從襯底到模塊，SiC產(chǎn)值或超過(guò)60億美元，功率器件到底藏著多少機(jī)會(huì)？
根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，SiC功率器件將很快占據(jù)整個(gè)功率器件市場(chǎng)的30%，到2027年，SiC行業(yè)（從襯底到模塊，包括器件）的產(chǎn)值有望超過(guò)60億美元。
各大半導(dǎo)體廠商試圖以不同角度切入這個(gè)市場(chǎng)，但是幾年內(nèi)的市場(chǎng)表現(xiàn)證明，只有完全掌握供應(yīng)鏈才能獲得高額附加值，因此IDM模式正變成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最重要趨勢(shì)。
IDM模式一枝獨(dú)秀
車(chē)規(guī)級(jí)SiC出貨量突破一億的意法半導(dǎo)體（ST），2022年的SiC產(chǎn)能比2020年增長(zhǎng)了2.5倍以上，就是得益于其堅(jiān)定執(zhí)行的垂直整合戰(zhàn)略。并且，ST希望在2024年實(shí)現(xiàn)40%以上SiC襯底的內(nèi)部供應(yīng)目標(biāo)。
ST圍繞這個(gè)戰(zhàn)略制定非常詳細(xì)的計(jì)劃，具體分為四步走：首先，2019年第四季度完成對(duì)Norstel AB 公司（現(xiàn)更名為ST SiC AB）的收購(gòu)；第二，在2020年第一季度首次內(nèi)部供應(yīng)6英寸襯底；第三，2021年第三季度推出首批8英寸晶圓樣品，預(yù)計(jì)2024年前量產(chǎn)；第四，規(guī)劃建設(shè)新廠，目標(biāo)到2024年實(shí)現(xiàn)內(nèi)部采購(gòu)比例超40%。
意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國(guó)區(qū)總裁曹志平認(rèn)為，對(duì)于像SiC這樣的新技術(shù)，盡可能多地控制整個(gè)制造鏈非常重要，包括SiC襯底、前工序晶圓制造、后工序封測(cè)和定制SiC功率模塊。
與邏輯芯片廠商不同，功率半導(dǎo)體行業(yè)一直是以IDM為主。IDM 模式使得設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，并有利于有利于積累制造經(jīng)驗(yàn)，形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
以SiC制造為例，若IDM廠商在元件端面臨問(wèn)題，可依循路徑找出上游襯底或磊晶環(huán)節(jié)出了錯(cuò)，加快制程品質(zhì)的改善，也能有效控制整體成本；若是只做SiC襯底或磊晶的廠商，則需要客戶愿意提供回饋，補(bǔ)足晶圓制造的信息缺口，才能加速推進(jìn)材料端發(fā)展。
曹志平指出，ST將襯底整合到制造鏈，不僅是為了控制成本和產(chǎn)量，還是為了獲得更好的良率，使得制造業(yè)務(wù)具有更大的靈活性，能更好地跟隨市場(chǎng)需求。
對(duì)襯底和外延片廠商N(yùn)orstel AB的收購(gòu)是ST進(jìn)入了SiC供應(yīng)鏈最上游的關(guān)鍵，真正擁有了完整的SiC制造鏈。其他在SiC市場(chǎng)排名靠前的廠商，也都以相似的路徑來(lái)進(jìn)行制造能力的補(bǔ)全。比如，安森美在2021年以4.15億美元收購(gòu)襯底廠商GT Advanced Technologies，該廠商曾于2019年推出CrystX SiC材料，隨后便與環(huán)球晶、安森美和英飛凌達(dá)成長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)定。很早就在SiC領(lǐng)域進(jìn)行研究的羅姆，也是在2009年就收購(gòu)了SiC襯底供應(yīng)商SiCrystal，使其在全球SiC襯底供應(yīng)榜上位列前三。
擁有襯底制造能力將是走向IDM模式的關(guān)鍵一環(huán)，因?yàn)镾iC襯底在最終的器件中成本占比最高，且為關(guān)乎產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在SiC器件的平均成本中，SiC襯底的占比為46%。
而且，SiC襯底也是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)。SiC襯底生產(chǎn)需要高度專(zhuān)業(yè)化和技術(shù)復(fù)雜的生產(chǎn)流程，涉及到多個(gè)步驟，包括材料制備、襯底切割和拋光等。整個(gè)生產(chǎn)流程需要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)和工藝，確保襯底質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。同時(shí)，襯底生產(chǎn)的技術(shù)難度和成本也很高，這也使得襯底生產(chǎn)在整個(gè)SiC價(jià)值鏈中具有相當(dāng)高的附加值。掌握襯底制造能力，就在產(chǎn)業(yè)中擁有了更大的話語(yǔ)權(quán)。
其他行業(yè)往往是下游利潤(rùn)更高，但是SiC襯底是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)門(mén)檻較高的一環(huán)，即使良率在未來(lái)有提升，超額利潤(rùn)也多半給襯底廠商賺走，再加上襯底對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈安全至關(guān)重要，因此才使得各大廠商紛紛在此押注。
電動(dòng)汽車(chē)加速滲透，SiC 需求超百萬(wàn)片
新能源汽車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載充電 系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē)載 DC/DC）和非車(chē)載充電樁。碳化硅器件應(yīng)用于電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器、車(chē)載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗、提高極 限工作溫度、提升系統(tǒng)效率。2020 年，特斯拉 Model3 以及比亞迪漢已經(jīng)采用碳化硅功率 模塊，特斯拉 Model 3 是第一個(gè)集成全 SiC 功率模塊的車(chē)企，主要采購(gòu)意法半導(dǎo)體的 650V 碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由 24 個(gè) 1-in-1 功率模塊組成。預(yù)計(jì)隨著成本下降，未來(lái) 越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)將采用碳化硅模塊。
對(duì)比 Si IGBT 和 SiC MOSFET 在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的功率損耗降低了 70%以上，效率提升了 1-3%。此外，SiC 器件的工作結(jié) 溫在 200℃以上，工作頻率在 100kHz 以上，耐壓可達(dá) 20kV，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件； 碳化硅器件體積可減小到 IGBT 整機(jī)的 1/3-1/5，重量可減小到 40-60%。隨著新能源汽車(chē) 的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
制約碳化硅器件替代速度的主要原因是成本，然而碳化硅器件與傳統(tǒng)硅基器件差價(jià)正 在持續(xù)縮小。SiC SBD 產(chǎn)品價(jià)格由 2017 年的 4.1 元/A 下降到了 2020 年的 1.58 元/A，與 硅基器件的差價(jià)在 3.8 倍左右。從 2019 年到 2020 年，1200V 和 1700V 的 SiC MOSFET 的平均價(jià)格跌幅達(dá)到 30%-40%，有助于加速碳化硅 MOS 器件的市場(chǎng)滲透。
碳化硅器件的優(yōu)良性能加速碳化硅在電動(dòng)車(chē)功率模塊領(lǐng)域的滲透。碳化硅功率器件應(yīng) 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高 功率密度。相比 Si 基 IGBT 器件，主逆變器搭載 SiC 基 MOSFET 之后，提升系統(tǒng)的效率， 節(jié)電 5%-10%，至少 5000 元的節(jié)省空間。特斯拉的 Model3 的主逆變器采用了共 48 顆SiC MOSFET，總成本約為 5000 元，相較于 Si IGBT 單車(chē)功率半導(dǎo)體價(jià)值為 3000 元對(duì) 比，僅節(jié)電角度考慮，碳化硅功率器件帶來(lái)至少 2000 元的節(jié)省空間。 此外，Wolfspeed 測(cè)算，在 11kW OBC 系統(tǒng)中，相較于硅基功率半導(dǎo)體方案，碳化 硅基 OBC 的成本更低，可帶來(lái)約 435 美元的節(jié)約。2018 年全球已有超過(guò) 20 家的汽車(chē)廠 商在 OBC 中使用了 SiC 肖特基二極管或 SiC MOSFET。
SiC 在新能源車(chē)領(lǐng)域滲透率及用量持續(xù)提升，預(yù)計(jì) 2025 年國(guó)內(nèi)新能源車(chē)需要的 SiC 晶圓片數(shù)量將達(dá) 118 萬(wàn)片左右。新能源汽車(chē)領(lǐng)域，2021 年使用碳化硅 MOSFET 的車(chē)型主 要為特斯拉 Model 3 和比亞迪漢，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量跟蹤機(jī)構(gòu) CleanTechnica 數(shù)據(jù)，2021 年 Model 3 和比亞迪漢市場(chǎng)份額占比約 9%，即 2021 年電動(dòng)車(chē)的碳化硅 MOSFET 滲透率 約 9%，我們預(yù)計(jì)滲透率未來(lái)以每年 3%的速度增長(zhǎng)，到 2025 年約為 21%。Model 3 主逆 變器電力模塊使用共 48 顆 SiC MOSFET，加上車(chē)載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē) 載 DC/DC），我們估算一輛車(chē)所用 SiC 芯片數(shù)量在 60 顆以上，一片 6 寸 SiC 對(duì)應(yīng) 4-5 臺(tái) 電動(dòng)汽車(chē)所需的 MOSFET，即 2021 年每輛電動(dòng)車(chē)所需要的 SiC 晶片數(shù)量約 0.24 片。未 來(lái)，一方面隨著雙電機(jī)電動(dòng)車(chē)占比增加，對(duì) SiC 需求量仍有提升空間；一方面，特斯拉提 出在新一代產(chǎn)品上減少 SiC 器件用量，可能在遠(yuǎn)期對(duì)新車(chē)型上 SiC 用量有影響，現(xiàn)有車(chē)型 影響不大。以三年維度看，我們假設(shè)該數(shù)字將以每年 0.03 的數(shù)額緩慢增加。我們預(yù)測(cè)，到 2025 年國(guó)內(nèi)新能源車(chē)需要的 SiC 晶圓片數(shù)量將達(dá) 117.94 萬(wàn)片。
功率半導(dǎo)體的機(jī)會(huì)
功率半導(dǎo)體包括功率半導(dǎo)體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導(dǎo)體分立器件，按照器件結(jié)構(gòu)劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。
據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體分立器件中，以 MOSFET和IGBT為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。
據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到76億美元和113億美元。據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023年中國(guó)大陸地區(qū)IGBT市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到290.8億元，同比增長(zhǎng)11.6%。據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體器件行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與未來(lái)投資預(yù)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)，2023年中國(guó)大陸地區(qū) MOSFET市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計(jì)算），同比增長(zhǎng)4.8%。
以MOSFET為例，據(jù)Yole預(yù)測(cè)，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場(chǎng)總規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 94.8 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車(chē)應(yīng)用（電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)充電樁）占比居首位，高達(dá) 33%，其中電動(dòng)汽車(chē)和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應(yīng)用在 220V 系統(tǒng)中，占總需求的 35%。同時(shí)，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場(chǎng)滲透率在逐步提高。
2020 年以來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)、汽車(chē)充電樁和光伏逆變器可謂拉動(dòng)功率半導(dǎo)體增長(zhǎng)的三駕馬車(chē)。
電動(dòng)汽車(chē)：電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步滲透終端消費(fèi)市場(chǎng)，帶動(dòng)功率器件和模塊需求快速增長(zhǎng)。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長(zhǎng)較為顯著。據(jù)貝殼投研數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)車(chē)規(guī)級(jí) IGBT 市場(chǎng)規(guī)模為47.8億元，預(yù)計(jì)到2025年，其將達(dá)到151.6億元。據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2021年和2025年中國(guó)車(chē)規(guī)MOSFET的市場(chǎng)規(guī)模分別為73.5億元（10.5億美元，匯率按7計(jì)算）和122.5億元（預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，17.5億美元，匯率按7計(jì)算）。
充電樁：受益于新能源汽車(chē)快速增長(zhǎng)，與之配套的充電樁市場(chǎng)亦呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)億渡數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，至2026年，中國(guó)充電設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2870.2億元，2022 年到2026年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)37.83%。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機(jī)是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導(dǎo)體是充電機(jī)的最核心組成部分，成本占充電機(jī)的一半以上。
光伏：據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，至2025年，中國(guó)新增光伏裝機(jī)保守預(yù)測(cè)為90GW，同比增長(zhǎng)10%。據(jù)未來(lái)智庫(kù)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，2025年中國(guó)光伏逆變器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)196億元。
逆變器是光伏系統(tǒng)的心臟，中高壓MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進(jìn)而直接影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、發(fā)電效率以及使用壽命。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，光伏逆變器主要由機(jī)械件、電感和半導(dǎo)體器件構(gòu)成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。
綜上，在電動(dòng)汽車(chē)、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅(qū)動(dòng)下，功率器件有望穩(wěn)健增長(zhǎng)，為千億賽道奠定堅(jiān)實(shí)路基。
