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碳化硅行业专题研究报告:新能源汽车、光伏驱动行业成长

   日期:2022-11-22     浏览:244    评论:0    
核心提示:(报告出品方/作者:东莞证券,刘梦麟、陈伟光、罗炜斌)1. SiC 电气特性优越,有望成为最具前景的半导体材料之一1.1 半导体材料分种类众多,市场规模稳健增长近年来我国半导体产业快速发展,市场规模快速增长。半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,是现代电子信息产业的基础,其下游产品广泛应用于移动通信
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(报告出品方/作者:东莞证券,刘梦麟、陈伟光、罗炜斌)

1. SiC 电气特性优越,有望成为最具前景的半导体材料之一

1.1 半导体材料分种类众多,市场规模稳健增长

近年来我国半导体产业快速发展,市场规模快速增长。半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,是现代电子信息产业的基础,其下游产品广泛应用于移动通信、计算机、电力电子、医疗电子、工业电子、军工航天等行业,被称为现代工业的“粮食”。近年受益于智能手机和智能穿戴等新兴消费电子市场的快速放量,以及汽车电子、工业控制和物联网等科技产业的发展,叠加半导体国产化的快速推进,我国半导体产业迎来了快速发展阶段。2021 年,我国半导体销售额达到了 1,921 亿美元,同比增长26.80%,2017-2021 年复合增速高达 9.94%,高于全球同期 6.18%的复合增速。从销售额占比来看,我国半导体产业的全球影响力逐步增强,国内半导体销售额占全球比重从2017年的30.69%提升至 2021 年的 35.27%。

半导体材料位于半导体产业链最上游环节,是芯片制造与封测的支撑性行业。半导体行业技术槛较高,涉及的产业链较长,从上游至下游包括芯片设计、制造、封测、终端应用等环节,终端应用包括 5G 通信、计算机、云计算、大数据、汽车电子、物联网和工业电子等领域。其中,半导体材料与半导体设备位于半导体产业链最上游,属于芯片制造与封测的支撑性行业。

半导体材料分为晶圆制造材料和封装材料。半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内),在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性等特点,一般情况下其导电率随着温度的升高而升高。按照半导体的制造过程进行划分,半导体材料可分为晶圆制造材料和封装材料。其中,晶圆制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓、SiC 等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料,封装材料则是将制得的芯片封装切割过程中所用到的材料。

半导体材料细分种类众多,其中晶圆制造材料占据主要份额。半导体材料是半导体产业链中细分领域最多的环节,细分子行业多达上百个。其中,晶圆制造材料主要包括硅片、光刻胶、光刻胶配套试剂、电子气体、纯净高纯试剂、CMP 抛光液和溅射靶材等;封装材料则包括引线框架、芯片粘贴结膜、键合金丝、缝合胶、环氧膜塑料、封装基板、陶瓷封装材料和环氧膜塑料等。据 SEMI 数据,2021 年全球半导体材料销售额约为643亿美元,其中晶圆制造材料销售额为 404 亿美元,占比 63%,多年来始终占据半导体材料的主要份额,封装材料 2021 年销售额为 239 亿元,占比37%。

全球半导体材料市场规模稳健增长,未来晶圆制造材料占比有望继续提升。近年来,全球半导体材料市场规模稳健增长,总销售额从 2010 年的 449 亿美元增长至2021年的643亿美元,2010-2021 年复合增长率为 3.33%。其中,全球晶圆制造材料销售规模从2010年的 231 亿美元增长至 2021 年的 404 亿美元,2010-2021 年复合增速达5.23%;封装材料市场则维持相对平稳,2021 年市场规模为 239 亿美元,2010-2021 年复合增速为0.84%。大陆市场方面,2021 年半导体材料销售额达到 119 亿美元,同比大幅增长21.89%,2010-2021 年复合增速达到 9.67%,增速高于全球平均水平。未来,随着半导体芯片工艺升级、芯片尺寸持续小型化,以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭代升级的影响下,晶圆制造材料占比有望继续提升。

1.2 SiC 电气特性优越,有望成为半导体领域最具前景的材料之一

半导体材料发展至今已经历三个阶段。常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等化合物半导体材料,从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看,上述半导体材料被业内通俗地划分为三代。第一代半导体材料从 20 世纪 50 年代开始大规模应用,以硅(Si)、锗(Ge)为代表。该类材料产业链较为成熟,技术储备完善且制作成本较低,目前主要应用于大规模集成电路中,主要产品包括低压、低频、低功率的晶体管和探测器。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料,90%以上的半导体产品是用硅基材料制作。

第二代半导体材料从 20 世纪 90 年代开始大规模应用,以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表。随着半导体产业的发展,硅材料的物理瓶颈日益显现,其物理性质限制了在光电子和高频高功率器件上的应用。第二代半导体材料在物理结构上具备直接带隙的特点,相对于硅基材料具有光电性能佳、工作频率高,抗高温、抗辐射等优势,适用于制作高速高频、大功率及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛运用于移动通讯、卫星通讯、光通讯和 GPS 导航等领域。第三代半导体是以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的化合物半导体,该类半导体材料禁带宽度大于或等于 2.3eV,因此也被称为宽禁带半导体材料。第三代半导体在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和速率、抗辐射能力等关键参数方面具有显著优势,满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。因此,第三代半导体主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件,下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G 通信等。

SiC 材料介绍。SiC,是一种无机物,化学式为 SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色 SiC 时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。SiC 在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。在 C、N、B 等非氧化物高技术耐火原料中,SiC 为应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂或耐火砂。 SiC 有望成为半导体材料领域最具前景的材料之一。与硅器件相比,以SiC 为衬底制成的功率器件具有耐高压、耐高温和低能量损耗等电气性能,是最具发展前景的半导体材料之一。SiC 优越的电气特性包括如下方面:

1 耐高压。由于 SiC 的击穿电场强度是硅的 10 余倍,使用SiC 制备器件能够进一步提升耐压容量、工作频率以及电流密度,同时大幅降低器件的导通损耗。2 耐高温。随着禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高,由于SiC 的禁带接近硅的3 倍,SiC 的极限工作温度较硅将有明显的提升,可以达到600℃以上。同时,SiC的热导率比硅更高,有助于降低对散热系统的要求,使终端可以更加轻量和小型化。3 低能量损耗。SiC 具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率,相较于硅材料具有极低的导通电阻,导通损耗低;同时,SiC 具有接近 3 倍于硅的禁带宽度,泄漏电流比硅器件大幅减少,能够进一步降低功率损耗;此外,SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,大幅提高实际应用的开关频率。

总体来看,SiC 具备耐高压、耐高温和低能量损耗等优越性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,有望成为半导体材料领域最具前景的材料之一。

2. 碳化硅下游应用广泛,国内厂商份额较低

2.1 产业链各环节介绍

SiC 产业链介绍:上游衬底,中游外延片,下游器件与应用。以SiC 材料为衬底的产业链主要包括 SiC 衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。SiC产业上游通过原材料制成衬底材料然后制成外延材料;中游包括SiC 器件、SiC 功率半导体、SiC 功率模块;下游应用于 5G 通信、新能源汽车、光伏、半导体、轨道交通、钢铁行业、建材行业等。 按照电学性能的不同,SiC 衬底可分为半绝缘型衬底和导电型衬底。SiC 衬底是SiC产业链的核心,其电学性能衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣,为使材料能满足不同芯片的功能要求,需要制备电学性能不同的 SiC 衬底。按照电学性能的不同,SiC 衬底可分为两类:根据工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》,一类是具有高电阻率(电阻率≥105Ω·cm)的半绝缘型SiC 衬底,另一类是低电阻率(电阻率区间为 15~30mΩ·cm)的导电型 SiC 衬底。

SiC 衬底是第三代半导体材料中氮化镓、SiC 应用的基石。在SiC 衬底上,主要使用化学气相沉积法(CVD 法)在衬底表面生成所需的薄膜材料,即形成外延片,进一步制成器件。其中,在导电型 SiC 衬底上生长 SiC 外延层制得 SiC 外延片,可进一步制成功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;在半绝缘型 SiC 衬底上生长氮化镓外延层制得 SiC 基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于 5G 通讯、雷达等领域。

外延片是指在 SiC 衬底上生长的一层或多层外延层。相比衬底,外延材料厚度、掺杂浓度均匀性好、片间一致性优、缺陷率低,有效提高了下游产品的一致性和良率。功率器件一般对缺陷密度、高电压及电流耐受度要求高,所以会使用外延片来进行芯片制造。外延片对于提升器件的参数稳定性,具有重要意义。从生产工艺来看,目前外延常用工艺为化学气相沉积(CVD)法,即通过使用外延炉以及前驱气体来在SiC 抛光片上生长外延层。外延中的核心技术包括对外延温度、气流、时间等参数的精确控制,以使得外延层的缺陷度小,从而提高器件的性能及可靠性。器件依据不同的设计,所需的外延参数也不同。一般而言,外延的厚度越大,器件能够承受的电压也就越高。针对600V~6500V的应用,SiC 外延层的厚度一般在 1~40μm。由于 SiC 外延有一定难度,所以市场上有一些专门做 SiC 外延的厂商,如瀚天天成、东莞天域等。目前国产6 英寸SiC 外延产品已经实现商用化,8 英寸产品在研制中。

SiC 产业链附加值向上游集中,衬底和外延片是 SiC 器件的重要组成部分。SiC产业链从上游至下游包含 SiC 衬底、外延片生产、器件制造和封装测试等环节,其中衬底位于SiC 产业链的最上游,成本占比达 47%,其次为外延片,占比23%,这两大工序为SiC器件的重要组成部分。由于 SiC 衬底生产工艺壁垒高,生产良率较低,全球产量具有明显的瓶颈,因此其制造成本一直居高不下。此外,外延片的参数性能会受到SiC 衬底质量的影响,其本身也会影响下游器件的性能。由此可见,SiC 衬底及外延片是SiC产业链的核心环节,行业的附加值向上游集中。

2.1.1 半绝缘型 SiC 衬底在射频器件上的应用

半绝缘型衬底 SiC 衬底具有高电阻率(电阻率≥105Ω·cm),在半绝缘型SiC衬底上生长 GaN 外延层制成 SiC 基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,并运用于 5G 通讯和雷达领域,其中通信基站以及军事应用是SiC 基氮化镓主要应用领域,两者产值占整体产值约 9 成。 射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色。射频器件是无线通信的基础性零部件,在无线通讯中扮演信号转换的角色,主要由功率放大器(PA)、双工器、射频开关、滤波器(包括 SAW 滤波器和 BAW 滤波器)和低噪放大器(LNA)等组成。目前主流的射频器件有砷化镓、硅基 LDMOS 和 GaN-on-SiC 等不同类型,其中半绝缘型SiC 衬底制备的GaN射频器件主要为面向通信基站以及雷达器件的功率放大器。

GaN 射频器件是理想的微波射频器件,有望逐步替代大部分硅基LDMOS 份额。按材料分类,目前主流的射频器件包括砷化镓(GaAs)、硅基 LDMOS 和SiC 基氮化镓(GaN-on-SiC)等不同类型,目前 GaAs 器件已在 PA 上得到广泛运用;硅基LDMOS 器件在通讯领域已应用多年,但主要应用于小于 4GHz 的低频领域;而 GaN-on-SiC 射频器件拥有良好的导热性能,并具有高功率、高频率等优势,突破了市场上主流射频器件如砷化镓、硅基LDMOS器件的技术瓶颈,能够满足 5G 通信对于高频、高速、高功率处理能力的要求,已经逐步成为 5G 功率放大器的主流技术路线。随着全球特别是我国5G 网络建设的大规模推进,预计 SiC 基氮化镓器件的需求将进一步增加,并逐步替代大部分硅基LDMOS 份额。军事应用方面,SiC 基氮化镓器件已取代砷化镓、硅基 LDMOS 器件占据主要市场,对于高频高输出的卫星通信领域,SiC 基氮化镓射频器件的应用也有望逐步推广。

下游需求驱动增长,GaN-on-SiC 市场规模有望打开。在5G 通信以及军事应用等下游驱动之下,SiC 基氮化镓射频器件的市场空间不断打开。据Yole 预测,到2025 年,功率在 3W 以上的射频器件市场中,砷化镓器件市场份额基本维持不变的情况下,氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额,占据射频器件市场约50%的份额。Yole预计全球 SiC 基氮化镓射频器件的市场规模将从 2019 年的 7.4 亿美元增长至2025 年的20亿美元,19-25 年复合增速达到 18.02%。

绝大部分氮化镓射频器件采用 SiC 衬底制备,预计将拉动SiC 衬底需求。从衬底选择来看,目前氮化镓射频器件主要基于硅、SiC 等异质衬底外延材料制备而成,且预计未来一段时间也是 GaN 衬底材料的主要选择。与硅基氮化镓相比,SiC 氮化镓主要优势在于其材料缺陷和错位密度低。SiC 基氮化镓材料外延生长技术相对成熟,且SiC 衬底导热性好,适合于大功率应用,同时衬底电阻率高降低了射频损耗,因此SiC 基氮化镓射频器件成为目前市场的主流。根据 Yole 报告,90%左右的氮化镓射频器件采用SiC衬底制备,GaN 射频器件的广泛应用也将有效拉动 SiC 衬底需求。《瓦森纳协定》限制部分材料出口,半绝缘型衬底国产替代可期。2008 年的《瓦森纳协定》将半绝缘型 SiC 衬底等材料对我国等部分国家实现出口限制,国内SiC 产业的持续发展对核心技术国产自主化、实现供应链安全可控提出了迫切的需求。自主可控趋势加速了宽禁带半导体器件的国产化替代进程,为宽禁带半导体行业带来了发展新机遇。在宽禁带半导体领域,下游应用企业已在调整供应链,支持国内企业。数家国内宽禁带半导体企业的上中游产品陆续获得了下游用户验证机会,进入了多个关键厂商供应链,逐步开始了以销促产的良性发展。

2.1.2 导电型 SiC 衬底在功率器件领域的应用

导电型 SiC 衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同,SiC功率器件不能直接制作在 SiC 衬底上,需在导电型衬底上生长SiC 外延层得到SiC 外延片,并在外延层上制造各类功率器件。 功率半导体是电能转换与电路控制的核心,应用功能场景日益丰富。功率器件又被称为电力电子器件,是构成电力电子变换装置的核心器件,主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等。作为构成电力电子转换装置的核心组件,功率半导体几乎进入国民经济各个工业部门和社会生活的各个方面,电子设备应用场景日益丰富,功率半导体的市场需求也与日俱增。随着新应用场景的出现和发展,功率半导体的应用范围已从传统的消费电子、工业控制、电力传输、计算机、轨道交通、新能源等领域,扩展至物联网、电动汽车、云计算和大数据等新兴应用领域。

2.2 竞争格局:海外企业垄断,国内份额较低

从生产经营角度看,SiC 行业的业内生态可分为两种商业模式。从生产经营角度看,SiC行业的企业业态可分为两种商业模式:第一类企业覆盖多个产业链环节,例如同时从事衬底、外延及 SiC 器件的制作,如美国科锐公司(现已更名为Wolfspeed);第二类企业只从事产业链的单个或者部分环节,例如贰陆公司等。国内方面,目前国内绝大多数企业只聚焦于 SiC 产业链的某一个环节,如山东天岳、天科合达聚焦于SiC 衬底材料的研发、生产和销售,东莞天域和瀚天天成聚焦 SiC 外延片环节,下游SiC 器件领域则包括泰科天润、中车时代、上海瞻芯等。

行业格局:SiC 衬底市场被海外企业主导,国内厂商份额较小。SiC 衬底是SiC产业链中技术壁垒较高的环节,涉及设备研制与生产、原料合成、晶体生长与切割、晶片加工和清洗检测等众多环节,因此需要长期的工艺技术积累,存在较高的技术及人才壁垒。目前 SiC 衬底市场被海外厂商主导,2020 年上半年 Wolfspeed 在全球SiC 衬底市场(包含半绝缘和导电型)的市占率高达 45%,国内公司总体处于发展初期,目前以4英寸小尺寸产能为主,并向 6 英寸进军。目前国内 SiC 衬底市场份额较小,国产SiC 衬底的市占率约为 10%。

导电型 SiC 衬底:根据 Yole 数据,美国 Wolfspeed 一家独大,占据全球60%以上的市场份额,基本控制行业的市场价格和市场标准。行业内其他公司包括:美国貮陆(II-VI)、德国 Si Crystal、Dow,日本 ShowaDenko 等。前三大企业占据行业90%以上份额。半绝缘型 SiC 衬底:全球市场美国 Wolfspeed,貮陆(II-IV)合计占据接近70%市场份额,国内山东天岳份额在半绝缘型 SiC 衬底份额保持领先,2020 年市占率为30%。

SiC 外延设备:市场被四家海外企业垄断。目前,全球 SiC 外延设备被行业四大龙头企业 Axitron、LPE、TEL 和 Nuflare 所垄断,行业前四名企业市占率接近100%。目前全球四大企业的 SiC 外延设备各有优势,其中 Axitron 的外延设备生长能力最强,因此其产能相对更大;LPE 的外延设备生长速度最高;日企 TEL 的设备为双腔体,有助于提高产量;而 Nuflare 的旋转速率更高,每分钟可达到 1,000 转,因此产品具有更强的均匀性。

SiC 功率器件:验证周期较长,国内厂商切入缓慢。在下游的SiC 功率器件领域,全球主要市场份额掌握在美国的 Wolfspeed 和日本的 Rohm 两大龙头企业手中,市场份额分别为 27%和 22%,行业前四企业市占率合计 73%。由于 SiC 器件对稳定性要求较高,并且验证周期较长,因此国内厂商切入较为缓慢。 从 SiC 功率器件的应用来看,由于 SiC 功率器件能够显著提升新能源汽车的性能,如提升续航能力和充电速率,以及实现汽车的轻量化,因此 SiC 功率器件在新能源汽车领域的应用比例最高,其次为电源设备、光伏发电和国防军工领域,占比分别为21%、17%和 11%。

国内方面,国内 SiC 器件厂商以 IDM 企业为主,少量为纯设计企业。其中上市公司包括三安光电、中车时代电气、华润微等。

3. 下游应用:新能源汽车、光伏驱动行业成长

SiC 功率器件在下游应用中崭露头角。功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,能够实现对电能的处理、转换及控制,主要包括功率二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET等产品。随着新应用场景的出现和发展,功率器件的应用范围已从传统的消费电子、工业控制、电力传输、计算机、轨道交通等领域,扩展至新能源汽车、风光储、物联网、云计算和大数据等新兴应用领域。以 SiC 为衬底制造的功率器件,具备耐高压、耐高温和低能量损耗等优越性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,与硅基功率器件相比,能够极大提高能源转换效率,在新能源汽车、充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网的应用上逐渐崭露头角。据Yole预测,到 2025 年,全球 SiC 市场规模将达到 25.60 亿美元,2019-2025 年复合增速高达29.53%。

3.1 新能源汽车:渗透率不断提升,SiC 器件需求有望逐步放量

新能源汽车消费兴起,渗透率不断提升。2019 年及之前,国内新能源车消费的主要驱动力来自于补贴政策和 B 端需求。2020 年以来,随着特斯拉、比亚迪、蔚小理等终端车厂陆续推出高性价比车型,在外形、续航、智能化等方面的产品竞争力不断提升,消费者对于电动汽车的接受程度进一步提升,新能源汽车的产品竞争力也逐步成为驱动新能源汽车消费的主导因素。此外,为了应对气候问题,近年来全球主要国家陆续提出实现“碳中和”的日程表,其中我国在 2020 年提出 2030 年碳达峰、2060 年碳中和的目标,在目标的约束下,各国加快可再生能源的投资力度,积极推动新能源汽车销售。在需求以及“双碳”政策的驱动之下,全球新能源汽车销售高速增长,2021 年全球新能源汽车销量为 675 万辆,同比增长 108%,其中我国新能源车销量 352 万辆,同比增长157%;从占比来看,2021 年全球新能源车的渗透率为 8.16%,而我国已经达到13.40%。

SiC 器件应用广泛,性能优势明显。在新能源汽车中,SiC 器件主要应用在电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)、以及非车载充电桩。其中,电机驱动系统中,SiC 器件主要应用在主逆变器上,与 IGBT 相比,能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,据 ST 预计,SiCMOSFET 的逆变器封装尺寸较硅基IGBT减少 50%以上;同时,在电动车平均运行状态之下,SiC 逆变器的效率也较IGBT高。据Wolfspeed 预测,SiC 逆变器能够提升电动车 5%-10%的续航能力,同时节省400-800美元的电池成本。OBC 以及电源转换系统方面,SiC 的应用能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度,进而提升系统效率。

下游厂商积极采用 SiC 方案,需求有望逐步放量。2021 年9 月,特斯拉宣布Model3将搭载 STSiC 器件,全车共有 48 个 SiCMOSFET 用于主逆变器中。通过搭载SiC器件,特斯拉的逆变器效率从 Model S 的 82%提升至 Model 3 的90%,同时降低了开关损耗,实现了续航能力的提升。随着特斯拉率先导入 SiC 器件后,比亚迪、小鹏、蔚来、现代等多个终端厂商积极跟进,其中比亚迪预计在 2023 年全面采用SiC 器件替代IGBT。随着终端车厂陆续采用 SiC 方案,SiC 的需求有望逐步放量。

预计 2025 年国内车用 SiC 器件市场规模约为 166.98 亿元,对应外延片市场规模约为38.41 亿元。我们对 2022-2025 年国内汽车销量、新能源汽车销量、以及SiC 在新能源汽车的渗透率进行谨慎预测,得出到 2025 年,采用 SiC 的新能源车将达到461万辆。以 Model 3 为参考,谨慎假设 2021 年单车 SiC 使用量为48 个,并预计到2025年取代IGBT 用量,达到 150 个,由于单片 6 寸 SiC 衬底制备的芯片数量为448 颗,照此换算,单车使用 SiC 衬底数量从 2021 年的 0.10 片增长至 2025 年的0.31 片。目前单片6英寸SiC 衬底约为 1,000 美元,按 6.8 汇率换算成人民币 6,800 元,参考天岳先进衬底价格下降速度,同时规模效应的显现,谨慎预计衬底价格每年下降5%,即到2025 年,单片6 英寸衬底价格为 5,539 元。综上,SiC 衬底市场规模将从2021 年的2.35 亿元增长至2025 年的 78.48 亿元。由于衬底占 SiC 器件 47%成本,我们倒推出SiC 器件市场规模,2025 年为 166.98 亿元。同时外延片占 SiC 器件 23%成本,我们得出,到2025 年,外延片市场规模约为 38.41 亿元。

3.2 光伏:光伏新增装机持续增长,逆变器用SiC 市场规模巨大

积极推进可再生能源建设,光伏新增装机持续高增长。在“双碳”目标约束下,全球主要国家积极推进可再生能源建设,提高可再生能源在能源消费结构中的占比,2021年全球光伏新增装机规模为 170GW,同比大幅增长 30.77%,其中我国光伏新增装机55GW,同比增长 13.86%。据 CPIA 预计,到 2030 年,乐观情况下,全球光伏新增装机365GW,2021-2030 复合增速为 13.58%;我国光伏新增装机有望达128GW,2021-2030 复合增速为 15.16%。

逆变器是光伏发电重要设备,目前多采用 IGBT 方案。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备,主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。光伏逆变器主要由功率模块、控制电路板、断路器、滤波器、电抗器、变压器及机箱等组成。过去逆变器的功率器件多采用 MOSFET 器件,但由于 MOSFET 不适合用于高压大容量的系统中,IGBT凭借其在中、高压容量中的优势,已经逐步取代 MOSFET 成为逆变器的核心器件。在光伏逆变器的应用场景中,多采用 IGBT 单管或 IGBT 模块方案。SiC 方案优势逐步凸显,渗透率有望加速提升。使用 SiC MOSFET 或SiC MOSFET 与SiCSBD结合功率模块的光伏逆变器,转换效率有望从 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,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。据 Yole 数据,2020 年光伏逆变器中采用SiC 方案的渗透率约为 10%,预计到 2025 年将达到 50%,行业前景可观。

光伏逆变器用 SiC 市场规模巨大。2020 年我国光伏新增装机48.2GW,CPIA 预测到2025年,保守、乐观情况下,国内新增装机分别为 90 和 110GW,取中值为100GW,谨慎预计2025 年国内光伏逆变器新增装机 100GW。结合 Yole 数据,SiC 在光伏逆变器中的渗透率从 2020 年的 10%增长至 2025 年的 50%,即采用 SiC 方案的装机从2020 年的4.82GW增长至 2025 年的 50GW。根据阳光电源 2020 年披露的光伏逆变器收入及销售量,得出逆变器的造价为 0.21 元/W,功率器件约占 11%,即功率器件的成本为0.02 元,由于目前SiC方案成本约是 IGBT 的 2-3 倍,谨慎预计 2.5 倍,即 SiC 方案成本为0.06 元/W。同时,随着技术推进以及规模优势的显现,预计 SiC 方案成本将出现逐年下降。综上,到2025年,光伏逆变器用 SiC 市场规模将达到 22.84 亿元,2020-2025 年复合增速高达21.74%。

3.3 轨道交通:SiC 器件特性优异,已在城轨系统中得到应用

常见的轨道交通场景包括传统铁路、城际轨道以及城市轨道三大类别。根据世界铁路联盟 UIC 统计,截至 2021 年 6 月中国在运营的高速铁路里程数达到3.8 万公里,约占全球总数的 68%。全球在建设或者规划中的高速铁路里程 7.4 万公里,中国建设及规划里程为 2.6 万公里,约占 36%。截至 2020 年,我国机车保有量为2.2 万辆,我国铁路动车组保有量共 3918 组,同比增长 6.9%。不断增长的轨道里程以及存量交通工具器件替代预期是 SiC 切入轨道交通的主要契机。 由于大型轨道交通工具对载货载客等乘运能力需求较高,对牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。由于 SiC 器件具备禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高和击穿电场高、能量损耗更低、耐高温的特性,并且 SiC 器件能有效减轻轨道交通的载重,推进更轻更快更高效的轨道交通系统建设,常用于牵引变流器中SiC 功率器件正逐渐渗透过往以硅基器件为主的轨道交通市场。

目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用,在海外,日本在2021 年下半年推出搭载 SiC 车载设备的 E131 Series 500 系列列车;德国搭载SiC 牵引逆变器的Avenio有轨电车正式投入适用。在国内,2021 年中车株洲所与深圳地铁集团联合自主研发的国内首台地铁列车全 SiC 牵引逆变器;同年,时代电气公告称基于3300V 全SiC 器件的牵引变流器在深圳 1 号线载客运营,牵引能耗降低 10%。未来随着SiC 器件容量的提升,SiC 模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

3.4 智能电网:SiC 器件可有效降低电力损失

电网是能源的传输、利用的主要载体,智能电网即电网的智能化,高电压、大容量是智能电网目前提升的主要方向,进一步提高柔性直流输电的电压等级和容量,实现大容量柔性直流输电技术是智能电网领域一大难题。 SiC 功率器件能够更有效地协助智能电网实现安全、无缝地容许各种不同类型的发电和储能系统接入系统并实现电网容量扩容,SiC 功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。 SiC 器件应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失有效降低,同时提升电网供电效率。根据 GeneSiC 半导体的研究,与市售的 6.5kV/25 A Si IGBT 相比,SiCBJT的开启能量损耗降低了 19 倍,关断能量损耗降低了 25 倍。SiC 器件在智能电网中的应用对实现节能减排、发展低碳经济愿景有着重要意义。

4. 政策支持+成本下降,碳化硅国产替代有望加速

国家政策大力支持第三代半导体发展,为企业提供良好的生产经营环境。近年来,中国SiC 行业受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。国家陆续出台了多项政策,鼓励 SiC 行业发展与创新,《关于做好 2022 年享受税收优惠政策的集成电路企业或项目、软件企业清单制定工作有关要求的通知》《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023 年)》等产业政策为 SiC 行业的发展提供了明确、广阔的市场前景,为企业提供了良好的生产经营环境。

行业变革:SiC 向大尺寸演进是大势所趋,有效提升材料使用率。按直径计算,SiC衬底的尺寸主要有 2 英寸(50mm)、3 英寸(75mm)、4 英寸(100mm)、6 英寸(150mm)、8 英寸(200mm)等规格。为提高生产效率并降低成本,大尺寸化是SiC 衬底制备的重要发展方向,衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,边缘的浪费也越小,单位芯片的成本就越低。在半绝缘型市场,目前主流的衬底规格为4 英寸,在导电型市场,目前主流的衬底规格为 6 英寸。但随着衬底尺寸的扩大,晶体生长难度工艺呈几何级增长,技术壁垒也越高。从行业先进水平来看,目前全球龙头Wolfspeed 已研发出8英寸SiC 衬底并成功量产,技术保持全球领先。

晶棒、衬底良率部分仍有提升空间,未来制造成本有望继续下降。从SiC 衬底的制造环节看,目前衬底的制造包括长晶端和机加工端,长晶方面,SiC 包含200 多种同质异构结构的晶型,但只有 4H 型(4H-SiC)等少数几种是所需的晶型。而PVT 长晶的整个反应处于 2300°C 高温、完整密闭的腔室内(类似黑匣子),极易发生不同晶型的转化,任意生长条件的波动都会影响晶体的生长、参数很难精确调控,很难从中找到最佳生长条件。目前行业主流良率在 50-60%左右(传统硅基在 90%以上),有较大提升空间;机加工方面,SiC 硬度与金刚石接近(莫氏硬度达 9.5),切割、研磨、抛光技术难度大,工艺水平的提高需要长期的研发积累。目前该环节行业主流良率在70-80%左右,仍有提升空间。

SiC 器件的报价在持续下降,并与硅基器件价差逐渐缩小。根据CASA Research统计的半导体器件经销商网上平均报价(元/安培)来看,SiC 肖特基二极管(SBD)以及SiCMOSFET 器件近年来在逐步下降,其中 650V SiC SBD 报价在2018-2020 年的复合降幅达到 25%,而 650V SiC MOSFET 的复合降幅为 32%。由于 SiC 器件价格的下降,其与硅基器件的价差也在逐渐缩小。根据 CASA 第三代半导体产业发展报告的数据显示,在公开报价方面,650V 的 SiC SBD 2020年底的平均价格是 1.58 元/A,较2019 年底下降了13.2%,与 Si 器件的价差在 3.8 倍左右。1200V 的 SiC SBD 的平均价是3.83 元/A,较2019年下降了 8.6%,与 Si 器件的差距在 4.5 倍左右。据 CASA 调研显示,实际成交价低于公开报价 650V 的 SiC SBD 的实际成交价格约 0.7 元/A,1200V 的SiC SBD 价格约1.2 元/A,基本约为公开报价的 60%-70%,较上年下降了 20%-30%,实际成交价与Si 器件价差已经缩小至 2-2.5 倍之间。而 SiC MOSFET 价格下降幅度达 30%-40%,与Si 器件价差收窄到2.5-3倍之间。

预计 SiC 器件在高电压场景中先具备替代优势。从安森美的功率器件原厂价格对比来看,目前其 650V SiC MOSFET 价格比同电压的硅基 IGBT 单管要贵3.2 倍,而1200VSiCMOSFET 比同电压的 IGBT 单管价格差距就缩小至 2.2 倍。这反映在高电压等级下,SiC器件的价格与硅基的差距更小。考虑到 SiC 对系统成本的减少,例如减少散热组价和缩小体积,我们预计在高电压场景下,SiC 已出现替换硅基器件的优势。华为预计2025年前 SiC 价格逐渐于硅持平。华为在《数字能源 2030》中指出,以SiC 为代表的第三代半导体功率芯片和器件能够大幅提升各类电力电子设备的能量密度,提高电能转换效率,降低损耗,渗透率将在未来全面提升; SiC 的瓶颈当前主要在于衬底成本高,预计未来 2025 年前,其价格会逐渐降为硅持平。 海外厂商在碳化硅领域占据先发优势,国内企业加速验证。海外企业由于占据先发优势,在技术进展与产能规模上具备一定垄断地位,在导电型SiC 衬底市场中,海外龙头Wolfspeed 占据 60%以上市场份额,美国 II-VI 公司、德国SiCrystal AG、道康宁(DowCorning)、日本新日铁等紧随其后。国内企业仍在起步阶段,技术不断追赶同时产能尚在爬坡,天岳先进、天科合达等一众厂商初具规模,但随着国内企业产品得到验证进程加速,下游厂商认可程度不断提升,海外企业与国内企业差距相对缩小,国产替代具备广阔的市场空间。

宽禁带半导体的军事用途使得国外对中国实行技术和产品禁运和封锁。《瓦森纳协定》是一项由 42 个国家签署,管制传统武器及军商两用货品出口的条约。宽禁带半导体是有源相控阵雷达、毫米波通信设备、激光武器、“航天级”固态探测器、耐超高辐射装置等军事装备中的核心组件,因而受到国际上《瓦森纳协定》的出口管制,并且对外收购相关企业也会受到西方发达国家的严格审查。国内行业通过外延式收购的方式进行发展的难度较大。 《瓦森纳协定》在 2008 年修订后,开始限制半绝缘 SiC 衬底等材料向中国等部分国家进行出口。此外,根据美国商务部工业与安全局(BIS)出口管制清单,SiC 晶片也被列为限制出口产品。虽然我国在新能源汽车、光伏等 SiC 应用的主要领域具备一定先发优势,但在 SiC 领域起步较晚,发展基础薄弱,且通过外延收购的方式进行发展的难度较大,因此只能以内生发展为主的方式实现国产替代。

海外技术禁运,加速宽禁带半导体器件的国产替代进程。由于宽禁带半导体的军事用途使得国外对中国实行技术禁运和封锁,国内 SiC 产业的持续发展对核心技术国产自主化、实现供应链安全可控提出了迫切的需求。自主可控趋势加速了宽禁带半导体器件的国产替代进程,为宽禁带半导体行业带来了发展新机遇。在宽禁带半导体领域,下游应用企业已在调整供应链,支持国内企业。数家国内宽禁带半导体企业的上中游产品陆续获得了下游用户验证机会,进入了多个关键厂商供应链,逐步开始了以销促产的良性发展。受益 SiC 下游应用的旺盛需求,国内外企业积极扩产。随着近年SiC 器件的应用场景日渐多元,在电动汽车、光伏发电、轨道交通和智能电网等下游领域的渗透率快速提升,下游需求实现快速增长。为了满足以电动汽车、光伏为代表的客户未来的增长需求,国内外企业纷纷扩产,密集加大资本投入以抢占市场先机。2022 年4 月,全球SiC龙头企业 Wolfspeed 正式启用其位于美国纽约州马西的最先进的莫霍克谷SiC 制造厂,这是全球首个 8 英寸 SiC 晶圆厂,现已正式启用并试产,预估 2023 年上半年可望贡献显著营收;2022 年 5 月,意法半导体宣布其 8 寸 SiC 衬底、外延片和SiC MOSFET 都将达到完工达产状态,目标在 2024 年 SiC 衬底自给率达到 40%。随着下游市场的超预期发展,SiC产业链的景气程度有望持续向好,各环节企业也将直接受益于行业发展。

国内方面,2021 年国内累计投产 3 条 6 英寸 SiC 晶圆产线,总体来看国内至少已有7条SiC 晶圆制造产线(包括中试线),另有约 10 条 SiC 产线正在建设中;GaN 射频产线方面,目前国内已有 5 条 4 英寸 GaN-on-SiC 生产线,约有5 条GaN 射频产线正在建设中。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。 

 

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