随着市场发展,碳化硅在能源、基础设备,汽车、工业等设备领域应用广泛。2014 年,碳化硅还是一个不到百万美金的市场,2019 年已经接近 800 百万美金,未来还会以更快的增长速度发展。然而,面对不断旺盛的需求和目前产业条件,想要突出重围的难度愈发困难,对于国内企业来说,红利显著但机会不多。

 

第三代半导体进入关键期

半导体照明产业作为第三代半导体产业首个突破口,目前我国是全球最大的半导体照明生产、消费和出口国,目前进入半导体照明产业大国向强国转变关键期。 以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料的应用前景十分巨大。2016 年碳化硅电力电子器件市场规模在 2.1 亿—2.4 亿美元之间,占有率已经达到 2%。预计 2021 年全球碳化硅市场规模将超过 6 亿美元。

 

如果这些射频器件做成射频系统或者模块,其总市场规模在 100 亿美元以上。中国第三代半导体正处于研发及产业化发展的关键期,相较于硅基半导体,全球产业处于起步阶段。 第三代半导体产业面临新的窗口期,国际半导体产业和装备巨头还未形成专利、标准和规模的垄断。中国精密加工制造技术和配套能力的迅速进步,已经具备开发并逐步主导该产业的能力和条件。

 

但国内整个产业依然面临国外产品的竞争压力,国际上近 10 家企业已有功率半导体器件、射频器件等商业化产品。而我国的产业化格局不尽人意,仅有少量二极管产品,三极管仅有原型器件,没有产业化生产线、技术团队欠缺等产业现状亟待改变。

 


SiC 产业窗口期正在关闭

碳化硅为第三代半导体的主要代表之一,拥有禁带宽度大、器件极限工作温度高、临界击穿电场强度大、热导率等显著的性能优势,在电动汽车、电源、军工、航天等领域备受欢迎,为众多产业发展打开了全新的应用可能性,被行业寄予厚望,但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。

 

从国际产业动态来看,特斯拉 Model3 全面应用意法半导体的碳化硅器件,德国英飞凌正式提出收购意法半导体的要约,国际主流器件厂商纷纷与美国科锐锁定长期碳化硅晶圆供货协议,这些动态已经足以警醒中国功率器件产业,碳化硅产业已经成熟,而且中国企业进入碳化硅产业的窗口期正在关闭。

 

未来五年,全球碳化硅功率器件的产值将会由 2018 年的 40 亿元向 100 亿元突破,届时中国如果还没有一家企业拥有 5 亿元市场的销售业绩(约 5%的市场占有率),那么意味着中国企业将再次在功率器件产业上落伍,至少要再次承受 15 年、一整代人的落后。

 


国内 SiC 产业优劣并存

中国碳化硅产能、消费量全球第一,但产能利用率低。同时也是碳化硅最大的生产国和消费国,目前大约有 200 多家生产企业从事碳化硅冶炼。

 

2016 年全球碳化硅的产能在 310 万吨左右,其中中国碳化硅产能为 230 万吨左右,占据全球 75%左右的份额。除了中国以外,世界上主要的碳化硅生产地集中在美国、俄罗斯、德国、荷兰、日本等国。

 

此外,中国也是碳化硅最大的消费国。2016 年,中国的消费量达到了 65 万吨左右,占据全球 50%左右的消费市场份额。

 

然而,由于我国碳化硅行业产能过剩严重,导致行业产能利用率低,多数企业的开工率不足 5 成。具体为黑碳化硅约为 60%,绿碳化硅为 30%,综合开工率为 50%。产能的严重过剩,导致行业竞争加剧,企业整体只能维持微利。

 


全球各大厂商展开布局

由于 SiC 具有高耐压、低损耗、高效率等特性,可以让功率器件突破硅的限制,带来更好的导电性和电力性能。这些特性的提高,正与目前市场上热门的汽车电子、工业自动化以及新能源等领域的需求相契合,因而各大厂商纷纷在 SiC 上展开了布局。

 

根据 Yole 于 2018 年发布的《功率碳化硅(SiC)材料、器件和应用》报告预测,到 2023 年 SiC 功率市场总值将超过 14 亿美元,2017 年至 2023 年的复合年增长率(CAGR)将达到 29%。

 

目前,SiC 功率市场仍然主要受功率因数校正(PFC)和光伏(PV)应用中使用的二极管驱动。预计五年内,驱动 SiC 器件市场增长的主要因素将是晶体管,该细分市场在 2017—2023 年期间的复合年增长率将达到惊人的 50%。

 

从产业链角度看,SiC 包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。其中,尤以美国、欧洲、日本为大。美国居于领导地位,占有全球 SiC 产量的 70%—80%;欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链;日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

 

在全球市场中,单晶衬底企业主要有 cree、dowcorning、sicrystal、ii-vi、新日铁住金、norstel 等,外延片企业主要有 dowcorning、ii-vi、norstel、cree、罗姆、三菱电机、infineon 等,器件方面,全球大部分市场份额被 infineon、cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

 

由于碳化硅产业环节如芯片性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强,不少企业仍选择采用 idm 模式,如罗姆和 cree 均覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件、模组全产业链环节,其中 cree 占据衬底市场约 40%份额、器件市场约 23%份额。

 

如今 SiC 器件在国内光伏逆变器、车载充电器、充电桩等领域虽已开始应用,但国内市场上大部分碳化硅功率器件依赖进口,主要为 cree、infineon、罗姆等占有。

 

不过,近年来国内已初步建立起相对完整的碳化硅产业链体系,包括有 idm 厂商中车时代电气、世纪金光、泰科天润、扬杰电子等,单晶衬底企业山东天岳、天科合达、同光晶体等,外延片企业天域半导体、瀚天天成等,部分厂商已取得阶段性进展。

 


我国 SiC 产业努力结束垄断

在半导体对外投资受阻情况下,国内自主创新发展是必由之路。2018 年,在政策和资金的双重支持下,国内第三代半导体领域新增 3 条 SiC 产线。

 

生产模式上,大陆在第三代半导体电力电子器件领域形成了从衬底到模组完整的产业链体系,器件制造方面以 IDM 模式为主,且正在形成“设计—制造—封测”的分工体系;大陆代工产线总体尚在建设中,尚未形成稳定批量生产。

 

区域方面,我国第三代半导体产业发展初步形成了京津冀、长三角、珠三角、闽三角、中西部 5 大重点发展区域,其中,长三角集聚效应凸显,占从 2015 年下半年至 2018 年底投资总额的 64%。此外,北京、深圳、厦门、泉州、苏州等代表性城市正在加紧部署、多措并举、有序推进。

 

总体而言,我国第三代半导体技术和产业都取得较好进展,但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距,市场继续被国际巨头占据,国产化需求迫切。

 

 

我国从 2014 年碳化硅二极管就已经实现了量产,但事实上,还没有形成完整的产业,与外国产业规模差距大,国内市场上大部分碳化硅功率器件依赖进口,形成国际大厂垄断局面。

 

单晶衬底方面,中科钢研打造全国最大的碳化硅晶体衬底片生产基地,我国将有望摆脱碳化硅半导体衬底片依赖进口的尴尬局面。

 

外延片方面,瀚天天成将在明年上半年逐步释放新产能,实现每年 30 万片的产能目标。

 

器件方面,泰科天润已建成国内第一条碳化硅器件生产线。基本半导体自主研发的 650 -1700V 3D SiC™系列 SiC JBS 已火热上市。


结尾:

目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期,但国际厂商已实现多个环节规模量产技术瓶颈的突破,并已摩拳擦掌、即将掀起一场大战,而国内碳化硅产业仍处于起步阶段,与国际水平仍存在差距,摆在国内企业面前的是可观的前景以及突围的难度。