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碳化硅产业化降本核心机遇已现就看谁能把握住!

  1)第一代元素半导体材料:硅(Si)和锗(Ge);为半导体最常用的材料,起源于20世纪50年代,奠定了微电子产业的基础。

  2)第二代化合物半导体材料:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;是4G时代的大部分通信设备的材料,起源于20世纪90年代,奠定了信息产业的基础。

  3)第三代宽禁带材料:碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,近10年世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。

  其中,碳化硅(SiC)为第三代半导体材料核心。核心用于功率+射频器件,适用于600V以上高压场景,包括光伏、风电、轨道交通、新能源汽车、充电桩等电力电子领域。

  SiC碳化硅是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一:由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。相比传统的硅材料(Si),碳化硅(SiC)的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8-10倍;电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。核心优势体现在:

  1)耐高压特性:更低的阻抗、禁带宽度更宽,能承受更大的电流和电压,带来更小尺寸的产品设计和更高的效率;

  2)耐高频特性:SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,能有效提高元件的开关速度(大约是Si的3-10倍),适用于更高频率和更快的开关速度;

  相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比,其尺寸可大幅减小至原来的1/10,导通电阻可至少降低至原来的1/100。相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。

  碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势,将极大提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率,未来将主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

  市场空间:据Yole统计,2020年SiC碳化硅功率器件市场规模约7.1亿美元,预计2026年将增长至45亿美元,2020-2026年CAGR近36%。其中,新能源汽车是SiC功率器件下游最重要的应用市场,预计需求于2023年开始快速爆发。

  新能源汽车是碳化硅功率器件市场的主要增长驱动。SiC功率器件主要应用于新能源车逆变器、DC/DC转换器、电机驱动器和车载充电器(OBC)等核心电控领域,以完成较Si更高效的电能转换。预计随着新能源车需求快速爆发,以及SiC衬底工艺成熟、带来产业链降本增效,产业化进程有望提速。

  1)应用端:解决电动车续航痛点。据Wolfspeed测算,将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC时,可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提升车辆5%-10%的续航。据英飞凌测算,SiC器件整体损耗相比Si基器件降低80%以上,导通及开关损耗减小,有助于增加电动车续航里程。

  2)成本端:单车可节省400-800美元的电池成本,与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少200-600美元的单车成本下降。

  3)客户端:特斯拉等车企已相继布局。Model3是行业第一家采用SiC逆变器的车型,开启了电动汽车使用SiC先河,单车总共有48个SiCMOSFET裸片,由意法半导体和英飞凌提供。其他车企包括比亚迪汉、丰田Mirai等也相继开始采用SiC逆变器。

  目前各大车企已在碳化硅领域纷纷布局,成本是决定SiC何时在新能源车大批量使用的关键因素。

  1)2017年,特斯拉Model3成为第一家使用SiC逆变器的车型,其逆变器总重量下降至4.8kg(较此前减少约84%),续航能力提升6%(逆变器和永磁电机组合的效率高达97%,此前为82%)。

  2)预计未来续航里程500公里以上的高端SUV车和轿车有望均应用到SiC功率器件,小型SUV和中型轿车可能在2024-2025年后开始应用一部分SiC(随着SiC衬底产能大规模释放、成本下降),低端车可能会再随这之后。

  SiC产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节,以及下游的应用环节。其中衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节,是未来SiC大规模产业化推进的核心。

  1)衬底:价值量占比46%,为最核心的环节。由SiC粉经过长晶、加工、切割、研磨、抛光、清洗环节最终形成衬底。其中SiC晶体的生长为核心工艺,核心难点在提升良率。类型可分为导电型、和半绝缘型衬底,分别用于功率和射频器件领域。

  2)外延:价值量占比23%。本质是在衬底上面再覆盖一层薄膜以满足器件生产的条件。具体分为:导电型SiC衬底用于SiC外延,进而生产功率器件用于电动汽车以及新能源等领域。半绝缘型SiC衬底用于氮化镓外延,进而生产射频器件用于5G通信等领域。

  3)器件制造:价值量占比约20%(包括设计+制造+封装)。产品包括SiC二级管、SiCMOSFET、全SiC模块(SiC二级管和SiCMOSFET构成)、SiC混合模块(SiC二级管和SiCIGBT构成)。

  4)应用:半绝缘碳化硅器件主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。导电型碳化硅器件主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。(报告来源:未来智库)

  2021年特斯拉全球销量达93.6万辆,主要为Model3/ModelY车型贡献。预计特斯拉未来2年Model3/ModelY年产能将达到200万辆(其中,美国工厂100万辆+中国工厂50万辆+德国柏林工厂50万辆)。假设2022年Model3/ModelY产量150万辆,单车消耗0.25片6英寸SiC晶圆,则对应一年消耗6英寸SiC37.5万片,目前全球SiC晶圆总产能约在50~60万片/年,供给端产能吃紧。

  同时,目前特斯拉Model3的SiCMOSFET只用在主驱逆变器电力模块上,共48颗SiCMOSFET,对应单车消耗约0.25片6英寸SiC衬底。如未来延伸用在包括OBC、DC/DC转换器、高压辅驱控制器、主驱控制器、充电器等,单车SiC器件使用量将达到100-150颗,市场需求将进一步扩大(单车消耗有望达0.5片6英寸SiC衬底)。

  新能源车需求快速爆发,SiC产能吃紧,全球产能扩产有望加速。据DIGITIMES Research数据,2021年全球电动汽车销量有望达631万辆(占总销量约6%),同比增长101%。我们对SiC碳化硅市场空间进行测算,假设:

  1)2021年全球乘用车销量预计达6460万辆,新能源车渗透率约10%;假设2022-2025年全球乘用车销量维持2%稳定增长,2025年新能源车渗透率约28%;

  2)假设SiC在新能源车应用渗透率从2021年的18%(通过计算特斯拉Model3/Y得出)提升至2025年的60%;

  3)假设2021-2023年期间单车消耗0.25片6英寸SiC晶圆,随着在新能源应用市场逐步打开,2024-2025年单车消耗提升至0.5片6英寸SiC晶圆;单片售价以每年10%的幅度下跌;

  综上,对应2025年新能源车市场6英寸SiC衬底需求达587万片/年,市场空间达231亿元。如未来SiC器件更多广泛的应用于充电桩、光伏逆变器、5G通信、轨交等领域,市场空间有望进一步扩大。

  在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右,是系统能量损耗的主要来源之一。随着光伏产业迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”时代,光伏电站电压等级从1000V提升至1500V以上,就必须使用碳化硅功率器件。

  据中国汽车工业信息网,使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从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CASA Research数据,2020年光伏逆变器中使用碳化硅功率器件的占比为10%,预计2025年碳化硅光伏逆变器占比将达到50%,2048年将达到85%。

  光伏装机需求未来十年(2020-2030年)10倍大赛道,我们预计2030年中国光伏新增装机需求达416-537GW,CAGR达24%-26%;全球新增装机需求达1246-1491GW,CAGR达25%-27%。拥有巨大的市场空间。

  1)光伏逆变器需求:假设新增需求与全球新增装机量同步,存量需求来自当年对应10年前的新增装机量(逆变器平均更换周期约10年左右)。

  2)光伏逆变器IGBT需求:假设光伏逆变器售价、及毛利率每年稳步下降,IGBT器件成本占比约16%。

  3)光伏逆变器碳化硅MOS器件市场空间:假设碳化硅渗透率从10%提升至50%,碳化硅MOS性价比持续提升、成本逐年下降(目前在平均4倍左右)。

  4)碳化硅衬底市场空间:随着衬底成本持续优化,假设在器件中成本占比逐年下降。

  综上,预计2021-2025年,碳化硅衬底市场空间由8亿元提升至30亿元,CAGR=39%。

  综上,预计碳化硅衬底在新能源车+光伏逆变器领域2025年市场空间达261亿元。行业供需缺口较大,产能扩张需求势在必行。据CASAResearch整理,2019年有6家国际巨头宣布了12项扩产,主要为衬底产能的扩张,其中最大的项目为科锐公司投资近10亿美元的扩产计划,分别在北卡罗来纳州和纽约州建造全新的可满足车规级标准的8英寸功率和射频衬底制造工厂。

  SiC衬底供应商竞争格局:海外龙头垄断、实现6英寸规模化供应、向8英寸进军。国产厂家以小尺寸为主、向6英寸进军。

  1)全球市场:美国科锐公司(Wolfspeed)占据了60%以上的市场份额,基本控制了国际碳化硅单晶的市场价格和质量标准。其他公司包括:美国二六(II-VI)、德国SiCrystalAG、道康宁(DowCorning)、日本新日铁等。主流产品已经完成从4寸向6寸的转化。

  2)国内公司:总体处于发展初期,主要以4英寸小尺寸产能为主。2018年,天科合达以1.7%的市场占有率排名全球第六、国内第一。其他公司包括山东天岳、河北同光、世纪金光、中电集团2所等。

  全球市场美国科锐(WOLFSPEED)、贰陆公司(II-VI)依旧合计占据近70%的市场份额。国内公司山东天岳已挤进全球前三,2020年市占率达30%。

  国内外差距缩小,进口替代可期。由于全球行业龙头企业在碳化硅领域起步较早,各尺寸量产推出时间方面,国内与全球行业龙头企业存在差距:以天岳先进的半绝缘型碳化硅衬底为例,在4英寸至6英寸衬底的量产时间上全球行业龙头企业分别早于天岳10年以上及7年以的时间。但可以观察到:

  1)目前主流的6英寸SiC衬底国外起步于2010年左右,SiC领域国内外整体差距小于传统硅基半导体,国内迎头赶上龙头企业的机会更大。

  2)在SiC衬底往大尺寸发展的趋势中,可观察到国内企业已迎头赶上,国内外差距正在缩小(举例:天岳6英寸衬底与龙头量产时间差距已小于4英寸,预计8英寸国内外量产时间差距有望进一步缩小)。

  目前海外龙头已向8吋发力(下游客户车规级为主),国内小尺寸为主、6吋有望未来2-3年具备大规模量产能力(下游客户工业级为主)。

  碳化硅衬底:是一种由碳和硅两种元素组成的化合物半导体单晶材料,具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。根据下游应用领域不同,核心分类包括:

  1)导电型:可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件,应用在新能源汽车,轨道交通以及大功率输电变电等领域。

  2)半绝缘型:可进一步制成HEMT等微波射频器件,应用于信息通讯、无线电探测等领域。

  制造流程:碳化硅衬底属于技术密集型行业。通常以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉,在特殊温场下,采用成熟的物理气相传输法(PVT法)生长不同尺寸的碳化硅晶锭,经过多道加工工序产出碳化硅衬底。核心工艺流程包括:

  原料合成:将高纯的硅粉+碳粉按配方混合,在2,000℃以上的高温条件下于反应腔室内进行反应,合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序,制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。

  1)目前市场主流工艺为PVT气相传输法(固-气-固反应)。在2300°C密闭、真空的生长腔室内加热碳化硅粉料,使其升华成反应气体。再输运至籽晶处、在籽晶表面原子沉积,生长为碳化硅单晶。

  2)液相法,未来可能的工艺方向:PVT方法的晶体生长过程中位错缺陷较难控制,液相法由于生长过程处于稳定的液相中,可生长没有螺旋位错、边缘位错和几乎无堆垛层错的碳化硅单晶,该优势为高品质大尺寸碳化硅单晶(生长速度更快、品质更优)制备技术提供另一种重要的方向和未来发展的储备。

  晶体加工(主要包括:切磨抛、清洗工艺):包括晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗。将碳化硅晶棒最终形成衬底。

  “产学研用”为国内碳化硅衬底发展的重要推进动力。国内高校和科研单位对SiC单晶的研究始发于2000年前后,主要包括中科院物理所、山东大学、上海硅酸盐所、中电集团46所、西安理工大学、西安电子科技大学等。孕育出天科合达、天岳先进等国内碳化硅衬底领先企业。

  成本下降是SiC碳化硅产业化推广的核心。在碳化硅器件的成本占比当中,衬底、外延、器件分别占比46%、23%、20%。衬底为碳化硅降本的核心。

  目前6英寸碳化硅衬底价格在1000美金/片左右,数倍于传统硅基半导体,核心降本方式包括:提升材料使用率(向大尺寸发展)、降低制造成本(提升良率)、提升生产效率(更成熟的长晶工艺)。

  1)提升材料使用率(向大尺寸发展):目前行业内公司主要量产产品尺寸集中在4英寸(半绝缘型)及6英寸(导电型)。行业龙头美国科锐(已改名Wolfspeed)已成功研发8英寸产品。衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,单位芯片成本越低(6英寸衬底面积为4英寸衬底的2.25倍)。衬底的尺寸越大,边缘的浪费就越小,有利于进一步降低芯片的成本。但与此同时,随着晶体尺寸的扩大,其生长难度工艺呈几何级增长。

  2)降低制造成本(提升良率)长晶端: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。

  机加工端:碳化硅硬度与金刚石接近(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。

  3)提升生产效率(更成熟的长晶工艺):SiC长晶的速度极为缓慢,行业平均水平每小时仅能生长0.2-0.3mm,较传统晶硅生长速度相比慢近百倍以上。未来需PVT工艺的进一步成熟、或向其他先进工艺(如液相法)的延伸。

  SiC衬底设备主要包括:长晶炉、切片机、研磨机、抛光机、清洗设备等。与传统传统晶硅设备具相通性、但工艺难度更高,设备+工艺合作研发是关键。

  长晶炉:主要由衬底制造厂商自研开发,可基本实现国产化(与传统晶硅级长晶炉有相同性,炉子结构不是非常复杂),市场没有形成商业性的独立第三方企业。因为长晶环节主要用的PVT(物理气相传输)的技术路线,温度很高,不可实施监控,难点不在设备本身,而是在工艺本身。因为基本上每家衬底厂商工艺不一样,也是各家的核心机密所在,只有衬底制造企业内部通过对“设备+工艺”合作研发效率更高。主要设备厂商包括:Wolfspeed,Aymont,Aixtron,LHT,中国电科二所,山东天岳,天科合达,中科院硅酸盐所,中国电科四十六所等。

  切片机:碳化硅的切割和传统硅的切割方式相似,但因为碳化硅属于硬质材料(莫氏硬度达9.5,除金刚石以外世界上第二硬的材料),切割难度非常大,切一刀可能需几百个小时,对系统设备的稳定性很高,国内设备很难满足这个要求。目前日本高鸟的切片机设备(金刚石多线%以上市场份额。其他公司包括MeryerBurger、NTC、中国电科四十五所、湖南宇晶、苏州郝瑞特等。

  研磨、抛光、SMT设备:和传统硅机台基本类似,主要差别在于研磨盘和研磨液。国内外主要企业包括:日本不二越、韩国NTS、美国斯德堡、中电科四十五所、湖南宇晶、苏州赫瑞特等。

  公司成立于2006年,为国内晶体生长设备龙头,下游覆盖光伏、半导体、蓝宝石、SiC碳化硅4大领域。

  1)光伏设备:公司为光伏单晶炉设备龙头,客户覆盖除隆基以外的绝大多硅片厂商(中环、晶科、晶澳、上机等)。稳居新增订单市场份额第一,受益下游大尺寸硅片扩产潮。

  2)半导体设备:公司已实现8英寸硅片晶体生长、切片、抛光、外延加工设备全覆盖(占比整线英寸硅片长晶炉设备已小批量出货,客户包括中环、金瑞泓、有研、合晶等优质半导体企业。

  3)蓝宝石材料:公司已掌握超大尺寸700kg、450kg蓝宝石生长技术。2020年9月,公司公告与蓝思科技合作,进一步扩大蓝宝石在消费电子产品领域的应用。2021年12月3日鑫晶盛年产3500吨蓝宝石项目首批晶体在“工业蓝宝石晶体制造加工项目(一期)”生产车间成功下线投产,为全球最大工业蓝宝石生产基地。

  4)SIC碳化硅:2021年12月3日公司年产40万片碳化硅半导体材料项目已在银川成功签约。公司已与客户A形成采购意向,2022年-2025年将优先向其提供碳化硅衬底合计不低于23万片,客户A在满足同等技术、价格前提下,优先采购公司碳化硅衬底产品。据Wolfspeed碳化硅衬底国内公开市场报价,目前6英寸导电型碳化硅衬底价格为6,600元/片。按照当前价格对应23万片采购金额预计达15.2亿元(含税)。公司已组建原料合成+长晶+切磨抛的中试产线英寸长晶热场和设备开发。产出6英寸衬底在总厚度变化率(TTV)可稳定达到<3μm,微管密度(MPD)可稳定达到0.2/cm2,达到或者优于业内技术水平。

  业绩表现:2021年前三季度实现营收40亿元,同比增长61%;归母净利润11.1亿元(落于业绩预告中轨),同比增长112%。单三季度营收17亿元,同比增68%;归母净利润5.1亿元,同比增106%。

  在手订单:截至2021年Q3,公司在手订单177.6亿元(同比增长201%,主要为光伏设备订单),其中半导体设备订单7.26亿元(同比增长77%)。叠加10月-11月公司与高景、双良再签23.2亿订单,预计在手订单近200亿。

  1)碳化硅衬底晶片生产基地项目:计划在宁夏银川建设年产40万片6英寸以上导电+绝缘型碳化硅衬底产能。公司正组建从原料合成晶体生长切磨抛加工的中试产线英寸导电型碳化硅晶体,主要性能达到业内工业级晶片要求,正在第三方检测和下游外延验证中。碳化硅衬底全球百亿市场,主要由Wolfspeed、II-VI、ROHM等公司占据,国产替代空间广阔。12月3日,公司年产40万片碳化硅半导体材料项目已在银川成功签约,期待业务再突破。

  2)半导体大硅片设备测试实验线英寸半导体大硅片设备中试线。将助于为客户开展半导体设备和工艺的测试验证、构建良好客户关系,强化公司产业链配套先发优势。

  3)年产80台套半导体材料抛光及减薄设备生产制造项目:计划在浙江绍兴建年产35台半导体材料减薄设备、年产45台套半导体材料抛光设备产能,进一步完善公司在半导体晶圆设备领域的产业化配套能力。目前,中环领先、沪硅产业、立昂微、奕斯伟、神工股份等都在8英寸或12英寸硅片项目上扩大产能,带动减薄、抛光设备需求扩张,国产替代空间广阔。

  天岳先进:半绝缘SiC衬底龙头,向导电型衬底延伸、打开成长第二曲线年,为我国半绝缘型SiC衬底龙头,成功实现进口替代。已具备2/3/4/6英寸半绝缘型和导电型碳化硅衬底量产能力。2020年全球半绝缘型碳化硅衬底市场规模达1.82亿美元,同比增长17.9%;公司以30%的市占率位列全球第三,仅次于海外SiC衬底龙头Wolfspeed、II-VI。

  公司成立于2003年,为国内最大的专业漆包线生产商之一、及国内领先的蓝宝石长晶炉生产厂商。依托于蓝宝石业务的积累,向碳化硅“设备——衬底——外延”的全产业链延伸。

  公司已储备国内最早从事碳化硅晶体生长研究的陈之战博士研究团队,是国内最早开展6英寸SiC炉子开发单位之一。已掌握碳化硅单晶晶体生长、切割、研磨、抛光、清洗等整体解决技术和工艺方案。现有112台6英寸碳化硅长晶炉完成安装调试,碳化硅衬底已形成销售,预计2022年6月底前将有224台长晶炉投入生产(预计对应约10万片年产能)。

  2020年8月10日,公司公告《关于与合肥市长丰县签署建设第三代功率半导体(碳化硅)产业园战略合作框架协议》,计划与合肥长丰县正式开展碳化硅产业化合作项目,共同投资建设第三代功率半导体(碳化硅)产业园,包括但不限于碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目,包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产,项目投资总规模预计100亿元。

  公司于2006年9月由新疆天富集团、中国科学院物理研究所共同设立,是国内导电型碳化硅衬底龙头企业之一,在全球导电型碳化硅市场份额排名第四。业务涵盖碳化硅单晶炉、碳化硅单晶生长原料和碳化硅单晶衬底。

  公司先后牵头起草或参与起草多项现行国家标准和行业标准。建立了国内第一条碳化硅晶片中试生产线,是国内最早实现碳化硅晶片产业化的企业,在国内率先成功研制出6英寸碳化硅晶片,2020年1月启动8英寸产品研发工作。掌握了碳化硅晶片生产的“设备研制—原料合成—晶体生长—晶体切割—晶片加工—清洗检测”全流程关键技术和工艺。

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