碳化硅衬底供不应求 资本抢滩新能源汽车市场

来源：公开信息：国金证券（600109）图虫创意/国金证券时报记者阮润生毛可新。在目前的时间点上，新能源汽车市场比以往任何时候都更接近碳化硅在市场上的规模。据不完全统计，比亚迪、吉利、现代、广汽、小鹏等都发布了搭载800V高压平台的车型，甚至有车企将生产日期定在了2022年。这场高压快充升级革命正在系统地创新上游供应链，以功率器件为重要参与部件，引发二级市场对碳化硅等化合物半导体前所未有的需求。自2021以来，已有多轮炒作，Wind第三代半导体指数全年增长超过50%。另一方面，碳化硅能在多大程度上取代新能源汽车市场中的硅基半导体市场，也值得探索。汽车公司正跃跃欲试。近年来，碳化硅半导体在新能源汽车领域逐渐展现了自己的实力。2018年，特斯拉在全球率先在Model 3电驱动主逆变器上采用了意大利半导体公司提供的650V SiC MOSFET器件，这被视为碳化硅汽车的风向标。这一趋势随后席卷中国，2020年发布的比亚迪汉纯电动高性能四驱版成为中国首款采用自主研发SiC模块的车型，功率密度翻了一番。为了解决里程焦虑，高压快速充电系统已成为汽车公司的常见选择。2021，越来越多的汽车公司陆续发布了配备800V高压平台的车型，碳化硅功率器件阵营也在不断壮大。在去年11月的广州车展上，小鹏汽车发布了小鹏G9，该车在800V平台上使用SiC器件，续航里程200公里，可充电5分钟；

NIO ET7还将配备SiC电驱动系统，并将于今年第一季度开始交付。此外，广汽埃安也在进行质量验证，预计在2-3年内，搭载SiC器件的车型将投放市场。电压平台的增加意味着核心三个电气系统以及空调压缩机、直流电、OBC和充电站等部件必须能够在800V甚至1000V的电压下正常运行。半导体材料作为电动汽车逆变器的核心能量转换单元，对功率器件的选择显得尤为重要。功率半导体产品根据衬底材料可分为两类：硅基和碳化硅基。碳化硅具有高耐压特性，其阻抗远低于硅在1200V耐压下的阻抗。相应的传导损耗将相应地减小。同时，碳化硅可以选择1200V耐压的MOSFET封装，可以显著降低开关损耗。几位汽车公司领导向记者表达了他们对碳化硅材料的乐观态度。广汽爱安新能源汽车有限公司有限公司技术中心经理詹绍新介绍，功率半导体是新能源汽车的重要组成部分，与传统燃料汽车不同。每辆电动汽车需要配备大约90到100辆，如果是四轮驱动系统，需求将再增加50%。功率半导体在整车半导体中的价值约占60%。碳化硅的主要性能是高电压和高频率，这导致了其耐高温和高功率特性。对于整个车辆可以提高能量转换效率并使系统体积小型化， ”詹少新表示。小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈红介绍，与硅基半导体相比，碳化硅基逆变器可以将电机逆变器的效率提高约4%，相当于车辆续航里程增加约7%。高电压的趋势也要求充电站组件的性能部件需要重新调整。詹少新表示，容量超过500千瓦的增压堆需要500多种功率半导体，占堆中半导体总价值的80%以上。目前，硅基半导体被广泛使用。尽管硅基半导体也可以满足高电压的性能要求，但与SiC相比，在效率和体积上仍有差距。中国证券投资公司首席分析师何俊义对证券时报·e公司表示，造车新势力的供应体系本身还没有完全成熟，需要反复测试才能纠错。当地供应链制造商也愿意合作引入新系统，这在去年非常明显。据了解，吉利汽车、长城汽车（601633）等自主品牌甚至参与国内第三代半导体厂商绑定产能，本地化采购逐渐成为趋势。然而，在汽车上使用碳化硅的过程才刚刚开始，目前仅限于一些中高端车型。独立汽车分析师张翔告诉记者，碳化硅半导体的成本仍然相对较高，车辆应用需要2-3年的车辆认证。“一些汽车公司现在更多地将碳化硅相关技术用作营销工具，并没有真正推出量产车型。”此外，半导体制造商需要一定的支持才能下订单，比如特斯拉Model 3，去年销量约为40万辆。而市场上年销量超过10万辆的车型屈指可数，当新能源汽车加速发展时，可以扭转碳化硅成本的下降趋势。成本替代的转折点需要同时考虑碳化硅器件的价格和节省的电池成本。在詹少新看来，当碳化硅模块的价格降至硅基模块的两倍左右时，系统的成本效益将变得突出，这可能发生在2025年，届时大量主流机型将被广泛使用。从电子设备制造商的角度来看，碳化硅解决方案的成本下降趋势是明确的。碳化硅在主传动中的应用效果最好，降低成本也最多……

显著地， “广州聚信半导体首席执行官周晓阳对证券时报·e公司记者表示，碳化硅与硅基衬底的成本差距正在逐渐缩小，从几年前的4倍左右缩小到平均2-3倍。设备制造商正在支持碳化硅、氮化镓等生产成本下降的长期趋势材料。据国际领先设备制造商爱思强副总经理方子文介绍，预计2023年，成本可继续下降约25%，进一步缩小碳化硅与硅基材料的成本差异。此外，供应链安全也是车企愿意尝试的因素之一。投资者表示，目前汽车公司仍然更倾向于外国制造商，英飞凌等国际巨头可能很难在短期内超越它们。出于安全考虑，他们可能会将部分供应链放在中国，“不能把鸡蛋放在同一个篮子里”。这对国内制造商来说是一个机会，但也需要慢慢来。在国际上，Wolfspeed和II-VI等全球碳化硅材料制造公司都安排了大规模的产能扩张计划，并正在向8英寸生产迈进。然而，碳化硅材料的现状仍然供不应求，进一步推动了行业内部的垂直整合。吉邦咨询分析师龚瑞蛟指出，这背后有两个原因。首先，碳化硅衬底产品具有较高的附加值，约占60%；

其次，碳化硅衬底的工艺流程复杂，晶体生长非常缓慢，这也是制约碳化硅晶圆产能的关键因素。龚瑞蛟表示，“我们相信，获得SiC衬底的资源将成为下一代电动汽车功率器件的入场券。”目前，国际趋势正在从6英寸转向8英寸，而中国正在从4英寸转向6英寸。再加上堆芯短缺的影响，国内也存在碳化硅衬底产能供不应求的情况。这家顶级电子分销制造商告诉证券时报·e公司记者，车企应用碳化硅解决方案的积极性很高，但问题是产能跟不上。由于短缺等各种原因，一些国内制造商甚至使用4英寸设备制造6英寸碳化硅衬底，难以实现产量。一家国际领先的化合物半导体设备制造商的负责人也向记者证实，设备交付时间已经延长。从2020年下半年开始，由于供应链短缺，正常的6个月设备交付时间从8-9个月变为8个月。尽管困难重重，但国内碳化硅投资布局仍掀起了前所未有的高潮。根据CASA Research的数据，自2018年以来，国内制造商一直在不断扩大其化合物半导体行业。2020年，共有24个招商引资项目，新增694多亿元，同比增长161%。其中，碳化硅领域投资17项，投资额达550亿元，超过氮化镓的投资规模。在碳化硅行业的参与者中，LED制造商凭借其在化合物半导体材料的生产和使用方面的长期经验，表现出了特别积极的表现。作为领先的LED芯片公司，三安光电（600703）进行了重大投资，总投资达160亿元。2021 6月，湖南三安半导体基地一期工程正式启动，旨在打造中国乃至世界第一条、第三条垂直一体化的碳化硅产业链。该公司计划每月生产30000片6英寸碳化硅晶片。据民生证券电子分析师方静介绍，三安光电发展迅速，已获得欧美汽车电子客户的认证。云秀资本高级经理李俊超博士告诉记者，碳化硅等化合物半导体，从半导体照明器件到射频器件和功率器件的应用，都需要更复杂的加工工艺，对精度和纯度的设备要求更高。在国内设备制造商中，中微公司（688012）可以生产氮化镓MOVCD设备，主要面向LED制造商；

北方华创（002371）提供碳化硅外延片生产设备。作为国内领先的碳化硅晶圆制造商，天科和大也是三安光电的供应商。三安光电的子公司三安集成自2018年起进入其前五大客户，并于2020年第一季度成为关联方。截至去年第一季度，其采购比例已达到17.53%，客户数量排名第二。2020年，天科合大对科创板的冲击宣告结束。去年，其原大股东天府能源（600509）出资3.75亿元，以10.657%的股份成为天科合大的第二大股东。天府能源的股价在去年第一季度也上涨了30%以上。A股市场也即将迎来“碳化硅衬底第一股”山东天悦。在半绝缘碳化硅衬底领域，山东天悦拥有国内领先的生产能力，位居世界第三。2020年，产能翻了一番，达到每年4.75万件，2020年相应的业务收入为3.47亿元。山东天悦此次IPO将筹资20亿元，投资“碳化硅半导体材料项目”，计划2022年试生产，预计2026年实现全面投产。碳化硅赛道也吸引了硅基功率模块制造商横向扩大布局，包括采用IDM模式的中车时代电气、比亚迪、四蓝微（600460）、华润微、华微电子（600360）等公司，以及具有设计和模块测试能力的公司，如星半导体、宏微科技、太极股份。，有限公司（300046）。类似地，碳化硅衬底和外延晶片的资源也受到了高度追捧。华润微最近发布了1200V SiC MOSFET的新产品，该公司正在从事硅基氮化镓产品的研发。然而，它也在积极绑定上游衬底和外延片的生产能力。据华润微的一位高管介绍，该公司专注于SiC产品的设计和制造，尚未进入SiC的上游材料领域。不过，公司已对SiC衬底和外延相关企业进行了投资，以更好地确保产能供应。据数据显示，华润微通过华润微电子控股有限公司有限公司持有碳化硅外延片企业韩天成3.2418%的股权。此外，路桥科技（002617）已筹集约6亿元人民币投资6英寸碳化硅衬底，并与东莞天宇签订了战略合作协议，碳化硅外延晶片制造商。后者将优先使用路笑的6英寸碳化硅导电基板，并在2022年至2024年锁定路笑科技不低于15万片的产能。从投资角度来看，从事碳化硅功率器件的公司大多采用IDM模式，在股东和客户双重约束方面进展迅速。去年12月30日，第一批基础半导体碳化硅模块产品成功上市，成为中国第一条汽车级碳化硅功率模块专用生产线。预计到2022年实现量产交付，产能将达到25万个模块。此外，中车时代电气近日宣布，已成功实现年产10万套电力驱动系统。其中，国内首款基于自主碳化硅开发的大功率电驱动C-power 220正式上市，电驱动系统效率高达94%。半导体开发商介绍，功率半导体工艺本身并不固定，很难像台积电那样从代工厂实现标准化产品生产。功率半导体制造商采用IDM模式，可以根据自身情况调整工艺，逐步积累经验，优化最佳产品。然而，传统的Fabless模型制造商也开始建设自己的化合物半导体生产线。作为a股IGBT的龙头，星半导体于2020年12月加大了对碳化硅功率模块产业化项目的投资；

2021 3月，该公司启动了非公开发行计划，筹集资金35亿元，其中5亿元将投资于碳化硅芯片和工业化项目。据了解，Sida半导体碳化硅项目采用IDM模式，目前进展顺利。西部证券（002673）分析显示，由于海外制造商的供应限制，光伏IGBT的国产替代加速，星半导体在光伏客户中逐步完成批量验证，确保了强劲的需求和充足的业务增长势头；此外，该公司的汽车级碳化硅模块已被多家客户指定，目前手头订单约3.5亿元。对此，该公司也向记者确认了订单，但拒绝透露具体客户情况。IGBT同行宏伟科技高管最近在一项调查中介绍，碳化硅器件出货量稳步上升，公司正在与下游客户合作开发大功率碳化硅器件。由于代工芯片成本下降，该公司第三季度的毛利率下降。公司新生产线预计年底前部分投产，自动化率和产品良率均有所提高；目前，我们还没有IDM的实力，未来我们将主要与铸造厂形成战略合作，通过封装来确保芯片产能。此外，A股公司也通过聘请技术团队和收购资产的方式进入碳化硅领域，如路笑科技、凤凰光学（600071）。如今，在碳化硅等化合物半导体领域也有一个重要的参与者——华为。华为的主要优势之一在于掌握了一些新能源设备的终端市场，例如华为在全球领先的光伏逆变器出货量。2021 6月，华为数字能源部门作为全资子公司独立运营，主要产品涵盖光伏、电站、数字中心和电动汽车等领域的能源解决方案。

此前，数字能源部门的产品主要使用英飞凌的电源模块。大约三到四年前，我个人进入了功率半导体领域。一方面是因为功率半导体是产品技术的核心，另一方面是考虑在经历制裁后的供应连续性。该部门最初从氮化镓开始，后来开发了IGBT和碳化硅等半导体。现在，它已经基本涵盖了不同类型和材料的功率半导体。上述说法也可以从股权和客户关系的角度得到证实。记者注意到，在碳化硅龙头天科和达以及山东天悦、东莞天宇等公司背后，已经出现了华为的投资平台哈勃投资，华为或其关联公司被高度怀疑是山东天悦的主要客户。据披露，2014年，山东天悦与上述关联股东客户建立合作关系，开始开发用于生产氮化镓射频芯片的半绝缘碳化硅衬底；

在碳化硅产品需求快速增长后，山东天悦于2019年通过了股东客户合格供应商制度，并于2020年成为公司第二大客户。2021，双方签署了数万件采购框架协议，未来业务量将继续增长。各类半导体的位错发展目前处于化合物半导体布局功率器件的早期阶段，技术路径并不固定。因此，碳化硅也面临着来自氮化镓的竞争。对此，闻泰科技（600745）旗下安世半导体正在积极布局。目前，安塞半导体已经推出了性能在行业领先的第三代半导体氮化镓功率器件（GaN FET），目标市场包括电动汽车、数据中心、电信设备、工业自动化和高端电源，尤其是插电式混合动力车或纯电动汽车。目前，该公司的650V氮化镓技术已通过车辆级测试。此外，碳化硅产品的第一批晶圆和样品已经交付。宁德时代创始人曾毓群还投资了氮化镓新秀InnoSecco，认缴资本为7504.54万元，持股比例为2.12%。作为国内GaN功率器件的领军企业，InnoSeco已经建成了中国第一条8英寸硅基氮化镓外延和芯片量产线，最近将ASML光刻机引入氮化镓量产线，进一步提高了硅基氮化镓功率器件制造的产能和良率。然而，氮化镓目前的情况有些尴尬。半导体开发商介绍，GaN在中低压应用领域与MOSFET重叠，但在100V左右的低压下，其成本效益不如MOSFET。其最大的优势仍然在高频，因此在射频芯片和激光雷达等领域有着强劲的需求。Innosek的8英寸氮化镓技术与国外先进水平相当，但他们仍在寻找客户来消化产能。他们原本是IDM模式，但现在愿意接受一些OEM订单来消化产能， ”上述半导体开发商表示。电子行业分析师向记者介绍，从投资逻辑来看，目前的主题是衬底产能不足。预计产能增加时，将关注模块、MOS等方面；但也值得注意的是，硅的占比碳化物和氮化镓业务在当前上市公司的业务量中普遍不显著。龚瑞蛟还告诉记者，碳化硅更适合一些大功率领域，如特高压电网、风电、光伏、储能、新能源汽车等。在新能源汽车中，电池电压系统的升级反映出对碳化硅系统的影响更为明显；

氮化镓更适合于高频场，例如ACDC转换。现在最受欢迎的应用是快速充电头，未来也将扩展到数据中心和汽车行业。毕竟，化合物半导体想要动摇的是硅片市场的长期主导地位和持续演变。深圳大学半导体制造研究院院长王旭锦近日在吉邦峰会上指出，硅基半导体的市场规模已经超过1000亿美元，化合物半导体未来的市场规模约为前者的十分之一。据统计，国内碳化硅项目有100多个，碳化硅晶片从长结晶、切片、研磨到外延需要很长时间，缺陷多，生产良率仍然很低。投资需要仔细考虑。一些汽车制造商声称，他们预计到2023年将用SiC汽车功率半导体完全取代硅基IGBT。然而，更多的电子专业人士认为，碳化硅和硅等化合物半导体的共存将是未来的常态。陈东坡指出，碳化硅在高压和中压领域更有优势，而硅器件在成本敏感领域更有优势。据预测，长续航里程汽车引入碳化硅的驱动力相对较强，预计2023年至2024年将实现100%引入；射程400-500公里的型号预计将在2024年后推出，渗透率约为40%；续航里程小于400公里的车型预计将在2025年后逐步效仿，预计渗透率在10%左右。吉邦咨询预测，随着高压汽车平台的增加趋势，预计2025年电动汽车市场对6英寸SiC晶片的需求将达到169万片。SiC功率器件的全球市场规模将从2020年的6.8亿美元增加到2025年的33.9亿美元，年复合增长率为38%。其中，新能源汽车的主逆变器、OBC和DC将成为主要驱动力，或在2025年占据62%的市场份额。王旭锦指出，相比之下，全球半导体行业已经经历了几十年的整合，海外公司采用“集团军”模式，中国则处处是“游击队”。如果我们想赶上和超越，我们需要资本来整合“游击队”，未来五年将是一个整合期。

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