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借风“新基建” 我国碳化硅产业链“钱”力分析

 来源:乐晴智库

半导体原料共经历了三个发展阶段:第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体原料;第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物为代表;第三阶段以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体原料为主,成为支撑信息、能源、交通、先进制造、国防等领域发展的重点新材料。

作为第三代半导体的代表材料,碳化硅市场发展迅速。其具有非常卓越的性能,市场应用领域偏向1000V以上的中高电压范围,目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件,具备耐高温、耐腐蚀、热稳定性好等优势。

据IHS数据,碳化硅市场总量在2025年有望达到30亿美元。随着新能源车的发展,碳化硅器件性能上的优势将推进碳化硅器件市场规模的扩张,也将促使更多的功率半导体企业将目光聚焦在碳化硅器件上。

当前我国正在推进5G、数据中心、新能源汽车等多个领域的“新基建”,为碳化硅提供了广阔的市场前景。

SiC(碳化硅)是一种由Si(硅)和C(碳)构成的化合物半导体材料。SiC临界击穿场强是Si的10倍,带隙是Si的3倍,热导率是Si的3倍,所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。因此与Si器件相比,能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件。

碳化硅产业链可分为三个产业环节,一是上游衬底,二是中游外延片,三是下游器件制造。纵观整个碳化硅产业,美日欧呈现三足鼎立态势,寡头竞争局面明显。绝大多数厂商均布局从衬底、设计制造封装,到模块和应用的部分或者全部环节。

美日欧等发达国家早在20世纪90年代便开始对碳化硅器件进行战略布局,从国家层面制订了相应的战略计划,并联合高校、研究机构和大型企业等机构进行多方研发。

其中美国在SiC领域全球独大,并且占有全球SiC市场70-80%的产量,拥有Cree、道康宁等具有很强竞争力的企业,Cree公司占据领跑者的位置。

欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件、应用产业链,拥有英飞凌、意法半导体、Sicrystal、Ascatronl、IBS、ABB等优秀半导体制造商,在全球电力电子市场拥有强大话语权。

日本企业在设备和模块开发方面具备优势,典型企业为罗姆半导体、三菱电机、富士电机、松下等。

中国目前是碳化硅最大的应用市场,消耗全球约一半的使用量。国内碳化硅最产业虽然起步较晚,但是随着近年来政府支持力度不断加大,产业与科研单位共同努力,国内碳化硅产业已取得一定进展,从碳化硅单晶、外延到器件、模组等环节均有所布局。

当前我国碳化硅产业链已初具规模,是国际上为数不多的在各环节均紧跟先进水平的国家,具备将碳化硅产业化的基础,国内企业有望在本土市场应用中实现弯道超车。

国内碳化硅产业链主要厂商有:

衬底材料:山东天岳、天科合达、河北同光晶体等;

外延生长:东莞天域半导体、厦门瀚天天成等;

器件:泰科天润、扬杰科技、中电55所、中电13所、瑞能、科能芯、中车时代电气等;

模组:嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气等。

北京世纪金光则具备碳化硅器件全产业链供应能力。扬杰作为国内较早布局碳化硅的公司之一,研发积累多年,积极联合瑞能、五十五所、西电等国内碳化硅领域的优质资源,相较于国内其他企业具备先发优势。

在下游领域,碳化硅器件正在广泛应用于电力电子中,典型市场包括轨交、功率因数校正电源(PFC)、风电(Wind)、光伏(PV)、新能源汽车(EV/HEV)、充电桩、不间断电源(UPS)等。

目前,混合碳化硅模块已经基本商用,而纯碳化硅模块也在家电、光伏逆变器以及直流充电桩等领域开始快速渗透及应用。预计随着碳化硅功率器件成本的降低,性能优势将促使碳化硅功率器件的下游需求快速增长。

以特斯拉为开端,未来将有愈来愈多的车企会在主逆变器中采用SiC功率半导体。特别是中国车商,近几年更是纷纷考虑使用SiC功率元件。SiC作为碳和硅的化合物,具有介于金刚石与硅中间的性质,其具有良好的硬度和耐热性,也作为电子元件的原材料使用。

国内包括比亚迪、泰科天润、芯光润泽和士兰微等企业也在积极研发和探索碳化硅器件的产业化。

汽车厂商比亚迪已自主研究碳化硅产业,并且扩大碳化硅功率元件的规划,要建立完整的产业链,整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延片(Epitaxy)、硅片、模组封装等,以降低碳化硅器件的制造成本,加快碳化硅应用在电动车领域。

新能源汽车产业作为一个体量快速增长、技术持续革新的战略新兴产业,将在汽车电动化渗透率提升的过程中为多个细分技术领域提供广阔的舞台;产业链内有望涌现多家技术领先型的黑马企业。

虽然第一代的硅材料原料上取得方便,制程技术又相对成熟,但在高频高压的应用领域上,效能不如碳化硅或氮化镓产品,随着5G等应用领域扩大,第一代的硅材料优势受到压抑,而第三代半导体材料的成长将成为趋势。随着技术的进步和成本的降低,碳化硅将成为引领半导体发展的重要方向,未来碳化硅具有着良好的发展前景。