下一代功率器件关键技术：碳化硅
　　近年来，随着5G、新能源等高频、大功率射频及电力电子需求的快速增长，硅基半导体器件的物理极限瓶颈逐渐凸显，如何在提升功率的同时限制体积、发热和成本的快速膨胀成为了半导体产业内重点关注的问题，以碳化硅为首的第三代半导体材料在这一趋势下逐渐从科研走向产业化。与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点，适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。实际上，碳化硅相比硅带来的最大变化我们可以总结为“旧结构+新材料”，亦即通过把材料更换为碳化硅解决过去硅基MOSFET在高电压场景下的瓶颈，让高频高速的MOSFET得以在高压场景下充分发挥开关效率高的优势，降低系统总体的能源损耗。
　　大功率+高频+低损耗：难以拒绝的效率吸引力
　　在整个能源结构升级的过程中，无论是发电端的光伏、风电，输电端的高压柔直，用电端的新能源车、充电桩、白电、工控，对于电压和能源转换效率的要求都在不断提升，同时在成本和安全约束下也更为看重系统整体的经济性和稳定性，因此有着更低开关损耗、更高可靠度、更轻重量、更小体积以及更为耐高温的碳化硅器件越来越受到下游环节的关注，尤其是在中压范围的光伏、风电、新能源车、充电桩、服务器UPS电源、工控电源、白电，近年来已陆续开始尝试使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基IGBT。在多种应用的驱动下，全球碳化硅市场规模快速提升，据Yole，2022年全球碳化硅市场规模或将达15.34亿美元，同比增长40.72%，预计到2027年市场规模可达62.97亿美元，2021~2027年复合增速超30%。分领域看，大部分市场规模由新能源车贡献；增速方面，风电、新能源车相对较快。
　　产业链环节拆解：衬底先行，晶圆决胜
　　在高速增长的需求以外，价格和产业链稳定性同样影响着碳化硅行业的发展，较高的替换成本阻碍着碳化硅应用的落地，而供应稳定性则影响着下游客户对于这项技术的态度。从成本占比角度来看，碳化硅总体价格高昂的主要原因在于：衬底价格较贵，在总体晶圆成本中占比可达30%、前段工艺（晶圆制造）良率损失较大、以及外延良率损失。从当前衬底高度供不应求的状态而言，衬底会是碳化硅行业先行的基础，而随着器件效率在平面/沟槽技术、良率改善等驱动下不断提升，晶圆环节的成本差异和品控稳定性将较大程度影响客户的选择。
　　从技术迭代的角度把握产业升级的机遇
　　在高电压、大功率的电力系统升级的大背景下，碳化硅器件逐步替代部分硅基功率器件是较为明确的趋势，关键痛点在于供应稳定性和价格，这需要整个产业链从衬底、外延、器件到模块封装各个环节实现良率提升、产能扩大、产线稳定等的优化和改进。从当前产业状况而言，需求远大于产业链供给能力，对于上下游的合作需求更为迫切。从海内外核心玩家的布局情况和订单情况来看，具备1、稳定衬底供应来源；2、较强器件设计与制造能力；3、较强资金能力，等三个条件的企业更容易获得客户的信任和青睐，因此全产业链整合、原材料+IDM等模式的企业更为值得关注，建议关注国内优质碳化硅核心企业，如三安光电、时代电气、士兰微等。
　　风险提示
　　1、碳化硅车型落地进度不及预期；
　　2、衬底价格下降幅度不及预期

研究报告全文：行业研究丨深度报告丨半导体与半导体生产设备碳化硅TableTitle把握能源升级技术迭代的成长机遇丨证券研究报告丨报告要点碳化硅相比硅带来的最大变化我们可以总结为旧结构TableSummary新材料亦即通过把材料更换为碳化硅解决过去硅基MOSFET在高电压场景下的瓶颈让高频高速的MOSFET得以在高压场景下充分发挥开关效率高的优势降低系统总体的能源损耗在多种应用的驱动下全球碳化硅市场规模快速提升据Yole2022年全球碳化硅市场规模或将达1534亿美元同比增长4072预计到2027年市场规模可达6297亿美元20212027年复合增速超30当前行业状态下衬底模块的全产业链整合衬底外延IDM外延IDM等模式的企业更为值得关注TableAuthor分析师及联系人杨洋钟智铧SACS0490517070012SACS0490522060001请阅读最后评级说明和重要声明233丨证券研究报告丨2023-02-11cjzqdt11111半导体与半导体生产设备TableTitle2行业研究丨深度报告碳化硅把握能源升级技术迭代的成长机遇TableRank投资评级看好丨维持TableStockData下一代功率器件关键技术碳化硅TableSummary2市场表现对比图近12个月近年来随着5G新能源等高频大功率射频及电力电子需求的快速增长硅基半导体器件TableChart半导体与半导体生产设备沪深300指数的物理极限瓶颈逐渐凸显如何在提升功率的同时限制体积发热和成本的快速膨胀成为了半9导体产业内重点关注的问题以碳化硅为首的第三代半导体材料在这一趋势下逐渐从科研走向-3-14产业化与硅基半导体材料相比以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场高饱-26和电子漂移速度高热导率高抗辐射能力等特点适合于制作高温高频抗辐射及大功率202222022620221020232器件实际上碳化硅相比硅带来的最大变化我们可以总结为旧结构新材料亦即通过把资料来源Wind材料更换为碳化硅解决过去硅基在高电压场景下的瓶颈让高频高速的得MOSFETMOSFET以在高压场景下充分发挥开关效率高的优势降低系统总体的能源损耗相关研究大功率高频低损耗难以拒绝的效率吸引力TableReport半导体11月运行跟踪奇点将近坚定信心在整个能源结构升级的过程中无论是发电端的光伏风电输电端的高压柔直用电端的新2022-12-17能源车充电桩白电工控对于电压和能源转换效率的要求都在不断提升同时在成本和半导体9月运行跟踪长夜已半且待新晨安全约束下也更为看重系统整体的经济性和稳定性因此有着更低开关损耗更高可靠度更2022-10-08轻重量更小体积以及更为耐高温的碳化硅器件越来越受到下游环节的关注尤其是在中压范Chiplet技术先进封装谁主沉浮2022-08-围的光伏风电新能源车充电桩服务器UPS电源工控电源白电近年来已陆续开始27尝试使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基IGBT在多种应用的驱动下全球碳化硅市场规模快速提升据Yole2022年全球碳化硅市场规模或将达1534亿美元同比增长4072预计到2027年市场规模可达6297亿美元20212027年复合增速超30分领域看大部分市场规模由新能源车贡献增速方面风电新能源车相对较快产业链环节拆解衬底先行晶圆决胜在高速增长的需求以外价格和产业链稳定性同样影响着碳化硅行业的发展较高的替换成本阻碍着碳化硅应用的落地而供应稳定性则影响着下游客户对于这项技术的态度从成本占比角度来看碳化硅总体价格高昂的主要原因在于衬底价格较贵在总体晶圆成本中占比可达30前段工艺晶圆制造良率损失较大以及外延良率损失从当前衬底高度供不应求的状态而言衬底会是碳化硅行业先行的基础而随着器件效率在平面沟槽技术良率改善等驱动下不断提升晶圆环节的成本差异和品控稳定性将较大程度影响客户的选择从技术迭代的角度把握产业升级的机遇在高电压大功率的电力系统升级的大背景下碳化硅器件逐步替代部分硅基功率器件是较为明确的趋势关键痛点在于供应稳定性和价格这需要整个产业链从衬底外延器件到模块封装各个环节实现良率提升产能扩大产线稳定等的优化和改进从当前产业状况而言需求远大于产业链供给能力对于上下游的合作需求更为迫切从海内外核心玩家的布局情况和订单情况来看具备1稳定衬底供应来源2较强器件设计与制造能力3较强资金能力等三个条件的企业更容易获得客户的信任和青睐因此全产业链整合原材料IDM等模式的企业更为值得关注建议关注国内优质碳化硅核心企业如三安光电时代电气士兰微等风险提示1碳化硅车型落地进度不及预期更多研报请访问2衬底价格下降幅度不及预期长江研究小程序请阅读最后评级说明和重要声明行业研究深度报告目录下一代功率器件关键技术碳化硅6大功率高频低损耗难以拒绝的效率吸引力9产业链环节拆解衬底先行晶圆决胜17碳化硅衬底效率与产能是降本关键19碳化硅晶圆技术客户与产能构筑的长效壁垒25设备与材料不可忽视的技术与资本开支盛宴28投资建议30图表目录图1碳化硅材料是新能源领域的理想材料7图2碳化硅MOSFET和模组具有高频高压的优势7图3碳化硅可以以MOSFET结构部份替代目前硅基IGBT器件7图41200V碳化硅MOSFET与硅基IGBT相比电流密度显著较高8图5中压范围是碳化硅的重点发展方向9图6EVHEV电力电子主要应用10图7负载范围内碳化硅及硅基IGBT逆变器损耗对比10图8负载范围内碳化硅及硅基IGBT逆变器效率对比10图9对于新能源车而言碳化硅MOSFET最大的优势是节省电池成本提升续航11图10800V行业发展现状12图11碳化硅器件损耗较低13图12大功率长续航快速充电是碳化硅核心优势13图13预计2026年车用碳化硅市场规模可达381亿美元亿美元13图14车用碳化硅市场规模中逆变器占绝大多数13图152022年前三季度全球碳化硅车型销售以特斯拉为主14图16我国碳化硅电驱渗透率仍有长足空间14图17光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测15图18碳化硅市场规模及预测亿美元16图19碳化硅市场规模增速及预测16图20占市场规模主导地位的新能源车类应用中碳化硅模块为主要的应用形式16图21碳化硅产业链17图22自有衬底Wolfspeed的晶圆成本结构18图23外采衬底STM的晶圆成本结构18图24从整体成本结构出发降本的关键在于衬底价格同样受良率影响外延良率前段工艺良率18图25碳化硅衬底缺陷对应的器件缺陷20图26Wolfspeed仍然领先但后来者已形成挑战21图27供不应求时新进入者机会更大供需逐渐平稳后行业壁垒升高21图28衬底尺寸扩大可以显著提升芯片产出效率22图29海外龙头8吋产品已进入商业化进程23请阅读最后评级说明和重要声明433行业研究深度报告图3020212027E碳化硅衬底价格下降趋势及预测美元片24图3120212027E碳化硅衬底尺寸出货量趋势及预测万片年24图3220212027年碳化硅衬底市场规模及预测亿美元24图332026年我国碳化硅衬底产能或将达265万片年万片年24图342022年已采用沟槽型碳化硅MOSFET器件的车型26图35碳化硅MOSFET平面沟槽主要玩家技术代际27图36相比衬底器件的竞争更为激烈百万美元27图3720192021E核心厂商市场份额变化27图38我国主要碳化硅企业产品布局情况不完全统计28图39碳化硅封装形态30表1碳化硅材料相比硅材料具备多种优势6表2碳化硅MOSFET相比传统硅基MOSFET与IGBT的优劣势8表3碳化硅相比硅基提升优势明显9表4全球部分车企布局800V超级快充一览表12表52021年及未来碳化硅器件在汽车逆变器OBC上的应用预测14表6不同生长方法的差异19表7不同切割工艺的差异21表8产出效率角度国内普遍出片数相比海外龙头仍有较大差距22表9缺陷控制角度国内厂商在TSD缺陷上位于国际第二梯队BRD缺陷仍有一定差距22表10我国衬底厂商扩产计划24表11海外主要企业扩产规划25表12碳化硅晶圆工艺的主要难点26表13碳化硅产业链上的主要设备及其供应商不完全统计28表14全球主要碳化硅企业布局情况30表152022年碳化硅上下游企业签单情况31表16国内车企碳化硅布局情况31表17A股碳化硅相关公司情况31请阅读最后评级说明和重要声明533行业研究深度报告下一代功率器件关键技术碳化硅近年来随着5G新能源等高频大功率射频及电力电子需求的快速增长硅基半导体器件的物理极限瓶颈逐渐凸显如何在提升功率的同时限制体积发热和成本的快速膨胀成为了半导体产业内重点关注的问题以碳化硅为首的第三代半导体材料在这一趋势下逐渐从科研走向产业化与硅基半导体材料相比以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场高饱和电子漂移速度高热导率高抗辐射能力等特点适合于制作高温高频抗辐射及大功率器件具体优势体现在1能量损耗低碳化硅模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块且随着开关频率的提高与IGBT模块的损耗差越大碳化硅模块在降低损耗的同时可以实现高速开关有助于降低电池用量提高续航里程解决新能源汽车痛点2更小的封装尺寸碳化硅器件具备更小的能量损耗能够提供较高的电流密度在相同功率等级下碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块有助于提升系统的功率密度3实现高频开关碳化硅材料的电子饱和漂移速率是硅基的2倍有助于提升器件的工作频率高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题降低开关损耗和整车能耗减少无源器件如电容电感等的使用从而减少系统体积和重量4耐高温散热能力强碳化硅的禁带宽度热导率约是硅基的3倍可承受温度更高高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放冷却部件可小型化有利于系统的小型化和轻量化表1碳化硅材料相比硅材料具备多种优势特征硅基4H-碳化硅GaAsGaN备注禁带宽度EGeV11232614335禁带宽度越大耐高电压和高温性能越好2电子迁移率NcmVS140090085001250电子迁移率越高电阻率越小2空穴迁移率Pcm6001004002006击穿电场EBVcm10033043击穿电场越高越耐高压导热系数WcmC15490513导热系数越高工作温度上限越高7饱和漂移速度VScms10127227高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性相对介电常数S1189712895pn控制是否可控制导电半绝缘热氧化层资料来源Rohm长江证券研究所注碳化硅中存在各种多型体结晶多系它们的物性值也各不相同其中4H-碳化硅为当前可实际应用的结晶型体这些优势有利于电源的高效率化并且通过高频驱动实现电感等无源器件的小型化低噪化可广泛应用于空调电源光伏发电系统中的功率调节器电动汽车的快速充电器等的功率因数校正电路PFC电路和整流桥电路中请阅读最后评级说明和重要声明633行业研究深度报告图1碳化硅材料是新能源领域的理想材料材料性能器件性能系统性能增强高温环对冷却系统系统体积更小禁带宽度大耐高温性能境下可靠性要求低重量更轻3xSi动力更大新能源领域光伏发电储能系饱和电子漂减小电容电小型化轻开关速度快统充电桩电动车等的理想移速度高感的体积量化能耗更低材料3xSi发热量更低运行更安全存在高速二可在更高电压中应用导通电阻低能量损耗小高能效维电子气击穿场强高耐高压特性输出功率高驱动力强10xSi资料来源长江证券研究所而实际上碳化硅相比硅带来的最大变化我们可以总结为旧结构新材料亦即通过把材料更换为碳化硅解决过去硅基MOSFET在高电压场景下的瓶颈让高频高速的MOSFET得以在高压场景下充分发挥开关效率高的优势一般而言硅基材料中越是高耐压器件单位面积的导通电阻也越大以耐压值的约225次方的比例增加因此过去600V以上的电压中主要采用IGBT器件通过电导率调制向漂移层内注入作为少数载流子的空穴因此导通电阻比MOSFET要小但是同时由于少数载流子的积聚在开关关闭时会产生尾电流从而造成极大的开关损耗而碳化硅器件漂移层的阻抗比硅基器件低不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗因而碳化硅MOSFET原理上在开关过程中不会产生拖尾尾电流可高速运行且开关损耗低能够在IGBT不能工作的高频高温条件下驱动可实现散热部件的小型化图2碳化硅MOSFET和模组具有高频高压的优势图3碳化硅可以以MOSFET结构部分替代目前硅基IGBT器件频率更高可应用功率更高资料来源Infineon长江证券研究所资料来源Rohm长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明733行业研究深度报告表2碳化硅MOSFET相比传统硅基MOSFET与IGBT的优劣势硅基MOSFETSJMOSFET超级结硅基IGBT碳化硅MOSFET器件类型单极单极双极单极击穿电压12500V5001000V40012kV600V电流密度中等中等高极高导通电阻中等低中等低高速开关特性高高低非常高成本低高中等高热导率低低低高操作温度125125125175-200少数老牌供应商但供应商供应商多多多数量迅速增长无目前使用硅基标准碳可靠性标准有有有化硅标准建立中技术成熟度高高高中等资料来源Yole长江证券研究所图41200V碳化硅MOSFET与硅基IGBT相比电流密度显著较高2m碳化硅MOS电流密度显著高于硅基IGBTAm电流密度电流A100C资料来源SystemPlus长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明833行业研究深度报告大功率高频低损耗难以拒绝的效率吸引力在整个能源结构升级的过程中无论是发电端的光伏风电输电端的高压柔直用电端的新能源车充电桩白电工控对于电压和能源转换效率的要求都在不断提升同时在成本和安全约束下也更为看重系统整体的经济性和稳定性因此有着更低开关损耗更高可靠度更轻重量更小体积以及更为耐高温的碳化硅器件越来越受到下游环节的关注尤其是在中压范围的光伏风电新能源车充电桩服务器UPS电源工控电源白电近年来已陆续开始尝试使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基IGBT图5中压范围是碳化硅的重点发展方向服务器电源新能源车输电风电家电轨交光伏UPSAC适配器硅基服务器电源GTOIGCT碳化硅kW硅基开关电源晶闸三代半关键竞争区域开关功率管硅基IGBTIPM硅基三极管GaN硅基MOSFET音频设备工作频率Hz资料来源Yole长江证券研究所新能源车是未来碳化硅功率器件的主要驱动力作为电力电子转换器件碳化硅器件在新能源汽车产业存在五个主要应用场景包括电机控制器电驱车载充电机OBCDCDC变换器空调系统以及充电桩对于新能源车而言碳化硅器件要比硅基器件有着更低的导通损耗更高的工作频率和更高的工作电压因此其可提高能源转换效率增加续航里程提升整体功率降低车身重量和综合成本考虑到未来电动车需要更长的行驶里程更短的充电时间和更高的电池容量在车用半导体中碳化硅将会是未来新能源车功率器件升级中非常重要的趋势表3碳化硅相比硅基提升优势明显能量损耗降低功率密度提升系统成本节约尺寸缩小充电时间提升动力总成808050OBC305015DC-DC305015充电桩3050102X资料来源Wolfspeed官网长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明933行业研究深度报告目前OBC采用的碳化硅MOSFET主流规格有1200V40m1200V80m以及650V45m650V60mDCDC采用的碳化硅MOSFET主流规格为1200V160m电控用碳化硅MOSFET主流规格为1200V15m图6EVHEV电力电子主要应用资料来源Yole长江证券研究所以主驱为例碳化硅解决方案可以在更低损耗情况下获得更高逆变器效率碳化硅在整个负载范围内效率提高14以上更低损耗意味着更小的冷却系统和更长电池续航时间相比硅基IGBT碳化硅电控系统体积更小频率更高开关损耗更低可以使电驱系统在高压高温下保持高速稳定运行图7负载范围内碳化硅及硅基IGBT逆变器损耗对比图8负载范围内碳化硅及硅基IGBT逆变器效率对比资料来源ST长江证券研究所注fsw16kHz100load120Arms资料来源ST长江证券研究所注fsw16kHz100load120Arms80kW80kW请阅读最后评级说明和重要声明1033行业研究深度报告简单而言碳化硅MOSFET方案可显著节省电动汽车成本1节省电池成本在EV平均工作环境下碳化硅逆变器的效率比IGBT逆变器高34负载15与基于硅基IGBT的85kWh电池电动汽车相比碳化硅版本仅需要821kWh按照每千瓦时150美元的电池成本ST测算案例下搭载碳化硅逆变器的电池成本节省约435美元2散热器散热器的大小必须根据最大工作条件下的功率耗散而定ST测算案例下峰值负载时的逆变器耗散250Arms与IGBT版本相比基于碳化硅的逆变器只需耗散61的热量碳化硅MOSFET允许体积更小更低成本的散热器图9对于新能源车而言碳化硅MOSFET最大的优势是节省电池成本提升续航电池容量kWh电池成本美元86012800127508585012700节省约435美元1260084012500830821124001231582012300122008101210080012000硅基IGBT碳化硅MOSFET硅基IGBT碳化硅MOSFET硅基IGBT碳化硅MOSFET硅基IGBT碳化硅MOSFET资料来源ST长江证券研究所对于新能源车而言一方面是电池成本的节省长续航一方面也是800V快充快速充电的需求共同催生了对碳化硅器件的更换需求快充技术的核心在于提高整车充电功率也就需要提高整车充电功率基于功率电流电压的公式提升功率只有加大充电电流或提高充电电压两种方式而充电电流加大意味着更粗更重的线束更多的发热量以及更多附属设备瓶颈而充电电压提升则有更大的设计自由度这直接推动了400V电压平台向800V电压平台转换而碳化硅MOSFET在800V高压电驱系统应用中具备几乎无可替代的优势最核心的原因是电压升高后硅基IGBT的导通损耗开关损耗都有显著上升成本升效率降将使得800V的实际经济性大为降低因此在800V电压平台中企业更倾向选择高频低损耗的碳化硅MOSFET方案因此目前800V电控乃至配套的OBC大部分已选用或规划采用碳化硅MOSFET器件平台级别的规划有现代E-GMP通用奥特能Ultium-皮卡领域保时捷PPE路特斯EPA除保时捷PPE平台车型未明确搭载碳化硅MOSFET外首款车型为硅基IGBT其他车企平台均采用碳化硅MOSFET方案800V平台主要有长城沙龙品牌机甲龙北汽极狐SHI版理想汽车S01和W01小鹏G9宝马NK1长安阿维塔E11均表示将搭载800V平台此外比亚迪岚图广汽埃安奔驰零跑一汽红旗大众等也表示800V技术在研请阅读最后评级说明和重要声明1133行业研究深度报告图10800V行业发展现状资料来源电车纵横长江证券研究所注为平台为量产车型表4全球部分车企布局800V超级快充一览表车企汽车品牌高压平台快充方案充电时长续航表现长城沙龙首款车型-机甲龙支持800V高压快充充电10分钟可实现CLTC续航401公里比亚迪e平台30e平台30将搭载800V高压快充充电5分钟最大续航150公里动力电池和用电设备均为800V高压系统包括超级快充系统超低系统东风岚图充电10分钟续航400公里能耗高性能电池碳化硅电驱总成并支持无线充电0至80电量充电时间8分钟30至80电广汽埃安高电压平台最大工作电压可达880V最大充电功率达480kW量充电时间5分钟吉利SEA浩瀚架构将引入800V平台和碳化硅功率器件并配备800V高压快充充电5分钟续航120km20分钟内充电80到2025年将实现充电85路特斯Type132车型采用800V高压充电技术分钟行驶400公里北汽极狐阿尔法S具有800V高压电池平台22C闪充技术能实现10分钟补充196km续航小鹏汽车G9搭载800V碳化硅平台配合480kW高压超充桩充电5分钟可最高补充200km续航同步研发高压纯电平台Whale以及Shark平台双平台均为800V高压理想汽车计划实现充电10分钟续航400公里纯电以及400kW大功率充电桩零跑汽车800V高压平台支持400kW快充充电5分钟续航超200公里起亚搭载E-GMP平台的起亚EV6支持800V快充14分钟从30电量充至8014分钟从30电量充至80充电5分钟增加现代IONIQ5同时支持400V和800V充电桩100km续航大众ProjectTrinity有望搭载800V快充系统综合最高功率超过225kWUltium纯电平台最高可支持350kW800V的高压直流快充悍马EV率通用充电10分钟可增加160km续航先搭载奥迪PPE平台将支持800V高压电气系统以及350kW超级充电能力保时捷Taycan已在用800V平台未来Macan也会用资料来源集微咨询长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明1233行业研究深度报告以哪吒汽车发布的浩智800V碳化硅高性能电驱系统为例采用碳化硅半导体器件不仅能在更高温度下稳定运行适用于高电压高频率场景还能以更低的损耗获得更高的运行能力可实现超过20KHz的高频运行800V碳化硅高性能电驱系统搭载的碳化硅电控可以实现400V碳化硅功率器件损耗降低30-50800V碳化硅功率器件损耗降低50-70碳化硅应用带来6个方面的优势1控制器温度降低5-8电机本体温度降低8-12系统运行更可靠2CLTC综合效率提升3-5整车续航里程增加高达83驱动系统噪声降低5-8dBA4支持800V快充充电速度更快可实现5min充电200km续航5电池放电电流降低有利于电池热管理6控制器功率密度达到50kWL体积更小图11碳化硅器件损耗较低图12大功率长续航快速充电是碳化硅核心优势资料来源芯TIP长江证券研究所资料来源芯TIP长江证券研究所基于电池成本节约和800V平台带来的优势未来车用碳化硅市场规模有望快速扩大行业成长机遇显著据Yole2021年全球碳化硅市场规模约为685亿美元到2026年有望成长至3810亿美元20212026年间复合增速达4096其中逆变器是车用碳化硅的主要应用领域20212027年间占车用碳化硅市场规模约为9092这意味着确定1什么车型要用碳化硅2什么公司是车用逆变器用碳化硅主力供应商这两个问题即可把握最为关键的成长机遇图13预计2026年车用碳化硅市场规模可达381亿美元亿美元图14车用碳化硅市场规模中逆变器占绝大多数60601009850509640409430309290202088101086008420212022E2023E2024E2025E2026E2027E20212022E2023E2024E2025E2026E2027E车用碳化硅市场规模YoY右轴逆变器OBCDCDC资料来源Yole长江证券研究所资料来源Yole长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明1333行业研究深度报告当前而言车用碳化硅的渗透已不再是产业的远期规划而是已进入了正在进行时据行家说Research2022年1-9月全球搭载碳化硅主驱的车型销量合计超过了130万台在全球总销量681万台中占比接近20类似的据NE时代2022年我国200kw以上高功率新能源车电驱出货量达到53万套占总体出货量比重接近10同时受特斯拉蔚来比亚迪小鹏新车的推动搭载碳化硅功率模块的电控出货量突破50万套占比达到94总体低于2022年前三季度全球碳化硅车型渗透率未来我国碳化硅市场增长有望快速提升图152022年前三季度全球碳化硅车型销售以特斯拉为主图16我国碳化硅电驱渗透率仍有长足空间25特斯拉ModelY2020特斯拉Model3特斯拉ModelS15940起亚EV610现代Ioniq55现代Ioniq60福特MachE凯迪拉克Lyniq全球碳化硅车型渗透率2022年前三季度销量口径0102030405060我国碳化硅电驱渗透率2022年全年电驱出货量口径资料来源行家说Research长江证券研究所资料来源行家说ResearchNE时代长江证券研究所表52021年及未来碳化硅器件在汽车逆变器OBC上的应用预测年份厂商合作情况1逆变器应用2021Lucid21Q4开始推出900V电压电池的LucidAir配有碳化硅转换器供应商可能是ST已经落地了其800V平台loniq5车型使用碳化硅材料英飞凌确认已经赢得了现代-Kia碳化硅转换2021现代器的设计订单Vitesco装配功率逆变器2022Daimler目标在其800V电池车型中使用碳化硅预计2022年完成爬坡2022大众Wolfspeed被选做Volkswagen集团FutureAutomotiveSupplyTracks的独家碳化硅合作伙伴宣布在其ET7车型中实现碳化硅应用并将于22年Q2落地Onsemi21年Q3宣布成为其主要供2022蔚来应商Smart精灵1是由奔驰和吉利共同设计研发的纯电动小SUV设计来自奔驰而技术源于吉利基2022吉利于吉利SEA浩瀚架构打造芯聚能碳化硅主驱模块成功登陆smart精灵1量产车成为国内第一批由第三方提供的进入量产乘用车的碳化硅主驱模块2022小鹏英飞凌宣布取得中国整车厂小鹏的设计订单预期相关车型将于2022年将落地采用臻驱碳化硅产品是2款混动车型包括上汽通用五菱的银标旗舰车型五菱凯捷混合动力版战略2022上汽通用五菱型SUV五菱星辰混动版五菱柳机动力有限公司在HEV混动总成中集成了臻驱的碳化硅模块和电控技术2021年12月16日纬湃科技宣布他们与长城汽车签订了高压逆变器供货协议纬湃科技将为长城2023长城汽车旗下中高端电气化平台配套新一代高压逆变器Wolfspeed-HitachiEnergys碳化硅模块预计在奥迪下一代e-tronsportback车型中完成爬坡产品预2023奥迪期2023年投放2024麦格纳LG与Magna合作为电动车应用发布400V和800V双冷却模组GM的Cadilac计划在SUV车型中采用800V电压我们认为其供应商是BorgWarner2024通用Wolfspeed公司2015年被Volvo收购计划发布800V电动汽车极星5我们认为产品将于2024年规划进度2024极星请阅读最后评级说明和重要声明1433行业研究深度报告2024法拉利预计在2024年发布碳化硅电动车2025VitescoROHM和Vitesco预期在2025年前完成碳化硅基主逆变器的爬坡OEM厂商暂未公布2025福特Vitesco发布了2025年启动的800V设计订单我们认为该OEM厂商可能为福特2OBC应用2016-比亚迪BYD是最早在OBC中使用碳化硅MOS的OEM之一20182020大众大众可能在其OBC中整合碳化硅致力于将ST的碳化硅MOS整合进其22kw充电机车型很可能是MganeeVision将在2022年2022雷诺落地2022奥迪奥迪和保时捷计划2022年上车碳化硅车载充电2024LucidLucidAirs的900V电动车采用双向OBC整合了DDC逆变器碳化硅MOS由Rohm提供资料来源Yole长江证券研究所注为Yole的观点为企业的公开目标除了新能源车以外未来光伏风电发电将会是全球新能源发电端发展的主要方向整体新增装机量持续提升而逆变器是光伏不可或缺的重要组成部分是光伏发电能否有效快速渗透的关键之一高效高功率密度高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势据天科合达招股说明书目前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左右却是系统能量损耗的主要来源之一使用碳化硅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碳化硅功率器件为实现光伏逆变器的高转换效率和低能耗提供了所需的低反向恢复和快速开关特性对提升光伏逆变器功率密度进一步降低度电成本至关重要在组串式和集中式光伏逆变器中碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件目前集中式逆变器暂无需采用碳化硅器件而分布式光伏逆变器中有机会使用碳化硅二极管和MOSFET主流组串式逆变器则已经开始采用碳化硅二极管硅基IGBT的混合模块方案据Trendforce阳光电源华为等厂商均采用此方案微逆Boost升压电路会使用碳化硅二极管昱能科技正在采用泰科天润的产品图17光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测90808580757070605050403020101002020E2025E2030E2035E2040E2048E光伏逆变器中碳化硅功率器件占比资料来源天科合达招股说明书长江证券研究所此外储能充电桩轨道交通智能电网等也将大规模应用功率器件整体而言随着器件的小型化与对效率要求提升采用化合物半导体制成的电力电子器件可覆盖大功请阅读最后评级说明和重要声明1533行业研究深度报告率高频与全控型领域其中碳化硅的出现符合未来能源效率提升的趋势以碳化硅制成的电力电子器件工作频率效率及耐温的提升使得功率转换即整流或者逆变模块中对电容电感等被动元件以及散热片的要求大大降低将优化整个工作模块未来在PFC电源光伏纯电动及混合动力汽车不间断电源UPS电机驱动器风能发电以及铁路运输等领域碳化硅的应用面会不断铺开在多种应用的驱动下全球碳化硅市场规模快速提升据Yole2022年全球碳化硅市场规模或将达1534亿美元同比增长4072预计到2027年市场规模可达6297亿美元20212027年复合增速超30其中分领域而言大部分市场规模由新能源车贡献增速方面风电新能源车相对较快图18碳化硅市场规模及预测亿美元图19碳化硅市场规模增速及预测20070601505040100302050100020212022E2023E2024E2025E2026E2027E2022E2023E2024E2025E2026E2027ExEV光伏储能充电设施PFC电源xEV光伏储能充电设施PFC电源UPSUPS轨交电机风电轨交电机风电其他其他合计资料来源Yole长江证券研究所资料来源Yole长江证券研究所图20占市场规模主导地位的新能源车类应用中碳化硅模块为主要的应用形式1009080706050403020100xEV光伏储能充电设施PFC电源UPS轨交电机风电模块分立MOSFET分立二极管资料来源Yole长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明1633行业研究深度报告产业链环节拆解衬底先行晶圆决胜碳化硅器件生产过程跟传统的硅基器件基本一致主要分为衬底制备外延层生长晶圆制造以及封装测试四个环节其中衬底高纯度的碳粉和硅粉11混合制成碳化硅粉通过单晶生长成为碳化硅晶锭然后对其进行切割打磨抛光后得到透明的碳化硅衬底其厚度一般为350m外延碳化硅衬底的表面特性不足以支撑制造碳化硅器件需要采用气相沉积法在其表面再生长一层厚度为5-30m的碳化硅成为碳化硅外延晶圆制造通过涂胶显影光刻减薄退火掺杂刻蚀氧化等前道工艺实现碳化硅器件的结构与功能封装将晶圆进行检测减薄并进行封装完成裸芯片的电气连接和外壳保护后得到分立器件或者功率模块并在封装完成后出厂前对每颗器件进行测试图21碳化硅产业链前段工艺衬底外延芯片设计模组封装系统应用晶圆制造资料来源Yole长江证券研究所若从成本占比角度去看碳化硅总体价格高昂的主要原因在于1衬底价格较贵在总体晶圆成本中占比可达30参考自有衬底的Wolfspeed和部分衬底外采的STM衬底价格在400600美元片2前段工艺晶圆制造良率损失较大3此外外延良率损失和效率同样对碳化硅总体价格带来了一定影响请阅读最后评级说明和重要声明1733行业研究深度报告因此产业链对于碳化硅降本提质的关键主要落于衬底制备的效率和良率另一个角度而言扩大规模也是降价的一个方向以及前段工艺的效率和良率效率包括平面与沟槽等器件结构问题图22自有衬底Wolfspeed的晶圆成本结构图23外采衬底STM的晶圆成本结构衬底外延晶圆衬底外延晶圆资料来源SystemPlus长江证券研究所注器件型号为CMF20120资料来源SystemPlus长江证券研究所注器件型号为SCT30N120图24从整体成本结构出发降本的关键在于衬底价格同样受良率影响外延良率前段工艺良率300000A0100A0090250000A0080A0070200000A0060150000A0050A0040100000A0030A002050000A0010000A0000CMF20120C2M0080120DSCH2080KESCT30N120LSiC1MO120E0080NVHL080N120SC1MSC080SMA120BG3R75MT12DTW070J120B6吋衬底外延成本外延良率损失外延毛利前段工艺成本前段工艺良率损失前段工艺-代工厂毛利后段CP测试成本后段切割成本裸Die每安培价格资料来源SystemPlus长江证券研究所注左轴为折合6吋的晶圆制造成本美元片右轴为平均每安培价格美元A外延毛利为昭和电工代工毛利前段工艺毛利为X-Fab代工毛利请阅读最后评级说明和重要声明1833行业研究深度报告碳化硅衬底效率与产能是降本关键基于上文我们可以较为直观地发现制约碳化硅应用落地的主要原因是衬底的总体价格较高导致碳化硅器件的价格相比硅基器件往往高出数倍由于物理的特性碳化硅材料拥有很高的硬度目前仅次于金刚石因此在生产上势必要在高温与高压的条件下才能生产一般而言需要在2500以上高温硅晶仅需在1500目前制备碳化硅单晶的方法有物理气相传输法PVT高温化学气相沉积法HT-CVD和液相法LPE物理气相传输法PVT是较为的碳化硅晶棒生长方法其原理是在超过2500高温下将碳粉和硅粉升华分解成为硅基原子硅基2C分子和碳化硅2分子等气相物质在温度梯度的驱动下这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶体通过控制PVT的温场气流等工艺参数可以生长特定的4H-碳化硅晶型表6不同生长方法的差异时间PVTHT-CVDLPE示意图晶型4H6H4H6H4H6H生长温度C2200-2500220014601800生长mmh02040310052可持续的原料优点最成熟最常用可调整参数类似提拉法一体化设备半绝缘制造困难缺点生长厚度受限速率和缺陷控制金属杂质硅溶液碳的溶解度有限缺少一体化设备WolfspeedII-VIDowCroning主要厂家SiCrystalRohm山东天岳天科合NorstelSTM日本电装住友晶格领域达烁科晶体资料来源行家说Research长江证券研究所以PVT法为例碳化硅晶体制备面临以下困难1温场控制困难生产速度缓慢以目前的主流制备方法物理气相传输法PVT为例碳化硅晶棒需要在2500高温下进行生产而硅晶只需1500因此需要特殊的单晶炉且在生产中需要精确调控生长温度控制难度极大碳化硅晶棒厚度每小时生长速度视尺寸大小约为021mm小时而硅晶棒可达每小时110mm小时生产周期方面碳化硅晶棒约需要7至10天长度约2cm产出效率相比硅晶棒显著较慢较低的生产效率是碳化硅衬底供不应求价格高昂的核心原因2良品参数要求高黑匣子良率难以及时控制碳化硅晶片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以多型为例碳化硅存在200多种晶体结构类型其中六方结构的4H型4H-碳化硅等少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比生长温度梯度晶体生长速率以及气流气压等参数否则容易产生多晶型夹杂导请阅读最后评级说明和重要声明1933行业研究深度报告致产出的晶体不合格而在石墨坩埚的黑盒子中无法即时观察晶体生长状况需要非常精确的热场控制材料匹配及经验累积3晶体扩径难度大气相传输法下碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大随着晶体尺寸的扩大其生长难度工艺呈几何级增长这导致目前碳化硅晶圆主要是4吋与6吋而用于功率器件的硅晶圆以8吋为主这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少碳化硅芯片制造成本较高图25碳化硅衬底缺陷对应的器件缺陷籽晶晶锭衬底外延晶圆点缺陷点缺陷点缺陷微管微管BPDBPDTEDTED堆垛缺陷胡萝卜缺陷生长堆垛缺陷三角形缺陷胡萝卜缺陷掉落物缺陷三角形缺陷掉落物缺陷TSDTSD资料来源芯TIP长江证券研究所此外除了碳化硅晶体生长外后端工艺流程仍面临较大困难切割难度大碳化硅硬度与金刚石接近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也需要上游设备商特殊设备的配套开发目前碳化硅切片加工技术主要包括固结游离磨料切片激光切割冷分离和电火花切片其中往复式金刚石固结磨料多线切割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法转弯半径受限切缝较宽出片率较低不适用于碳化硅晶体切割磨料切片的切缝宽度一般为180250m亦即不考虑研磨仅切割损耗便接近衬底成片厚度350m的5070是导致晶锭出片数较低的原因之一研磨抛损耗大碳化硅性质偏硬脆断裂韧性较低在研磨抛过程中易开裂或留下损伤这要求在切割衬底的时候需要预留更多的研磨抛损耗这进一步降低了晶锭的出片率同时也影响了整体的生产良率目前较为主流的研磨方式为自旋转磨削晶片自旋转的同时主轴机构带动砂轮旋转同时砂轮向下进给进而实现研磨过程自旋转磨削虽可有效提高加工效率但砂轮易随加工时间增加而钝化使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤而碳化硅衬底的抛光工艺可分为粗请阅读最后评级说明和重要声明2033