SiC企業(yè)襯底項(xiàng)目及產(chǎn)品規(guī)劃盤(pán)點(diǎn)！打造碳化硅生態(tài)圈
SiC企業(yè)襯底項(xiàng)目及產(chǎn)品規(guī)劃盤(pán)點(diǎn)！打造碳化硅生態(tài)圈
碳化硅的優(yōu)勢(shì)
碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料中的明星產(chǎn)品，其具備極好的耐壓性、導(dǎo)熱性和耐熱性，是制造功率器件、大功率射頻器件的突破性材料。根據(jù)Wolfspeed預(yù)計(jì)，2022年全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)43億美元，2026年碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望成長(zhǎng)至89億美元。當(dāng)前SiC功率器件價(jià)格較高，是硅基IGBT的3~5倍左右，但憑借優(yōu)異的系統(tǒng)節(jié)能特性，SiC器件開(kāi)始在新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域替代硅基器件。
兩種類型的碳化硅材料
按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。
導(dǎo)電型襯底在功率器件中得到廣泛應(yīng)用，下游市場(chǎng)包括新能源汽車、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領(lǐng)域。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域，涉及經(jīng)濟(jì)與生活的方方面面。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，較好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推廣應(yīng)用，例如新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)域。
碳化硅功率器件應(yīng)用領(lǐng)域
碳化硅下游應(yīng)用市場(chǎng)與規(guī)模
根據(jù)YOLE的數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為10.90億美元，其中應(yīng)用于汽車市場(chǎng)的碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業(yè)等領(lǐng)域，2021年市場(chǎng)規(guī)模分別為1.54億、1.26億美元，占比分別為14.1%、11.6%。未來(lái)隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)等領(lǐng)域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)提升。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2027年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)62.97億美元，2021-2027年CAGR達(dá)34%；其中汽車市場(chǎng)碳化硅功率器件規(guī)模有望達(dá)49.86億美元，占比達(dá)79.2%，汽車仍為碳化硅功率器件下游第一大應(yīng)用市場(chǎng)。
汽車是碳化硅功率器件最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)。
碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域主要用于：主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。根據(jù)全球碳化硅領(lǐng)域龍頭廠商Wolfspeed公司的預(yù)測(cè)，到2026年汽車中逆變器所占據(jù)的碳化硅價(jià)值量約為83%，是電動(dòng)汽車中價(jià)值量最大的部分。其次為OBC，價(jià)值量占比約為15%；DC-DC轉(zhuǎn)換器中SiC價(jià)值量占比在2%左右。此外，電動(dòng)汽車充電樁也是SiC器件的一大應(yīng)用領(lǐng)域。
全球新能源汽車銷量不斷增長(zhǎng)，頭部廠商逐漸采用碳化硅器件。根據(jù)工信部的數(shù)據(jù)，2021年全球新能源車銷量為675萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)108%；其中，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)持續(xù)突破，2021年銷量達(dá)352萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)160%以上。
特斯拉是業(yè)界首個(gè)在電動(dòng)汽車中采用碳化硅主驅(qū)逆變器模塊的車企，2018年，特斯拉在Model3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。當(dāng)前越來(lái)越多的車廠正在轉(zhuǎn)向在電驅(qū)中使用碳化硅MOSFET器件，目前除特斯拉Model3外，還有比亞迪漢EV、比亞迪新款唐EV、蔚來(lái)ES7、蔚來(lái)ET7、蔚來(lái)ET5、小鵬G9、保時(shí)捷Tayan和現(xiàn)代ioniq5等車型已經(jīng)在電驅(qū)中采用了碳化硅器件。
在主驅(qū)逆變器中采用 SiC 器件的車企
汽車高壓平臺(tái)升級(jí)，800V時(shí)代SiC成為剛需
新能源汽車行業(yè)一個(gè)亟待解決的問(wèn)題就是“里程焦慮”，提升充電速度就需要提升充電樁的輸出功率，則需要提升充電電壓或電流。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，當(dāng)前我國(guó)商用的主流快充充電樁的功率為100~150KW，電動(dòng)汽車充電400KM里程所需的時(shí)間為40~27分鐘。若充電樁采用350KW大功率快充系統(tǒng)，400KM里程所需充電時(shí)間可大大縮短至12~15分鐘。提升充電功率可以通過(guò)提高電流或者電壓兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，如果通過(guò)提升電流來(lái)增大充電功率，會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：（1）根據(jù)功率計(jì)算公式，電流的提升會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率損耗增大；（2）電流增大，根據(jù)焦耳定律系統(tǒng)發(fā)熱會(huì)加劇，冷卻系統(tǒng)成本增高；（3）所需線束更粗，線束重量將增大。因此提升電壓以實(shí)現(xiàn)大功率快充成為行業(yè)的多數(shù)選擇。
如果采用碳化硅系統(tǒng)，800V電動(dòng)汽車的整車效率將得到顯著提升。根據(jù)PCIMEurope的研究，按照WLTC工況測(cè)試，基于750V硅基IGBT模塊及1200V碳化硅模塊仿真，400V電壓平臺(tái)下，1200V碳化硅模塊相比于750V硅基IGBT模塊，整車損耗可降低6.9％；然而在800V高壓平臺(tái)下，整車損耗可降低7.6％。此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的電動(dòng)汽車、充電樁可以在較小的體積內(nèi)達(dá)到較大的功率，從而節(jié)省車內(nèi)空間，減輕車身重量。
為了提升電動(dòng)汽車充電速度、緩解里程焦慮，越來(lái)越多的整車廠布局800V高壓平臺(tái)。保時(shí)捷Taycan是全球首款量產(chǎn)的800V高壓平臺(tái)車型，并將最大充電功率提升至350KW。此外，奧迪e－tronGT、現(xiàn)代Ioniq5和起亞EV6都采用了800V高壓平臺(tái)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的車企亦紛紛向800V高壓平臺(tái)邁進(jìn)。2021年，比亞迪、吉利、極狐、廣汽、小鵬等都陸續(xù)發(fā)布了搭載800V平臺(tái)的車型，其中小鵬、比亞迪等800V高壓車型有望2022年量產(chǎn)。800V平臺(tái)的推廣有望推動(dòng)SiC器件在電動(dòng)汽車中的滲透率快速提升。
部分已采用或預(yù)計(jì)采用 800V 平臺(tái)的車企
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造、封測(cè)等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片。外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經(jīng)過(guò)封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)。根據(jù)CASA的數(shù)據(jù)，襯底約占碳化硅器件成本的47%，外延環(huán)節(jié)又占據(jù)23%，制造前的成本占據(jù)全部成本的70%。而對(duì)于Si基器件來(lái)說(shuō)，晶圓制造占據(jù)50%的成本，硅片襯底僅占據(jù)7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價(jià)值量凸顯。由于碳化硅襯底及外延價(jià)格相對(duì)硅片較為昂貴，碳化硅功率器件現(xiàn)階段滲透率較低。然而，由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽車、能源、工業(yè)等領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求有望帶動(dòng)碳化硅滲透率快速提升。
對(duì)于碳化硅行業(yè)來(lái)說(shuō)，目前襯底、 器件制造產(chǎn)能受限是行業(yè)的主要瓶頸。一塊碳化硅外延片制造過(guò)程主要包括：籽晶制造、晶棒制造、切片拋光、外延層生長(zhǎng)四個(gè)部分， 各個(gè)環(huán)節(jié)的長(zhǎng)晶速率、良率等均有較大提升空間。
在襯底尺寸方面的研發(fā)進(jìn)度
中國(guó)企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。其中天科合達(dá)和天岳先進(jìn)為主的碳化硅晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯，三安光電（北電新材）在碳化硅方面也在深度布局。
國(guó)內(nèi) SiC 襯底項(xiàng)目及產(chǎn)品規(guī)劃
隨著 SiC 需求的不斷增長(zhǎng)， 國(guó)內(nèi)襯底廠商不斷擴(kuò)大投資產(chǎn)能， 下游企業(yè)也以簽長(zhǎng)約方式確保上游材料穩(wěn)定供應(yīng)。 根據(jù)碳化硅芯觀察的統(tǒng)計(jì)， 截至 2022 年 7 月市場(chǎng)上在建、產(chǎn)能爬坡及規(guī)劃的產(chǎn)能情況來(lái)看， 碳化硅襯底規(guī)劃投資超 400 億元，未來(lái)遠(yuǎn)期規(guī)劃年產(chǎn)能超 600 萬(wàn)片，國(guó)內(nèi)碳化硅廠商正起燎原之勢(shì)。
國(guó)內(nèi) SiC 襯底項(xiàng)目及產(chǎn)品規(guī)劃
國(guó)內(nèi) SiC 器件制造企業(yè)
SiC 器件制造需求大增， 國(guó)內(nèi)廠商加速追趕國(guó)際龍頭。傳統(tǒng)功率器件制造商與新興 SiC 器件制造商紛紛入局， 時(shí)代電氣、斯達(dá)半導(dǎo)、揚(yáng)杰科技、華潤(rùn)微、士蘭微、積塔半導(dǎo)體、中芯紹興等傳統(tǒng)功率器件廠商紛紛加大 SiC 器件制造產(chǎn)線的研發(fā)、投資力度；長(zhǎng)飛先進(jìn)、 泰科天潤(rùn)、 基本半導(dǎo)體、世紀(jì)金光、中科漢韻、 瞻芯等新興SiC 器件制造商也異軍突起；三安集成亦大力投資長(zhǎng)沙 SiC 超級(jí)工廠。
我國(guó)大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)， 國(guó)內(nèi) SiC 產(chǎn)業(yè)鏈也在逐步成形。國(guó)內(nèi)垂直一體化 SiC 廠商為三安光電；國(guó)內(nèi) SiC 設(shè)備公司主要包括北方華創(chuàng)、晶盛機(jī)電、中微公司、芯源微等；襯底制造商主要有天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、 東尼電子、 露笑科技、山西爍科、同光晶體、超芯星、南砂晶圓等；外延廠商包括東莞天域、瀚天天成等；器件設(shè)計(jì)廠商包括 APS、派恩杰、愛(ài)仕特、清純半導(dǎo)體等；器件制造廠商主要包括時(shí)代電氣、 華潤(rùn)微、士蘭微、 揚(yáng)杰科技、聞泰科技、 國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾、長(zhǎng)飛先進(jìn)、積塔半導(dǎo)體、 泰科天潤(rùn)等；終端應(yīng)用廠商主要有比亞迪半導(dǎo)體等 。
國(guó)內(nèi)碳化硅生態(tài)圈
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