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    第三代半導體行業研究:碳化硅與新能源景氣度共振,加速行業滲透

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    1.碳化硅材料特性帶來器件性能優勢,直擊新能源行業的發展痛點

    1.1. 寬禁帶的第三代半導體材料在高壓高頻應用領域具備極 佳性能優勢
           碳化硅半導體材料具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優良性質。相比于傳單晶硅,碳化硅的擊穿電壓約為硅基材料的 10(更高的擊穿電壓 有利于器件承受高壓)。此外,碳化硅具備熱導率是硅材料的 2-3 倍,使碳化硅散熱更加迅速,有助于提高器件功率密度,在相同電流下,設備可以做得更小。同時,碳化硅材料具有相比于2 倍的飽和電漂移速率、3 倍的禁帶寬度,使得碳化硅導通電阻率更低、功率損耗更小。另外,碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象,可以大幅 提高實際應用的開關頻率,降低開關損耗。
           碳化硅功率器件因材料特性具有明顯的性能和尺寸優勢。相同規格的碳 化硅基MOSFET 與硅基 MOSFET 相比,其尺寸可大幅減小至原來的1/10,導通電阻可至少降低至原來的 1/100。相同規格的碳化硅基 MOSFET 較 硅基 IGBT 的總能量損耗可大大降低 70%。

     

     

           碳化硅功率器件的性能優勢直擊新能源行業的發展痛點。碳化硅功率器耐高壓、耐高溫、低損耗、體積小等性能優勢可滿足新能源行業的 發展需求。新能源行業包括電動汽車、光伏、風電、特高壓輸電、儲能細分領域普遍的發展痛點為開關損耗、導通損耗、熱管理、充電速度 等,碳化硅功率器件的性能優勢直擊新能源行業的發展痛點,迎來下游 應用需求推動上游供給發展的高速發展階段。
           碳化硅產品價格具備大幅下降空間,滲透率預計隨著產能釋放以及價格 下降而大幅提升。據 CASA 數據,在 2018 年到 2020 年,650V 的 SiC MOSFET 與 Si IGBT 產品價格比從超過 10:1 下降至約 4:1。價格比下降 一方面由于 SiC 襯底價格大幅下降導致器件價格下降,另一方面由于 Si IGBT 產能緊張代工費上漲導致 Si 基器件價格上升。目前,SiC 逆變器 模塊是硅基逆變器價格的 2-3 倍,而應用碳化硅逆變器模塊后,電動車 系統成本更低,可節省電池成本與熱管理成本等。整體而言,產 品良率提升以及規模效應,成本仍具備大幅下降的空間,滲透率將 隨著產能釋放以及價格下降而大幅提升。

     

     

    1.2. 碳化硅功率器件行業瓶頸集中在襯底與制造工藝環節
           碳化硅功率器件產業鏈分布與硅基產業鏈類似,其主要瓶頸集中在襯底 和器件環節。碳化硅產業鏈主要分為襯底、外延、晶圓制造、芯片設計、 模組封裝、系統應用等環節,產業鏈分布與硅基功率器件產業鏈類似, 部分企業向多個環節進行垂直整合(IDM)。目前,產業鏈瓶頸主要在襯底與制造工藝環節。襯底良率不足、供應不足導致襯底價格高,成 本占比高,影響行業供應鏈擴張以及滲透率提升。制造工藝在 SiC MOSFET 產品上仍存在一定良率問題以及器件可靠性問題,主要由于 SiC 器件產線打磨時間較短,許多實況的可靠性問題仍未充分暴露。
           碳化硅二極管工藝相對簡單,技術相對成熟;碳化硅 MOSFET 工藝難 度較高,由頭部廠商率先推出。碳化硅功率器件從結構上分為二極管和 晶體管,模塊分為混合 SiC 模塊和全 SiC 模塊。其中,碳化硅二極管藝相對簡單,國內外技術均較為成熟,但并未直擊新能源行業的需求域,應用范圍有限。碳化硅 MOSFET 工藝難度較高,目前商業應用主要 由海外龍頭廠商推廣,而綜合考慮技術、成本與效應,碳化硅模塊部分 廠商采用 SiC 二極管+Si IGBT 的混合模塊方式,部分廠商推出全 SiC 模塊。

     

     

           導電型碳化硅襯底主要應用于功率器件領域,成長空間廣闊。碳化硅襯 底主要分為導電型和半絕緣型襯底。導電型碳化硅襯底生長 SiC 外延,功率器件后應用于新能源汽車、電力系統等領域。半絕緣型碳化硅 襯底生長 GaN 外延,制造微波射頻器件后應用于 5G 通訊等領域。
           碳化硅襯底長晶溫度高,PVT 方法長晶速度慢,是產業鏈的主要瓶頸之 一。碳化硅襯底的制備技術主要方法為以高純碳粉、高純硅粉為原料合 成碳化硅粉,在特殊溫場下,采用成熟的物理氣相傳輸法(PVT 法)生 長不同尺寸的碳化硅晶錠,經過晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研 磨片拋光、拋光片清洗工序后,最終產出碳化硅襯底。其襯底的擴徑技 術需要綜合考慮熱場設計、擴徑結構設計、晶體制備工藝設計等多方面 的技術控制要素,最終實現晶體迭代擴徑生長,從而獲得直徑達標的高 質量籽晶,繼而實現后續大尺寸籽晶的連續生長。
           目前主流導電型碳化硅襯底尺寸為 6 英寸,并朝 8 英寸演進??其J公司 作為行業龍頭,是目前行業內極少數能夠量產 8 英寸襯底材料的公司。 襯底直徑是衡量晶體制備水平的重要指標之一,相同的晶體制備時間內 襯底面積的倍數提升帶來襯底成本的大幅降低,與此同時,單片襯底上 制備的芯片數量隨著襯底尺寸增大而增多,單位芯片的成本也即隨之降低。


     

    2.電動車與碳化硅迎成長共振,碳化硅緩解電動車“里程焦慮”和“充電焦慮”
    2.1. 碳化硅與電動車滲透率加速提升,成長共振打開廣闊市場空間

           2021 年全球新能源車出貨量快速增長。2021 年上半年,全球新能源車出貨量超過 250 萬輛,預計全年增速將超過 50%。從出貨結構看,純電 動和插混動力占據全球約 99%份額,氫燃料電池汽車占比約為 1%。
           中國是新能源汽車最大市場之一。2020 年,中國占據全球新能源汽車出 貨 41.27%,歐洲這一份額為 43.06%,二者是全球最大的新能源汽車市場。從銷售結構來看,國內純電動車占據新能源汽車銷量比重為 81.6%,混 合動力車占比為 18.60%,氫燃料電池汽車占比僅為 0.07%。
           逆變器、OBC、DC/DC 為碳化硅在電動車的主要應用領域。電動車對 功率器件的需求增量主要體現在車載充電系統(OBC)、電池管理(BMS)、 高壓負載、高壓轉低壓 DCDC、主驅動等,用量相比于傳統燃油車顯著 提升,將成為電動車核心元件之一。其中,逆變器、OBC、DC/DC 為碳 化硅在電動車的主要應用領域。(報告來源:未來智庫)

     

     

           電動車與碳化硅滲透率加速共振,打開廣闊成長空間。國內新能源汽車 滲透率 2021 年 5 月超過 10%,并逐月加速提升。據 Yole 數據,第三代 半導體基功率器件(含 SiC 和 GaN)2021 年市場占比約 6%,其中 SiC 基功率器件市場占比約 5%。預計至 2026 年,第三代半導體基功率器件 (含 SiC 和 GaN)市場占比達 19%,其中 SiC 基功率器件市場占比約 14%。碳化硅功率器件滲透率與電動車滲透率迎來共振,電動車為碳化 硅功率器件最大下游市場,碳化硅功率器件緩解電動車的“里程焦慮” 和“充電焦慮”,二者成長迎來共振。
           碳化硅功率器件市場規模預計 2026 年將達 45 億美金。據 Yole 數據, SiC 功率器件 2021 年市場規模約 8.5 億美元,預計至 2026 年增長至 44.8 億美元,CAGR 約 39.5%。SiC 器件的快速增長主要得益于電動車、光 伏、儲能等領域對高壓平臺以及損耗要求逐漸提升,SiC 功率器件一方 面受益于功率行業快速成長,另一方面受益于滲透率快速提升。
           外銷 SiC 功率外延片市場規模預計 2026 年將超 5 億美金。外延環節處 于襯底與器件之間,部分襯底廠向下游延伸,另外部分器件廠商具備一 定外延能力。因而,外延片分為外銷和自用兩種類型。據 Yole 數據,外 銷 SiC 功率外延片市場規模約 1.4 億美元,預計 2026 年增長至 5.2 億美 元,CAGR 約 30.0%。外延片增速低于器件市場,主要由于器件良率仍 存在較大提升空間。


     

           碳化硅襯底市場規模預計 2026 年將超 5 億美金,單片襯底價格有望逐 年下降。據 Yole 數據,碳化硅襯底 2021 年市場規模約 3.1 億美元,預 計 2026 年增長至 6.4 億美元,CAGR 約 15.4%。襯底增速明顯低于器件與外延環節,主要由于隨著襯底良率提升以及尺寸增大,平均價格有望 大幅下降。6 英寸導電型碳化硅襯底平均價格年降幅度預計約為 8.5%。
           據測算,國內新能源汽車 SiC功率器件市場規模預計 2026 年達百億元。 假設國內汽車出貨量平均每年 2500 萬輛,采用 Si-MOSFET 逆變器車型 2020-2026 出貨量預估為 20/28/32/35/40/42/44 萬輛,SiC MOSFET 逆變 器車型在 2020-2026 年 出 貨 量 占 比 分 別 為 15.0%/11.4%/12.4%/15.4%/18.4%/20.4%/22.4%,單車碳化硅功率器件價值量約為 3000 元/輛。根據測算,預計 2026 年國內新能源車 SiC 功率器件市場規模為 98.4 億元,CAGR 約為 60.7%。國內市場由于新能源車以 及碳化硅雙重成長共振,碳化硅市場預計迎來爆發式增長。

     

     

    2.2. 應用于電動車的 6 英寸 1200V 全 SiC 模塊為未來五年碳化 硅功率器件的主要成長驅動力
           電動車為碳化硅功率器件最佳落地場景,“里程焦慮”和“充電焦慮”助推碳化硅上車應用。目前,碳化硅功率模塊價格是硅基 IGBT 模塊價 格的 2-3 倍,因價格劣勢以及量產能力短板阻緩了碳化硅功率模塊的大 規模應用。而電動車因其適用場景的特殊性,“里程焦慮”和“充電焦慮”仍是兩大痛點,碳化硅模塊一方面可以降低損耗提升續航緩解“里 程焦慮”,另一方面可以加快充電速度緩解“充電焦慮”。碳化硅因其明顯的性能優勢,高端電動車用戶對其初期的投入成本不敏感,有望成為碳化硅功率器件落地使用的最佳場景。
           電動車約占碳化硅市場的 60%,占比持續提升。據 Yole 數據,2021年碳化硅下游市場中,電動車、能源、工業、通訊領域占比分別為 59%、 17%、13%、8%,為碳化硅下游應用的主要市場。預計至 2026 年,電動車市場占比將提升至 63%,仍為第一大下游應用領域。


     

           全碳化硅模塊主要應用于電動車主驅,其高壁壘高價值量為頭部碳化硅 器件廠商主戰場。SiC 二極管、晶體管等單管價格仍遠高于硅基器件, 在光伏、能源、工業的領域的替代主要從高要求的小部分市場開始,其 滲透率的快速提升較為依賴于碳化硅器件的價格下降。全碳化硅模塊主 要應用于電動車主驅,對可靠性要求極高,其高壁壘和高價值量為頭部 企業的主要目標市場。據 Yole 數據全碳化硅模塊占比約為 70%,占碳化硅應用市場的主要份額。

     

           

           1200V 碳化硅功率產品為主要增量產品。目前,600V產品份額高達 61%,主要由于 Tesla 大量使用 600V 碳化硅產品,并在電動車上大量使用,占 據了主要市場份額。而隨著比亞迪漢、現代 Ioniq 5 等電動車推出使用 1200V 碳化硅產品,以及后續 800V 電壓平臺推廣,預計 1200V 碳化硅產品將占據主要的增量市場。此外,通訊、光伏、工業等領域也將以 1200V 碳化硅產品為主。據 Yole 數據,預計 2026 年 1200V 碳化硅產品占比將 達 49%。1700V 碳化硅產品主要目標市場在工業、軌交、能源等領域, 預計份額仍較小。
           6 英寸導電型為主流應用尺寸,8 英寸將逐步滲透。目前,碳化硅行業主要瓶頸集中在襯底和制造工藝,功率器件仍以 6 英寸導電型襯底為主 流應用。據 Yole 數據,2021 年 6 英寸占比約 70%,4 英寸約 30%;預 計至 2026 年,6 英寸占比提升至 81%,4 英寸下降至 5%,8 英寸提升至 14%。6英寸在未來較長時間占據主流應用,并逐步向 8 英寸突破。

     

     

    2.3. 電動車 800V 電壓平臺升級,市場需求拉動碳化硅行業發展
           多款車型升級 800V 高壓平臺,國產碳化硅功率芯片供應鏈有望以 OBC 和 DCDC 產品上車推廣。保時捷、小鵬、廣汽埃安、極氪、理想、極狐 等多款電動車布局快充技術。小鵬汽車推出中國首個量產 800V高壓 SiC 平臺,預計可實現“充電 5 分鐘,續航 200 公里”,并在充電樁端推廣 480kW 高壓超充樁。國產碳化硅功率芯片供應鏈有望在電動車 OBC 和 DCDC 端先上車使用,并逐步切入安全要求最高的主驅逆變器領域。
           碳化硅功率器件在 800V 電壓平臺將大量推廣應用,國產供應鏈迎來導 入窗口期。800V 高電壓平臺可明顯提升充電速度,緩解“充電焦慮”,隨著國內主車廠陸續布局推廣,碳化硅國產供應鏈迎來絕佳導入窗口期。 因主車廠迫切以及旺盛的推廣需求,國內碳化硅行業可能由下游市場需求推動上游供給端快速發展。

     

     

    3.老牌硅基功率企業與新興玩家同臺競技,格局尚未固化國內企業仍具有廣闊空間
    3.1. 海外頭部企業占據產業鏈主要份額,老牌硅基功率企業與 新興玩家同臺競技

           全球碳化硅產業鏈參與者眾多,老牌硅基功率企業與新興玩家同臺競技。 碳化硅產業鏈各環節與硅基產業鏈類似,主要包括襯底(對應硅片)、 外延、工藝制造、設計、模組封裝、系統應用等,部分企業進行垂直合(IDM 模式)。碳化硅產業鏈的全球玩家眾多,包括老牌硅基功率業英飛凌、Onsemi、Rohm、ST 等,新興專攻碳化硅領域的企業 Cree、 SICC、基本半導體、中科漢韻等,以及主車廠/Tier 1 企業比亞迪、博世、 欣銳科技等。
           碳化硅產業鏈目前集聚了傳統硅基巨頭、汽車產業鏈巨頭以及大量的新銳玩家,并涌入了資金與投入,行業一方面蓬勃發展 另一方面也面臨較強的市場競爭。而目前,碳化硅基功率器件市占率5%,行業仍處于發展的早期,相關技術選型、工藝路線、客戶綁定以及 電動車格局等遠未定型,給國內企業以及新銳玩家留下了足夠的空間和 時間做大做強。
           主車廠碳化硅主驅、800V 高電壓 OBC、DCDC 等方案百花齊鳴,先發 優勢與可靠性驗證需綜合考量。自 2018 年特斯拉與 ST 合作在 Model 3 上推出 SiC 方案后,新能源車廠陸續推出 SiC 方案的電動車。800V 高 電壓平臺、超級快充、碳化硅方案或將成為電動車廠打造品牌壁壘與差 異化的核心策略之一,在市場格局尚未定型情況下,先推出的車廠將獲 得明顯的先發優勢以搶占市場份額。碳化硅方案的改型,尤其是主驅逆 變器的改型對安全駕駛的影響極大,因而碳化硅方案的上車需長時間的 可靠性驗證。長時間的可靠性驗證進一步加強了先發優勢,預計碳化硅 方案仍將是主車廠/Tier 1 爭相競逐的舞臺。
           產業鏈上下游協同加強,碳化硅器件廠商與主車廠仍是主要推動者。因 導電型襯底良率仍較低且供應能力不富裕,主車廠、器件廠商與上游襯 底廠商陸續簽訂長期合作協議,形成一定的產業集群與壁壘。

     

     

           海外巨頭市場份額高度集中,車軌可靠性認證為最大壁壘之一。據 Yole 數據,2020 年碳化硅功率器件市場中,ST、Cree、ROHM、Infineon、 Onsemi 市占率分別為 40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%,CR5 超過 90%。車軌級器件的可靠性認證給海外頭部廠商提供了很高的進入壁壘。而傳統硅基功率器件巨頭 Infineon 和 Onsemi 因進入 SiC 行業較晚,未取得先發優勢。ST 因與 Tesla 合作而取得最大市場份額。
           碳化硅功率外延片市場由 Cree 和 Showa Denko 雙寡頭壟斷。據 Yole 數 據,2020 年碳化硅導電型外延片市場中 Cree 和 Showa Denko 市占率分 別為 51.4%和 43.1%,兩家合計占比高達 94.5%。外延市場處于產業鏈 中間環節,通常器件廠商具備一定外延能力,因而市場規模以及玩家數 量相對較小。
           導電型碳化硅襯底市場 Cree 一家獨大。導電型襯底產業主要瓶頸受制 于良率與長晶速度,因 PVT 方法長晶速度過慢且良率低,導致碳化硅襯 底價格遠高于硅片價格,碳化硅襯底成本占比約 40-45%。Cree 因布局 較早,良率與產能規模全球領先,并規劃量產 8 英寸襯底,其在襯底環節具有極強領先優勢。據 Yole 數據,2020 年 Cree 在導電型碳化硅襯底市場份額約 60%。

     

     

    3.2. 國內碳化硅發力全產業鏈布局,挑戰海外巨頭壟斷地位
           國內碳化硅各環節全產業鏈布局,挑戰海外巨頭壟斷地位。襯底環節廠 商包括天科合達、SICC、同光晶體、東尼電子等,外延廠商包括瀚天天 成、東莞天域等,設計廠商包括上海瞻芯、上海瀚薪等,IDM 廠商包括泰科天潤、中科漢韻、三安集成、華潤微等。國內供應鏈在各個環節均 有布局,而碳化硅仍在快速增長階段,格局尚未固化,國內企業有望依 托龐大內需市場調整海外巨頭壟斷地位。
    國內供需仍存缺口,有效產能不足。我國 2020 年碳化硅導電型襯底產 能約 40 萬片/年(約當 4 英寸)、外延片折合 6 英寸 22 萬片/年、器件 26 萬片/年;半絕緣型襯底折算 4 英寸產能近 18 萬片/年。隨著新能源汽車、5G 等下游應用市場的快速起量, 國內現有產品供給無法滿足需求,目前第三代半導體主要環節國產化率 仍然較低,超過 80%的產品要靠進口。
           國內襯底廠商雖在產品規格和技術成熟度上有差距,但存在較大追趕可能。目前國產 SiC 襯底已經實現微管密度小于 1 個/cm2,襯底面積 95% 可用,位錯約在 103 /cm2;雖然在單晶一致性、成品率方面與國際先進水 平仍有差距,但未來可期。

     

     

           國內廠商積極研發布局碳化硅器件項目?,F在已經商業化的 SiC 產品主要集中在 650 V-1700 V 電壓等級,主要產品為二極管和晶體管,3000V 以上電壓及 SiC IGBT 尚在研發當中。國內廠商如泰科天潤已發布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二極管系列產品;三安集成、基本半導體等公司已實現 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小規模量產;功率模塊方面,國內上市企業士蘭微、斯達半導等公司積極布局,目前比亞迪漢已經成 功搭載了自主研發的 SiC MOSFET 控制模塊。國內市場已經初步實現低 端產品的國產替代化,高端產品依然依賴進口。
           國內第三代半導體投資力度高企,力爭追趕國際廠商。根據 CASA Research披露,2018年至今,國內廠商始終加強布局第三代半導體產業,2020 年一共有 24 筆投資擴產項目(2019 年 17 筆),增產投資金額超過 694 億元,同比增長 161%,其中 SiC 領域共 17 筆、投資 550 億元,GaN 領域共 7 比、涉及資金 144 億元。
           根據CASA數據,2020年我國電力電子和射頻電子總產值超過100億元, 同比增長了 69.5%。其中,SiC、GaN 兩種材料的電力電子產值合計達 44.7 億元,同增 54%。其中,襯底材料 2.2 億元,外延及芯片 5 億元, 器件及模組約 7.2 億元,裝置約 30 億元。(報告來源:未來智庫)

     

     

    4.投資分析
           我們認為:碳化硅材料特性帶來器件性能優勢,直擊新能源行業的發展 痛點。碳化硅功率器件的耐高壓、耐高溫、低損耗、體積小等性能優勢 可滿足新能源行業的發展需求。新能源行業包括電動汽車、光伏、風電、 特高壓輸電、儲能等細分領域普遍的發展痛點為開關損耗、導通損耗、熱管理、充電速度等,碳化硅功率器件的性能優勢直擊新能源行業的發 展痛點,迎來下游應用需求推動上游供給發展的高速發展階段。
    電動車與碳化硅迎景氣度共振,碳化硅滲透率加速提升。國內新能源汽 車滲透率 2021 年 5 月超過 10%,并逐月加速提升。據 Yole 數據,第三 代半導體基功率器件(含 SiC 和 GaN)2021 年市場占比約 6%,其中 SiC 基功率器件市場占比約 5%。預計至 2026 年,第三代半導體基功率器件 (含 SiC 和 GaN)市場占比達 19%,其中 SiC 基功率器件市場占比約 14%。碳化硅功率器件滲透率與電動車滲透率迎來共振,電動車為碳化 硅功率器件最大下游市場,碳化硅功率器件緩解電動車的“里程焦慮” 和“充電焦慮”,二者成長迎來共振。
          老牌硅基功率企業與新興玩家同臺競技,格局尚未固化國內企業仍具有 廣闊空間。碳化硅產業鏈的全球玩家眾多,包括老牌硅基功率企業英飛 凌、Onsemi、Rohm、ST 等,新興專攻碳化硅領域的企業 Cree、SICC、 基本半導體、中科漢韻等,以及主車廠/Tier 1 企業比亞迪、博世、欣銳 科技等。碳化硅產業鏈目前集聚了傳統硅基巨頭、汽車產業鏈巨頭以及 大量的新銳玩家,并涌入了大量資金與投入,行業一方面蓬勃發展另一 方面也面臨較強的市場競爭。而目前,碳化硅基功率器件市占率約 5%, 行業仍處于發展的早期,相關技術選型、工藝路線、客戶綁定以及電動 車格局等遠未定型,給國內企業以及新銳玩家留下了足夠的空間和時間 做大做強。

     

    【聲明】報告來源:未來智庫,如需更改或刪除,請于文章發布30日內聯系中科漢韻網站管理人員。

     

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