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SiC行业深度报告:SiC全产业链拆解,新能源行业下一代浪潮之基(上)

  • 未来智库
  • 2022年11月24日07时

(报告出品方/作者:财通证券,张益敏、吴姣晨)

1. SiC 性能优异,材料升级势在必行

SiC 是第三代宽禁带半导体材料,在禁带宽度、击穿场强、电子饱和漂移速度等 物理特性上较 Si 更有优势,制备的 SiC 器件如二极管、晶体管和功率模块具有 更优异的电气特性,能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要 求的缺陷,也是能够超越摩尔定律的突破路径之一,因此被广泛应用于新能源领 域(光伏、储能、充电桩、电动车等)。

1.1.什么是 SiC

半导体材料按被研究和规模化应用的时间先后顺序通常分为三代。第一代:20 世纪 40 年代,硅(Si)、锗(Ge)开始应用,硅的自然储量大、制 备工艺简单,是当前产量最大、应用最广的半导体材料,应用于集成电路,涉及 工业、商业、交通、医疗、军事等人类生产生活的各个环节,但在高频高功率器 件和光电子器件应用上存在较大瓶颈。第二代:20 世纪 60 年代,砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)在光电子、微电子、 射频领域被用以制作高速高频、大功率以及发光电子器件,能够应用于卫星通信、 移动通信、光通信、GPS 导航等。由于 GaAs、InP 材料资源稀缺、价格昂贵、 有毒性、污染环境,使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。第三代:20 世纪 80 年代,碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石(C)等为 代表的宽禁带(Eg>2.3eV)半导体迅速发展,具有击穿电场高、热导率高、电 子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,满足高电压、高频率场景,应用于高电压 功率器件、5G 射频器件等领域。



与 Si 材料相比,SiC 主要优势在于:1)SiC 具有 3 倍于 Si 的禁带宽度,能减少漏电并提高耐受温度。2)SiC 具有 10 倍于 Si 击穿场强,能提高电流密度、工作频率、耐压容量并减 低导通损耗,更适合高压应用。3)SiC 具有 2 倍于 Si 的电子饱和漂移速度,所以可工作频率更高。4)SiC 具有 3 倍于 Si 的热导率,散热性能更好,能够支持高功率密度并降低散 热要求,使得器件更轻量化。因此,SiC 材料具有明显的材料性能优势,能满足现代电子对高温、高功率、高 压、高频、抗辐射等恶劣条件要求,适用于 5G 射频器件和高电压功率器件,满 足新能源领域(光伏、储能、充电桩、电动车等)对于轻量化、高能效、高驱动 力等要求。

1.2.我们为什么要用 SiC 做器件

SiC 器件包括二极管、晶体管和功率模块。2001 年英飞凌最先发布 SiC JBS 产 品;2008 年 Semisouth 发布了第一款常关型的 SiC JFET 器件;2010 年 ROHM 公司首先量产 SiC MOSFET 产品;2011 年 Cree 公司开始销售 SiC MOSFET 产品,2015 年 ROHM 继续优化推出了沟槽栅 MOSFET。目前, SiC SBD 二极管和 MOSFET 晶体管目前应用最广泛、产业化成熟度最高,SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技术难度更大,仍处于研发阶段,距离产业化有较大 的差距。



SiC 器件因其材料特性表现优越电气性能:1)导通、开关/恢复损耗更低:宽带隙使得 SiC 器件漏电流更少,并且在相同耐压条件下,SiC 器件的导通电阻约为硅基器件的 1/200,因此导通损耗更低;Si FRD 和 Si MOSFET 从正向偏置切换到反向偏置的瞬间会产生极大的瞬态 电流,过渡到反向偏置状态会产生很大损耗。而 SiC SBD 和 SiC MOSFET 是 多数载流子器件,反向恢复时只会流过结电容放电程度的较小电流。并且,该瞬 态电流几乎不受温度和正向电流的影响,无论在何种环境条件下都可以实现稳定 快速(小于 20ns)的反向恢复。根据 ROHM,SiC MOSFET+SBD 的模组可 以将开通损耗(Eon)减小 34%,因此恢复损耗低;SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,根据 ROHM , SiC MOSFET+SBD 的模组可以将关断损耗(Eoff)减小 88%,因此开关损耗更低。

2)器件得以小型化:SiC 禁带宽度决定了它能够以更高的掺杂浓度、更薄的膜厚漂移层制作出 600V 以上的高压功率器件(对于相同耐压的产品、同样的导通电阻,芯片尺寸更小);SiC 饱和电子漂移速率高,所以 SiC 器件能实现更高的工作频率和更高的功率 密度,因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积,从而降低了组成系统 后的体积及其他组件成本。SiC 带隙宽并且导热率显著,不仅在高温条件下也能稳定工作,器件散热更容易, 因此对散热系统要求更低。



3)SiC 器件热稳定:SiC SBD 与 Si FRD 开启电压都小于 1V,但 SiC SBD 的温度依存性与 Si FRD 不同:温度越高,导通阻抗就会增加,VF 值会变大,不易发生热失控,提升系 统的安全性和可靠性。同等温度条件下,IF=10A 时 SiC 与硅二极管正向导通电 压比对,SiC 肖特基二极管的导通压降为 1.5V,硅快速恢复二极管的导通压降 为 1.7V,SiC 材料性能好于硅材料。此外,Si MOSFET 的漂移层电阻在温升 100℃时会变为原来 2 倍,但 SiC MOSFET 的漂移层电阻占比小,其他电阻如沟道电阻在高温时会稍微下降,n+ 基板的电阻几乎没有温度依存性,因此在高温条件下导通电阻也不容易升高。

超越摩尔定律,新材料是突破路径之一。硅基器件逼近物理极限,摩尔定律接近 效能极限。SiC 器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现,能够克服硅基无 法满足高功率、高压、高频、高温等应用要求的缺陷。

2. 多领域需求驱动,SiC 市场规模可达 62.97 亿美元

2021-27 年全球 SiC 功率器件市场规模 CAGR 为 34%。SiC 器件被广泛用于 新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、国防军工等领域。Yole 数据显 示,全球 SiC 功率器件市场规模将由 2021 年的 10.9 亿美元增长至 2027 年的 62.97 亿美元,2021-27 年 CAGR+34%。此外,根据 CASA Research 统 计,2020 年国内 SiC、GaN 电力电子器件市场规模约为 46.8 亿元,较上年同 比增长 90%,占分立器件的比例为 1.6%。并且预计未来五年 SiC、GaN 将以 45%的年复合增长率增至近 300 亿元。

根据 Yole,新能源汽车、光伏储能是 SiC 市场增长的主要驱动力。1)全球新能源汽车 SiC 功率器件市场规模 2019 年为 2.3 亿美元,占比为 41.6%, 2021 年 6.8 亿,占比为 62.8%,预计至 2027 年增加至 49.9 亿美元,占比提 升至 79.2%,2021-27 年 CAGR 为 39.2%。2)光伏储能是 SiC 功率器件第二大应用市场,2021 年该全球市场规模为 1.5 亿美元,预计至 2027 年增加至 4.6 亿美元,2021-27 年 CAGR 为 20.0%。据 CASA 预测,2021-26 年中国第三代半导体电力电子市场将保持 40%年均 增速,到 2026 年市场规模有望达 500 亿元。其中,车用第三代半导体市场将从 40.5 亿元增长至 267.3 亿元;充电桩用第三代半导体市场从 0.54 亿元增长至 24.9 亿元;光伏用第三代半导体市场从 5 亿元增长至 20 亿元。



2.1.新能源车是 SiC 器件应用的最大驱动力,或迎替代机遇

2.1.1. 角度一:SiC 电驱系统抢先上车,体积、损耗有效下降

SiC 功率器件做电驱,电力损耗有效下降。新能源汽车系统架构中涉及到功率半 导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车 载 DC/DC)和非车载充电桩。其中电驱是 SiC 功率器件最主要的应用部位,行 业内也都率先在电驱采用 SiC 器件。根据美国能源部对纯电动车Nissan-Leaf的能耗分析,电驱能量损耗约为16%, 其中功率器件占其中的 40%,因此,电控里功率器件能量损耗约占整车的 6.4%。若使用 SiC 器件,通过导通/开关等维度,总损耗相比硅器件下降 70%,全车总 损耗下降约 4.48%,也相当于相同的电池容量下行驶里程提升比例。据汽车之家拆分,动力电池占纯电动汽车总成本的 40%-50%,假设某中高端电 动车价格为 20 万元,电池成本约 8-10 万元,如以 SiC 方案提升里程 5%计算, 相同性能的产品条件下,仅电池系统就为总成本节省 4000-5000 元。

采用 SiC 可减小电力电子系统体积、减少能量损失。SiC 模块可以在实现 50kHz 以上的高频驱动(传统 IGBT 模块无法实现),推动电感等被动器件的小型化。另外,IGBT 模块存在开关损耗引起的发热问题,只能按照额定电流的一半进行 使用,而 SiC 模块开关损耗较小,即使在高频驱动时也无需进行大幅的电流降 额,散热系统要求也相对较低,同样减小了 SiC 器件的体积。采用 SiC 模块可 以加速高集成、高密度三合一电驱的推进,实现系统性体积的缩小,进而带来风 阻(占驱动损耗的 1/3)的减小,促进能量损耗进一步降低。

使用 SiC 并未增加整车成本。虽然 SiC 器件成本高于硅基器件,但使用 SiC 器 件可以降低系统体积、降低电池损耗、提升续航里程,从而促进整车成本的降低。据 Wolfspeed(Cree)测算,在新能源汽车使用 SiC 逆变器,可以提升 5%-10% 的续航,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,还能实现 200-600 美元的单车成本节约,未来,随着 SiC 规模化量产之 后,成本有望逐步降低,将为整车成本创造更大空间。

SiC 在城市工况、电池容量大、电压低的方向上能够提升更大系统效率。一方面, 电池基础容量越大,可以提升的绝对里程数就越多;锂电池成本越高,可以节省 的单位电池成本越大。另一方面,在固定电池电压后,电池功率近似跟输出电流能力成正比,输出电流能力近似跟芯片的使用数量成正比,功率约高则相应使用 SiC 器件越多,替换成本越高。此外,越是处于频繁开关/频繁刹车加油的低速工况下,获得的效率优势就更高, 所以在城市工况中运行,使用 SiC 器件带来的效率提升的优势更加明显。2018 年特斯拉在其 Model3 车型首次将 Si IGBT 换成了封装尺寸更小的 SiC 模块, 使开关损耗降低了 75%,系统效率提高了 5%,续航里程提升 5-10%。



2.1.2. 角度二:电动汽车架构向高压过渡,成为 SiC 上车催化剂

补能时间长是新能源汽车的最大痛点。如今车企推出的电动汽车续航多在 500km 上下,甚至高达 700km,和普通燃油车续航里程接近,续航已不再是最 大负累。但是电动车还是面临里程焦虑的问题,主要原因还是燃油车加油时间仅 为 15 分钟,而电动车快充至少需要 60 分钟,在高峰期充电排队等候时间亦进 一步拉长。

续航越高、充电效率越高,电动车在通勤中耗时与燃油车约接近。根据《Enabling Fast Charging:A Technology Gap Assessment》做的一项实验:在 525 英 里(1 英里=1.6 公里)的旅程中,普通燃油车只需要加油一次,总耗时 8 小时 23 分钟;而续航 300 英里 400KW 的直充电动车单次充电仅需 23 分钟,旅途 总计耗时 8 小时 31 分钟,整体耗时不输燃油车。

根据 P=UI,提升充电效率的方向有二,提升电压最佳。根据发热量公式 Q=IRt, 提升电流模式充电过程会产生大量热量,对汽车散热系统和热管理有更高的要求。在用大电流充电时,还会导致极化现象出现、电池内部化学反应不充分,对于电 池的伤害较大。此外,大电流模式的应用场景有限制,目前大电流模式仅在 10%- 20%SOC 进行最大功率充电,在其他区间充电效率也有明显下降。而提升电压 模式除了减少能耗、提高续航里程外,还有减少重量、节省空间等优点,是目前 厂商普遍采用的模式。



相同功率下高电压比大电流更优。华为分别测算了高电压 800V/250A,大电流 400V/500A,相较基准 400V/250A 的电池系统成本和整车成本变化,高电压 架构下整车成本的上升不足 2%,比大电流方案更优。根据戴姆勒奔驰研究,在 800V 高压平台采用 SiC 模块较硅基 IGBT 模块整车低了 7.6%的能耗,相比中 低压能耗降低更多。

越来越多汽车厂商布局 800V 平台。受限于硅基 IGBT 功率元器件的耐压能力, 之前电动车高压系统普遍采用的是 400V 电压平台。如今,高压快充路线受到越 来越多主机厂的青睐,先是保时捷 TaycanTurboS、小鹏,随后现代、起亚等国 际巨头,比亚迪、长城、广汽等国内主机厂也相继推出或计划推出 800V 平台, 高压快充体验将会成为电动车市场差异化体验的重要标准。未来,随着市场对续 航里程、充电速度要求的提高,电动车电压有望升至 800V-1000V。

高压架构未来向中小车型渗透。根据车型划分,可将乘用车划分为 A00、A0、 A、B、C 级车等多个级别。根据各车企官网数据,A 级以下微型或小型车型普 遍采用低压系统,而在 B 级/C 级中大型车型中,高压平台逐渐普及。长期看快 充对于中小车型亦是刚需,800V 架构升级具备长期趋势。



高电压平台需要各部件耐高压、耐高温,将导致 SiC 器件的替代需求显著增长。高压平台看起来只是升高了整车的电压,但对于技术的开发和应用,却是“牵一 发而动全身”的系统工程。1)电机电控:800V 平台要求下,硅基 IGBT 的开关/导通损耗将大幅升高,而 SiC 器件在耐压、开关频率、损耗等多个维度表现优异,因此电机控制器需要采 用 SiC MOSFET 代替硅基 IGBT。2)车载 OBC:主流功率从 3.6kW、6.6kW 升级到 11kW、22kW,并向双向 逆变升级。双向 OBC 不仅可将 AC 转化为 DC 为电池充电,同时也可将电池的DC 转化为 AC 对外进行功率输出,需要使用 SiC 器件。3)DC/DC:直流快充桩原本输出电压等级为 400V,可直接给动力电池充电, 但车系统平台升级为 800V 后需要额外的升压产品使电压能够上升到 800V,配 合 OBC 给动力电池进行直流快充。此外,DC/DC 转换器还可将高电池电压转 换为低电,为动力转向系统、空调以及其他辅助设备提供所需的电力,同样需 要耐高压材质的 SiC 器件。4)空调压缩机:由电动机驱动,为系统提供主动制冷/热的动力,在汽车热管理 系统中处于重要地位,随着动力源向更高电压切换,SiC 器件有很大的优势。

实现大功率快充的高压系统架构共有三类,全系高压快充有望成为主流架构。1)全系高压,即800V 电池+800V 电机电控+800V OBC、DC/DC、PDU+800V 空调、PTC。全系高压的优势是能量转化率高,但是短期成本较高,但长期来看, 产业链成熟以及规模效应具备之后,整车成本下降。2)部分高压,即 800V 电池+400V 电机、电控+400V OBC、DC/DC、 PDU+400V 空调、PTC。部分高压的优势是基本沿用现有架构,仅升级动力电 池,车端改造费用较小,短期有较大实用性,但是能量转化率没有全系高压高。3)全部低压架构,即 400V 电池(充电串联 800V,放电并联 400V)+400V 电机、电控+400V OBC、DC/DC、PDU+400V 空调、PTC。其优势是短期成 本最低,但是对充电效率提升有限。

高压将进一步加速主驱、OBC 和 DC/DC 的 SiC 渗透率提升。以 22kW 800V 双向 OBC 为例,从 Si 转到 SiC 设计,因从一个三电频降到两电频开关拓扑, DC 端器件数量从 16 颗到降到了 8 颗器件,驱动电路、pcb 板面积也减半,同 时提高了运行效率,替换具有显著优势。根据 CASA 预测,SiC 功率器件渗透 率将在电机逆变器及 DC/DC 器件中持续增长。



2.1.3. 角度三:充电桩向大功率方向发展,SiC 器件渗透率进一步提升

中国公共充电桩快速增长,总量占比超过全球半数。IEA 数据显示,2021 年全 球共公共充电桩保有量为 176 万个,其中有 120 万个为低速充电桩(功率≤ 22kW),56 万个为高速充电桩(功率>22kW)。根据各国已宣布的气候承诺方 案,预测 2022-30 年全球年均建设 100 万/50 万个低速/高速充电桩,2030 年全球将拥有 1000 万/550 万个低速/高速充电桩。2021 年底中国拥有 115 万个公共充电桩,占全球 65%。根据中国电动汽车充 电基础设施促进联盟发布的最新数据,2022 年 1-9 月新增公共充电桩 48.9 万 台,充电配套设施建设逐步完善。

我国有望于 2025 年在城市和城际重点区域实现 2-3C 公共充电桩的初步覆盖。根据《中国电动车充电基础设施发展战略与路线图研究(2021-2035)》,我国将 于 2025 年实现 2-3C 的充电桩在重点区域的城市和城际公共充电设施的初步 覆盖;于 2030 年实现 3C 及以上公共快充网络在城乡区域与高速公路的基本覆 盖;于 2035 年实现 3C 及以上快充在各应用场景下的全面覆盖。

充电桩向大功率方向发展。《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础建设的 指导意见》中明确要在高速公路服务区建设超级快充、大功率充电汽车充电设施。据 EVICPA 统计,2016-20 年中国新增直流桩的平均功率从 70kW 提升至 131kW,在新增直流桩中 150kW 的比例从 9%增至 28%;从用户使用习惯的 角度来看,99.3%用户在公用场站充电选择快充桩,87%用户选择 120kW 及以 上的大功率充电桩。国家电网是国内最大的充电桩公开招标企业,2022 年招标 的充电桩中,功率为 160kW、240kW 和 480kW 的占比分别为 53%、3%和 16%,160kW 超越 80kW 成为主力招标功率。

更高功率、更多数量的超充站布局。截至 2022 年 6 月,特斯拉在中国大陆已建 立 1200 多座超级充电站,8700 多个超级充电桩,其 V3 充电桩功率为 250kW, 未来还将推出峰值充电功率 350kW 的 V4 充电桩;小鹏汽车 22 年 8 月发布峰 值充电功率为 400kW 的 S4 超快充桩,计划到 23 年新增超过 500 座以上、到 25 年累计建设 2000 座超快充站。此外,2022 年 7 月中国主导发起的 ChaoJi 直流充电接口标准在 IEC 全票通过,有望促进超级充电基础设施加速布局。



大功率充电桩带动 SiC 渗透率不断提升。对于充电桩而言,采用 SiC 模块可将 充电模块功率提高至 60KW 以上,而采用 MOSFET/IGBT 单管的设计还是在 15-30kW 水平。同时,和硅基功率器件相比,SiC 功率器件可以大幅降低模块 数量。因此,SiC 的小体积优势在城市大功率充电站、充电桩的应用场景中具有 独特优势。

充电桩运营商从减少损耗率和储能对双向电流需求两方面,也倾向使用 SiC。(1)对特来电、星星充电为首的公共充电桩运营商而言,从国家电网买电,到 给新能源车主充电的过程中,存在约 2%的损耗,通过使用 SiC 能够将损耗降低 到 0.5%,则运营成本能显著降低,加快回收投资。(2)随着局部地区充电站数量增多、密度变大的情况,为了平抑对电网的冲击, 需要配套储能系统,在夜间进行储能,充电高峰期间通过储能电站和电网一同为 充电站供电,实现削峰填谷。充电与储能环节的电流方向变化,而 IGBT 只能单 向流通,使用 SiC 是唯一选择。

市场上主要由交流桩和直流桩两种充电桩类型构成。交流桩因为其技术成熟成本 较低,可接入 220V 居民用电而成为公共充电桩的主流,但其充电效率低,耗时 长,主要适用于家用领域,目前大多仍使用硅基功率器件,随着 SiC 功率器件成 本降低,未来交流充电桩中 SiC 功率器件的渗透率将进一步提升。直流充电桩充电速度较快,但技术复杂且成本高昂,因此早期推广速度不如交流 充电桩;但对于公共充电桩来说,提升充电效率是用户的关注核心。根据 IEA 统 计,全球 22kW 以上的快充桩占比从 2015 年的 14.4%,上升至 2021 年的 31.8%,公共充电桩中直流桩的渗透率持续提升。据中国充电联盟发布的数据显 示,截止 2022 年 9 月我国 163.6 万台公共充电桩中,交流桩达到 93.1 万台, 而直流桩为 70.4 万台,直流桩占比 43.1%。直流充电桩技术的未来研发市场十 分广阔,SiC 功率器件需求量进一步增加。

2.1.4. 车用 SiC 解决方案市场规模可达 240 亿元人民币

由于 SiC 器件在新能源车用领域的优势,随着 SiC 在新能源车领域的应用,SiC 成本的降低,各大厂商纷纷布局 SiC,未来 SiC 在车用领域渗透率会越来越高。



SiC 新能源汽车市场规模:根据 EV-Volumes 最新数据,全球 2022H1 新能源 汽车销量达 430 万辆,同比+62%,新能源汽车渗透率提升至 11.3%。预计到 2025年全球新能源汽车销量有望接近 2000万辆,渗透率有望突破 20%,2021- 25 年复合增长率有望达 30%以上。我们假设车规 SiC 电驱模块价值量约为 3000-4000 元,加之 OBC、DC/DC 等部件使用,整车的 SiC 器件价值量约为 4500 元。中压车和低压车会部分采用 SiC 器件,通过对不同电压新能源车渗透率的计算,我们预计全球车用 SiC 器件 市场规模有望在 2025 年达到 240 亿元以上。

2.2. SiC 赋能光伏发电,市场规模有望增长至百亿元

政策驱动光伏国产化进程加速,新增装机量持续提升。光伏逆变器是可以将光伏 (PV)太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电(AC)的逆变器, 可以反馈回商用输电系统,或是供离网的电网使用。根据中国光伏行业协会 (CPIA)数据,2021 年全球光伏新增装机规模有望达到 170GW,创历史新高,各国光伏新增装机数据亮眼,其中中国新增装机规模 54.88GW,同比增长 13.9%。未来在光伏发电成本持续下降和全球绿色复苏等有利因素的推动下,全球光伏市 场将快速增长,预计“十四五”期间,全球光伏年均新增装机超过 220GW,我 国光伏年均新增装机或将超过 75GW。

SiC 赋能光伏发电,转换率提升显著。光伏系统是 SiC 器件除了汽车领域外的 重要应用领域之一。根据天科合达招股说明书,使用 SiC MOS 或 Si MOS 与 SiC SBD 结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可以从 96%提升至 99%, 能效损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而缩小系统体积、增加功 率密度、延长使用寿命。SiC 还可以通过降低无源元件的故障率、减少散热器尺 寸、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。

海外布局较早,国内 SiC 企业也逐渐将产品导入到光伏市场。在海外,英飞凌、 富士电机等全球知名厂商早在 2012 年起开始布局、开发、量产应用 SiC 器件的 光伏逆变器产品。三安、瞻芯、泰科天润等企业都已经与国内主流的光伏逆变器 生产企业进行合作,逐步扩大产能继续带动国产 SiC 器件的应用。



光伏逆变器市场规模有望增长至百亿元。CPIA 预测到 2025 年,乐观情景下全 球光伏新增装机量有望超 330GW。受益于光伏装机量上升,逆变器市场需求将 大幅增长,我们测算 2025 年全球 SiC 光伏逆变器新增市场有望增长至 108.90 亿元。

2.3.应用场景多点开花,渗透率逐步提升

1)轨道交通

SiC 特性满足轨交发展需求,节能提升符合“双碳”大趋势。SiC 高温高频耐高 压的特性可满足轨道交通大功率和节能需求,因此轨道交通中牵引变流器、辅助 变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机尤其有使用 SiC 器件的 需求。以牵引变流器为例,作为机车大功率交流传动系统的核心设备,使用 SiC 器件能 提高牵引变流器装置效率,从而满足轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流 装置的应用需求,并提升系统的整体效能。根据中国城市轨道交通协会统计的数 据,使用 SiC 牵引逆变器可以节省至少 10%以上的电能耗,如果我国全面采用 SiC,以 2019 年全国轨交总电能耗为例,可节省 15.26 亿度电,相当于北京一 年的轨交电能耗。

2)智能电网

未来智能电网将大量采用电力电子装置来实现新能源接入,功率半导体器件是核 心元件,传统硅基功率半导体器件的发展已接近其物理极限,新一代 SiC 功率器 件的优异性能可以满足未来智能电网对高效率,高性能的需求,采用 SiC MOSFET 可以大幅度减小功率损耗,特别是器件的通态损耗,相比于采用硅基 MOSFET 的电力电子变换器,采用 SiC 功率器件损耗可以减少 60%以上,未来随着智能电网产业的升级,SiC 功率器件替代硅基半导体器件或将成为必然。

3)其他

由于 SiC 器件工作频率和效率较高、耐温性较强等特性,其对功率转换(即整流 或者逆变)模块中电容电感等被动元件以及散热片的要求大大降低,预期使用 SiC 器件可对整个工作模块产生优化,从而满足当前器件小型化和效率提升要求。预期未来在 PFC 电源、不间断电源(UPS)、电机驱动器、风能发电以及铁路 运输等领域,SiC 应用场景可持续扩大。



3. 技术升级成本下降,SiC 落地拐点渐行渐近

SiC 产业链可以分为衬底材料制备、外延生长、芯片设计、器件制造和应用。SiC 晶体生长后经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成 SiC 衬底;在符合质量 要求的衬底材料上生长出新的半导体晶层作为外延,是影响元件的基本性能;最 后配合电路设计、封装形成功率器件,应用于下游市场。衬底在 SiC 器件制造中占据核心地位。SiC 成本分布较硅基不同,据 Telescope Magazine 数据,传统硅晶圆中衬底部分占比前道工序平均成本结构的 7%,晶 圆制造设备及工艺占比最高达 50%。由于 SiC 晶体生长速度缓慢且制造难度大, 据前瞻产业研究和 CASA Research 在 2020 年发布的数据,衬底和外延在 SiC 功率器件成本结构中占比分别为 47%和 23%,二者合计占比 70%,是 SiC 器 件的核心。

产业呈现美、欧、日三足鼎立格局。玩家纷纷布局 SiC 业务,海外企业如 Wolfspeed、ROHM、ST 等具有先发优势,在产业链的多个环节具备较强的产 业优势;国产企业也正在加速入局积极追赶,目前已初步实现了全产业链自主可 控。

3.1.衬底是影响渗透率提升的关键,高成长高壁垒

SiC 衬底可分为半绝缘型和导电型两种,由于 SiC 衬底制备晶体温度要求严格、 良率低、时间长,导致成本居高不下,价格是硅基衬底的 4-5 倍。行业通过尺寸 大化、提高切割良率等方式正逐步缩小与硅基产品的价差。当前以 Wolfspeed 为龙头的欧美日企业在 SiC 衬底市场占据多数份额,在上游供给紧缺的情况下, 国际巨头正加紧完善产业布局,主要的措施包括了扩大产能,与上游衬底厂商锁 定订单,收购衬底厂商等,全球也迎来了对 SiC 衬底的扩产、收购潮。国内专注 做 SiC 衬底且规模较大的企业主要为天岳先进、天科合达、河北同光及山西烁 科,竞争优势有望持续扩大。

3.1.1. SiC 衬底制备困难导致高成本,6 英寸晶片成为市场主流

SiC 衬底分为半绝缘型和导电型。半绝缘型 SiC 衬底指电阻率高于 105Ω·cm 的 SiC,主要用于生长 GaN 外延层制作射频器件;导电型 SiC 衬底指电阻率在 15-30mΩ·cm 的 SiC,主要用于生长 SiC 外延层制造耐高温、耐高压的功率 器件。导电型 SiC 衬底可通过 N 和 Al 作为掺杂剂实现 N 型和 P 型导电性,目 前产品以 N 型为主(氮气掺杂)。因下游新能源汽车、光伏等应用领域需求处于 高速增长阶段,SiC 导电型衬底未来将占据 SiC 市场主导地位。

各施其能,各尽其长,两种衬底未来前景广阔。根据 Yole 数据,随着 5G 基站 建设和雷达下游市场对射频器件的大量需求,半绝缘型 SiC 衬底市场规模有望 取得较快增长。应用半绝缘型 SiC 衬底的氮化镓射频器件全球市场规模有望在 2026 年达到 24 亿美元,复合增长率为 18%。而受益新能源市场发展,全球应 用导电型 SiC 衬底的 SiC 功率器件市场规模 2027 年有望达到 62.97 亿美元, 复合增长率为 34%。下游应用市场的高速发展将带动上游衬底市场规模的快速 增长,导电型衬底市场潜力高于半绝缘型衬底。



SiC 衬底生产流程与硅基类似,晶体为流程核心:1) 原料合成&晶体生长。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在 2000℃ 以上的高温下反应合成 SiC 颗粒。经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要 求的高纯度 SiC 微粉原料。并以高纯度 SiC 微粉为原料,使用晶体生长炉生长 SiC 晶体。2) 晶锭加工&切割。将制得的 SiC 晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向后磨 平、滚磨,加工成标准直径尺寸的 SiC 晶体。使用多线切割设备,将 SiC 晶体 切割成厚度不超过 1mm 的薄片。3) 晶片研磨&抛光。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平 整度和粗糙度,并利用机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的 SiC 抛 光片。4) 晶片检测。使用光学显微镜、X 射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率 测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测 SiC 晶片的 微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面 划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。5) 晶片清洗。以清洗药剂和纯水对 SiC 抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残 留的抛光液等表面污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干将晶片在 超净室封装在洁净片盒内形成可供下游即开即用的 SiC 晶片。

物理气相传输法是制备 SiC 衬底最常用的方法。目前 SiC 晶体生长包括物理气 相传输法(PVT)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)、液相法(LPE)三种。1)PVT 法将高纯 SiC 微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩 埚下部和顶部,用中频感应线圈将坩埚加热至 2000℃以上并控制籽晶处温度略 低于下部微粉,SiC 微粉在温度梯度下升华形成硅原子、SiC2 分子、Si2C 分子等不同气相组分的反应气体,并在籽晶上结晶形成圆柱状 SiC 晶锭,生长速率一 般为 0.2-0.4mm/h 左右。2)HT-CVD 法是 SiH4、C2H4、C3H8 等反应气体和载气从底部通入向上输 运,到达放置在顶端的籽晶夹具处,在 18000-2300℃加热区域内部完全分解 并发生反应形成硅和 SiC 团簇,这些团簇升华并在籽晶上生长。然后,残余气体 从反应室顶部排出,生长速率一般为 0.3-1mm/h 左右。3)LPE 法以 1800℃熔融硅作为溶剂、以坩埚内壁的石墨作为溶质,构成碳饱 和的硅熔体。SiC 籽晶粘结在石墨棒底端。由于固液界面相对于熔体内部温度较 低,从而使籽晶附近的熔体处于过饱和状态,SiC 沿衬底的晶体结构沉析出来成 长为晶体,每小时 0.5-2mm/h 左右。因设备价格低、温度场调节灵活等优势,PVT 法是目前技术成熟度最高、应用最 广泛的方法。而气态的高纯碳源和硅源比高纯 SiC 粉末更容易获得,并且由于气 态源几乎没有杂质,HT-CVD 法更容易生长出高纯半绝缘(HPSI)半导体,通 过控制通入的氮或者硼的流量,就可以控制 SiC 晶体的掺杂和导电强弱。液相法 由于生长过程处于稳定的液相中,没有螺旋位错、边缘位错、堆垛层错等缺陷, 生长晶体因尺寸较小目前仅用于实验室生长,但却是另一种重要的方向和未来发 展的储备。

SiC 衬底制备难度大导致其价格居高不下。对比传统硅材,SiC 衬底制备具有晶 体温度要求严格、良率低、时间长等特点,导致成本价格居高不下,是硅基衬底 的 4-5 倍。1)温场控制困难:Si 晶棒生长只需 1500℃,而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上 高温下进行生长,并且 SiC 同质异构体有 250 多种,但用于制作功率器件的主 要是 4H-SiC 单晶结构,如果不做精确控制,将会得到其他晶体结构。此外,坩 埚内的温度梯度决定了 SiC 升华传输的速率、以及气态原子在晶体界面上排列 生长方式,进而影响晶体生长速度和结晶质量,因此需要形成系统性的温场控制 技术。与 Si 材料相比,SiC 生产的差别还在如高温离子注入、高温氧化、高温 激活等高温工艺上,以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。2)晶体生长缓慢:Si 晶棒生长速度可达 30~150mm/h,生产 1-3m 的硅晶棒 仅需约 1 天的时间;而 SiC 晶棒以 PVT 法为例,生长速度约为 0.2-0.4mm/h, 7 天才能生长不到 3-6cm,长晶速度不到硅材料的百分之一,产能极为受限。3)良品参数要求高、良率低:SiC 衬底的核心参数包括微管密度、位错密度、 电阻率、翘曲度、表面粗糙度等,在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶 体生长,同时控制参数指标,是复杂的系统工程。4)材料硬度大、脆性高,切割耗时长、磨损高:SiC 莫氏硬度达 9.25 仅次于金 刚石,这导致其切割、研磨、抛光的加工难度显著增加,将一个 3cm 厚的晶锭 切割 35-40 片大致需要花费 120 小时。另外,由于 SiC 脆性高,晶片加工磨损 也会更多,产出比只有 60%左右。



SiC 衬底成本可以通过做大尺寸、降低切割损耗和提高良率等方式下降。1)大尺寸 SiC 衬底是重要发展方向。SiC 衬底主要有 2 英寸(50mm)、3 英寸(75mm)、4 英寸(100mm)、6 英 寸(150mm)、8 英寸(200mm)英寸等规格。据 wolfspeed,从 6 英寸到 8 英寸,单片衬底可切割芯片数量由 488 增至 845 个,边缘浪费由 14%减至 7%。因此随着衬底的尺寸越大,边缘的浪费就越小、制备的芯片数量增多,促进单位 芯片成本的降低。因此,大尺寸是 SiC 衬底制备技术的重要发展方向。

国际 SiC 商业化衬底以 6 英寸为主,逐步向 8 英寸过渡。在半绝缘型 SiC 衬底 市场主流产品规格为 4 英寸;在导电型 SiC 衬底市场主流产品规格为 6 英寸。行业领先者 Wolfspeed、II-VI、ST、Onsemi、Soitec、ROHM 等已成功研发 8 英寸产品,国际龙头企业已陆续开始投资建设 8 英寸 SiC 晶片生产线,预计 5 年内 8 英寸全面商用。国内 SiC 商业化衬底以 4 英寸为主,逐步向 6 英寸过渡。国内企业起步较晚, 研发进度稍慢,但也完成了 6 英寸衬底的布局,与国外差距不断缩小。2020 年 山西烁科晶体 SiC 衬底项目投产,同时天科合达、河北同光晶体、南砂晶圆等几 大衬底生产商均在扩张 6 英寸衬底产能。

2)提高材料使用效率:提高衬底切割良率。由于 SiC 的莫氏硬度为 9.5,硬度与金刚石接近,只能用金 刚石材料进行切割,切割难度大,切割过程中易碎,保证切割过程稳定获得低翘 曲度的晶片是技术难点之一,可以通过激光切割或其他技术手段减少当前线切割 工艺的损耗。例如英飞凌收购的 Siltectra 使用的一种冷切割技术基于激光的技 术采用化学物理过程,利用热应力产生一种力,该力沿着所需的平面以极高的精 度分裂材料,并且几乎不产生割缝损失。可使得原材料损耗从传统 75%减至 50%, 减少耗材成本,同时能够使单片晶圆产出的芯片数量翻倍。

国内大族激光已生产出 SiC 晶锭激光切片机、SiC 超薄晶圆激光切片机设备,运 用的 QCB 技术可在原来传统线切割的基础上大幅提升产能,以切割 2cm 厚度 的晶锭,分别产出最终厚度 350um、175um 和 100um 的晶圆为例,产能提升 幅度分别为 40%、120%和 270%,目前设备正处于量产验证阶段。

3)减少损耗、良率提升促 SiC 成本下降。目前主流商用的 PVT 法晶体缺陷控 制难度大导致衬底良率低,各厂商通过技术投入研发逐年提升 SiC 衬底良率。例 如天岳先进设计不同尺寸 SiC 单晶生长炉,对坩埚、保温进行了设计,实现了均 匀热场结构,提升晶体质量和良率,其 SiC 衬底良率近年来保持在 70%以上。Wolfspeed 的 8 英寸 SiC 衬底良率在经过化学机械抛光(CMP)后预期良率在 95%之上,因此拥有产品定价权。随着衬底厂商完成低缺陷密度单晶生长工艺及 厚单晶生长工艺研发后,衬底单位面积价格将会快速的下降。



2027 年 SiC 衬底市场规模将达到 33 亿美元。随着 5G 市场对 SiC 基氮化镓器 件需求的增长,以及新能源领域对功率半导体的旺盛需求,将带动 SiC 衬底的市 场规模逐步扩张。结合 wolfspeed 的经营情况,到 2027 年全球 SiC 衬底材料 市场规模预计将达到约 33 亿美元。

3.1.2. SiC 衬底呈美、欧、日三足鼎立格局

国外企业市占率高,美国 Wolfspeed 全球独大。由于芯片制造企业对 SiC 衬底 的选用极为慎重,美国 Wolfspeed(Cree)布局较早,良率和产能规模都在全 球处于领先的地位,其市场份额约为 45%呈现一家独大的竞争格局。按地域分, 美国占据全球约 58%的市场份额。欧洲和日本的 SiC 企业占据了剩余的大部分 份额。国内企业的市占率约为 8%,主要有天科合达、天岳先进等。

按类型分,Wolfspeed市占率在导电型和半绝缘型衬底领域中亦最高。根据Yole 数据,全球半绝缘型 SiC 衬底市场中,2020 年 Wolfspeed(Cree)、II-VI、 天岳先进市占率总计高达 98%,形成三足鼎立的态势。全球导电型 SiC 衬底市 场中,2018 年美国 Wolfspeed(Cree)市占率为 62%,遥遥领先于其他厂商, II-VI 和 ROHM 份额分别为 16%和 12%,三家合计占比高达 90%;陶氏、昭和 电工、ST(Norstel)等厂商分配剩余 10%的份额,国内厂商天科合达和天岳先 进占比分别为 1.7%和 0.5%,相对较低。

3.2.外延是提高 SiC 器件性能及可靠性的关键

SiC 外延材料生长技术成熟,壁垒相对较低,由于外延市场处于产业链中间环节, 衬底/器件厂商具备一定外延能力,因而市场规模以及玩家数量相对较小。主要 系国外 SiC 设备昂贵且交期慢,行业由 Wolfspeed 和昭和电工双寡头垄断。国 内主要玩家为东莞天域、瀚天天成和南京百识,随着国产 SiC 外延设备突破, 未来该环节利润会逐步回归正常水平。

SiC 外延工艺是提高 SiC 器件性能及可靠性的关键。SiC 外延是指在衬底的上 表面生长一层与衬底同质的单晶材料 4H-SiC。外延层可减小晶体生长和加工中 引入的缺陷带来的影响,使 SiC 表面晶格排列整齐,形貌较衬底大幅优化。在此 基础上制造的功率器件,器件性能和可靠性将显著提升。SiC 外延材料生长方法与晶体生长方法相近。主要有升华外延(PVT)、液相外 延(LPE)、分子束外延(MBE)和化学气相淀积(CVD)。化学气相淀积是 SiC 外延生长中最常用的方法,其生长机理是以高纯氢气或者氩气作为载气,将反应 源气体(如 SiH4、C3H8 等)带入淀积室化学反应后生成 SiC 分子并沉积在衬 底上,生长出晶体取向与衬底相同的 SiC 单晶外延层。常用设备为热壁式水平外 延炉,典型生长温度范围为 1500~1650℃,生长速率 5~30μm/h。



在中、低压应用领域,SiC 外延的技术相对是比较成熟的。基本上可以满足低中 压的 SBD、JBS、MOS 等器件的需求,例如一个 1200 伏器件应用的 10μm 的外延片,它的厚度、掺杂浓度都非常优秀,而且表面缺陷可以达到 0.5 平方以 下。然而在高压领域外延的技术发展相对比较滞后。展示的应用于 2 万伏的器件 上的 200μm 的一个 SiC 外延材料,它的掺杂浓度均匀性、厚度和浓度都比低 压的要差很多。

SiC 外延生长技术的不断发展。经过几十年的不断发展完善,行业通过台阶控制 外延法、TCS 法等改进生长工艺,提升生长速率、保障晶型稳定。以行业龙头企 业道康宁(Dow Corning)为例,该公司生长的 6 英寸 4H-SiC 同质外延材料 厚度均匀性小于 2%,掺杂浓度均匀性小于 3%,表面粗糙度小于 0.4nm。

SiC 外延市场由 Wolfspeed 和昭和电工双寡头垄断。SiC 外延厂商从商业模式 来看,可分为中国的大陆的 EpiWorld、东莞天域以及台湾的嘉晶电子这类纯外 延厂商;业内龙头 Wolfspeed 这样垂直一体化,能够提供衬底、外延、器件的 公司;日本昭和电工这样 SiC 单晶和外延制备的上游原材料厂商。由于外延市场处于产业链中间环节,通常器件厂商具备一定外延能力,因而市场 规模以及玩家数量相对较小。据 Yole 数据,2020 年 SiC 导电型外延片市场中 Wolfspeed 和昭和电工市占率分别为 51.4%和 43.1%。Wolfspeed 在外延产 能 和 质 量 在 全 球 范 围 内 均 处 于 领 先 地 位 , 昭 和 电 工 在 外 延 质 量 方 面 和 Wolfspeed 处在同一水平,产能方面略逊于 Wolfspeed。国内厂商东莞天域及 瀚天天成同属第二梯队,均计划向 8 英寸方向布局,在外延片产能与质量方面不 及国际一线厂商 Wolfspeed 与昭和电工。南京百识因体量较小,行动较慢,逊 于东莞天域及瀚天天成。

3.3. SiC 芯片技术成熟和价格改善,封装工艺同步跟进

芯片方面,目前 SiC SBD 出货最大,SiC MOSFET 接力 SiC 二极管有望成为市场 增长点。Yole 预测到 2027 年全球 SiC MOSFET 占 80%的市场规模(约 50.38 亿美元)。由于各环节良率提升、多企业布局促价格竞争、终端需求开始放量摊薄生 产固定成本,SiC 器件与 Si 器件价差缩小,预计 2023-25 年可达到合理性价比。封装方面,从传统 HPD 升级到 AMB,材料、工艺方面升级,由传统器件厂商 ST、 英飞凌占主导地位,国内如斯达、三安、士兰微、中车等企业也在陆续研发验证。



3.3.1. SiC MOSFET 成为市场增长点,多因素推动 SiC 器件价格下降

中高压二极管产品逐年增多。Mouser 数据显示,2021 年共有 828 款 SiC SBD 产品在售,较 2020 年新增约 30 款,中高压商业化产品逐年增多。其中,80% 以上的产品耐压范围集中在 650V 和 1200V;1700V 的 SiC SBD 产品达到 31 款,与 2020 年相比新增 10 款;3300V SiC SBD 产品约 6 款,单芯片导通电 流最高达 90A(Microchip,3300V/90A)。

实际应用中的需求促使 IGBT+FRD 的组合成为标配,SiC MOSFET 未来有望 替代该组合。受结构限制,IGBT 的内部没有寄生二极管,电感突然断电所释放 的电容易烧坏回路中的 IGBT,若有快恢复续流二极管,其电就会通过续流二极 管回路放电,不至于烧坏 IGBT,因此 IGBT 厂家就索性在 ce 之间再加上快速恢 复二极管。目前,对于大电流的功率模块,由 Si 的 IGBT 和 FRD 组合而成的 IGBT 模块已得到广泛应用。SiC MOSFET 高温、高压特性使其能够更好的应用于大功率设备,在 600V 以 上具有较强优势,最高可应用于 6500V 高压,相较于传统的 Si-IGBT 体积缩 小了 50%,效率提升了 2%,器件的使用寿命得到延长,并且在相同功率下损耗 小,散热需求低,在电流密度、工作频率、可靠性、漏电流等性能指标方面优势 明显。实际使用中,通过优化 SiC MOSFET 器件结构和布局,可以提升 SiC 体二极管通流能力,不需要额外并联二极管,有效降低系统成本、减小体积。

200V SiC MOSFET 新品增多, 国际企业加速布局汽车领域 SiC MOSFET。根据 Mouser 数据,2022 年上半年 12 家主流厂商推出的 179 款 SiC 晶体管新 产品中,SiC MOSFET 占比较大。其中,1200V 的新品推出速度明显加快, 2022 年上半年,II-VI、PI、KEC 等分别推出车规级 SiC MOSEFT,电压集中 在 1200V、1700V。国际领先厂商 GeneSiC、英飞凌、ROHM、Wolfspeed 的 1200V 以上的新产品均已经超过一半。

高压 SiC 模块产品增多。2022 年上半年,Wolfspeed、TDSC(东芝电子元件 及存储装置株式会社)、英飞凌、三菱电机等国际厂商推出新款高压 SiC 功率模 块,产品额定电压多在 1200V、1700V;并在积极推进与标准 IGBT 兼容,模 块目标解决更小尺寸、更好扩展性和更高功率密度。



多种因素推动 SiC 器件价格下降。第一,上游衬底产能持续释放,供货能力提 升,量产技术趋于稳定,良品率提升,器件制造成本降低;第二,规格由 4 英寸 转向 6 英寸、制造技术进一步提升,单片晶圆产芯片量大幅提升,成本大幅下降;第三,随着更多量产企业加入,竞争加剧,导致价格进一步下降。第四,SiC MOSFET 产品较硅基产品 DieSize 更小,未来 Wafer Cost 下降情况下将进一 步推动 SiC 技术产业化。第五,主流豪华电动车品牌中全 SiC 逆变器预计从 2022-23 年量产,终端需求逐步释放将提升厂商产能利用率,摊薄 SiC 器件生 产成本。

供应链紧缺情况缓解,单种器件价格呈下降趋势。2022 上半年,供应链紧缺得 到缓解,供不应求的情况好转,根据材料深一度,SiC MOSFET 产品价格回落 至 2020 年底水平,650V、900V、1200V、1700V 的产品均价分别为 1.88 元 /A、2.94 元/A、2.88 元/A、5.78 元/A;较 2021 年底分别下降了-7.13%、 56.49%、-7.25%、-5.33%。SiC、GaN 器件与 Si 器件价差缩小,价差收窄长期趋势不改。据 Mouser, 2022 年上半年,650V SiC、GaN 功率晶体管均价分别为 1.88 元/A、2.78 元 /A,与 650V 的 Si IGBT(0.36 元/A)的价差缩小到 7.8 倍、5.3 倍,较上年底 缩小了 69%、42%。随着 SiC、GaN 资源持续投入,技术产品不断改良及各家 厂商大力推进,SiC、GaN 材料、芯片、器件、模组均有大量新增产能,成本显 著下滑,SiC、GaN 产品价格进一步下降,价差收窄长期趋势不改。

SiC 器件预计 2023-25 年可达到合理性价比。根据 CASA 的跟踪,SiC 产品 价格近几年来快速下降,较 2017 年下降了 50%以上,而主流产品与 Si 产品的 价差也在持续缩小,已经基本达到 4 倍以内,部分产品已经缩小至 2 倍,已经达 到了甜蜜点。加上考虑系统成本(包括周边的散热、基板等成本)和能耗等因素, SiC 模组已经有一定竞争力。

3.3.2. 模块及单管双路线同时存在,模块亟需新的封装材料和工艺

电机控制器中硅基 IGBT 上车方案可以分为模块和单管并联两种,两者主要的 区别是封装形式的不同:(1)电控厂商外采 IGBT 模块(斯达半导、时代电气提供),然后集成电机、变速器做“三合一/多合一”方案上车,典型厂商如“央腾”。目前 IGBT 模块仍然 是主要的应用路线,在国内主要造车新势力以及部分自主品牌中渗透率较高。(2)单管并联技术主要使用 MOS 管,主要应用在低速电动车如 60~72V 或者 是 96V 等电压平台系统。而涉及高电压、大电流平台 IGBT 单管并联方案主要 的使用者包括特斯拉和英搏尔。中长期内 IGBT 模块和单管并联两种方案仍将并存,IGBT 单管并联方案主要应 用在 A00、A0 车型上;IGBT 模块方案将广泛应用在 A 级别车型上。单管并联 方案具有低成本、设计开发周期短的特性,因此主要用在 A00、A0 车型上,主 要电控供应商为英搏尔、阳光电源和奥斯伟尔;模块方案产品线相比 10 年前丰 富程度更高,因为 IGBT 芯片经过了模块制造商的筛选,参数一致性更好,有更 高的安全性与可靠性,因此 IGBT 模块方案在 A 级以上车型中搭载的场景更多。

SiC MOS 在主驱上车预计和 IGBT 方式类似,模块及单管并联同时存在:国外特斯拉 model3 主逆变器选用 SiC MOS 单管并联方案。特斯拉的 Model3 是第一个应用碳化硅(SiC)功率元器件的电动车型,供应商选用来自 ST 的 650v SiC MOSFET。Tesla 的 TPAK(TeslaPack)用在主驱逆变器电力模块上共 24 颗,采用单管并联方式排布,拆开封装每颗 TPAK 有 2 个 SiC 裸晶(Die), 共 48 颗 SiC MOSFET。


国内碳化硅供应商更多采用模块技术路线作为电控中功率模块解决方案。2021 年 12 月,基本半导体位于无锡市新吴区的汽车级碳化硅功率模块制造基地正式 通线运行,首批碳化硅模块产品成功下线。上汽大众与臻驱科技共同开发 SiC 功 率模块及电控搭载“三合一”电桥亮相大众 IVET 创新技术论坛,这款搭载臻驱 科技碳化硅电控的“三合一”电驱动系统可提升 ID4X 车型至少 4.5%的续航里 程。

现 SiC 封装技术大多沿用硅基器件封装方式,基于传统封装结构,碳化硅模块 封装主要会带来以下两方面问题:1)引线键合,复杂内部互联结构会产生较大的寄生电容/电感。SiC 器件由于具 有高频特性、栅极电荷低、开关速度块等因素,在开关过程中电压/电流随时间的 变化率会变得很大(dv/dt;di/dt)。因此极易产生电压过冲和振荡现象,造成器 件电压应力以及电磁干扰问题。2)高工作电压以及电流下的器件散热问题。SiC 器件可以在更高的温度下工作, 但在相同功率等级下,SiC 功率模块较 Si 在体积上大幅降低,因此 SiC 器件对 散热的要求更高。如果工作温度过高会引起器件性能下降,不同封装材料热膨胀 系数失配,进而出现可靠性问题。这意味功率模块需要更多地依赖封装工艺和散 热材料来进行散热。当前传统的封装工艺达到了应用极限,亟需新的封装工艺和材料进行替代。

未来 SiC 模块封装有以下演进趋势:

1)在互联、烧结技术方面

内部互联技术将从铝线键合/超声焊接将改用铜线方式形式,芯片/衬板烧结方式 将采用银烧结技术代替传统 pb/Sn 合金焊。银烧结工艺烧结体具有优异的导电性、导热性、高粘接强度和高稳定性等特点。用该工艺烧结的纳米银烧模块可长期工作在高温环境;另外银烧结工艺会在芯片 烧结层形成可靠的机械连接和电连接,半导体模块的热阻和内阻均会降低,提升 模块性能及可靠性。银烧结技术可使模块使用寿命提高 5-10 倍,烧结层厚度较 焊接层厚度薄 60-70%,热传导率提升 3 倍。



2)在材料方面

衬板从氧化铝升级到氮化硅、氮化铝、AMB 厚铜衬板,塑封取代传统灌胶。传统的 HPD 使用氧化铝材料,优点在于价格便宜、供应量充足,缺点在于散热 能力较差。新型基材主要是氮化硅、氮化铝材料、AMB 厚铜衬板。氮化铝一般 用于工业领域,氮化硅常用于汽车领域,AMB 厚铜衬板用在车载 SiC 领域。对于模块的散热结构来说,衬板的选择尤为重要,目前主流的功率半导体模块封 装主要还是用 DBC(直接键合铜)陶瓷基板, AMB 的热导率比 DBC 氧化铝 高 3 倍,且机械强度及机械性能更好。随着碳化硅功率模块的应用逐渐成熟, AMB 有望逐渐成为电子模块封装的新趋势。此外,塑封模块相较于 hybridpack 模块的优势具有低杂散电感、高可靠等特性。

3.4.专用设备研发和产业化加速

SiC 产业链主要区别在长晶以及外延环节,加工设备切割/研磨/抛光都是通用设 备,因此国产替代重点主要集中在 SiC 长晶设备以及 SiC 外延设备。SiC 长晶 炉方面,因长晶难点不在设备本身而是在工艺,大部分 SiC 衬底公司选择自研 SiC 长晶设备,也有一些厂商作为第三方单独供应 SiC 长晶设备,如北方华创、 晶升装备、晶盛机电实现量产突破,国产单价 60-110 万。SiC 外延炉方面,壁 垒更多来自于设备资本开支及对设备的工艺控制,目前外延设备供不应求。ASM 预计 2021-25 年对 SiC 外延设备的需求将以超过 25% 的 CAGR 增长。国内 北方华创、晶盛机电、恒普股份、纳设智能、中微公司、中电科 46 等,正在研 发布局该领域,产品单价 800-1000 万。

3.4.1. SiC 长晶设备:北方华创及晶升装备占据国内 77%市场份额

SiC 长晶炉与传统硅基设备相比原理具有相通性,但 SiC 衬底生长工艺难度更 高;为了保证工艺一致性,大部分 SiC 衬底公司选择自研 SiC 长晶设备。SiC 长晶环节主要采用 PVT(物理气相传输)的技术路线,温度高、不可实施监控, 且长晶难点不在设备本身而是在工艺。因此基本每家衬底厂商工艺不一样,也是 各家的核心 know-how,衬底制造企业往往会选择自研“设备+工艺”模式效率 会更高。1)天科合达:选择自研 SiC 长晶设备(沈阳设有分公司),长晶设备大部分自产 自销;2)天岳先进:选择自研长晶设备并找北方华创代工,但天岳先进拥有长晶炉的知识产权。国内采用自研/自产 SiC 长晶设备的碳化硅厂商还包括晶盛机电、河北同光、山 西烁科等。上述碳化硅厂商自研/自产晶体生长设备主要用于其自身碳化硅衬底 的生产制造,不存在大批量对外销售设备的情形。

国内碳化硅单晶炉设备供应商目前可分为三个梯队:第一梯队,晶升装备及北方华创为国内碳化硅单晶炉主要供应商,具备国内领先 的碳化硅单晶炉产业技术能力,产品已大批量交付多家国内下游碳化硅材料主流 厂商。第二梯队,宁波恒普真空科技股份有限公司已实现向下游碳化硅厂商的小批量交 付,沈阳中科汉达科技有限公司主要根据自产/自研设备碳化硅厂商的设计及技 术要求,配套生产供应碳化硅单晶炉主要部件。第三梯队,国内其他碳化硅单晶炉厂商包括连城数控、哈尔滨科友半导体产业装 备与技术研究院有限公司、山东力冠微电子装备有限公司、厦门天三半导体有限 公司、上海汉虹精密机械有限公司、苏州优晶光电科技有限公司、磐石创新(江 苏)电子装备有限公司及江苏卓远半导体有限公司等,其中多数设备厂商处于样 机开发及验证阶段,未实现设备批量供应。

北方华创及晶升装备目前约占国内 SiC 长晶炉市场份额 77%。国内对外采购晶 体生长设备的主要碳化硅厂商包括天岳先进、三安光电、东尼电子及中电化合物 半导体有限公司,其主要向晶升装备及北方华创采购碳化硅晶体生长设备。根据 北方华创公开披露资料,北方华创碳化硅单晶硅炉已累计出货千余台,预计 2022 年销售 480 台至 500 台。晶升装备因进入 SiC 长晶设备时间相对较晚,故晶升 装备碳化硅单晶炉累计销售数量及市场占有率低于北方华创。根据国内主要碳化硅厂商公开披露的现有产能、晶体生长设备主要供应商信息、 主要客户设备数量、已供应设备数量等信息进行测算。北方华创主要向天岳先进 供应长晶设备,预计占国内碳化硅厂商采购份额的比重为 50%以上;晶升装备 SiC 长晶炉市场占有率约为 27.47%-29.01%。

未来 2-5 年国内 SiC 长晶设备市场规模约为 36.38-88.94 亿元。随着下游器 件/模块应用的放量,我国本土企业也积极投入碳化硅衬底国产化的进程中。天岳 先进、三安光电、露笑科技、东尼电子等上市公司公司,天科合达、比亚迪半导 体、河北同光等拟上市公司,均规划在 2022-25 年间扩张 SiC 衬底产能,衬底 尺寸以 4 英寸、6 英寸为主,少数包括 8 英寸产线。参考晶升装备公告中的假 设,以单台碳化硅单晶炉产量为 375 或 500 片/年进行测算,假设每台单价为 60 万元-110 万元(含税),预计未来 2 至 5 年内,国内主要外购 SiC 长晶设备市 场需求约为 36.38-88.94 亿元。



3.4.2. 碳化硅外延设备:被海外四大企业垄断,瓶颈突破需重视

与衬底环节所需“设备+长晶工艺”的 know-how 不同,SiC 外延技术成熟度 相对较高,该环节的更多壁垒来自于设备资本开支及对设备的工艺控制,目前全 球主要有四家 CVD 设备玩家,其 SiC 外延设备具有各自的优势:1)Axitron 的外延设备生长能力最强(10*100mm&6*150mm),因此其产能 相对更大。2)LPE 的外延设备的生长速率最高(>90um/h)。3)日企 TEL 的外延设备为双腔体结构,有助于提高产量。4)nuflare 的旋转速率更高,每分钟可达 1000 转,因此均匀性更强,同时他的 气流方向可以避免一些颗粒物的产生,减少颗粒物落到片子上的概率。

目前整个碳化硅产业链的瓶颈在外延环节。近两年资本市场更关注价值量更高的 SiC 衬底环节和以及上车最快的模块环节,却疏忽了外延的环节。目前外延环节 成为整个 SiC 产业链产业化的瓶颈,主要问题在于以下两点:1)外延设备供不应求。到目前为止,主要 6 寸外延设备集中在国外 4 家厂商手 中,他们的产能有限且交期极长,而国内 SiC 外延设备厂商的产品还需验证。现 在国内主要有两大 SiC 外延厂,一个是厦门的瀚天天成,还有一个是东莞的天域 半导体。2022 年上半年的二者的外延设备数量在 20 多台,到年底可以超过 30 台左右。2)外延炉在验证过程中还主要面临几大问题:a)主要零配件能否满足供给;b) 本身设备的稳定性、操作方便性;c)生产出来的外延片能否满足市场需求。预计未来 5 年全球 SiC 外延设备增速为 25%:2022 年 7 月,ASM International N.V.(ASM)宣布收购位于意大利的碳化硅(SiC)和硅外延设备制造商 LPE S.p.A.的所有流通股。ASM 内部预计从 2021-25 年,对 SiC 外延设备的需求 将以超过 25%的复合年增长率增长。国内做 SiC 外延设备厂商有北方华创、晶 盛机电、恒普股份等,目前也在逐步进入到客户验证阶段。



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