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

作者：成乔升 李学来等
来源：中金点睛

第三代化合物半导体材料碳化硅（SiC）具有宽禁带、高载流子迁移率等优良的物理特性，若用碳化硅材料制成的半导体器件去代替硅基电力电子开关，可以使电力电子系统效率优化、功率密度得到提升，并降低系统成本，或为终端客户在产品生命周期内创造更大收益。我们认为，在新能源车、光伏发电等重点行业终端出货量快速成长，叠加SiC渗透率提升且短期内器件价格降幅有限的背景下，2022-2024年SiC器件市场规模有望迎来增速最快的三年周期。中国相关供应商虽起步较晚，但得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，我们认为国内企业获得了入场机会，且有望通过技术快速迭代和产能扩张受益于SiC器件全球需求景气及国产化趋势。

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。

风险

SiC器件渗透率不及预期、行业竞争加剧、中国企业技术迭代及扩产较慢。

正文

SiC器件：物理特性优势明显，降本增收激发需求

优异的物理特性为碳化硅在电力电子领域打开广阔的成长空间

得益于较大的成本优势，在过去的几十年中，硅基功率半导体器件是在电力电子开关中应用广泛。而近十年来，对电力电子系统日益提高的效率要求使第三代化合物半导体材料碳化硅及其制成的器件逐渐步入了人们的视野。我们认为，与硅基器件差异最大的部分是碳化硅器件拥有更大的禁带宽度（3.4eV，硅基为1.1eV）且更优秀的载流子迁移率（本征载流子迁移率为硅的3倍），上述材料特性有望为碳化硅在电力电子领域应用带来明显的差异化表现。细分来看，1）较大的禁带宽度决定了碳化硅可以拥有更低的本征载流子浓度，器件电流随温度衰减较小，且较大的禁带宽度给予了碳化硅更高的击穿电场强度（硅基材料的7倍左右），使其耐压特性大大提高， 制造1200V以上的MOSFET器件成为可能，保证了在高电压环境下理想的开关频率；2）碳化硅材料较大的载流子迁移率使其制成的器件单位面积导通电阻小于硅基器件，可以在更小芯片上输出更大电流。综合以上因素，我们认为，若用碳化硅器件去代替硅基电力电子开关，可以使电力电子系统效率优化、功率密度得到提升，并降低系统成本。

图表：碳化硅拥有比硅材料更大的禁带宽度

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

图表：碳化硅优异的物理特性助力电力电子系统效率提升

资料来源：泰科天润官网，英飞凌官网，中金公司研究部

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

资料来源：T. Ayalew等人：《SiC 半导体器件技术、建模和仿真》，T.Yasunori等人：《开发用于高压功率逆变器的 6kV 级 SiC-PiN 二极管》，中金公司研究部

图表：不同类型SiC MOSFET对比

资料来源：WINSOK微硕官网，中金公司研究部

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：不同种类的SiC MOSFET模块一览

资料来源：罗姆官网，Wolfspeed官网，ST官网，Infineon官网，Onsemi官网，中金公司研究部

碳化硅的核心商业价值在于降低系统成本或实现更大经济效益

尽管在上文中，我们提及了碳化硅器件相比硅基产品的优势所在，但我们认为目前抑制下游客户大量采购碳化硅二极管/MOSFET来替代硅二极管/IGBT的核心因素在于明显的成本上升。由于碳化硅衬底制造良率、效率依然较低，以及器件加工、模块封装侧依然存在较高壁垒，目前碳化硅器件生产成本较高，推动其售价走高，给市场目标客户造成了较大的成本压力。举例来看，1）二极管产品方面，目前主流SiC二极管产品的价格是同规格Si二极管的1.3倍起；2）MOSFET产品与IGBT产品对比方面，由于硅IGBT标称参数为电流，而SiC MOSFET标称参数为导通电阻，需经过一系列的复杂换算才能得到对标产品，且对于工作频率、温度等环境参数的未知性，我们在此只能近似挑选相近规格的产品做对比（如10mohm的SiC MOSFET产品大概对应100A的Si-IGBT），目前SiC MOSFET的价格大约为可比Si IGBT器件的3-4倍。

但是，在SiC器件成本难以对Si实现平价化的前提下，我们认为碳化硅依然存在商业价值，其核心原因在于以半导体成本的提升换取系统效率的提升，最终可以带来系统成本降低，或帮助下游客户在产品的全生命周期内实现更大的经济利益，在碳化硅成本逐步下降的同时，下游市场也有望迎来较大规模成长。在下文中，我们将举一些重点应用领域的例子来说明碳化硅器件的市场机会。

图表：碳化硅与硅基二极管的价格对比

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

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

举例1：碳化硅在新能源车领域的应用

我们看到，面对新能源车领域续航里程短、补能时间长两大痛点，碳化硅器件（及模块）在新能源车主逆变器、车载充电机、直流转换器及快速充电桩等领域均有实际的应用需求，来替代硅基IGBT或超级结器件。对于不同的子系统，其输出功率、工作频率需求呈现差异化，其中主逆变器为大功率低频场景（功率100KW以上，工频50KHz以下）；而车载充电机/DCDC为小功率高频场景（车载充电机：功率3.3KW-22KW，工频100KHz-300KHz；DCDC：功率3KW，工频100KHz以上）。我们在下文中会对上述系统应用SiC的案例逐一分析。

图表：SiC有望在新能源车的多个子系统中得到应用

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

首先，新能源车主逆变器中有望运用SiC MOSFET替代Si-IGBT。与IGBT相比，由于碳化硅不用并联快恢复二极管FRD（MOS器件存在体二极管），因此碳化硅具有反向恢复损耗（Err）较低的特性，且MOS器件不存在少子拖尾电流，关断损耗也相对较低，且在同样的电压条件下，有望助力逆变器输出更大的功率。根据安森美的数据，以A级车用电控为例，以1.7mohm/2.2mohm内阻的SiC模块直接替换820A规格的Si-IGBT模块，全逆变损耗有望降低45.3%/25.3%，开关平均损耗有望降低34.5%/16.3%，在不改变450V直流母线电压的情况下，系统效率提升5%。若以英飞凌的测试结果为例，将直流母线电压提高到800V后（在同样的输出功率情况下降低电流，进一步降低电机损耗，800V系统需要使用1200V的功率半导体器件，SiC使800V的直流母线电压成为可能），使用SiC MOSFET替代Si-IGBT器件用于汽车主逆变器，系统效率有望提升7.6%。尽管SiC带来的效率提升仅在中高个位数百分比区间内，但对于50kWh以上电池容量的电池包，我们认为应用SiC器件的主逆变器带来的效率提升如果超过5%，则其带来的电池成本节约将大于半导体器件增加的成本，成本节约主要来源于可以在维持续航不变的前提下使用容量更小的电池包（具体敏感性分析如图15所示），SiC落地具有商业价值。此外，若考虑到SiC器件可以带来散热器及被动元器件重量体积的减少，SiC器件应用于新能源车的主逆变器可带来系统成本的进一步降低。

图表：安森美指出，采用SiC器件替代Si IGBT配合450V直流母线电压，逆变器效率有望提高5%

资料来源：安森美官网，中金公司研究部

图表：采用800V系统及SiC逆变器有望给系统带来7.6%的效率提升

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

图表：电池成本下降 vs. SiC带来主逆变器效率提升的敏感性分析

资料来源：国轩高科招股书，英飞凌官网，安森美官网，中金公司研究部；注：假设方面，锂电池制造单位成本假设为0.8元/Wh，SiC逆变器较Si逆变器带来的单车成本上升为2000元

图表：采用SiC的逆变器将带来被动元件体积的下降，带来逆变器整体体积的明显降低

资料来源：英飞凌官网，Wolfspeed官网，中金公司研究部

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

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

第二，碳化硅器件在车载OBC领域也有望得到大规模应用。我们认为车载充电机（OBC）与车外固定直流快速充电桩相比，由于安装于车内整体体积受限，且使用频率更高，直接影响客户补能体验，因此OBC对于功率密度、整机效率的要求一般高于其他车载电源零部件。通过使用碳化硅器件替代OBC中的二极管或MOSFET，尽管单个功率器件成本呈现增加，但是通过减少散热器、被动元件尺寸、简化电路以及实现效率提升，可以给终端用户带来更好的价值。未来来看，随着未来主力车型续航里程变长，电池包容量增大，为解决补能时间痛点，车载充电机主流功率将有目前的3.3KW-6.6KW上升至11KW-22KW，为使其正常工作也需要高压（900V/1200V）器件来支持，因此SiC MOSFET或Si-IGBT+Si二极管的方案成为了必然选择。目前，配备SiC二极管的两级OBC效率已经可以达到96%-97%之间，未来随着全SiC MOSFET在OBC中的应用，我们认为OBC的效率有望达到98%甚至更高水平。目前，各主要OBC供应商已经开始推广配备SiC器件的产品，部分也采用了国产器件。

图表：配备SiC MOSFET的车载OBC有望助力系统实现更高效率

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

图表：Wolfspeed指出，SiC在车载充电机中使用有望降低损耗，提升功率密度，使系统成本更低

资料来源：Wolfspeed官网，中金公司研究部

图表：各OBC厂商关于SiC器件的应用布局

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

而在主逆变器和车载充电机领域之外，由于直流转换器（DC-DC）领域及快速充电桩（Booster）领域也涉及电能转换，拓扑结构与OBC有相似之处，我们认为SiC器件也有望凭借其可以提升电能转换效率的优势，在相关领域开始持续放量。

图表：快速充电桩市场SiC器件应用案例

资料来源：EV Tech News，各公司官网，中金公司研究部

举例2：碳化硅在光伏领域的应用

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。

具体来看，SiC二极管相比硅基器件恢复损耗小，SiC MOSFET具有更低的导通损耗、更低的开关损耗等优点，使光伏逆变器的效率呈现优化。根据Simon Wall等人在《采用 SiC 技术的高效光伏逆变器》的研究，在50KW的组串式逆变器中，前级电路的Si二极管被SiC二极管替代后，有望实现0.3%的系统效率提升；而根据Electronic Products的研究数据，在50KW组串式逆变器电路中，若采用全SiC MOSFET器件，光伏逆变器系统的效率有望实现1%的提升，峰值效率有望突破99%。若碳化硅器件带来的成本上升小于其对系统效率优化而带来的发电收益增加，碳化硅器件在光伏逆变器应用中落地便具有了经济性。此外，由于SiC器件特性受温度影响较小，温度循环次数较少，其使用寿命也有望高于目前配备Si-IGBT为主要功率器件的光伏逆变器产品。我们认为SiC器件延长逆变器使用寿命也同样是降低系统全生命周期内度电的单位成本的方式，未来SiC器件有望在光伏逆变器领域迎来规模落地；另外，SiC可以在高频领域的工作特性也使配备SiC器件的光伏逆变器体积、重量大大减小，增加了其在相对苛刻环境中安装的可能性和便捷性，同时降低安装维护成本。

图表：采用SiC二极管替代Si二极管有望使50KW组串式光伏逆变器效率提升0.3%

资料来源：Simon Wall等人：《采用 SiC 技术的高效光伏逆变器》，中金公司研究部

图表：采用全SiC MOSFET器件，有望使50KW组串式光伏逆变器效率提升1%，并优化其他指标

资料来源：Electronic   Products，中金公司研究部

图表：配备SiC器件的光伏逆变器体积及重量呈现大大减小

资料来源：Wolfspeed官网，Kaco and pv magazine，中金公司研究部

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

资料来源：阳光电源官网，中金公司研究部

行业供需及市场空间：近期导电型衬底供应量不足依然是碳化硅器件大规模起量掣肘；新能源车有望成为碳化硅器件市场成长的最大驱动力

我们认为，SiC器件凭借其优异的物理特性及降低系统成本，或助力下游客户实现更大经济效益的特点有望在电力电子应用中对Si基二极管或Si基IGBT进行全面替代。由于新能源车是诸多SiC应用场景中终端出货量最大、且能带来明显经济效益的市场，我们认为新能源车有望成为SiC器件行业增长的最大驱动力。而在上游原材料供给相对紧张的情况下，我们认为SiC器件销售均价下降趋势有望暂维持线性，并推动行业规模实现快速增长。

供需关系分析：上游衬底供应仍是关键掣肘因素，短期内SiC器件成本下降曲线趋于线性，关注8寸晶圆起量节奏

首先，我们对新能源车相关SiC需求进行详细拆分测算。在上文中我们已经提及，新能源车主逆变器、车载充电机（OBC）、直流转换器（DCDC）以及快速充电桩均有望迎来SiC相关器件部署。以主逆变器为例，我们认为SiC的应用可以降低导通及开关损耗，在同样的直流母线电压下助力主逆变器输出更高功率并提升系统效率，或支持800V应用。以A级车（150KW以上）主逆变器的器件选型来看，一般采用单一Si IGBT三相全桥模块（单芯片电压650V-750V，电流200A以上）支持电机工作。若将Si-IGBT替换为SiC器件，根据英飞凌官网的SiC HPD模块结构，我们看到单桥臂芯片数量由3颗IGBT并联改为4颗SiC MOSFET并联（一般选用650V/1200V，导通电阻11mΩ或相似芯片）来支撑200KW+的功率输出，整个模块SiC MOSFET芯片数量为24个，其主要原因在于受限于晶圆良率，通过SiC单芯片面积增大来实现导通电阻继续降低面临难度。此外，因SiC MOSFET本身带有性能较好的体二极管，无需再并联硅快恢复二极管或SiC二极管。

图表：硅基IGBT用HPD模块内部结构图（左）及碳化硅用HPD模块内部结构图（右）

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

而对于车载充电机应用，我们逐渐看到相关厂商在6.6KW OBC的PFC级引入SiC二极管（共2个），以提升OBC前级效率至98%-99%区间，考虑到未来车载充电机功率要达到11KW，输入侧将采用三相交流电输入，输出级电压将达到550V以上，原650V器件难以安全支持系统工作，需要更高电压等级（如1200V）开关管，且由于车载充电机功率密度要求较高（在车内体积相对受限，因此OBC工作频率一般在100KHz甚至更高水平来降低被动元件体积，提高功率密度），Si IGBT难以胜任，因此我们认为SiC MOSFET成为最优选择。对于11KW/22KW OBC方案，支持反向充电的电路拓扑结构包含了14颗SiC MOSFET器件，对于不同功率需求SiC MOS的选型会呈现差异化（如11KW方案主要应用1200V/30mΩ器件）。而在直流转换器DC-DC中，由于不存在二极管结构，目前将高压及低压的硅基MOS全部替换SiC MOSFET成本增加较大且效率提升不明显，若未来直流母线电压有望上升至800V，则需要1200V SiC MOSFET的支持。单DC-DC系统中，一般仅高压侧需要4颗SiC MOSFET器件。

图表：6.6KW双向OBC电路结构示意图

资料来源：意法半导体官网，中金公司研究部

图表：11KW双向OBC（充电11KW/反向逆变6.6KW）电路结构示意图

资料来源：派恩杰半导体官网，中金公司研究部

图表：800V DC-DC示意图（次级由于输出电压较低，不需要SiC MOSFET器件）

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

对于直流充电桩，SiC MOSFET器件的应用同样成为趋势。由于直流充电桩功率较大，系统多为数个模块并联组成，每个充电桩模块中都包含了PFC及DC-DC电路（与车载充电机类似）。根据安森美的方案，在25kw的直流充电装模块中应用了7个NXH010P120MNF1半桥SiC模块（每个模块内含2颗1200V/10mΩSiC MOSFET器件），以大大降低导通电阻，进而大大降低了导通损耗，且最小化的寄生电感降低开关损耗（与分立替代器件相比）。

图表：800V DC-DC示意图（次级由于输出电压较低，不需要SiC MOSFET器件）

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

图表：  25KW直流充电桩PFC电路参考设计

资料来源：安森美官网，中金公司研究部

图表：  25KW直流充电桩DC-DC电路参考设计

资料来源：安森美官网，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

而对于市场持续火热关注的光伏应用，SiC落地前景同样广阔。未来更主流，装机贡献更大的组串式逆变器有望受益于SiC优良的物理特性，来实现系统的降本提效，并在“平价上网”的市场环境下有望为终端用户创造更大经济价值。而对于集中式逆变器，我们认为由于其单机功率较大，即便在电压提升的情况下，单颗芯片依然需要通过较大的电流，采用SiC器件替代IGBT，制造成本上并不占优势，因此我们下文中对于SiC器件在光伏领域需求的讨论，重点集中于组串式逆变器应用。

图表：分布式光伏主要分为MPPT（最大功率点追踪）及逆变两级电路

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

在组串式（分布式）光伏逆变器电路拓扑结构中，往往需要MPPT（最大功率点追踪）及逆变两级电路以获得更加的工作效率。以80KW功率等级的逆变器为例，常采用多个Easy 1B/2B/3B系列模块封装，以1200V/225A的模块为例，80KW功率等级需使用两个上述模块，而其单模块主要包含了3颗1200V/40A的SiC二极管以及3颗电流更大的1200V Si IGBT器件。若将Si IGBT也替换成SiC MOSFET，我们认为可以选择1200V/40mΩ的器件；而对于输出级来看，ANPC型拓扑有望成为未来趋势。以英飞凌F3L11MR12W2M1_B6模块为例，尽管该模块非全SiC方案（为IGBT及SiC混合方案，仅M2/M3为SiC MOSFET，考虑到成本问题其他低频管选择了IGBT），我们可以将其拓扑结构及选型类比到全SiC方案的应用中来，若考虑80KW三相输出，根据下图（右）的电路拓扑结构，需要6颗1200V/11mΩ的SiC MOSFET。

图表：  英飞凌DF225R12W2H3F_B11模块电路拓扑及外形

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

图表：  英飞凌F3L11MR12W2M1_B65模块电路拓扑及外形

资料来源：英飞凌官网，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。

图表：  Wolfspeed CY21收入拆分

资料来源：Yole，Wolfspeed官网，中金公司研究部

图表：全球导电型SiC衬底市占率（2021）

资料来源：Yole，Wolfspeed官网，中金公司研究部

图表：N型导电SiC衬底产能测算

资料来源：Yole，Wolfspeed官网，中金公司研究部

8寸晶圆：有望较大程度上降低SiC制造成本，但规模落地仍需至少2年时间

生产更大尺寸的晶圆可以增加每批次生产的芯粒/器件的数量，边缘浪费减小，且通过自动化水平提升等方式，可提高SiC器件生产效率并降低单位芯粒/器件的制造成本。根据Wolfspeed的数据，对于同一规格的芯片，如果生产的晶圆尺寸由6英寸转为8英寸，单位衬底可制造的芯片总数有望提升了近一倍，边缘芯片数量的占比则缩小了50%，晶圆利用率大幅增加。因此，相较于6英寸衬底，使用8英寸衬底生产单位芯片所需成本更低，我们认为开发8英寸衬底晶圆的生产工艺正成为碳化硅行业的发展趋势，但面临着生产工艺优化，及生产设备更新等问题带来的成本优势滞后的挑战。

图表：Wolfspeed认为8英寸衬底将提高晶圆利用率

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

图表：Wolfspeed认为8英寸衬底成本将显著降低

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

工艺方面，改用8英寸碳化硅衬底仍然面临较多困难。从6英寸过渡至8英寸，碳化硅的生产工艺与设备面临三大挑战：1）扩径生长工艺挑战，切换为8英寸需要优化生长工艺、改进生长设备，如果仍然使用物理气相传输法，需要提高原料运输的效率，还应提高籽晶的结晶质量；2）温场控制挑战，切换为8英寸结晶炉，设备对温度控制的精度会下降，对设备的温场控制要求更高；3）切割应力挑战，随着晶体尺寸扩大，其生长的内应力会加大，而切割的应力也会扩大，应力释放在切割晶片中可能导致翘曲问题，我们认为上述挑战是碳化硅设备生产商与衬底供应商所亟待解决的问题。而衬底纵向生长速度方面，6/8英寸碳化硅晶体的生长速度几乎相同，因此纵向上获得同样厚度的晶体，生产周期不会明显增加。

制造设备方面，8英寸碳化硅器件相关设备面临升级。将SiC晶圆升级到8英寸需要对制造设备和整体支撑生态系统进行升级与更换。器件制造商可以通过采购与自研的方式获得针对8英寸碳化硅器件制造的设备，我们认为采购设备面临设备供应短期不足的风险，自研设备则需要较高的技术积累与资金支持。目前，全球半导体设备龙头公司应用材料已经开发出新型 200mm SiC 化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP) 系统Mirra Durum，该系统集成抛光、材料去除、测量、清洁和干燥功能，有效的降低了成品晶片表面粗糙度。2021年应用材料指出，Wolfspeed（当时的Cree）在最新的8寸莫霍克谷晶圆厂应用了其多设备安装方案[1]。此外，意法半导体也表示，自身也已经深入参与到8英寸碳化硅器件制造设备的研发中，正在与供应链上下游的技术制造商合作，开发自己的制造设备和生产流程。根据华威大学副教授Vishal Ajit Shah 的分析，晶圆厂的改造和基础设施的改进都需要以指数级的成本进行[2]。

图表：应用材料的8英寸碳化硅MIRRA DURUM CMP系统

资料来源：应用材料官网，中金公司研究部

图表：应用材料的6英寸与8英寸碳化硅VIISTA® 900 3D热离子注入系统

资料来源：应用材料官网，中金公司研究部

成本优势方面，8英寸的碳化硅晶圆有望在2024年开始具有成本经济性优势。根据PGC Consultancy的模型[3]，改用8英寸（200mm）的碳化硅衬底并不能即可降低器件的生产成本，正如之前从4英寸到6英寸的过渡时期类似，成本可能会随着晶圆面积的扩大先上升，再随着技术的成熟和竞争的加剧而稳步下降，因此由于技术成熟度低、晶圆良率较低等于那样，早期以8寸晶圆制造SiC器件，其单位芯片成本可能高于6英寸晶圆的单位芯片成本。但是，根据PGC Consultancy的预测，晶圆良率、外延良率和芯片良率的优化有望于2024年出现，8英寸碳化硅晶圆也开始更具成本竞争力。根据PGC Consultancy的预测，到 2030 年，在 8英寸衬底上制造的 1,200-V/100-A MOSFET 芯片单位成本相交如今的6英寸衬底的单位成本有望降低 54%。因此我们认为，2022-2023年在8寸晶圆上制造SiC器件成本经济性依然优势较小，而2024年行业有望大规模引入8寸衬底，同时器件成本下降有望迎来加速期。

图表：6英寸与8英寸的SiC成本预测模型

注：模型基于 2021 年同类最佳 1,200-V/100-A 器件，所有数据都标准化为2022年已知或估计的6英寸晶圆的数值
资料来源：PGC Consultancy，Powerelectronicsnews，中金公司研究部

新能源车相关碳化硅市场：后硅基IGBT时代的新增长极，5年市场空间有望实现3倍成长

主逆变器：SiC器件市场的最重要组成部分，市场快速增长在即

与Si-IGBT类似，由于主逆变器在整个新能源车系统中相较OBC、DC/DC等子系统功率更大，半导体晶圆消耗量更多，因此从市场空间来看，主逆变器应用也有望成为SiC器件在新能源车中最大的细分市场。以现今量产车型来看，除Tesla Model 3采用了意法半导体提供的特殊的双管封装方案外，大部分厂商（如英飞凌、安森美、罗姆等）主逆变器的封装形式依然与Si-IGBT兼容（三相全桥模块，6-pack，如图下方双图所示），单电机与双电机方案分别使用1个或2个模块。在测算市场规模的过程中，由于SiC器件有望先在对续航里程和补能时间存在痛点的中高端车型中落地，因此我们以车型种类作为拆分的标准，并采取了如下的关键假设：1）从应用车型来看，SiC会在B/C级乘用车及商用车中首先渗透，2022年在新能源车中的渗透率为15%-20%，2025年有望达到40%，2027年有望达到62%；2）从价格方面来看，结合我们的产业链调研，我们以目前B/C级车应用的750V/950A Si-IGBT模块（或类似产品）价格的3-4倍作为2021年950V/1.7mohm（或类似产品）SiC模块售价的假设（根据安森美官网，目前可对标样品来看SiC模块价格是Si-IGBT模块的4倍），价格年降幅近两年维持在13%-15%，24年开始以18%-20%水平加速下降（结合上文对供需分析，我们认为24-25年8寸晶圆在SiC行业大规模应用后会加速SiC器件降本，若届时市场呈现超预期的价格降幅情况，我们认为SiC渗透率也有望相应高于当前模型假设，最终市场规模的测算结果不会出现较大逻辑错误）。

结合上述假设条件，我们测算2027年，中国新能源车主逆变器用SiC市场空间有望达到170亿元人民币（器件+模块），5年复合增速达到27%，2023年起市场规模有望明显高于Si-IGBT市场规模，显示出SiC市场快速增长在即。

图表：英飞凌主逆变器用SiC模块（HybridPACK™ Drive CoolSiC™）

资料来源：英飞凌官网，中金公司研究部

图表：安森美主逆变器用SiC模块（VE−Trac Direct Power Module）

资料来源：安森美官网，中金公司研究部

车载充电机、直流转换器及快速充电桩：未来五年行业有望保持50%以上复合增速

除主逆变器之外，在上文晶圆需求测算部分我们也提及，车载充电机、直流转换器及快速充电桩也有望迎来SiC器件的大规模部署。我们做出以下关键假设：1）在车载充电机方面，6.6KW拓扑方案中，由于PFC电路中依然含有二极管且价格已经较低，因此我们已经看到SiC二极管对Si基器件进行规模性替换来优化效率，MOSFET方面，由于成本经济性原因，在6.6KW方案中整体渗透率依然较低；11KW/22KW的方案来看，由于输入侧变为三相交流，器件耐压需提高，因此需要将Si MOSFET全部替换为SiC MOSFET，但2022年出货量依然较少；2）DC-DC方面，我们认为在800V以上系统高压侧才需要使用SiC MOSFET来替换Si基器件，目前800V电气系统渗透率十分有限，2023年后有望在中高端车中加速起量；3）快速充电桩方面，较大功率充电桩（150KW或以上产品）需要多个25KW或30KW模块并联，对单模块效率提出较高要求，因此需要SiC MOSFET的支持，目前150KW以上充电桩数量较少，但随着各主机厂对快充相关投资加速，SiC MOSFET有望在充电桩领域规模落地；4）最后，在价格方面，根据我们的产业链调研，二极管方面以1.4元/A作为现价标准（6.6KW方案中多使用650V/30A的SiC二极管），MOSFET方面，不同系统需满足不同输出功率的要求，器件选型呈现差异，650V/40mohm器件目前售价在11美元/颗左右，更低Rdson的器件售价相应提高；成本下降曲线来看，未来整体趋势与主逆变器市场的假设类似：22-23年降幅相对线性，而24-25年随着8寸晶圆规模应用迎来加速下降期。

结合上述假设条件，我们测算2027年，除主逆变器外中国新能源车用SiC市场空间有望达到105亿元人民币，虽然整体市场规模不及主逆变器，但2022-2027年复合增速达到57%，是快速成长的赛道。合计来看，2027年中国新能源车用SiC器件及模块市场规模合计有望达到274亿元。

若假设中国市场空间为全球的40%，我们测算2027年全球整体新能源车用SiC器件及模块市场空间有望达到105亿美元（不含模块为71亿美元），2022-2027年复合增速有望达到34%。

图表：2027年新能源车用SiC器件及模块市场规模有望突破100亿美元，2022-27年复合增速达到34%

资料来源：英飞凌官网，安森美官网，中金公司研究部

光伏发电相关碳化硅市场：2023-2025年迎来高速成长期

由于SiC提高了逆变器的转换效率及使用寿命，有望最终使用户在逆变器产品的全生命周期内获得更大的收益，我们看到SiC二极管及MOSFET也开始在光伏领域呈现规模化应用。在晶圆需求部分，我们已经指出在集中式光伏逆变器中应用SiC器件意义不大，而组串式逆变器是SiC器件落地的重要市场。我们做出如下基本假设：1）渗透率方面，由于SiC二极管相较Si二极管成本压力已经不明显，目前在组串式逆变器出货中已有30%以上的渗透率，而MOSFET相对售价较高，目前在MPPT/逆变电路中渗透率明显低于二极管；2）价格方面，通过我们的产业链调研，二极管价格参照1.4元/A定价，1200V/30mohm MOS器件价格在15美元左右，不同Rdson的产品价格按芯片面积相应增加或减小，未来价格降幅上基本遵循上游材料扩产及晶圆尺寸迭代逻辑。

根据以上分析，我们测算2027年全球光伏用SiC器件及模块市场规模有望达到5.5亿美元，2022-27年复合增长率为47%。与新能源车市场体量相比，光伏相关SiC器件及模块市场空间较小，但从复合增速来看要优于新能源车赛道。我们认为，2023-2025年，得益于组串式逆变器装机量快速提升，叠加SiC渗透率提升的逻辑，光伏相关SiC器件及模块市场有望迎来三年高速成长期。

图表：2027年光伏发电用SiC器件市场有望达到5.5亿美元

资料来源：英飞凌官网，安森美官网，中金公司研究部

工业电源、轨道交通及其他应用：快速成长的利基型市场

我们认为，除新能源车及光伏逆变器之外，在储能逆变器、通信及服务器电源、轨道交通牵引变流器等电力电子应用领域，均需要实现整流、逆变等基本功能，而采用SiC器件有望提高电能转换效率，从不同程度上降低系统成本，或为终端客户带来更大收益及良好使用体验。结合我们上文中对新能源车、光伏逆变器领域SiC市场规模的详细预测，以及Yole于2022年3月最新发布的研究，我们测算2027年全球SiC器件（不含模块）全行业市场规模有望达到79亿美元，2021-2027年复合增速高达43%。其中，储能及风电、轨道交通、通信基础设施的市场空间均有望落在1-2亿美元之间。

图表：全球碳化硅器件（模块）市场空间预估

资料来源：Yole，英飞凌官网，安森美官网，中金公司研究部

SiC制造及封装工艺：与硅基器件存在较大差异，成为衬底材料外行业快速成长的新挑战

我们认为，由于碳化硅与硅材料物理特性上存在较大差异，对器件制造及封装技术也提出了更高的要求。总结来看，其制造端与硅基器件的差异主要在于：由于碳化硅的硬度、熔点更高，需要高温离子注入机、且对高温退火炉设备的热场要求更高；此外针对SiC的物理特性，还需要特殊的高温氧化炉用于器件制造。而封装端与硅基器件的差异主要在于：由于碳化硅模块体积更小、更耐高温，因此对降低寄生电感、高温耐受度也提出了更高的要求。

碳化硅器件制造

制作碳化硅器件的大部分设备与传统硅的生产设备相同，但由于碳化硅材料硬度高、熔点高等特性，需要一些特殊的生产设备与工艺。SiC所需的特定设备包括高温退火炉、高温离子注入机、SiC减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC沉底和外延片表面缺陷检测和计量设备等。以下是生产SiC器件的部分核心设备与工艺：

图表：SiC晶圆制造的特定设备

资料来源：芯TIP，中金公司研究部

碳化硅封装

从分立器件和混合模块（Si IGBT+SiC二极管）来看，SiC的封装与Si基器件封装并无明显差异化、而为了发挥全SiC功率模块的特性优势，半导体厂商投入于研发新型功率模块封装技术，电学性能、耐高温、性价比、小体积、可靠性是碳化硅模块封装的痛点。

图表：不同碳化硅与硅器件/模块封装的对比

资料来源：中车时代电气，驱动视界，中金公司研究部

传统的硅基模块封装并不能满足碳化硅模块封装的要求。传统的硅器件多采用引线键合、单边散热等方式，将芯片背部焊接在基板上，用金属键合线引出正面电极，最后塑封或灌胶。这种方式虽然成本低，技术成熟，但并不能完全满足碳化硅MOSFET模块的需求，主要是由于如寄生电感高、散热效率低两个问题。

为了提高碳化硅模块的性能，不同功率半导体公司在探索不同的封装技术。我们下面将举例介绍几个典型技术。

· 采用银烧结技术。当前碳化硅模块的封装几乎以连线键合方式为主，但功率器件的开关换流回路的面积影响杂散电感的大小，而金属键合连接方式是造成换流回路面积较大的原因之一。消除金属键合线可以有效降低杂散电感值，从而降低损耗与电磁干扰问题。银烧结技术可以被应用于芯片上表面，可以消除金属键合线。其工艺通常是将银粉与有机溶剂混合为银焊膏，以避免微米级的银粉颗粒聚合/团聚现象，再将银焊膏印刷到基板上，通过预热使得银焊膏中的有机添加剂在氧气环境中高温分解而挥发，然后加压烧结实现芯片和基板的纯银连接层，拥有极高的热导率(~200W/(m*K))、烧结温度低、高熔点（961℃）、导电性能好等优点。除消除金属键合线外，该技术也可以被应用于芯片顶层与柔性电路板之间、芯片底层与覆铜陶瓷基板（Direct Bonding Copper，DBC）之间、DBC基板下层与散热器之间，如下图所示。

图表：银烧结的应用位置

资料来源：Semikron，Power Modules，中金公司研究部

图表：碳化硅器件表面工艺对比

资料来源：比亚迪半导体，中金公司研究部

图表：碳化硅器件典型封装结构

资料来源：盛况等：《碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望》，2019，中金公司研究部

· 采用双面水冷。功率器件的散热设计通常是将单管或模块贴在散热器上，再通过风冷或者液冷进行。英飞凌第二代SiC MOSFET模块有望采用双面水冷封装，即HybridPACK DSC（DSC，double-sided cooled）。DSC封装使模块通过两侧的两块铜板散热，散热效率更高，有效降低热阻，使碳化硅器件以更小的体积输出同等功率，实现高功率密度。此外英飞凌采用片上温度与电流传感器技术来提供过流保护。

图表：英飞凌的双面水冷碳化硅模块封装技术

资料来源：Infineon，中金公司研究部

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

资料来源：Yole，英飞凌，中金公司研究部

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：信息统计截止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：信息统计截止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

风险提示

SiC器件渗透率不及预期的风险

我们认为，碳化硅拥有比硅材料更大的禁带宽度与更高的电子迁移率，应用于新能源车、光伏、轨道交通、工业等多个应用场景有望使系统降本提效，相关市场增长潜力较大；但是SiC器件的高成本，产量不足是制约其市占率提升的关键因素，SiC在重点领域渗透率提升存在一定风险，进而有可能抑制市场规模增长。

行业竞争加剧的风险

由于SiC行业市场规模有望呈现快速成长，我们看到越来越多的国内及海外企业迅速开展在SiC领域的布局。我们认为，若行业竞争加剧，各厂商超预期扩产，可能会导致SiC器件供过于求，各供应商间价格竞争激烈，致使行业规模发展不及预期。

中国企业技术迭代及扩产较慢的风险

尽管我们指出，2022-2024年SiC器件行业市场规模处于快速上量阶段，得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，国内企业也获得了入场机会，但我们看到，目前中国SiC器件企业与海外龙头在产能及技术水平上仍然存在较大差距，我们认为，若国内企业不能快速进行技术迭代、扩大生产规模，生存空间恐被海外龙头挤压，业绩增长可能不及预期。  

[1]https://www.appliedmaterials.com/company/news/press-releases/2021/09/new-applied-materials-technologies-help-leading-silicon-carbide-chipmakers-accelerate-the-transition-to-200mm-wafers-and-increase-chip-performance-and-power-efficiency

[2]https://www.inventchip.com.cn/index.php/index/Lists/show/catid/49/id/472.html

[3]https://www.powerelectronicsnews.com/sic-power-devices-lowering-costs-to-drive-adoption/

文章来源

本文摘自：2022年6月30日已经发布的《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》

成乔升 SAC 执业证书编号：S0080521060004

李学来 SAC 执业证书编号：S0080521030004 SFC CE Ref：BRH417

彭  虎 SAC 执业证书编号：S0080521020001SFC CE Ref：BRE806

张怡康 SAC 执业证书编号：S0080121090113

胡炯益 SAC 执业证书编号：S0080120070115