中金|碳化硅器件百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT

中金 | 碳化硅器件百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章

2022年6月30

摘要

受制于上游原材料供应较少，短期SiC器件供需仍有望维持紧张。我们测算，2021年全球6英寸SiC衬底年产能在51万片，并在积极扩产之中，2022年新能源车+光伏应用有望带来4.5万片/月（54万片/年）6寸SiC衬底产能需求（已考虑良率）。考虑到导电衬底需求正在快速爬坡，我们认为在8寸晶圆大规模普及之前，导电型衬底供应量较少依然制约了SiC器件市场快速发展，器件价格年降幅也相对有限。

五年全球SiC器件及模块市场规模有望突破百亿美元。根据我们对新能源车、光伏等主要赛道自下而上市场规模的测算，我们认为2027年全球SiC器件（不含模块）全行业市场规模有望达到76亿美元，包含模块的全行业市场规模达到112亿美元，2022-27年五年复合增速超过35%，其中22-24年是行业增速的最快时期。而在2025年前后，我们认为8寸晶圆有望大规模应用，加速SiC成本下降，但SiC在全行业中渗透率也有望呈现快速提升。

中国企业有望迎来较大商业机会。在2022-2024年间，我们认为中国本土新能源车、光伏逆变器品牌商有望积极推动SiC器件渗透，相关需求有望快速成长却面临全球SiC器件供应量受限。我们认为，本土SiC器件供应商有望把握国产替代机会，复制硅基IGBT时代辉煌，拥有全产业一体化（材料、制造、封测）能力的企业存在着更大的竞争优势。技术路径上，我们认为中国企业有望依照SiC二极管->高导通电阻MOS->低导通电阻MOS->大电流模块产品的四段式路径进行迭代，目前大部分企业已拥有了SiC二极管及高导通电阻MOS产品的设计或制造能力。

二极管及MOSFET是碳化硅器件（单管）的主流形态，模块产品日渐丰富

与硅基器件类似，碳化硅器件主要分为二极管类器件、晶体管类器件两大类。其中二极管及晶体管类的MOSFET器件应用较为广泛。

图表碳化硅二极管的主要结构主要包含SBD、JBS及PiN二极管三类

图表不同类型SiC MOSFET对比

在SiC材料的相关研究报告（碳化硅材料乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追）中我们指出，目前上游获得近乎完美的高质量SiC衬底难度依然较大，且由于缺陷在晶圆中一般会均匀分布，因此面积越大的SiC器件的良率也就越低，即便是其单位面积导通电阻大幅低于Si基器件，目前单颗SiC MOSFET的电流输出能力依然有限。我们看到，为使更加系统稳定、可靠地达到更大的输出电流，多个SiC MOSFET器件并联后封装成模块（模组）的出货形式也非常普遍。Wolfspeed，Rohm，STMicro，On Semi，Infineon及Semikron等海外知名厂商均推出了不同种类的SiC MOSFET模块产品，从半桥模块到三相全桥模块均有涉及，以灵活满足不同应用的需求。

图表碳化硅与硅基二极管的价格对比

图表碳化硅与硅基MOSFET的价格对比

资料来源贸泽电子，中金公司研究部，注价格数据更新于2022/6/26

我们看到，Tesla Model 3是市场最早应用SiC于主逆变器的车型，其双电机版本输出功率达到358KW，配备76kwh容量三元电池的长续航版能实现595公里的NEDC续航里程，自2018年起开始放量销售。我们看到，近几年来，除了现代、起亚、通用等国际知名车企在使用SiC器件于新能源车主逆变器中迅速跟进外，国内的比亚迪、造车新势力相关企业也相继推出相关车型。比亚迪汉的双电机版本可以实现363KW的功率输出，采用磷酸铁锂的情况下，配备76.8kWh容量的电池包便能达到605公里的续航里程，我们认为SiC器件发挥了重要的作用。根据我们统计，2021年配备碳化硅器件于主逆变器的车型达到100万辆水平，以全球新能源车出货量650万辆计算，目前SiC在主逆变器中的渗透率已经达到15%。

图表配备SiC主逆变器的车型梳理

近年来，由于整体上网电价呈现下滑趋势，光伏逆变器需不断提高运行效率，降低系统度电成本，而配备碳化硅器件的光伏逆变器凭借其优良的物理特性有望满足上述需求，并在光伏逆变器应用中全面普及。由于更常见的组串式光伏逆变器电路拓扑结构中，存在二极管及IGBT两种器件类型，因此，我们认为未来SiC二极管及MOSFET有望对Si二极管及IGBT形成全面替代。

从实际应用情况来看，以龙头企业阳光电源产品为例，2013年公司便开始应用SiC二极管于30KW机型上，2017年公司实现了SiC模块的上机（80KW机型）。目前，阳光电源基于碳化硅 MOSFET 的165kW光伏逆变器原型机已实现了1.25W/cm3的功率密度与40KHz的开关频率，最高效率达到 99.2%。

图表阳光电源在SiC逆变器上的布局

结合安森美公开官网披露的各不同电压/内阻等级的晶粒尺寸数据，以及我们对SiC器件在各个子系统中渗透率、制造良率的假设，我们测算2022全球年新能源车用SiC器件产能需求为3.0万片/月6寸晶圆，若考虑70%的衬底良率，2022年全球新能源车用SiC衬底产能有望达到4.3万片/月6寸晶圆。2025年，尽管材料与器件制造良率呈现提升，相关需求也有望成长至16.0万片/月6寸晶圆（器件）及20.0万片/月6寸晶圆（衬底），即对应240万片/年以上的6寸衬底产能需求。

图表新能源车用SiC产能需求分析（器件/衬底）

资料来源英飞凌官网，安森美官网，Caly Technologies，中金公司研究部

结合安森美公开官网披露的各不同电压/内阻等级的晶粒尺寸数据，以及我们对SiC器件在各个子系统中渗透率、制造良率的假设，我们测算2022年/2025年全球光伏用SiC器件产能需求为0.15/0.73万片6寸晶圆每月，而2022年/2025年全球光伏用SiC导电型衬底产能需求合计0.21/0.92万片6寸晶圆每月，相比新能源车领域应用绝对体量存在较大差距。

图表光伏发电用SiC产能需求分析（器件/衬底）

资料来源英飞凌官网，安森美官网，Caly Technologies，中金公司研究部

根据Yole及Wolfspeed数据，我们测算2021年全球SiC衬底产能约为51万片每年，并在积极扩产之中。我们认为，若2022年仅光伏+新能源车应用便带来4.5万片/月6英寸SiC衬底产能需求（良率已考虑在内，对应年产能约54万片/年），且下游需求端开始加速起量，行业供需可能持续存在缺口，当前上游材料供给端受限依然是SiC下游落地的主要掣肘。反映到成本上来看，我们认为SiC器件紧张的供需环境（主要归因于衬底的紧缺）使其价格下降在未来2年内依然难出现明显加速趋势，该假设也是下文中我们测算市场空间的重要基础。而对于未来会给碳化硅器件产能及制造成本带来较大冲击的8寸晶圆商业化进度，我们接下来会做重点讨论。

国内与海外公司的比较正视差距，奋起直追

目前，SiC器件的市场份额还主要由国外公司占据，根据Yole的数据，2021年海外公司Infineon、 STMicroelectronics、Onsemi、Wolfspeed、Rohm在全球碳化硅器件的市场份额合计占比达到88%。

图表2021年碳化硅功率器件市场市占率

国内企业的发展现状与追赶路径

我们认为，尽管国内企业在SiC器件领域起步较晚，但面对全球市场快速增长，行业供需紧张，叠加国内企业在新能源车、光伏逆变器等终端品牌市场份额的逐步提升，我国企业有望从SiC二极管或较高导通电阻的MOS产品切入，满足消费类产品、工业电源、车载充电机及小功率光伏组串式逆变器领域应用，之后逐步将产品迭代至低导通电阻MOS，并补足模块封装实力，全面进入新能源车主逆变器SiC产业链。

二极管设计方面，国内企业已经有较广泛的布局，电压范围覆盖650V-1200V，电流范围覆盖2A-20A，并提供TO-220/247-252等多种封装形式。但整体来看，在高压领域（1200V以上）布局企业较少，大电流（20A）以上布局企业较少，目前对一些特殊应用支持能力缺乏（如1500V的光伏系统、轨道交通、电网）。从性能指标来看，部分指标仍与海外公司有较大差距，如总电荷（Qc，影响开关速度），浪涌电流（决定过载能力，部分逆变场景要求较高）、以及雪崩性能等。目前来看，泰科天润、瞻芯电子、基本半导体、华润微、三安光电及扬杰科技拥有制造产线，其中泰科天润、三安光电、华润微的产品通过了车规级认证（制造端IATF16949，设计端AEC-Q101）。

图表主要国内外SiC 二极管企业对比

资料来源各公司官网，中金公司研究部，注息统计截止2022/6/26

在MOSFET设计领域，由于器件结构更加复杂，工艺技术不稳定，即便目前海外企业已有5-10年的量产经验积累，部分企业仍然停留在可靠性较高的平面型结构（Wolfspeed、Onsemi都是典型的例子），部分企业在沟槽型路线上进行多次技术迭代（如Rohm，意法半导体等）。主流企业来看，目前基本实现了SiC MOSFET应用在新能源车主逆变器中的突破。从SiC MOSFET的技术发展来看，我们认为主要需要经过以下三个阶段

1）小电流的SiC MOSFET在工业化领域的规模化应用经验，如光伏逆变器、电动汽车充电桩等，内阻在40毫欧以上；2）开发大电流的SiC MOSFET（比如15毫欧以下，单管电流通过能力超过100A以上的器件)；3）开发大功率SiC MOSFET模块（例如将多个10-15mohm SiC MOSFET集成到一个模块中，从半桥模块过度到三相全桥模块，形成下游客户习惯的三相全桥器件，满足当下车用主逆变器的供应能力，未来封装形式上还需要近一步优化迭代）。根据泰科天润估计，每个里程碑的实现需要耗费大约1 年的时间，因此要达到电动汽车逆变器的国际巨头过去几年达到的高度，至少还需3-4 年的时间。目前主要国内企业设计水平基本还停留在第一或第二阶段，我们认为国产SiC MOSFET产品进入汽车主逆变器领域至少要到2023年下半年。

图表主要国内外SiC MOSFET企业对比

资料来源各公司官网，中金公司研究部，注息统计截止2022/6/26

在前文中我们已经讨论到，SiC器件的制造过程与Si基器件存在较大不同，通过技术改造方式将Si基生产线转化为SiC基生产线仍然需要较大投资，且由于高温退火、高温离子注入、高温氧化等工艺较难且相关设备不易获得，能制造SiC MOSFET的企业尚少，大部分海外龙头厂商以IDM模式运营，能够提供较强代工实力的企业很多也位于海外或中国台湾地区（如意法半导体，X-FAB，东部高科，汉磊等）。我们认为拥有自有产能的企业有望更主动地把握下游应用快速上量，配合关键客户进行产能扩张来构筑竞争护城河；此外，由于高质量导电型衬底供应紧张（海外龙头企业优先保证自己供应或供给大客户，国内企业有效产能仍低），短期内上游高质量碳化硅原材料供应受限也影响了其下游器件制造良率的提升及产能扩张，拥有上游原材料到制造封测一体化能力的IDM企业有望更大程度受益于2022-2024年行业高速成长期。

图表主要国内企业制造产能梳理

资料来源各公司官网，中金公司研究部