SiC企業襯底項目及產品規劃盤點！打造碳化硅生態圈
SiC企業襯底項目及產品規劃盤點！打造碳化硅生態圈
碳化硅的優勢
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Wolfspeed預計，2022年全球碳化硅器件市場規模達43億美元，2026年碳化硅器件市場規模有望成長至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，但憑借優異的系統節能特性，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模
根據YOLE的數據，2021年全球碳化硅功率器件市場規模為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模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業等領域，2021年市場規模分別為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、工業等領域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規模有望持續提升。根據Yole的預測，2027年全球碳化硅功率器件市場規模有望達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(OBC)、電源轉換系統(車載DC/DC)和非車載充電樁。根據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。根據工信部的數據，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突破，2021年銷量達352萬輛，同比增長160%以上。
特斯拉是業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Wolfspeed數據，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，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。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）根據功率計算公式，電流的提升會導致系統功率損耗增大；（2）電流增大，根據焦耳定律系統發熱會加劇，冷卻系統成本增高；（3）所需線束更粗，線束重量將增大。因此提升電壓以實現大功率快充成為行業的多數選擇。
如果采用碳化硅系統，800V電動汽車的整車效率將得到顯著提升。根據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、小鵬等都陸續發布了搭載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
碳化硅產業鏈
碳化硅產業鏈主要包括襯底、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。
碳化硅產業鏈價值集中于上游襯底和外延環節。根據CASA的數據，襯底約占碳化硅器件成本的47%，外延環節又占據23%，制造前的成本占據全部成本的70%。而對于Si基器件來說，晶圓制造占據50%的成本，硅片襯底僅占據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。
對于碳化硅行業來說，目前襯底、 器件制造產能受限是行業的主要瓶頸。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， 各個環節的長晶速率、良率等均有較大提升空間。
在襯底尺寸方面的研發進度
中國企業在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國內企業已經開發出了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， 下游企業也以簽長約方式確保上游材料穩定供應。 根據碳化硅芯觀察的統計， 截至 2022 年 7 月市場上在建、產能爬坡及規劃的產能情況來看， 碳化硅襯底規劃投資超 400 億元，未來遠期規劃年產能超 600 萬片，國內碳化硅廠商正起燎原之勢。
國內 SiC 襯底項目及產品規劃
國內 SiC 器件制造企業
SiC 器件制造需求大增， 國內廠商加速追趕國際龍頭。傳統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、中芯紹興等傳統功率器件廠商紛紛加大 SiC 器件制造產線的研發、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。
我國大力發展第三代半導體產業， 國內 SiC 產業鏈也在逐步成形。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、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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