1998
作为第三代半导体材料的代表，碳化硅近年受益于电动汽车的发展，备受行业关注。从2018年，特斯拉开启碳化硅上车后，无论是车企、Tier 1还是芯片企业都在积极布局这一赛道。
集邦咨询预计，2022年车用SiC功率器件市场规模将达到10.7亿美元，至2026年将攀升至39.4亿美元。投资银行Canaccord Genuity估计，碳化硅晶圆产能将从2021年的12.5万片6英寸晶圆增加到2030年超过400万片6英寸等效晶圆，以满足电动汽车市场的需求。
如Wolfspeed、ST、安森美、英飞凌等宣布了“十亿美元”目标，同时也正积极扩产中。国内碳化硅产业也备受资本追捧，据不完全统计，2022年国内碳化硅领域有超过30起融资案，合计金额超过33亿元。仅仅是在2022年12月，就有7个融资案，包括臻驱科技、芯聚能、邑文科技、瞻芯电子、南砂晶圆等。进入2023年，从1月份至今，也有7家碳化硅企业完成融资，设计碳化硅衬底、外延片以及器件三大环节，合计金额超过20亿元。
碳化硅在资本市场的热度很高，很多碳化硅相关项目的估值都处在高位。业内普遍看好碳化硅前景，纵使最近特斯拉宣布在下一代汽车平台上减少碳化硅用量，也并没有对行业预期判断造成重大影响，但劲邦资本汽车行业项目负责人贡玺对此抱持谨慎态度。
他认为，碳化硅器件还处于工艺和衬底尺寸迭代的过程中，对良率、成本的波动较为敏感，鉴于8英寸衬底与沟槽型器件结构会为性能和成本带来巨大的成长空间，未来碳化硅市场格局也会发生变化。
01、成本高、良率低衬底产能限制市场供给
在制造碳化硅芯片之前，首先要经过衬底制造和外延片生产的步骤，这两大工序是碳化硅器件的重要组成部分。从碳化硅器件的制造成本结构来看，衬底成本最大，占比达47%；其次是外延成本，占比为23%。
衬底是碳化硅晶圆的雏形，它通过将高纯度的硅粉和碳粉混合生成碳化硅粉原料，再经过特定环境下的晶体生长方法，生成圆柱状的碳化硅晶锭，而后进行加工，切割就得到了厚度不超过1mm的碳化硅晶片，晶片经过研磨、抛光和清洗最终得到了碳化硅衬底。
在制作碳化硅衬底的过程中，从原料的纯度到晶体生长的环境控制再到后期加工都有着极高的要求，因此碳化硅衬底的制造存在长晶速度慢、晶体形状要求高、切割磨损高等问题。这直接导致了衬底的良率低且产能少的问题。
衬底的质量直接影响后续外延片生成的质量，继而影响碳化硅成品器件的性能。所以，行业普遍认为，未来几年整个碳化硅产业还是以衬底材料产能为驱动力。
据Wolfspeed预测，2022年SiC材料的市场规模为7亿美元，器件市场规模为43亿美元。2026年SiC材料市场规模达到17亿美元，器件市场规模将达到89亿美元。2022至2026年，材料市场规模年均复合增长率为24.84%，超过器件市场规模的年均复合增长率。
从全球碳化硅衬底市场份额来看，Wolfspeed、罗姆、II-VI合计占据80%，也就意味着这三家扩产的节奏会限制衬底的供给。
另一方面，这三家企业正逐渐提高材料自用的比例，比如Wolfspeed的材料自用比例将从2021年的40%提高到2024年的56%，能够流出到市面的产能进一步被压缩。未来几年会对全球衬底产能造成更大的压力。
我们可以看到，奔驰、路虎、Lucid Motors、通用、大众等都选择与Wolfspeed开展合作，这说明目前碳化硅产业不光是器件端，甚至更下游的系统供应商或整车企业都纷纷往上游的供给端做产能预定。
贡玺指出，目前无论是头部企业，还是处于中部的企业，衬底的良率和品质是不尽如人意的。这就会导致不满足于MOSFET要求的衬底去冲击肖特基二极管（SBD）的市场。如果这部分衬底的良率和品质能够提升的话，是可以帮助缓解MOSFET产能端的制约，这取决于国内的衬底企业的良率和品质会随着时间提升到何种程度。
02、衬底与器件工艺迭代 碳化硅市场远未成熟
与MOSFET一样应用于汽车主驱系统中的还有硅基IGBT，作为发展非常成熟的功率器件，它的工艺迭代是围绕结构进行提升的。贡玺认为，这一点上，碳化硅器件的发展也会如此，即从平面构型到沟槽型架构的演变，会带来性能与成本上的成长空间。
此外，从6英寸衬底迈向8英寸衬底也会带来巨大的变化，成为分水岭。Wolfspeed预计，到2024年单片8英寸裸片的成本会是目前6英寸的37%，也就意味着成本下降了63%。这个成本的下降里面包含良率的提升以及裸片数量的提升。
Yole在报告中指出，8英寸碳化硅晶圆被认为是扩大生产的关键步骤。目的显然是为了提高产量，在下一轮竞争中获得优势。主要IDMs正在开发自己的8英寸碳化硅晶圆制造能力；截至 2022 年，一些晶圆供应商已经开始出货样品。在 Yole 的功率碳化硅预测中，6英寸仍将是未来五年的领先平台。然而，2022 年开始首批 8 英寸，它将被市场参与者视为战略资源。
叠加器件构型的影响，Wolfspeed预计如果采用8英寸衬底+沟槽型方式，未来几年，碳化硅器件成本会下降到目前6英寸+平面型结构的28%。
随着工艺和衬底尺寸的变化，对于器件成本的冲击是巨大的，无论是构型还是8英寸衬底的投产方面，未来都将对现有的市场格局形成冲击，这迭代过程中，即是国内企业的机会。
03、掌握上游材料端 国产替代的关键抓手
汽车电压平台正从400V-600V-800V演进，但实际上演进的速度要比上游碳化硅材料端发展得快，也就意味着上下游的窗口期是不匹配的，尤其是对于国内的碳化硅产业而言，更是如此。
这会导致供需两端产生更大的落差，谁能来填补，怎么来填补？这是我们需要思考的问题。
贡玺表示，很多投资机构单纯以碳化硅器件的出货量或是未来几年的研发投入作为对产业的判断是比较静态的观察视角，但碳化硅产业还是要以动态的眼光去看未来几年碳化硅器件市场的规模。
整个碳化硅产业链分成不同的环节，上游产业链包括原材料、衬底材料及外延材料，中游包括芯片结构设计、芯片制造、器件及模块，下游应用领域包括太阳能光伏、半导体行业、汽车行业、轨道交通行业、5G基站、建材行业和钢铁行业。
每个环节各个企业的布局不尽相同，有做IDM形式的，有单纯的做衬底或外延材料的，也有外延片+器件形式的。芯智库专家测算，如果以外延+器件的方式去做的话，毛利大概在60%左右，如果去掉外延片业务，毛利在37%左右。后者的毛利与硅基器件厂商基本持平。
这说明，如果不掌握上游材料端，仅单纯做碳化硅器件，从毛利角度看并没有比硅基器件有利润。
叠加前文所讲的衬底尺寸及器件构型的变化，未来几年国内市场会面临成本端的巨大压力。所以要把握住未来产业的机遇的关键即是要发展上游材料产业。
碳化硅衬底尺寸向8英寸转变还需要2-3年的时间，短期来看，基于6英寸衬底制作的碳化硅器件的性价比尚在。但从中长期来看，对于目前的大规模出货的碳化硅MOSFET厂商而言，未来会面临挑战和压力。
Yole称，两个主要趋势正影响碳化硅供应链：晶圆制造和模块封装的垂直整合，以在未来几年获得更多收入。在此背景下，终端系统公司（例如汽车 OEM）正在更快、更灵活地采用碳化硅来管理市场上多个晶圆供应商的供应。
相比硅和砷化镓等而言，在以三代半为代表的宽禁带半导体领域，我国和国际巨头之间整体技术差距相对较小，海外企业如Wolfspeed、ROHM、ST等具有先发优势，但未形成专利、标准的完全垄断，国产企业正加速入局积极追赶，目前已初步实现了全产业链自主可控。
以上观点出自于贡玺在芯智库“相约芯期二”沙龙活动上的分享。
作者： Jimmy
下载ECAD模型
