用有机材料+铜RDL的中介层，降低布线密度但大幅提高成本效益。

但随着AI芯片如英伟达Rubin Ultra 功耗预计飙升至3600W以上，即使是硅中介层的性能瓶颈也愈发凸显。其约150 W/m・K的热导率，在面对芯片内部急剧积聚的热量时显得力不从心，极易导致局部热点、降频甚至可靠性风险。

与此同时，为了集成更多功能，AI芯片封装尺寸扩大至原有三倍，HBM高带宽内存的多层堆叠也对机械结构提出了更高要求。硅较低的硬度和较大的热膨胀系数，使得超大尺寸封装极易出现翘曲与碎裂。更关键的是，在高密度布线和大电流供电场景下，硅的低电阻率与介电强度限制了信号传输的完整性与供电效率，引发了不容忽视的IR压降问题。

wolfspeed首席技术官Elif Balkas在近期发表的一篇文章中表示，碳化硅热导率为370-490 W/m·K，是硅的三倍，可实现优异的横向和纵向热扩散；同时在机械性能上，碳化硅具备的高硬度、高强度和高热稳定性等特性，能够支持大面积多芯片芯粒 (chiplet) 封装和高带宽内存 (HBM) 堆叠；碳化硅的高电阻率和介电强度可实现更高的布线密度、低损耗信号传输，并简化功率传输和隔离结构的集成。这些特性的融合使得在单个可扩展封装材料平台内，能够在热学、机械和电气领域实现性能的协同提升。

图源：wolfspeed

那为什么需要12英寸碳化硅？核心在于当前的硅晶圆制造生态从硅片，到设备、制造、封装，均围绕12英寸打造。12英寸碳化硅与当前主流的12 英寸硅晶圆制造与封装生态完全对齐，兼容目前AI芯片所使用的12英寸平台，使得产业界可以充分复用现有的晶圆厂、封装产线及设备，无需投入巨额资金新建基础设施，从而极大地降低了技术迁移的门槛与成本。

同时，从封装尺寸的角度来看，目前AI芯片的封装体积越来越大，中介层尺寸甚至可以高达100mm×100mm。那么相对而言，12英寸晶圆的面积大约是8英寸的2.25倍，在有效利用面积上要远超于8英寸，加上去掉边缘缺陷区的损耗，12英寸晶圆不仅可以拥有更高的良率，甚至可以实现一片晶圆上完成多片100mm×100mm中介层的制造，产能效率大幅提高。

为了应付先进封装需求，更加激进的还有环球晶在去年9月宣布开发出12英寸方形碳化硅晶圆。但该公司也表示，改采用方形片，不只需要制程能力，还需要设备能力，因为并没有现成设备可用，相关周边也要跟着变化，否则以晶圆盒来说，方形晶圆会比盒子还大。

因此，从产线导入、成本、产业生态的角度来看，与现有大硅片尺寸相同的12英寸碳化硅，才是目前碳化硅中介层在AI芯片先进封装应用的核心方向。

12英寸碳化硅进展

Wolfspeed在今年1月宣布成功制造出单晶12英寸碳化硅晶圆，同时其12英寸平台还支持先进封装中介层基板，近期也展示了基于wolfspeed 300 mm碳化硅晶圆实现的100mm x 100mm 大型中介层基板产品。

而最早推出12英寸碳化硅衬底的是天岳先进，其在2024年11月发布了业界首款12英寸碳化硅衬底。今年3月，天岳先进展出了用于电力电子、AR眼镜、中介层的多款12英寸碳化硅衬底产品，并表示已向多家核心客户批量交付。

近期，三安光电也表示公司12英寸碳化硅衬底已正式向客户送样验证。露笑科技在今年1月宣布子公司露笑半导体首次制备出12英寸碳化硅单晶样品。

去年12月，Coherent宣布其12英寸碳化硅平台取得重大里程碑突破，面向提高AI数据中心能效和散热、以及AR眼镜等领域。

去年3月，晶盛机电、天科合达等展出了12英寸碳化硅衬底。9月晶盛机电宣布，首条12英寸碳化硅衬底加工中试线在晶盛机电子公司浙江晶瑞SuperSiC正式通线，至此，浙江晶瑞SuperSiC真正实现了从晶体生长、加工到检测环节的全线设备自主研发100%国产化。

另外，天成半导体、烁科晶体、科友半导体、南砂晶圆、合盛硅业等厂商，目前均实现了12英寸碳化硅研制的突破。但宣布批量交付的暂时只有天岳先进，晶盛机电则实现了12英寸碳化硅中试线通线，但总体来看，12英寸碳化硅目前还处于送样阶段，大规模出货或仍需一段时间，尤其是在先进封装中介层中的应用，至少要到2027年才能开始启动量产。

从应用的角度来看，12英寸碳化硅最早落地的方向很有可能是AR光波导镜片，目前市场上已经有采用碳化硅光波导镜片的AR眼镜产品小批量出货。由于碳化硅衬底面积对于光波导镜片产能和成本的影响巨大，大尺寸光学碳化硅衬底将会很快导入应用。

小结

12 英寸碳化硅的应用布局与产业前景已清晰显现，其核心价值集中于先进封装与 AR 光学两大核心赛道，同时为功率半导体领域的长期升级奠定基础。整体来看，12英寸碳化硅目前仍处于产业化初期，先进封装领域的规模化量产预计要到2027年启动，但依托AI与AR产业的爆发式需求，叠加其在热、机、电领域的综合优势及与现有产业生态的兼容性，12 英寸碳化硅正加速突破技术与产能瓶颈，未来将成为 AI 先进封装、AR 光学的核心支撑材料，同时推动功率半导体领域向更大尺寸、更高效率升级。

AI芯片，急需可量产的12英寸碳化硅图2