(报告出品方:东方证券)

1 特斯拉事件:碳化硅何去何从?

特斯拉下一代汽车平台或将减少 75%碳化硅。美国时间 3 月 1 日,特斯拉举办投资者大会,特斯 拉表示 2022 年 Model 3 成本已经降低 30%,下一代汽车生产成本将下调超 50%,降低驱动单元 造价是特斯拉控制生产成本重要一环。特斯拉提出下一代动力总成将在不损害汽车性能和效率的 情况下,碳化硅器件将下降 75%(75% reduction in silicon carbide),总成本将减少 1000美元。然而,我们认为特斯拉可能不会大幅减少器件数量(75%),而是得益于 SiC MOSFET 供应商的 进步,将芯片面积和 SiC 总成本大幅降低。

碳化硅性能优异,是制作高压高频高温器件的理想材料。碳化硅是由硅元素和碳元素组合而成的 一种化合半导体材料。在耐高压、耐高频、耐高温方面具有独特优势。1)耐高压:碳化硅阻抗 更低,禁带宽度更大,能承受更大的电流和电压,带来更小尺寸的产品设计和更好效率;2)耐 高频:碳化硅不存在电流拖尾现象,能够提高元件的开关速度,是硅开关速度的 3-10 倍,从而适 用于更高频率和更快的开关速度;3)耐高温:碳化硅拥有高导热率,相较硅来讲,能在更高的 温度下工作。因此,碳化硅能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,有望成 为被广泛使用的半导体芯片基础材料。

2018 年特斯拉将碳化硅导入 Model 3,新能源车企竞相布局碳化硅器件。特斯拉 Model 3 首次采 用意法半导体和英飞凌的 SiC 逆变器。相较于 Si-IGBT,碳化硅模块开关损耗降低 75%、系统效 率提升 5%、尺寸更小。在特斯拉导入碳化硅器件后,多家新能源汽车厂商纷纷跟进。2020 年, 比亚迪将自主研发制造的 SiC MOSFET 功率器件搭载在汉 EV 四驱高性能版上,实现了 200KW 的输出功率,功率密度提升一倍。

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成本昂贵叠加供应紧张倒逼特斯拉加大研发力度。碳化硅技术可以大幅提升电池续航能力、降低 电池生产成本。在 800V 充电架构下,碳化硅相较于硅基 IGBT 能耗低、效率高;碳化硅器件节省 无源元器件、冷却系统等成本,整体主驱逆变器系统综合成本比硅基方案系统成本更低;碳化硅 方案有助于压缩驱动电机重量,与硅基 IGBT 方案相比,其制造的高速电机重量下降三分之一。特斯拉动力总成副总裁柯林·坎贝尔表示:碳化硅晶体管是关键但昂贵的部件。由于碳化硅价格 昂贵、晶圆尺寸较难扩展,存在碳化硅器件产能无法供应汽车出货量风险,因而特斯拉优化碳化 硅部件、降低碳化硅成本势在必行。

对于特斯拉来说,只有碳化硅器件成本降低,供应商供给能力增强,才能凭借成本和规模优势渗 透到更大的市场。因此,我们认为特斯拉未来的技术路线并非是直接减少 75%的碳化硅使用量, 而是通过芯片尺寸缩小、封装技术增强、母线电压提升等一系列手段,将芯片面积和 SiC 总成本 大幅降低。具体来看,特斯拉及供应商在中短期可能通过模块封装技术优化、缩小芯片面积来降 低碳化硅成本逆变器背机,中长期可以通过提升器件电压、提升衬底和外延制造效率来降低碳化硅器件成本。

1)受益于 SiC MOSFET 供应商技术进步,碳化硅用量压缩、成本下降。特斯拉减少碳化硅器件 用量可能得益于 SiC MOSFET 供应商技术进步。近年来,特斯拉供应商意法半导体的 SiC MOSFET 芯片尺寸一直在缩小,如果按照第 3 代 MOSFET 面积是第 2 代的 1/4 来算,芯片面积 刚刚好缩小了 75%。MOSFET发展途径是:持续降低比电阻,功率不变情况缩小芯片面积。目前 SiC MOSFET 已发展到第三代,英飞凌和罗姆技术路线是从平面栅向沟槽栅过渡;安森美是改变 元胞形状和沟槽栅。

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2)模块散热能力提升将减少碳化硅器件用量。碳化硅芯片缩小导致发热密度急剧增加,因而要 求同等功率下,其单位面积导热能力要求提高 3-7 倍。碳化硅导热系数和熔点较高,其耐受结温 超 500℃。目前大多碳化硅器件标称最高结温在 200℃左右,并未发挥碳化硅器件良好性能。根 据业界研究,通过采用绑定缓冲层、双面散热等技术,碳化硅功率模块导热能力可提高 10 倍,电 流能力可提高 15 倍。特斯拉可能通过 T-pak 等模块封装技术优化来压缩碳化硅器件尺寸和用量, 已开发定制化模块封装技术,使得模块总体热阻最小化、导热率最大化,相较于市面上碳化硅功 率模块产品,该封装散热能力提升至两倍左右,这意味着模块封装中的碳化硅晶片用量将有所下 降。特斯拉的封装技术让单管可经受住长达 5 年的可靠性检验。

3)800V 母线电压的提升将减少碳化硅器件用量。特斯拉 Model 3 采用 400V 电压架构和 650V SiC MOSFET,共使用 48 颗碳化硅器件。假设未来升级至 800V 电压架构,则需要配套 1200V SiC MOSFET,碳化硅器件用量可减少一半。

4)碳化硅器件成本逐步下调,渗透增加。碳化硅制备难度大、长晶速度慢、损失率高,导致碳 化器件价格高昂、渗透率较低。根据我国第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)数据显 示,SiC功率器件最主要的原材料成本——SiC衬底、外延片的价格近年来持续下降,原因有:第 一,伴随大直径衬底占比不断提高,衬底单位面积生长成本下降;第二,单晶的平均可用厚度仍 会持续增加,这将不断降低单位面积衬底成本;第三,衬底质量和晶片供货量的提高,以及外延 晶片成品率的提高,推动 SiC 器件成本逐步降低。未来 SiC 各环节成本有望持续下降,并迎来对 于下游产业的加速渗透。

2 碳化硅大势所趋,发展空间广阔

2.1 欧美厂商高度垄断,国产化加速

Wolfspeed 垄断 SiC 衬底与外延片市场,欧美企业主导 SiC 器件市场。从衬底到器件环节,目前 Wolfspeed、ST 及罗姆等海外头部企业占据产业链主要份额。其中,因布局较早,良率与产能规 模全球领先,Wolfspeed 在 SiC 衬底及外延片市场一家独大。下游器件领域,欧美日企业领先, 整体市占率达到 95%,意法半导体作为特斯拉 SiC 功率器件的主要供应商逆变器背机,市场占有率排名第一, 达到 41%。

国际主流厂商大幅扩产,释放抢占 SiC 市场信号。国际企业大力完善第三代半导体产业布局,计 划大幅扩产来强化竞争优势,以抢夺日渐增长的市场份额。安森美表示 22 年将 SiC 产能扩充 4 倍;意法半导体计划到 2024 年将 SiC 晶圆产能提高到 2017 年的 10 倍,SiC 营收将达到 10 亿美 元。在国际大厂加速扩产的背景下,SiC 产业格局逐渐迎来空前重构和变化。

国内厂商加速布局,发展空间巨大。国内企业也在积极研发和探索 SiC 器件的产业化,已经形成 相对完整的 SiC 产业链体系,部分产业节点已有所突破。SiC 衬底方面,天岳先进在半绝缘 SiC 衬底的市场占有率连续三年保持全球前三;天科合达在国内率先成功研制 6 英寸 SiC 衬底,并已 实现 2-6 英寸 SiC 晶片的规模化生产和器件销售。SiC 外延片方面,厦门瀚天天成与东莞天域可 生产 2-6 英寸 SiC 外延片。SiC 器件方面,国内厂商主要有泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电 55 所、中电 13 所、科能芯、时代电气等。模组领域,目前 SiC 市场斯达半导、河南森源、常州武进科华、时代电气处于起步阶段。中国厂商在围绕 SiC 衬底生产上正在缩短与国外差距,未来若能 在 6 英寸和 8 英寸的 SiC 晶圆良率和成本上进一步实现突破是竞争的关键。

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2.2 新能源车驱动 SiC 器件规模快速扩张

全球 SiC 器件市场发展迅猛,2027 年有望增长至 63 亿美元。受益于 5G 通信、国防军工、新能 源汽车和新能源光伏等领域的发展,SiC 器件市场规模增速可观。Yole 数据显示,2021 年全球 SiC 功率器件市场规模为 11 亿美元,预计 2027 年将增长至 63 亿美元,CAGR 约 34%。整体电 动车相关领域(包括主逆变器、OBC、DC/DC 转换器等)SiC 市场规模有望在 2027 年达到 50 亿 美元,21-27 年 CAGR 为 39%。

全球新能源汽车终端需求火热,车用 SiC 晶圆需求攀升。根据 EVTank 数据,新能源汽车 2026 年销量将达到 3157 万辆,21-26 年 CAGR 为 37%。随着新能源车渗透率不断升高,以及整车架 构朝 800V 高压方向迈进,SiC 器件在车载逆变器等领域有望迎来规模化发展。据 TrendForce 数 据,2025 年全球电动车市场对 6 英寸 SiC 晶圆需求可达 169 万片,21-25 年 CAGR 为 94%。

国内新能源车市场规模快速增长,SiC 功率器件有望进一步突破。根据中汽协数据,2022 年中国 新能源汽车销量将达到 689 万辆,预计 2026 年中国新能源汽车销售量将达到汽车销售总量的近 50%。根据 DIGITIMES Research 预测,2025 年电动汽车用 SiC 功率半导体将占整车用功率半导 体的 37%以上,高于 2021 年的 25%。国内新能源车市场具备领先优势,随着渗透率的进一步提 升以及汽车电子化程度的持续推进,国内车用 SiC 器件规模有望快速突破。

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多维度优势赋能车用 SiC 器件。SiC 功率器件在新能源汽车中展现出独特优势,其应用场景包括:电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载 DC/DC)、车载充电系统(OBC)及非车载充电桩 等。从材料来看,SiC 相对于硅材料拥有更高的击穿场强、更高的热导率以及更高的电子饱和漂 移速度;从电路损耗来看,在同等条件下,SiC 功率器件能大幅减小电路开关的能量损耗(下降 85%);从设备空间来看,采用 SiC 功率器件的 DC/DC 转换器、车载充电机以及电机控制器分别能加减小设备 20%、40%、64%的系统空间;从电池转化效率来看,集成了 SiC 器件的模块能帮 助系统提升 6%的电力转换效率。

新能源车高电压平台大势所趋,SiC 器件彰显优势。近年来各车企纷纷通过提升功率来缓解新能 源汽车的续驶焦虑和充电焦虑,而功率的增加一般有两种路径,即提高电流或电压。然而,大电 流可能会导致较大的核心部件热损耗,因此高电压电气平台成为了首选。高电压平台要求电驱动 系统的耐压性也要随之提升,而硅基器件无法承载电压的大幅升高,故 SiC 应用将逐步替代硅基 IGBT 成为关键。相比之 IGBT,SiC 体积小、功率密度高、耐高压和高温能力强,可助力新能源 车实现更长的续航里程、更短的充电时间和更强的动力性能。国内外车企纷纷布局 800V 高压平台,SiC 大规模车载应用可期。在相同功率下,800V 电压平台 较 400V 电压的电流减半,电池充电热量降低,且低成本、轻量化、EMC 干扰的降低,以及效率 和续航的提升,让充电补能体验大幅增强。2019 年保时捷 Taycan 推出全球首款 800V 高电压电 气架构,支持 350kw 大功率快充,15 分钟内电量可充到 80%。近年来比亚迪、奥迪、吉利、小 鹏等一众车企也纷纷开始布局800V高电压平台,预计各大车企基于800V高压平台方案将在2022 年之后陆续上市,SiC 作为 800V 平台架构的最佳拍档有望大放异彩。

800V 高压平台需要电源产品配套升级,充电桩等迎来发展良机。当动力电池电压平台升级到 800V,当前的 OBC、DC/DC 及充电桩等电源产品都需要从 400V 等级提升至符合 800V 电压平台 的应用,SiC 器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。以充电桩为例,800V 高压充电桩在 设计架构上区别于 400V 的重要特点是需要配置 SiC MOSFET,以达到更快的充电速度和更好的 器件耐压性。22 年 Wolfspeed 宣布参与搭载 SiC 技术的直流快速充电桩项目,总功率可达 350 kW,成本可降低 20-30%。国内车企也开始发力,广汽埃安于 2021 年 8 月发布 480kW 超级充电 桩,小鹏也宣布 22Q4 起部署 480kW 高压超充桩,实现充电 5 分钟续航 200 公里。

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3 投资分析

3.1 斯达半导:积极布局碳化硅市场,长期成长动能充足

公司获多个主控制器用车规级 SiC MOSFET 模块项目定点。2021 年公司在机车牵引辅助供电系 统、新能源汽车行业控制器、光伏行业推出的各类 SiC 模块得到进一步的推广应用。2022 年上半 年公司应用于乘用车主控制器的车规级 SiC MOSFET 模块开始大批量装车应用,同时公司新增多 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,将对公司未来车规级 SiC MOSFET 模块销售增长提供持续推动力。

定增项目保障 SiC 芯片自主可控,产品供应能力和竞争力有望进一步提高。公司车规级 SiC 模块 虽已获得多个项目定点并拿到批量订单,但车规级 SiC 模块中所使用的 SiC MOSFET 芯片仍为进 口芯片。公司预计投入 5 亿元新建厂房及仓库等配套设施,购置光刻机、涂胶显影机、铝刻蚀机、 高温注入机等设备,开展 SiC 芯片的研发和产业化。项目建设周期 3 年,达产后预计将形成年产 6 万片 6 英寸 SiC 芯片生产能力,对应 6.6 亿元营收和 1.8 亿元净利润。本次募投项目量产后,公 司将拥有自主的车规级 SiC MOSFET 芯片,利用目前公司在新能源汽车客户和项目资源,进一步 提高公司车规级 SiC 模块的供货保障能力以及产品竞争力。

3.2 中瓷电子:注资碳化硅 IDM 企业

中瓷电子拟购买北京国联万众半导体科技有限公司 94.6029%股权,布局第三代半导体 SiC 模块。国联公司是国内领先的半导体 IDM 平台,依托多年技术积累研发生产拥有自主知识产权的碳化硅 电力电子芯片及器件。公司正在进行芯片制造及封装测试专业化生产线建设,建成后将具备碳化 硅功率模块设计、制造和封装测试整体能力,年测试封装 SiC 功率模块 2.4 万块。公司 SiC 功率 模块包括 650V、1200V 和 1700V 等系列,其产品应用于新能源汽车、工业电源、新能源逆变器 等领域。主要客户包括比亚迪、智旋等。

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该项交易进一步引领碳化硅功率模块在新能源汽车领域的应用。国联万众将成为中瓷电子旗下的 碳化硅功率模块设计生产平台,其研发生产的碳化硅二极管产品已投入市场,为格力等公司提供 产品试用,并将基于顺义科技园区的协同作用利用国内和国际资源打造第三代半导体材料应用联 合创新基地,形成产学研用完整链条及跨界应用。

3.3 华润微:发力碳化硅业务,自研产品持续突破

碳化硅业务前景向好,公司相应产品销量倍增。华润微作为国内半导体 IDM龙头企业,功率器件 产品研发与销售具备先发优势。其功率器件事业群在第三代化合物半导体器件领域取得技术和产 业化的显著突破,自主研发的新一代 SiC JBS 器件综合性能达到业界先进水平,产品在充电桩、 太阳能逆变器、通信电源等工控领域获得客户端的广泛认可,公司前三季度 SiC 销售额约有 3 倍 增长,预计 2023 年碳化硅 MOS 的销售占比会有较大提升。

一二代产品销售量产,后续产品正继续快速推进。公司自主研发的第一代 650V、1200V SiC JBS 产品已取得销售,21 年末公司正式对外发布 SiC MOSFET 产品,目前第二代碳化硅二极管 1200V/650V 平台已系列化三十余颗产品,在充电桩、光伏逆变、工业电源等领域实现批量供货。公司第三代半导体产品产业化和平台化战略继续高歌前进。

3.4 中微公司:开发 SiC 专用 MOCVD 设备

中微公司主要从事高端半导体设备及泛半导体设备的研发、生产和销售。公司基于在半导体设备 制造产业多年积累的专业技术,涉足半导体集成电路制造、先进封装、LED 外延片生产、功率器 件、MEMS 制造以及其他微观工艺的高端设备领域。1)等离子体刻蚀设备:已应用于国际一线 客户从 65 纳米到 14 纳米、7 纳米和 5 纳米及更先进的集成电路加工制造生产线及先进封装生产 线。2)MOCVD 设备:在行业领先客户的生产线上大规模投入量产,公司已成为世界排名前列的 氮化镓基 LED 设备制造商。截至 2022 年 6 月底,公司设备累计付运台数达 2654 个反应台,在 客户 73 条生产线全面量产。

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中微公司积极布局SiC材料功率器件外延生长设备和技术研发,牵头人具有25年以上相关经验。根据公司公告,公司将总投资 37.56 亿元用于中微临港总部和研发中心项目,其中部分资金用于 公司 7 类新产品的研发项,其中一种就是宽禁带功率器件外延生长设备,主要包括 SiC 材料功率 器件的外延生长设备和技术的研发。该项目牵头人具有 25 年以上化合物半导体材料外延工艺开发、 设备研发及营运的经验。目前项目处于研究阶段,已拥有 10 余项专利技术储备,预计将持续至 2025 年底。

3.5 天岳先进:国内领先的 SiC 衬底企业

天岳先进主要从事 SiC 衬底的研发、生产和销售,产品可广泛应用于微波电子、电力电子等领域。凭借卓越的研发及创新能力,天岳先进已成为全球为数不多的掌握半绝缘型和导电型 SiC 衬底、 产品尺寸较全的 SiC衬底生产商。1)半绝缘型:在发达国家对我国实行技术封锁和产品禁运的背 景下,公司自主研发出半绝缘型 SiC 衬底产品,实现了我国核心战略材料的自主可控。2)导电 型:公司已成功掌握导电型 SiC 衬底材料制备的技术和产业化能力。在优先保障半绝缘型 SiC 衬底材料战略供应之余,进行导电型 SiC 衬底材料的研发和小批量销售,目前正在电力电子领域客 户中进行验证。

天岳先进半绝缘型产品已实现对国内下游核心客户的批量供货,并获得国外知名半导体公司认可。公司通过持续的技术研究和产品开发,于 2015 年实现了 4 英寸半绝缘型 SiC 衬底的量产能力。2018 年,公司通过下游行业主要的领先客户 A 的验证并开始批量供货。随后,公司又获得下游行 业主要客户 B 的认证,并获得大批量订单,国内市场份额进一步提升。根据 yole 报告统计,2021 年公司在半绝缘 SiC 衬底领域,市场占有率连续三年保持全球前三。

天岳先进导电型 SiC 衬底部分送样已陆续通过客户验证,正加快提升导电型衬底产能建设。2022 年 7 月,公司与某客户签署重大合同,23 年至 25 年向合同对方销售 6 英寸导电型 SiC 衬底产品 (用于功率),预计三年合计含税销售金额为 13.9 亿元。此外,2021 年公司募投资金 25 亿元用 于“SiC 半导体材料项目”。该项目主要用于生产 6 英寸导电型 SiC 衬底材料,预计 2022Q3 实现一 期项目投产,于 2026 年达产后,将新增 SiC 衬底材料产能约 30 万片/年,将用于满足下游电动汽 车、新能源并网、智能电网、储能、开关电源等 SiC 电力电子器件应用领域的广泛需求。未来, 产能的逐步投产将有助于天岳先进市场占有率的进一步提高。

3.6 闻泰科技:SiC 二极管产品已经出样

闻泰科技主营业务包括半导体 IDM、光学影像、通讯产品集成三大业务板块。目前已经形成从半 导体芯片设计、晶圆制造、封装测试、半导体设备,到光学影像、通讯终端、笔记本电脑、IoT、 服务器、汽车电子产品研发制造于一体的全产业链布局。旗下安世半导体是全球知名的半导体 IDM 公司,是原飞利浦半导体标准产品事业部,有 60 多年半导体研发和制造经验,客户超过 2.5 万个,产品种类超过 1.5 万种,每年新增 800 多种新产品,全部为车规级产品。

安世半导体 SiC 技术研发进展顺利,SiC 二极管产品已经出样。2021 年,闻泰科技半导体业务研 发投入 8.37 亿元,进一步加强了在中高压 MOSFET、化合物半导体 SiC 和 GaN 产品、IGBT 以 及模拟类产品的研发投入。在化合物半导体产品方面,闻泰目前已推出硅基氮化镓功率器件(GaN FET),已通过 AECQ 认证测试并实现量产,并协同产业合作伙伴完成了 GaN 在电动车逆变器、 电控、电源等方案的设计工作。SiC 技术研发也进展顺利,SiC 二极管产品已经出样 IGBT 产品方 面,目前产品流片已经完成,正处测试验证阶段。新的模拟 IC 类产品也正处在加速研发推进中。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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