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新能源东风已至,碳化硅御风而起

电子设备2022-09-05蒯剑东方证券余***
新能源东风已至,碳化硅御风而起

行业研究|深度报告 看好(维持) 新能源东风已至,碳化硅御风而起 电子行业 国家/地区中国 行业电子行业 报告发布日期2022年09月05日 核心观点 碳化硅(SiC)性能优异,成本有望持续下降。SiC半导体性能优异,其禁带宽度是硅的3倍,击穿电压是硅的8-10倍,导热率是硅的3-5倍,电子饱和漂移速率是硅 的2-3倍。SiC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,是制作高温高频、大功率高压器件的理想材料之一。6英寸SiC衬底已成主流,8英寸样品也陆续开始推出。未来随着大直径衬底占比提升、衬底和外延晶片质量提高、单晶平均可用厚度持续增加以及扩产导致规模效应增大,SiC产业链各环节成本有望持续降低,并实现对于下游领域的加速渗透。 海外头部厂商占据产业链主要份额,国内企业迎来广阔发展空间。SiC衬底及外延片领域,Wolfspeed凭借先发优势和规模优势一家独大;器件领域,欧美日企业领 先,整体市占率达到95%,仅意法半导体一家就占据41%。国内企业也在积极研发和探索SiC器件的产业化,部分产业节点已有所突破。其中三安光电已形成在半导体化合物高端领域的全产业链布局;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。 新能源车、光伏等下游需求爆发,SiC迎来历史性机遇。Yole数据显示,全球SiC器件市场发展迅猛,预计2025年SiC器件市场将增长至25.6亿美元,19-25年CAGR约30%。新能源车领域:根据EVTank数据显示,新能源汽车2025年销量将达到1800万辆,19-25年CAGR为42%。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器件在主逆变器、DC/DC转换系统、车载充电系统及充电桩等领域有望迎来规模化发展。据TrendForce数据显示,预估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%。 光伏领域:相比于硅基IGBT,SiCMOS具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、 无电流拖尾现象、高开关速度等优点,并且可以在高温等恶劣的环境中工作,有利于提高光伏逆变器使用寿命。2020年SiC光伏逆变器占比为10%,预计2035年占 比将达到75%,未来空间十分广阔。轨道交通领域:与传统硅基IGBT牵引逆变器 相比,全SiC牵引逆变器能耗能够降低10%以上。Yole数据显示,到2025年铁路 SiC营收将从2019年的900万美元,增长到1.18亿美元,CAGR达到55%。 投资建议与投资标的 由于下游需求旺盛,我们看好SiC产业链相关企业将因此受益。建议关注国内领先的化合物半导体材料与器件全产业链布局的三安光电(600703,买入)、SiCMOCVD设备企业中微公司(688012,买入)、SiC衬底企业天岳先进(688234,未评级)、以及发展半导体IDM业务的闻泰科技(600745,买入)、华润微(688396,买入)等。 风险提示 下游需求不及预期;成本下降不及预期;技术研发进度不及预期。 蒯剑021-63325888*8514 kuaijian@orientsec.com.cn 执业证书编号:S0860514050005香港证监会牌照:BPT856 李庭旭litingxu@orientsec.com.cn 国内晶圆厂逆周期扩产,持续看好半导体 2022-08-29 设备、材料板块阿里加入Chiplet互联标准制定联盟 2022-08-07 UCIe,技术基础实现共赢国内半导体前道设备厂商对比研究 2022-08-03 有关分析师的申明,见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分,或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 1碳化硅性能优势突出5 1.1SiC性能优势显著5 1.2SiC衬底价值量最大,6英寸晶片成为主流6 1.3SiC价格呈下降趋势,渗透率有望随之提升9 2欧美厂商高度垄断,国内厂商潜力巨大10 3新能源革命来临,SiC器件迎风而起11 3.1新能源车是SiC器件的核心驱动力12 3.2光伏产业快速发展,SiC应用未来可期15 3.3SiC器件在轨道交通领域持续渗透17 4投资建议18 4.1三安光电:LED龙头,大力发展化合物半导体业务19 4.2中微公司:正开发SiC专用MOCVD设备20 4.3天岳先进:国内领先的SiC衬底企业21 4.4闻泰科技:安世半导体SiC二极管产品已经出样22 5风险提示23 图表目录 图1:Si材料与SiC材料的比较5 图2:SiC功率半导体在新能源汽车的应用6 图3:SiC产业链6 图4:SiC衬底制作流程8 图5:全球半绝缘型SiC衬底市场规模(亿美元)8 图6:4/6英寸半绝缘型SiC晶片市场需求(万片)8 图7:全球导电型SiC衬底市场规模(亿美元)9 图8:4/6英寸导电型SiC衬底市场需求(万片)9 图9:SiC衬底尺寸发展趋势图9 图10:SiCMOSFET前道成本拆解10 图11:SiC衬底&外延片价格走势(元/平方厘米)10 图12:全球SiC产业竞争格局(2020年)10 图13:国内外企业SiC产业链布局11 图14:全球SiC功率器件市场规模12 图15:全球新能源车销量预测(万辆)12 图16:全球电动车市场对6英寸SiC晶圆需求(万片)12 图17:国内新能源车产量及预测(百万辆)13 图18:全球电动车用SiC功率半导体比重13 图19:SiC器件在新能源车上的应用13 图20:车用SiC器件表现出优异性能13 图21:SiC器件发展路线图14 图22:特斯拉Model3逆变器搭载SiCMOSFET模块14 图23:SiC是实现电驱动系统高压化的关键14 图24:新能源车800V高电压平台14 图25:Wolfspeed参与的SiC直流快速充电桩15 图26:小鹏480kW高压超级充电桩15 图27:2015-2025全球光伏新增装机量(GW)16 图28:2015-2025中国光伏新增装机量(GW)16 图29:20-25年全球光伏逆变器市场规模及增速16 图30:光伏逆变器成本占比情况16 图31:SiCMOS与IGBT开关特性比较图17 图32:各功率晶体管结构、耐压、导通电阻和开关速度比较17 图33:2020年全球光伏逆变器出货量市场份额17 图34:SiC光伏逆变器占比及预测17 图35:轨道交通中SiC功率器件占比预测18 图36:全球铁路SiC营收(百万美元)18 图37:苏州3号线SiC模块18 图38:深圳地铁1号线采用SiC牵引逆变器18 图39:三安光电历年营业总收入变化情况(亿元)20 图40:三安集成全国制造基地分布图20 图41:公司SiC半导体材料项目进程22 图42:闻泰科技全球产业布局23 图43:安世半导体产品线研发进展23 表1:半导体材料各项性能指标比较5 表2:国际部分主流厂商扩产计划11 表3:全球部分800V高压平台车型统计15 表4:三安光电主要产品系列19 表5:中微公司主要产品示意图20 表6:中微公司布局SiC材料功率器件外延生长设备和技术研发21 表7:天岳先进SiC衬底主要产品21 表8:天岳先进产品在国内客户使用情况举例22 1碳化硅性能优势突出 主流半导体采用硅材料,射频、功率、光通信等特殊应用对半导体材料提出特殊需求。SiC是制作高温高频、大功率高压器件的理想材料之一,是由硅元素和碳元素组合而成的一种化合物半导体材料。 1.1SiC性能优势显著 同半导体材料硅(Si)相比,其禁带宽度是硅(Si)的3倍,击穿电压是其8-10倍,导热率是其 3-5倍,电子饱和漂移速率是其2-3倍。 图1:Si材料与SiC材料的比较 数据来源:Yole、IHS、东方证券研究所 表1:半导体材料各项性能指标比较 半导体材料 Si Ge GaAs GaN 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC ALN 禁带宽度 (eV) 1.12 0.67 1.43 3.37 3.26 3 2.2 6.2 能带类型 间接 间接 直接 直接 间接 间接 间接 间接 击穿场强 (MV/cm) 0.3 0.1 0.06 5 3 5 3 1.4 电子迁移率 (cm2/Vs) 1350 3900 8500 1250 800 <400 <800 300 空穴迁移率 (cm2/Vs) 480 1900 400 <200 115 90 320 14 热导率 (W/cm*K) 1.3 0.58 0.55 2 4.9 4.9 3.6 2.85 数据来源:今日半导体、东方证券研究所 SiC在耐高压、耐高频、耐高温方面具有独特优势。耐高压方面,SiC阻抗更低,禁带宽度更宽,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;耐高频方面,SiC不存在电流拖尾现象,能够提高元件的开关速度,是硅(Si)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;耐高温方面,SiC拥有非常高的导热率,相较硅(Si)来讲,能在更高的温度下工作。因此,SiC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,有望成为未来最被广泛使用的半导体芯片基础材料。 SiC主要用于功率或射频器件,适用于600V以上的高压场景,包括光伏、新能源汽车、充电桩、风电、轨道交通等等电力电子领域。其中,新能源汽车领域,功率半导体主要应用于电机控制器、 DC/DC变换器、车载充电机、压缩机、水泵、油泵,同时还应用于配套充电桩。 图2:SiC功率半导体在新能源汽车的应用 数据来源:英飞凌、东方证券研究所 1.2SiC衬底价值量最大,6英寸晶片成为主流 SiC产业链主要包括上游衬底、中游外延、下游器件制造和模块封装,产业链价值量倒挂,其中衬底制造技术壁垒最高、价值量最大,是未来SiC大规模产业化推进的核心。 图3:SiC产业链 数据来源:天科合达招股说明书、东方证券研究所 衬底:最为核心的环节,价值量最高,约为46%。根据电阻率的不同,可分为导电型和半绝缘型衬底,分别用于功率和射频器件领域。高纯硅粉和高纯碳粉采用物理气相传输法(PVT)生长SiC晶锭,之后经过滚磨、切割、研磨、抛光、清洗等环节最终形成衬底,其中晶体的生长为核心工艺,核心难点在于提升良品率。晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,长晶技术壁垒高,毛利率可达50%左右。 外延:价值量占比约23%,是指在衬底上面再覆盖一层薄膜以满足器件生产条件。其中导电型SiC衬底用于SiC外延,生产功率器件,应用于电动汽车和新能源领域;半绝缘型SiC衬底用于氮化镓外延,生产射频器件,应用于5G通信等领域。 器件制造及模块封装:价值量占比约20%,产品包括SiC二极管、SiCMOSFET、全SiC模块、SiC混合模块。 应用:依据电阻率区分,导电型SiC器件主要用于电动汽车、光伏、轨道交通、充电桩等领域;半绝缘SiC器件主要用于5G通信、数据传输、航空航天、国防军工等领域。 图4:SiC衬底制作流程 数据来源:天科合达招股说明书、东方证券研究所 半绝缘型SiC衬底市场增长迅速,6英寸晶片成为发展趋势。受益于5G基建加快布局和全球地缘政治动荡,半绝缘型SiC衬底市场增长空间巨大。根据Yole数据,2020年全球半绝缘型SiC衬底市场规模为1.8亿美元,较2019年同比增长18%。此外,根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟数据,2020年全球4英寸半绝缘型SiC晶片的市场需求约4万片,6英寸约5万片, 两者需求占比不相上下;预计到2025年,4英寸市场需求将减少至2万片,6英寸成为发展趋势。 图5:全球半绝缘型SiC衬底市场规模(亿美元)图6:4/6英寸半绝缘型SiC晶片市场需求(万片) 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.8 1.5