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碳化硅行业研究报告:多应用驱动供给缺口巨大,加速国产替代

独角兽智库 | 深入产业链研究 2022/09/21 09:20
行业研究 兴业证券 非券商

作者:兴业证券,李双亮、仇文妍

1、第三代半导体,特殊场景碳化硅优势显著

1.1、第三代半导体技术优越,后摩尔时代带来全新增量

半导体材料目前已经发展至第三代。传统硅基半导体由于自身物理性能不足以及 受限于摩尔定律,逐渐不适应于半导体行业的发展需求,砷化镓、碳化硅、氮化 镓等化合物半导体也因而诞生。从技术来看,半导体材料目前已发展了三代。1) 第一代半导体材料以传统的硅(Si)和锗(Ge)为代表,是集成电路制造的基 础,广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中,90%以上的半导体产品 是用硅基材料制作的;2) 第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和磷化镓(GaP)为代表, 相对硅基器件具有高频、高速的光电性能,广泛应用于光电子和微电子领域;3) 第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚 石(C)、氮化铝(AlN)等新兴材料为代表。

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第三代半导体性能突出,高功率、高频高压高温场景优势明显。以碳化硅、氮化 镓为代表的新一代宽禁带半导体材料,相较于传统的硅基半导体,禁带宽度大, 具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等特点,可以在减 少能量损失的同时极大地降低材料使用体积。在高频、高压、高温等工作场景中, 第三代半导体材料具有易散热、小体积、低能耗、高功率等明显优势。

第三代半导体经典的应用是碳化硅。碳化硅具有众多技术优势,宽禁带特性有助 于提高碳化硅器件的稳定性,使其具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性, 显著提升器件功率密度,从而利于系统散热与终端小型轻便化;高击穿电场强度 特性有助于提高碳化硅器件的功率范围,降低通电电阻,使其具备耐高压性和低 能耗性,利于器件薄化的同时提高系统驱动力;高饱和电子漂移速率特性意味着 较低的电阻,显著降低能量损失,简化周边被动器件,大幅提升开关频率同时提 高整机效率。

新能源产业推动需求爆发,第三代半导体材料迎来发展良机。随着第一、二代半 导体材料工艺接近物理极限,第三代半导体材料成为产业发展的重要方向。第三 代半导体材料广泛应用在 5G 基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通等“新 基建”各领域核心射频、功率器件中,产业迎来巨大的发展机遇,根据 Yole 数据 显示,预计到 2023 年,全球碳化硅材料渗透率有望达到 3.75%,预计到 2025 年, SiC 器件市场规模将达到 32 亿美元,年均复合增长率超 30%。

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1.2、碳化硅应用优势显著,产业链发展路径明确

技术产业化路径明确,衬底和外延占据主要价值。碳化硅产业链分为衬底、外延、 器件和应用四部分。其中,衬底、外延、前段、研发费用和其他分别在碳化硅器 件制造成本中占比 47%,23%,19%,6%,5%。目前主流制造衬底的方式首先以 物理气相升华法,在高温真空环境下将粉料升华,通过温场的控制在籽晶表面生 长出碳化硅晶体。以碳化硅晶片为衬底,使用化学气相沉积法,在晶片上淀积一 层单晶形成外延片。其中,在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层,可制成功 率器件,主要应用于电动车、光伏等领域;在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓 外延层,可进一步制成射频器件,应用于 5G 通讯等领域。

2、多应用领域驱动空间广阔,国内厂商积极扩产

2.1、高压高功率领域优势突出,SIC 功率器件市场广阔

碳化硅功率器件替代优势明显,在高压高功率领域性能强劲。功率器件是电力电 子行业的重要基础元器件之一,作用是实现对电能的处理、转换和控制,主要包 括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅功率器件具有 高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势,根据科锐和应用材料公司 官网数据显示,相较于硅基功率器件,碳化硅基 MOSFET 尺寸可以减少为同电压 硅基 MOSFET 的十分之一,能量损耗可以减少为同开关频率硅基 IGBT 的 30%。

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SiC 功率器件下游应用广泛,市场快速放量。得益于优异的能源转换效率,碳化 硅功率器件在电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网、家电等领域 均有广泛应用前景。根据 Yole 数据显示,全球碳化硅功率器件市场规模预计将从 2021 年 10.9 亿美元增长至 2027 年 62.97 亿美元,年均复合增长率达 34%,其中 新能源车(主逆变器和充电机)、光伏及储能系统贡献了主要增量。新能源车将 由从 2021 年 6.85 亿美元增长至 2027 年 49.86 亿美元,为最大增量领域;光伏及 储能预计增长至 2027 年 4.58 亿美元;此外轨道交通领域预计也会为功率器件市 场贡献超过 1 亿美元的增量空间。

电动车领域新应用不断出现,汽车厂商积极启用碳化硅战略。电动汽车行业是市 场空间巨大的新兴市场,随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增 加。目前碳化硅功率器件在电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系 统(车载 DC/DC)和非车载充电桩的使用已经比较普遍。Cree 预测 SiC 逆变器能 够提升电动车 5-10%的续航,并节省 400-800 美元的电池成本(80kWh 电池、102 美元/kWh),与新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消后,能够实现至少 200 美元的 单车成本下降。2021 年特斯拉 Model3 的主逆变器率先采用 24 个碳化硅 MOSFET 功率模块,比亚迪也迅速跟进,在汉 EV 上搭载了自主研发的 SiC 功率模块。充 电桩产品由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳 化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了利基市场。

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电动车规模上量 800V 高压快充平台,平台搭载碳化硅共同发力。随着续航问题 逐渐成为电动车发展的重心,高压快充已是大势所趋,利于充电性能和整车运行 效率大幅提升的 800V 快充平台加速布局,其研发对电机的绝缘性和耐高温性提 出了较高要求,相比于已达到材料极限的硅基 IGBT,碳化硅凭借其体积小、耐高 温和耐高压的优势,更有利于提升空间利用率与功率效率,具有更高综合效益。根据 ST 数据显示,800V 系统下,相较于 IGBT,SiC MOSFET 在 25%负载下最 多可减少 80%能耗,在 100%负载下最多可减少 60%能耗。750V 电压平台下,相较于 IGBT,SiC MOSFET 存在 3.5-8%的效率提升。此外,在 10kHz 工作频率和 800V 架构下,相较于 IGBT,采用 SiC MOSFET 的 210kW 逆变器可以使总功率 器件体积缩小 5 倍,开关损耗减小为原来的 3.9 倍,总损耗减小为原来的 1.9 倍, 从而减少 PCU 尺寸并简化冷却系统。碳化硅器件已代替硅基 IGBT 成为 800V 高 压平台的最佳搭档。目前,800V 高压碳化硅平台已成发展主流,保时捷 TaycanTurboS、奥迪 RS e-tron GT、小鹏 G9 等电动车均已支持 800V 快充,比亚 迪、极氪、理想汽车等多家车企也已发布 800V 平台架构或规划,碳化硅发展潜能 巨大。

800V 高压快充平台发展受重,推动汽车续航与整车效率提高。电动车加速渗透对 汽车续航能力和充电速率提出了较高要求,相比于 400V 平台,800V 高压平台更 契合时代发展需求。首先,相同功率下,800V 高压平台下电流减小,电池性能和 动力性能衰退速度减慢,利于节省线束体积,提升系统热量管理能力,降低能损, 提升能量利用率的同时轻化整车车身质量,800V 高压快充平台下,汽车续航里程有望增加 10%,充电速度有望提升一倍以上,同时,根据 Future eDrive-Technologies 测算,800V 高压平台下 100kwh 电池减重达 25kg。其次,相同电流下,800V 高 压平台下功率增大,800V 电压平台有望使快充功率突破至 350kW,推动峰值充电 速率显著提升,显著压缩汽车充电时间,800V 高压快充平台下充电倍率有望实现 2.2C-4C,根据华为数据显示,800V高压快充下支持 30%-80%SOC 最大功率充电, 而低压大电流模式下仅支持 10%-20%SOC 最大功率充电。同时,800V 高压平台 利于提升汽车电机功率,实现更高加速性能,提高汽车整车运行效率。

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新能源车销量持续提升,碳化硅市场空间广阔。伴随着各地政府补贴、退税等政 策扶持以及不断改进完善的充电基础设施,全球新能源汽车的销量和占比均在持 续上升,2021 年新能源车销售 650 万辆,同比增长 109%,占比全球汽车销售总 量为 9%,预计到 2025 年,新能源汽车销量将超过 2100 万辆,其中,新能源汽车 领域碳化硅渗透率有望超 20%。而随着新能源汽车销量的增长和碳化硅功率器件 对碳化硅晶圆的需求也在不断提高,据集邦咨询数据,预计到 2025 年,全球电动 车市场对 6 英寸碳化硅晶圆的需求为 169 万片。

需求测算:以特斯拉 model3 为例,单车 SiC 基 MOSFET 需要约 3744mm2 晶圆,SiC 基 SBD 需要约 1800mm2,即车载碳化硅器件需求约 5544mm2。6 英寸晶圆可 用面积约为 17670mm2,按照器件良率 60%测算,单车需求等效 6 英寸晶圆 0.52 片。假设其中 SiC 车型渗透率为 25%。2025 年预计全球新能源车出货量为 2200 万部,对应 286 万片等效 6 英寸碳化硅晶圆,假设至 2025 年 6 英寸碳化硅晶圆 0.5 万元/片,对应碳化硅晶圆市场空间 143 亿元。

光电储能领域中应用优势明确,碳化硅器件渗透率快速提升。光伏、风电和储能 逆变器曾普遍采用硅器件,经过 40 多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理 论极限。基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右,却是系统能量损耗 的主要来源之一。碳化硅器件可应用于风电整流器、逆变器、变压器,降低能损 和提高效率的同时可以使得质量和成本分别减少 25%和 50%。基于碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器,转换 效率可从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,有利于缩小系统体积、提高功率密度、延长器件使用寿命、降低产品生产成 本。预计在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件会逐步替代 硅器件。根据中商产业研究院数据,全球光伏逆变器的出货量从 2017 年的 119.2 千兆瓦增加至 2021 年的 210.4 千兆瓦,年均复合增长率约为 15%。预计 2022 年 全球光伏逆变器的出货量将达到 256.7 千兆瓦。据 CASA 数据,在光伏逆变器中, 碳化硅器件的渗透率有望由 2020 年的 10%,快速提升至 2025 年的 50%,并在 2048 年达到 85%。

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储能产业链发展布局,碳化硅市场空间进一步打开。随着光电、风电等具有间接 性、波动性等特点的可再生资源占比逐步提升,社会对能源稳定性提出了更高要 求,储能成为解决能源波动性问题和电力系统供需匹配问题的关键,具有巨大市 场潜力,碳化硅储能逆变器使系统效率提升 3%,功率密度提升 50%,并减少了无 源器件的体积和成本,在储能领域得以广泛应用。根据 TrendForce 预测显示,2021 年全球储能新增装机规模达 29.6GWh,2025 年有望达 362GWh。根据 IHS 预测, 2020 年全球储能逆变器达到 12.7GWh,2018-2022 年全球储能逆变器市场规模预 计为 63GWh。

需求预测:预计到2025年,全球风电、光伏、储能总计新增装机量将增长至687GWh, 对应功率器件市场规模大约为 255 亿元,SiC 功率器件渗透率 50%,对应等效 6 英寸晶圆需求量 89 万片。假设至 2025 年 6 英寸碳化硅晶圆 0.5 万元/片,对应碳 化硅晶圆市场空间 44.5 亿元。

2.2、供给缺口仍然广阔,产业链迎来国产化良机

衬底制造难度大,海外巨头垄断供给。碳化硅晶片制造工艺难度大,研发时间长, 存在较高的技术门槛和人才门槛。目前,碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大 的特点。根据 Yole 数据,海外厂商占有全球碳化硅衬底产量的 86%以上,仅 Wolfspeed 公司就占据了 45%的市场份额,排名第二的 Rohm 公司也有 20%的市 场份额,国内企业仅有天科合达和天岳先进分别占据了 5%和 3%。

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供给缺口仍然广阔,产业链迎来国产化良机。据统计,2021 年全球碳化硅晶圆产 能约为 40-60 万片,有效产能仅 20-30 万片,其中,新能源汽车和光伏占碳化硅市 场 77%,相比碳化硅晶圆需求,存在巨大的供给缺口。预计 2025 年,全球 6 英寸 碳化硅晶圆产能预测约 242 万片,全球 6 英寸碳化硅晶圆需求保守预测约为 365 万片,其中车用碳化硅晶圆需求占比约 60%,光伏、储能等代表行业碳化硅晶圆 需求占比约 40%,仍存在 123 万片的供给缺口。面对下游应用领域扩张和客户国 产化需求的快速增长,国内相关企业正在积极布局扩产应对。目前国产碳化硅器 件已成功进入多家整车厂的在售车型,如比亚迪半导体研发的 SiC MOSFET 功率器件已自供于比亚迪汉车型,斯达半导与 Cree 合作开发的 1200VSiC 模块得到宇 通客车认可并装车。吉利合资子公司芯粤能研发的碳化硅主驱模块也成功应用于 旗下车型 Smart 精灵。未来随着产能扩张和规模效应带来的成本优势,碳化硅产 业链有望迎来国产化良机。

3、各环节技术壁垒高,国产替代正当其时

3.1、碳化硅产业链环环紧扣,核心环节高度垄断

以衬底和外延为核心,碳化硅产业链路径明晰。碳化硅产业链主要分为衬底、外 延、器件和应用四大环节,衬底材料是产业链的基础,外延材料是器件制造的关 键,器件是产业链的核心,应用是产业发展的动力。产业上游利用原材料通过物 理气相升华法等方法制成衬底材料,再利用化学气相沉积法等方法生长外延材料, 产业中游基于上游材料制成射频器件、功率器件等器件,最终应用于下游 5G 通 信、电动汽车、轨道交通等。其中,衬底和外延共占产业链成本 60%,是产业链 主要价值所在。目前,碳化硅供应链主要由 Wolfspeed、英飞凌等海外厂商垄断, 呈现美欧日三足鼎立格局,但随着我国第三代半导体产业的迅速发展,国产碳化 硅产品已逐渐打入世界市场。

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3.2、衬底为核心技术难点,国产化契机已至

碳化硅衬底工艺复杂,制作难度大。碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的 化合物半导体单晶材料。目前行业内主要以高纯碳粉、 高纯硅粉为原料合成碳化 硅粉,在特殊温场下,采用成熟的物理气相传输法(PVT 法),在晶体生长炉中 生长不同尺寸的碳化硅晶锭,最后经过加工、切割、研磨、抛光、清洗等多道工 序产出碳化硅衬底。稳定量产性能稳定的高品质碳化硅晶片的技术难点有:1)由于晶体需要在 2000℃以上的高温密闭环境生长,对控温要求极高;2)由于碳化硅存在 200 多种晶体结构,但只有少数几种结构的单晶型碳化硅才是 所需的半导体材料,在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶 体生长速率以及气流气压等参数;3)气相传输法下,碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大;4)碳化硅硬度与金刚石接近,切割、研磨、抛光技术难度大。

衬底据主要价值量,但国内厂商占比低。SiC 衬底占据产业链主要价值量,占比 47%,预期未来随着产能扩张和良率提升,有望降至 30%。SiC 衬底分为导电型衬 底和半绝缘型衬底,其中导电型衬底主要应用于功率类场景,两者的大部分市场 份额均在海外厂商手中。2020 年全球导电型碳化硅衬底市场中,Wolfspeed 一家 独占了 62%的市场份额,CR3 高达 89%,国内份额最大的企业天科合达仅占 4%。

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碳化硅衬底市场竞争加剧,各厂商加速布局。碳化硅器件需求快速增长,衬底材 料作为产业链核心环节受制于技术难度大、生产周期长等因素,成为限制产业链 产能的关键,海内外厂商均重点规划加大投入以抢占衬底市场份额。国外垄断厂 商不断整合资源扩大产能以巩固优势地位,Wolfspeed 全球首座、最大且唯一的 8英寸碳化硅晶圆厂已投入生产,此外,Wolfspeed 投资 10 亿美元建造采用最先进 技术的自动化 8 英寸碳化硅生产工厂和材料超级工厂,预计 2024 年完工后将带来 30 倍产能扩充。II-VI 将在美国伊斯顿建设约 30 万平方英尺的工厂以扩大 6 英寸 和 8 英寸衬底和外延产量,预计 6 英寸衬底在 2027 年前产能达 100 万片/年,计 划 8 英寸衬底在 2024 年投入量产。国内厂商潜心研发奋起直追不断提升市场地 位,天岳先进投资 20 亿元建设上海“碳化硅半导体材料项目”,聚焦于 6 英寸导 电型碳化硅衬底材料生产,计划于 2026 年达产且达产产能为 30 万片/年,目前, 天岳先进已获得 13.93 亿元的导电型碳化硅衬底合同订单。露笑科技募集资金约 25.67 亿元投资碳化硅项目,计划达产产能为 24 万片/年,目前,露笑科技已获得 超 15 万片衬底需求。

3.3、外延质量对器件影响大,中国企业相继布局

高压领域控制难,质量对器件影响较大。碳化硅外延片,是指在原有碳化硅衬底 上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。外延生长主要使用 CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积)设备或者 MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)设备。由于碳化硅器件是直接在外 延层制造,外延质量的好坏直接影响了器件的性能和良率,随着器件需求耐压性 能的不断提高,对应的外延层厚度就越厚,控制难度也就越高。一般电压在 600V 左右时,所需要的外延层厚度约在 6 微米左右;电压在 1200-1700V 之间时,所需 要的外延层厚度就达到 10-15 微米。如果电压达到一万伏以上时,可能就需要 100 微米以上的外延层厚度。而随着外延层厚度的不断增加,对厚度和电阻率均匀性 以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。

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外延设备国外垄断,中企入局晶片生产。外延设备被行业四大龙头企业 Axitron、 LPE、TEL 和 Nuflare 所垄断,中国 SiC 外延技术发展起步较晚,难以进入技术壁 垒较高的外延设备领域,故以外延晶片生产为主要切入方向。目前,碳化硅外延 晶片市场呈现出双寡头垄断格局,海外厂商占据主要市场。根据 Yole 数据显示, 2020 年全球碳化硅外延市场中,Wolfspeed 占 52%,Showa Denko 占 43%,CR2 共占 95%。中国厂商相较于海外厂商在外延晶片生产技术上稍有落后,目前中国 SiC 外延晶片主要产线均为 4 英寸和 6 英寸,而海外国家(如美国、日本)已在开始 试产 8 英寸的 SiC 外延晶片。

外延占 SiC 产业链主要价值,各厂商加大投入打响产能争夺战。国外垄断厂商 wolfspeed 购买 Aixtron 外延设备,投资超 10 亿美金以期扩大 SiC 晶圆生产产能。为缩小技术差距并抢占市场份额,中国厂商紧跟国际前沿技术加速布局。瀚天天成二期项目已竣工,聚焦于 6 英寸碳化硅外延晶片生产, 计划 2023 年达产且达产产能为 20 万片/年,预计达产可实现产值 24 亿元,同时 将继续建设三期项目,计划产能达 140 万片/年。

3.4、宽禁带半导体带来新的挑战,封装技术迭代升级

传统封装基于硅基,三代半导体材料具有全新设计。若将传统硅基封装结构用于 宽禁带半导体功率器件时,会在频率、散热、可靠性等方面带来新的问题与挑战。SiC 功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。相比于 Si 器件 SiC 功率芯片的开 关速度更快,这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡,引起开关损耗的增加,严重时甚至会引起功率器件的误开关。此外 SiC 功率器件工作温度更高,对散热的 要求也更高。

宽禁带半导体功率封装领域研发出多种不同结构。传统 Si 基功率模块封装不再适 用。针对传统 Si 基功率模块封装存在寄生参数过高,散热效率差的问题,SiC 功 率模块封装在结构上采用了无引线互连(wireless interconnection)和双面散热 (double-side cooling)技术,同时选用了导热系数更好的衬底材料,并尝试在模 块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等,研发出了多种不同的 模块封装技术。

3.5、器件价差缩小,国产加速替代

器件制造存在技术壁垒,生产成本高。碳化硅器件是通过 CVD 在碳化硅衬底上 叠层外延膜,经过清洗、氧化、光刻、刻蚀、去光阻、离子注入、化学气相沉积 沉淀氮化硅、抛光、溅镀、后加工等步骤后在 SiC 单晶基板上形成元件结构所得。其中,SiC 功率器件主要包括 SiC 二极管、SiC 晶体管和 SiC 功率模块。受制于上 游材料生产速度慢、良品率低等原因,碳化硅器件具有较高制造成本。此外,碳 化硅器件制造具有一定技术难度:1)需要开发与碳化硅材料特性吻合的特定工艺,如:SiC 具有高熔点使传统热扩 散失效,需要采用离子注入掺杂法,并精准控制温度、升温速率、持续时间、气 体流量等参数;SiC 对化学溶剂具有惰性,应采用干刻蚀等方法,并优化和开发掩 膜材料、气体混合物、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等;2)碳化硅晶片上金属电极的制造要求接触电阻低于 10- 5Ω2,符合要求的电极 材料 Ni 和 Al 在 100℃ 以上时具有较差热稳定性,但具有较好热稳定性的 Al/Ni/W/Au 复合电极材料接触比电阻高 10- 3Ω2;3)SiC 切割磨损高,SiC 硬度仅次于金刚石,对切割、研磨、抛光等技术提出了 更高的要求。

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沟槽型碳化硅功率器件具有更大制造难度。根据器件结构的不同,碳化硅功率器 件主要可以分为平面型器件和沟槽型器件。平面型碳化硅功率器件具有较好的单 位一致性,制作工艺简单,但易产生 JFET 效应,具有较高的寄生电容和通态电 阻。相较于平面型器件,沟槽型碳化硅功率器件单位一致性较低,具有更复杂的 制作工艺,但沟槽结构有利于增加器件单位密度,不易产生 JFET 效应,有利于解 决沟道迁移率低等问题,具有导通电阻小、寄生电容小、开关能耗低等优良性能, 具有显著的成本优势和性能优势,已成为碳化硅功率器件发展的主流方向。根据 Rohm 官网,ROHM Gen3 结构(Gen1 Trench 结构)仅为 Gen2(Plannar2)芯片 面积的 75%,且同一芯片尺寸下 ROHM Gen3 结构导通电阻降低 50%。

价差缩小,SiC 加速替代。根据 Mouser 和 Digi-Key 的公开报价,SiC MOSFET 在 2022 的平均价格较 2020 年下降了 11%,与 Si 器件价差也缩小至 2.5-3 倍之间, 加快替代速度,构成正向循环。就 SiC SBD 来看,2022 年,650V SiC SBD 价格 约 1.42 元/A,1200V SiC SBD 价格约 3.32 元/A,较 2020 年下降了 10%-20%, 同时,根据 CASA 调研显示,SiC SBD 实际成交价与 Si 器件价差已经缩小至 2-2.5 倍之间,已经达到了甜蜜点。若考虑系统成本(周边的散热、基板等)和能耗 等因素,SiC 产品已经具备一定竞争力,随着产业链技术更加成熟和产能不断扩 充,未来在下游新能源汽车、光伏逆变、消费类电子等市场应用有望加速渗透。

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国内企业逐步切入,器件存在突围机会。随着技术突破和成本的下降,SiC 功率 器件市场规模快速上升。根据 Yole 数据,2017 年和 2021 年碳化硅功率器件市场 规模分别约 3.11 亿和 9.14 亿美元,复合增速约 31%,预计 2023 年碳化硅功率器 件市场规模约 15.82 亿美元。从市场占有率来看,SiC 功率器件全球主要的市场份 额主要掌握在 STM、Wolfspeed、Rohm、Infineon、Onsemi 等行业龙头手中,CR5 达 91%。因为 SiC 器件对稳定性要求较高,需要较长的验证周期,因此中国厂商 切入进程较慢,还未形成一定规模的市占率,但存在国产厂商如士兰微、斯达、 华润微、安世等已实现器件规模生产并在功率 MOSFET、IGBT 单管、IGBT 模块 等部分领域跻身全球前十。随着上游衬底和外延的不断突破,下游器件厂商同样 存在超车机会。

供需缺口不断扩大,海内外积极投资扩产。随着碳化硅器件在工业、汽车、光伏 等各领域不断渗透,碳化硅器件的市场需求不断扩大,具有巨大市场发展潜力,各厂商加大投资投产进程以抢占市场先机。海外厂商英飞凌投资超 20 亿欧元马来 西亚居林工厂建造第三个厂区以生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品,预计每年 可带来 20 亿欧元创收;意法半导体投入约 21 亿美元,计划于 2022 年前将 SiC 器 件产能扩大 2.5 倍,2024 年前将 SiC 产能扩大 10 倍。国内厂商加速布局,根据 CASA Research 数据显示,已有超过 170 家从事第三代半导体电力电子和微波射 频的企业,士兰微投资 15 亿元建设 6 英寸 SiC 功率器件芯片产线,计划产能达 14.4 万片/年,并计划投资建设“年产 720 万块汽车级功率模块封装项目”;时代 电气投资 4.62 亿元建设 6 英寸 SiC 功率器件芯片产线,计划产能达 2.5 万片/年;斯达半导体投资 2.29 亿元建设车规级全碳化硅功率模组生产线和研发测试中心, 计划产能达 8 万颗/年。

4、重点公司分析

三安光电

最大 SiC 投资,IDM 现有工厂叠加衬底自供布局 三安光电具备全国第一条碳化硅垂直整合产业链,在碳化硅下游市场取得多点突 破。2019 年,三安集成与美的成立第三代半导体联合实验室,聚焦 GaN、SiC 功 率器件芯片与 IPM 应用电路相关研发;2020 年,公司收购北电新材,拓展碳化硅 衬底和外延市场;2021 年,湖南三安半导体基地投产,总投资 160 亿元,配套 6 英寸碳化硅达产产能 36 万片/年,预计达产后实现销售额 120 亿元/年,2021 年底 产能 3k 片/月,预计 2022 年年底达产,此外,公司碳化硅 MOSFET 工业级产品 已处于客户验证阶段,碳化硅 MOSFET 车规级产品已处于车企六片设计与测试阶 段;2021 年,公司已完成 650V 到 1700VSiC 二极管的产品线布局,累计出货达 百万余颗;2022 年,公司与理想汽车共同出资组建苏州斯科半导体有限公司,聚 焦碳化硅车规芯片模组设计与生产,计划形成 240 万只/年半桥生产线。

斯达半导

SiC 车规主驱模块性能领先,加码布局碳化硅功率芯片 斯达半导近期多次加码布局碳化硅功率芯片。2021 年 8 月公司宣布投资 5 亿元在 SiC 芯片研发及产业化项目;2021 年 3 月公司宣布投资 20 亿元与高压特色工艺 功率芯片和 SiC 芯片研发及产业化项目。斯达微电子目前在 600V/650V、1200V、 1700V 等中低压 IGBT 芯片已经实现国产化。拟采用先进技术和设备,实施 SiC 芯片研发及产业化项目,产品由企业自主研发,各项指标均达到国外同类产品技 术要求,部分指标优于进口产品。公司用于新能源汽车的车规级 SiC 模块获国内 外多家著名车企和 Tier1 客户的项目定点,将对公司 2022-2022 年车规级 SiC 模块 销售增长提供推动力。

天岳先进

SiC 衬底提升速度快,获得大规模订单,有望进入车规应用 天岳先进掌握碳化硅衬底制作核心技术,批量供应下游核心客户。2021 年,公司 募投项目“碳化硅半导体材料项目”投入建设,聚焦 6 英寸导电型碳化硅衬底材 料生产,计划 2022 年第三季度实现第一期项目投产,预计 2026 年达产且达产产能为 30 万片/年;2022 年 4 月,公司发布公告披露公司已通过 IATF 16949:2019 车规级认证,公司有望进入车规领域,进一步拓展碳化硅产品在汽车领域的应用 市场;2022 年 7 月,公司发布关于签订重大合同公告,公司获得约 14 亿元 6 英 寸导电型碳化硅衬底产品超大订单,充分彰显公司领先优势。

时代电气

奋力迈进 SiC 自主研发道路,高压电驱平台突破 公司建有 6 英寸双极器件、8 英寸IGBT和 6 英寸碳化硅的产业化基地,掌握了具 有核心自主知识产权的 MOSFET 芯片及 SBD 芯片的设计与制造技术,构建了 全套特色先进碳化硅工艺技术的 4 英寸及 6 英寸兼容的专业碳化硅芯片制造平 台,全电压等级 MOSFET 及 SBD 芯片产品可应用于新能源汽车、轨道交通、工 业传动等多个领域。2021 年,公司推出碳化硅大功率电驱平台C-Power220;2022 年 4 月,公司实施碳化硅芯片生产线技术能力提升建设项目,总投资 4.62 亿元, 将公司平面栅碳化硅MOSFET芯片技术能力提升至沟槽栅碳化硅MOSFET芯片研 发能力,现有 4 英寸碳化硅芯片线提升至 6 英寸碳化硅芯片线,产能也将从 1 万 片/年的提升到 2.5 万片/年。

士兰微

IDM 龙头,快速上量 SiC 芯片生产线 公司作为 IDM 龙头厂商,具有 12 英寸特色工艺产线,目前已加大 SiC 器件研发 投入,快速上量 SiC 芯片生产线,大力发展车规级 SiC 功率半导体。2021 年,公 司 SiC 功率器件中试线通线,目前已完成车规级 SiC MOSFET 器件研发,即将进 行客户验证并投入量产;2022 年 7 月,公司拟投资 15 亿元建设 SiC 功率器件生 产线,聚焦于新能源汽车电动模块车规级 SiC 功率器件生产,计划形成年产产能 14.4 万片 6 英寸 SiC 功率器件芯片生产线。此外,公司在厦门士兰明镓公司所建 设的 6 英寸 SiC 功率器件芯片生产线预计将于 2022 年三季度实现通线。

东尼电子

SiC 衬底产能迅速扩张,加速国产化进程 公司从 2017 年开始储备研发碳化硅项目,由叶国伟博士和张忠杰博士牵头,技术 由企业自主研发并已获得认可,打样送检结果良好。2021 年,公司总投资 4.69 亿 元,聚焦碳化硅半导体材料生产,计划达产 12 万片/年,目前已有 50 余台长晶炉 完成安装调试,约 100 台长晶炉正在安装调试阶段,上述长晶炉及配套切磨抛设 备全部安装完成后,预计形成 6 万片/年的产能。

露笑科技

碳化硅衬底产能加速扩张 公司是国内最早研发 6 英寸SiC晶圆的单位之一,已掌握碳化硅单晶晶体生长、切 割、研磨、抛光、清洗等整体解决技术和工艺方案。2021 年,公司募投“第三代 功率半导体(碳化硅)产业园项目”和“和大尺寸碳化硅衬底片研发中心项目”,计 划形成产能 24 万片/年生产线;2022 年,公司 6 英寸碳化硅衬底芯片已形成销售,预计年底产能达 5000 片/月,2023 年产能达 20 万片/年。

北方华创

SiC 长晶炉设备领域龙头 主要从事半导体基础产品的研发、生产、销售和技术服务,主要产品为电子工艺 装备和电子元器件,是国内主流高端电子工艺装备供应商,也是重要的高精密电 子元器件生产基地。经过多年的发展,公司在电子工艺装备及电子元器件领域构 建了坚实的技术基础,形成了以共性核心技术为基础、产品种类多、应用领域广 的平台型业务体系,打造了专业的技术和管理团队,具有较强的核心竞争能力。8 寸碳化硅长晶炉已完成研发,并进入客户端,碳化硅长晶炉设备订单饱满,预计 2022 年出货将超 500 台,已成为国内主流客户的首选产品。

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