SiC企業(yè)襯底項目及產品規(guī)劃盤點！打造碳化硅生態(tài)圈

SiC企業(yè)襯底項目及產品規(guī)劃盤點！打造碳化硅生態(tài)圈

 碳化硅的優(yōu)勢 

碳化硅作為第三代半導體材料中的明星產品，其具備極好的耐壓性、導熱性和耐熱性，是制造功率器件、大功率射頻器件的突破性材料。根據(jù)Wolfspeed預計，2022年全球碳化硅器件市場規(guī)模達43億美元，2026年碳化硅器件市場規(guī)模有望成長至89億美元。當前SiC功率器件價格較高，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器件開始在新能源汽車、光伏、儲能等領域替代硅基器件。

 兩種類型的碳化硅材料 

按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經外延生長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用于制造氮化鎵射頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。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，需在導電型襯底上生長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。

導電型襯底在功率器件中得到廣泛應用，下游市場包括新能源汽車、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領域。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域，涉及經濟與生活的方方面面。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用，例如新能源汽車、光伏發(fā)電等領域。

碳化硅功率器件應用領域

 碳化硅下游應用市場與規(guī)模 

根據(jù)YOLE的數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為10.90億美元，其中應用于汽車市場的碳化硅功率器件市場規(guī)模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業(yè)等領域，2021年市場規(guī)模分別為1.54億、1.26億美元，占比分別為14.1%、11.6%。未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)等領域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規(guī)模有望持續(xù)提升。根據(jù)Yole的預測，2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望達62.97億美元，2021-2027年CAGR達34%；其中汽車市場碳化硅功率器件規(guī)模有望達49.86億美元，占比達79.2%，汽車仍為碳化硅功率器件下游第一大應用市場。

汽車是碳化硅功率器件最大的下游應用市場。

碳化硅在電動汽車領域主要用于：主驅逆變器、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。根據(jù)全球碳化硅領域龍頭廠商Wolfspeed公司的預測，到2026年汽車中逆變器所占據(jù)的碳化硅價值量約為83%，是電動汽車中價值量最大的部分。其次為OBC，價值量占比約為15%；DC-DC轉換器中SiC價值量占比在2%左右。此外，電動汽車充電樁也是SiC器件的一大應用領域。

全球新能源汽車銷量不斷增長，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675萬輛，同比增長108%；其中，中國新能源汽車市場持續(xù)突破，2021年銷量達352萬輛，同比增長160%以上。

特斯拉是業(yè)界首個在電動汽車中采用碳化硅主驅逆變器模塊的車企，2018年，特斯拉在Model3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。當前越來越多的車廠正在轉向在電驅中使用碳化硅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ES7、蔚來ET7、蔚來ET5、小鵬G9、保時捷Tayan和現(xiàn)代ioniq5等車型已經在電驅中采用了碳化硅器件。

在主驅逆變器中采用 SiC 器件的車企

汽車高壓平臺升級，800V時代SiC成為剛需

新能源汽車行業(yè)一個亟待解決的問題就是“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)，當前我國商用的主流快充充電樁的功率為100~150KW，電動汽車充電400KM里程所需的時間為40~27分鐘。若充電樁采用350KW大功率快充系統(tǒng)，400KM里程所需充電時間可大大縮短至12~15分鐘。提升充電功率可以通過提高電流或者電壓兩種方式來實現(xiàn)。然而，如果通過提升電流來增大充電功率，會帶來以下問題：（1）根據(jù)功率計算公式，電流的提升會導致系統(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工況測試，基于750V硅基IGBT模塊及1200V碳化硅模塊仿真，400V電壓平臺下，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汽車、充電樁可以在較小的體積內達到較大的功率，從而節(jié)省車內空間，減輕車身重量。

為了提升電動汽車充電速度、緩解里程焦慮，越來越多的整車廠布局800V高壓平臺。保時捷Taycan是全球首款量產的800V高壓平臺車型，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。與此同時，國內的車企亦紛紛向800V高壓平臺邁進。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平臺的車型，其中小鵬、比亞迪等800V高壓車型有望2022年量產。800V平臺的推廣有望推動SiC器件在電動汽車中的滲透率快速提升。

部分已采用或預計采用 800V 平臺的車企

 碳化硅產業(yè)鏈 

碳化硅產業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設計、器件制造、封測等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經過外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

碳化硅產業(yè)鏈價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%。而對于Si基器件來說，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值量凸顯。由于碳化硅襯底及外延價格相對硅片較為昂貴，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)等領域的強勁需求有望帶動碳化硅滲透率快速提升。

對于碳化硅行業(yè)來說，目前襯底、 器件制造產能受限是行業(yè)的主要瓶頸。一塊碳化硅外延片制造過程主要包括：籽晶制造、晶棒制造、切片拋光、外延層生長四個部分， 各個環(huán)節(jié)的長晶速率、良率等均有較大提升空間。

在襯底尺寸方面的研發(fā)進度 

中國企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國內企業(yè)已經開發(fā)出了6英寸導電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。其中天科合達和天岳先進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。

國內 SiC 襯底項目及產品規(guī)劃

隨著 SiC 需求的不斷增長， 國內襯底廠商不斷擴大投資產能， 下游企業(yè)也以簽長約方式確保上游材料穩(wěn)定供應。 根據(jù)碳化硅芯觀察的統(tǒng)計， 截至 2022 年 7 月市場上在建、產能爬坡及規(guī)劃的產能情況來看， 碳化硅襯底規(guī)劃投資超 400 億元，未來遠期規(guī)劃年產能超 600 萬片，國內碳化硅廠商正起燎原之勢。 

國內 SiC 襯底項目及產品規(guī)劃 

國內 SiC 器件制造企業(yè)

SiC 器件制造需求大增， 國內廠商加速追趕國際龍頭。傳統(tǒng)功率器件制造商與新興 SiC 器件制造商紛紛入局， 時代電氣、斯達半導、揚杰科技、華潤微、士蘭微、積塔半導體、中芯紹興等傳統(tǒng)功率器件廠商紛紛加大 SiC 器件制造產線的研發(fā)、投資力度；長飛先進、 泰科天潤、 基本半導體、世紀金光、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沙 SiC 超級工廠。

我國大力發(fā)展第三代半導體產業(yè)， 國內 SiC 產業(yè)鏈也在逐步成形。國內垂直一體化 SiC 廠商為三安光電；國內 SiC 設備公司主要包括北方華創(chuàng)、晶盛機電、中微公司、芯源微等；襯底制造商主要有天岳先進、天科合達、 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；器件設計廠商包括 APS、派恩杰、愛仕特、清純半導體等；器件制造廠商主要包括時代電氣、 華潤微、士蘭微、 揚杰科技、聞泰科技、 國聯(lián)萬眾、長飛先進、積塔半導體、 泰科天潤等；終端應用廠商主要有比亞迪半導體等 。

 國內碳化硅生態(tài)圈 

信息來源：民生證券，天科合達招股書，DT新材料整理

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