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碳化硅产业初长成
来源: | 作者:晶越 | 发布时间: 253天前 | 386 次浏览 | 分享到:
碳化硅属于具有明确发展前景的第三代半导体，头部半导体厂商与汽车、能源厂商的碳化硅合作项目不断推出，2023年整体碳化硅功率元件市场规模预估为22.8亿美元。预计到2028年，导电型碳化硅功率器件市场规模有望达到86.9亿美元，半绝缘型碳化硅射频器件市场规模有望达到22.9亿美元。

从问世到初步产业化，碳化硅在新能源汽车、通讯、工业及光伏产业的应用价值得到验证，海外头部碳化硅制造商2023财年业绩同比显著改善，纷纷积极扩张产能。设备和衬底的国内厂商近年来技术不断突破，下游国产器件的产品研发取得较大进展，碳化硅二极管的国内产业链已经成熟，MOSFET产业化加速，产业链6英寸产能将大幅提升，8英寸则成为弯道超车的机遇。
商业价值显现
第三代半导体是指化合物半导体，包括碳化硅（SiC）、氮化镓、氧化锌、氧化铝以及金刚石等宽禁带半导体材料。
碳化硅的衬底材料根据电阻率的不同可分为导电型和半绝缘型，导电型碳化硅功率器件需要在导电型衬底上生长出碳化硅外延，再进一步加工成MOSFET、IGBT等器件，半绝缘型碳化硅基射频器件通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长出氮化镓外延，进而制成HEMT等射频器件。通过在导电型衬底上生长同质碳化硅外延可制成功率器件，主要应用于新能源汽车、光伏发电等领域，导电型碳化硅器件下游市场结构中新能源汽车占比70%，充电设备和光伏占比10%，工业占比13%。在半绝缘型衬底生长异质氮化镓外延可制成射频器件，主要为面向4G、5G通信基站和新一代雷达的功率放大器。
800V新能源汽车的核心部件在于功率半导体器件。主流的Si-IGBT在450V平台下的耐压值一般为650V，若汽车电气架构升级到800V，考虑开关电压开关过载等因素，耐压等级需达到1200V。研究表明，与硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET可使电动车续航延长5%-10%，促进逆变器线圈、电容小型化、缩减电驱尺寸、减少电机铁损，SiC MOSFET的尺寸、导通电阻和平均能量损耗分别为Si MOSFET的1/10、1/200和1/4。
2023年全球新能源汽车销量达到1465.3万辆，同比增长35.4%，自2018年起，各品牌新能源汽车的主驱逐步采用碳化硅方案，整车价格区间低至20万元，头部半导体厂商与汽车、能源厂商的合作项目不断推出，2023年整体碳化硅功率元件市场规模预估为22.8亿美元。
碳化硅器件成本是硅器件的3倍左右，是制约行业快速发展的核心因素之一，碳化硅目前在产能、成本上尚处劣势，未来有望替代Si-IGBT实现功率半导体器件的升级换代。据预测，未来碳化硅在功率半导体的市占率将稳步增加，至2028年将达到约25%的市场占有率。
碳化硅半导体材料的各类应用产品和解决方案层出不穷，在工业及消费领域也正继续加快渗透应用。Yole数据显示，2022年碳化硅器件市场规模为19.7亿美元，其中导电型碳化硅功率器件市场规模为17.9亿美元，半绝缘型碳化硅射频器件市场规模为1.8亿美元；预计到2028年，导电型碳化硅功率器件市场规模有望达到86.9亿美元，年化增速达到 30.12%，半绝缘型碳化硅射频器件市场规模有望达到22.9亿美元，年化增速达到52.79%。
国产化追赶
碳化硅晶体生长效率缓慢，易产生微管、包裹物等缺陷。长晶的难点主要在于高温环境下的工艺控制，碳化硅的熔点约为2700度，相比之下硅的熔点仅在1410摄氏度左右，工艺控制难度大，对设备以及拉晶工艺提出了极大的挑战。由于碳化硅硬度与金刚石接近，导致晶棒切割、研磨抛光等后端工艺也面临较大困难。
平安证券指出，当前国产碳化硅晶圆厂在4英寸和6英寸碳化硅衬底质量上已到国际先进水平，但整体与国际厂商仍存在技术代差，8英寸碳化硅衬底蕴含着国内厂商实现弯道超车的机遇。
2018年，晶盛机电研发出6英寸碳化硅晶体生长炉，2019年研制成功6英寸碳化硅晶体生长工艺及设备，2022年又成功研发出8英寸N型SiC晶体，解决了8英寸碳化硅晶体生长过程中温场不均、晶体开裂、气相原料分布等难点问题，同时还破解了碳化硅器件成本中衬底占比过高的难题，为大尺寸碳化硅衬底广泛应用打下基础。该公司生产的SICEP系列碳化硅外延炉兼容4吋和6吋碳化硅外延生长，为单片式设备，沉积速度、厚度均匀性及浓度均匀性等技术指标已到达先进水平。
天岳先进开发了多块拼接多线切割技术，解决了相邻碳化硅晶体之间切割质量差的难题，一批次可实现多块晶体的切割；设计了晶体切削液配方，大幅度降低了切割片的表面损伤；开发了一整套多线切割工艺，每项参数均计算出最优的工艺曲线，提高了切割片的面型质量。
设备和衬底厂商不断突破的同时，下游的器件制造近年来亦取得较大进展。
扬杰科技于2022年上半年开发出650V 2A-40A、1200V 2A-40A的SiC SBD产品，1200V 40mohm的SiC MOSFET 产品于第四季度推出。斯达半导应用于乘用车主控制器的车规级SiC MOSFET模块自2022年起开始大批量装车应用，并新增多个使用车规级SiC MOSFET模块的800V系统的主电机控制器项目定点，将对公司2024-2030年主控制器用车规级SiC MOSFET模块销售增长提供持续推动力。士兰明镓基于SiC-MOSFET的电动汽车主驱功率模块已通过国内多家客户的质量认定，与国际大厂的量产水平相当，并已接获批量订单开始陆续交付。
产能扩张
意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、安森美是全球头部碳化硅功率器件制造商，2023年，意法半导体旗下碳化硅产品营收达到了11.4亿美元，较上年同期增长超60%，预计2024年碳化硅收入将达到15-16亿美元，其碳化硅产品主要由位于意大利和新加坡的晶圆厂生产，该公司将继续提高卡塔尼亚和新加坡工厂的前端设备产量，并提高摩洛哥和中国工厂的后端制造能力。
英飞凌2023 财年碳化硅业务收入约5亿欧元，预计2024财年营收规模将达到7.5亿欧元，未来5年内，英飞凌将再投入50亿欧元在原有马来西亚碳化硅工厂扩建二期产线，预计2027年建成，主要生产8英寸碳化硅晶圆。Wolfspeed 2023财年实现营收9.22亿美元，较上年增长19%，其投资50亿美元的美国碳化硅制造中心将于2024年底竣工，用于制造200mm碳化硅晶圆。
安森美在韩国碳化硅工厂2023年扩建完工，2023年安森美碳化硅出货量超过8亿美元，收入同比增长4倍，其8英寸晶圆将在2024年获得入场认证，并于2025年实现产能爬坡及收入增长。安森美认为，未来5-10年碳化硅市场还会比较紧缺，不会出现产能过剩的情况。
天岳先进2023年度营业收入同比增长199.9%，净利润同比减亏，该公司上海临港智慧工厂于2023年中开启产品交付，第一阶段30万片的产量目标将比原计划更早达成。士兰明镓公司正在加快推进“SiC功率器件生产线建设项目”的建设。目前，士兰明镓公司已具备月产3000片6吋SiC-MOSFET芯片的生产能力，现有产能已满载，预计2024年年底将具备月产1.2万片6吋SiC芯片的产能。华润微碳化硅目前产能达到2500片/月，碳化硅MOS产品在碳化硅功率器件销售中的比例提升至50%以上。
有关碳化硅投资的探讨甚至延伸至其他行业，珠海市生态环境局官网显示，2023年6月，格力电子元器件扩产项目环境影响报告表获受理，未来格力在碳化硅方面的布局有待观察。
目前，国产碳化硅二极管产业链已经完备，能够稳定交付，主要应用于在光伏、储能、直流充电桩模块、氢燃料电池DC-DC模块和UPS电源等领域，随着组件电流的不断提升，40A、50A 等更大电流的SiC二极管需求也会越来越多，对降本的要求会进一步提高。华泰证券调研指出，设备厂商反馈8英寸下订、提货节奏明显加快，预计2024年8英寸或将实现1到10的突破。

来源：证券市场周刊