這場高壓快充升級革命，正在系統(tǒng)性革新上游供應(yīng)鏈，其中功率器件作為重要參與部件，引發(fā)了二級市場對碳化硅等化合物半導(dǎo)體前所未有的追捧，2021年以來迎來輪番炒作，Wind第三代半導(dǎo)體指數(shù)全年漲幅超50%。另一方面，在新能源汽車市場，碳化硅到底能多大程度替代硅基半導(dǎo)體市場，也同樣值得探討。

 

 

近年來，碳化硅（SiC）半導(dǎo)體逐漸在新能源汽車上顯露身手。2018年，特斯拉全球率先在Model 3電驅(qū)主逆變器上，采用了意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650V SiC MOSFET器件，被視為碳化硅上車的風(fēng)向標(biāo)事件。風(fēng)潮繼而涌向國內(nèi)，2020年發(fā)布的比亞迪漢純電動高性能四驅(qū)版成為國內(nèi)首款采用自研SiC模塊的車型，功率密度提升了一倍。

 

為解決里程焦慮，高壓快充系統(tǒng)成為車企不約而同的選擇。在2021年，越來越多車企陸續(xù)發(fā)布了搭載800V高電壓平臺的車型，碳化硅功率器件的陣營也日益壯大。

 

在去年11月廣州車展上，小鵬汽車發(fā)布小鵬G9，推出的800V平臺采用SiC器件，可實現(xiàn)充電5分鐘，續(xù)航200公里；蔚來ET7也將搭載SiC電驅(qū)系統(tǒng)，并將在今年第一季度開始交付。另外，廣汽埃安也正在進行質(zhì)量驗證，預(yù)計在2～3年內(nèi)將有搭載SiC器件的車型投向市場。

 

電壓平臺的升高，將意味著核心三電系統(tǒng)以及空調(diào)壓縮機、DCDC（直流變壓器）、OBC（車載充電機）等部件以及充電樁都要能在800V甚至1000V的電壓下正常工作。功率器件作為電動汽車逆變器的核心能量轉(zhuǎn)換單元，半導(dǎo)體材料選擇變得尤為重要。

 

功率半導(dǎo)體產(chǎn)品按襯底材料可分為硅基和碳化硅基兩大類，而碳化硅具有高耐壓特性，在 1200V的耐壓下阻抗遠(yuǎn)低于硅，對應(yīng)的導(dǎo)通損耗會相應(yīng)降低，同時由于碳化硅可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關(guān)損耗。

 

多家車企負(fù)責(zé)人向記者表達了對碳化硅材質(zhì)的看好。

 

廣汽埃安新能源汽車有限公司技術(shù)中心經(jīng)理湛紹新介紹，功率半導(dǎo)體是新能源汽車有別于傳統(tǒng)燃油車的重要零部件，每臺電動車大約需要配備90～100個，如果是四驅(qū)系統(tǒng)則需求量還要再增加50%，功率半導(dǎo)體在整車半導(dǎo)體中的價值量占比約60%。

 

“碳化硅主打的性能就是高壓和高頻，進而衍生出耐高溫和大功率的特點，對于整車來說可以提高能量轉(zhuǎn)換效率以及使系統(tǒng)體積小型化。”湛紹新表示。

 

小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏介紹，碳化硅基的相比硅基半導(dǎo)體能使電機逆變器效率提升約4%，對應(yīng)整車?yán)m(xù)航里程增加約7%。

 

高壓化的趨勢同時要求充電樁的部件性能重新適配。湛紹新稱，一臺500KW以上的超充樁需要的功率半導(dǎo)體數(shù)量在500個以上，在全樁半導(dǎo)體中價值量占比達80%以上。目前硅基半導(dǎo)體應(yīng)用較為普遍，雖然硅基也能滿足高電壓的性能要求，但效率和體積相比SiC仍存在差距。

 

中信建投汽車聯(lián)系首席分析師何俊藝告訴證券時報·e公司記者，造車新勢力本身的供應(yīng)體系還沒有完全成熟，需要做一些反復(fù)試驗來糾錯，本土供應(yīng)鏈廠商也有意愿去配合導(dǎo)入新體系，這在去年表現(xiàn)得非常明顯。據(jù)了解，吉利汽車、長城汽車等自主品牌甚至參投國內(nèi)第三代半導(dǎo)體廠商以綁定產(chǎn)能，本土化采購漸成趨勢。

 

不過，碳化硅上車進程剛剛開始，目前局限于部分中高端車型。汽車獨立分析師張翔向記者表示，SiC半導(dǎo)體目前成本仍然偏高，且車端應(yīng)用需要通過2～3年的車規(guī)認(rèn)證，“一些車企現(xiàn)在拿出SiC的相關(guān)技術(shù)，更多是作為一種營銷手段，并沒有真正推出量產(chǎn)車型。”

 

另外，半導(dǎo)體廠商下訂單需要一定量的支撐，比如特斯拉Model 3去年達到約40萬輛的銷量，而市面上在10萬輛以上年銷量的車型屈指可數(shù)，當(dāng)新能源汽車加速上量，就能反向助推碳化硅成本下降。

 

成本替代的轉(zhuǎn)折點需要同時考慮碳化硅器件的價格和節(jié)約的電池成本。在湛紹新看來，當(dāng)碳化硅模組價格下降到硅基模組的2倍左右時，系統(tǒng)性價比就會凸顯，這個時點可能發(fā)生在2025年，屆時將有大量主流車型普遍使用。

 

從電子器件廠商角度來看，碳化硅方案的成本下降趨勢是明確的。

 

“碳化硅在主驅(qū)的應(yīng)用效果是最好的，帶來成本下降也是最顯著的”，廣州聚芯半導(dǎo)體CEO周曉陽向證券時報·e公司記者表示，碳化硅與硅基襯底的成本差距在逐步縮小，已經(jīng)從幾年前4倍左右下降到平均2～3倍左右。

 

設(shè)備廠商力挺長期碳化硅、氮化鎵等生產(chǎn)成本下降的趨勢，國際設(shè)備廠商龍頭愛思強（Aixtron AG） 副總經(jīng)理方子文介紹，從設(shè)備端來看，預(yù)計2023年還可以繼續(xù)下降25%左右的成本，進一步縮減碳化硅與硅基的成本差。

 

此外，供應(yīng)鏈安全也是車企愿意嘗鮮的因素之一。投資人士稱，目前車企還是更傾向于國外廠商，英飛凌等國際巨頭短時間內(nèi)難以超越，出于安全考慮可能會把一部分供應(yīng)鏈放在國內(nèi)，“不能把雞蛋放在同一個籃子里”，這對國內(nèi)廠商是個機會，但是也要徐徐而圖之。

 

 

國際上看，Wolfspeed公司、II-VI公司等全球碳化硅材料制造企業(yè)均安排了較大規(guī)模的產(chǎn)能擴張計劃，并向8英寸邁進，但當(dāng)前碳化硅材料仍呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，進一步推動產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的垂直整合。

 

集邦咨詢分析師龔瑞驕指出，這背后有兩方面原因，一是碳化硅襯底產(chǎn)品附加值高，占比約六成；二是碳化硅襯底的技術(shù)制程復(fù)雜，晶體生長非常緩慢，也是成為碳化硅晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵制約點。龔瑞驕表示：“我們認(rèn)為取得SiC襯底的資源會成為進入下一代電動車功率器件的入場門票。”

 

當(dāng)前國際上是從6英寸向8英寸邁進，而中國是從4英寸向6英寸邁進，疊加缺芯影響，國內(nèi)也同樣出現(xiàn)碳化硅襯底產(chǎn)能供不應(yīng)求的狀況。

 

頭部電子分銷廠商向證券時報·e公司記者表示，現(xiàn)在車企應(yīng)用碳化硅方案的積極性很高，但是問題是現(xiàn)在產(chǎn)能跟不上。“因為缺貨等種種原因，一些國內(nèi)廠商甚至使用4英寸的設(shè)備去做6英寸碳化硅的襯底，所以良率很難上來。”國際領(lǐng)先的化合物半導(dǎo)體設(shè)備廠商負(fù)責(zé)人也向記者確認(rèn)了設(shè)備交期延長，從2020年下半年開始，受供應(yīng)鏈短缺影響，設(shè)備交期正常6個月變?yōu)?～9個月。

 

即便困難重重，國內(nèi)碳化硅投資布局還是掀起了前所未有的高潮。根據(jù) CASA Research披露，2018年至今，國內(nèi)廠商在持續(xù)布局化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，2020 年一共有24筆投資擴產(chǎn)項目（2019 年 17 筆），增產(chǎn)投資金額超過 694億元，同比增長 161%，其中碳化硅領(lǐng)域共 17 筆、投資 550 億元，超過氮化鎵的投資規(guī)模。

 

布局碳化硅產(chǎn)業(yè)的玩家中， LED廠商憑借對化合物半導(dǎo)體材料的長期生產(chǎn)使用經(jīng)驗，表現(xiàn)尤為積極。作為LED芯片龍頭公司，三安光電出手闊綽，總投資160億元的湖南三安半導(dǎo)體基地一期項目正式于2021年6月份點亮投產(chǎn)，將打造國內(nèi)首條、全球第三條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，計劃月產(chǎn)三萬片6寸碳化硅晶圓。另據(jù)民生證券電子分析師方競介紹，三安光電進展較快，已經(jīng)拿到了歐美汽車電子客戶認(rèn)證。

 

云岫資本高級經(jīng)理李俊超博士告訴記者，碳化硅等化合物半導(dǎo)體從半導(dǎo)體照明器件，到應(yīng)用在射頻器件以及功率器件，對加工所要求的工藝會更加復(fù)雜，設(shè)備端對精度、純度要求也會更高。國內(nèi)設(shè)備廠商中，中微公司可以做氮化鎵的MOVCD設(shè)備，主要提供給LED廠商；北方華創(chuàng)提供做碳化硅外延片設(shè)備。

 

作為國內(nèi)碳化硅晶片制造商龍頭廠商，天科合達也是三安光電的供應(yīng)商。三安光電旗下的三安集成從2018年開始進入其前五大客戶，在2020年一季度成為關(guān)聯(lián)方，截止去年一季度采購占比已經(jīng)達到17.53%，位居第二大客戶。2020年，天科合達沖擊科創(chuàng)板上市告終，去年昔日大股東天富能源斥資3.75億元，成為天科合達持股 10.657%的第二大股東。天富能源股價也在去年一季度漲幅一度超過30%。

 

A股也即將迎來“碳化硅襯底第一股”山東天岳。在半絕緣碳化硅襯底領(lǐng)域，山東天岳的產(chǎn)能在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，在全球位居世界第三。2020年產(chǎn)能翻倍增至4.75萬片/年，2020年相關(guān)業(yè)務(wù)適應(yīng)營收3.47億元。本次山東天岳IPO將募集20億元投資 “碳化硅半導(dǎo)體材料項目” 計劃于2022年試生產(chǎn)，預(yù)計2026年全面達產(chǎn)。

 

碳化硅賽道還吸引著硅基功率模塊廠商的紛紛橫向拓展布局，這其中既包括采用IDM模式的中車時代電氣、比亞迪、士蘭微、華潤微、華微電子等企業(yè)，也包括具備設(shè)計和模塊封測的企業(yè)，比如斯達半導(dǎo)、宏微科技、臺基股份等。同樣，碳化硅襯底以及外延片資源也備受“搶奪”。

 

華潤微近期發(fā)布了1200V SiC MOSFET新品，同時公司從事硅基氮化鎵產(chǎn)品研發(fā)，但也積極綁定上游襯底以及外延片產(chǎn)能。據(jù)華潤微高管介紹，公司專注于SiC產(chǎn)品的設(shè)計制造，目前尚未進軍SiC上游材料領(lǐng)域，但公司參股了SiC襯底和外延的相關(guān)企業(yè)，以便更好地保障產(chǎn)能供應(yīng)。資料顯示，華潤微通過華潤微電子控股有限公司持有碳化硅外延晶片企業(yè)瀚天天成3.2418%的股權(quán)。

 

另外，露笑科技定增募資投資約6億元加碼6英寸碳化硅襯底，同時與碳化硅外延晶片廠商東莞天域簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，后者將優(yōu)先選用露笑的6英寸碳化硅導(dǎo)電襯底，鎖定露笑科技2022年～2024年不少于15萬片產(chǎn)能。

 

 

從投資端來看，多數(shù)從事碳化硅功率器件的企業(yè)均采用IDM模式，進展也比較快。

 

去年12月30日，基本半導(dǎo)體首批碳化硅模塊產(chǎn)品成功下線，成為國內(nèi)第一條汽車級碳化硅功率模塊專用產(chǎn)線，預(yù)計2022年中將實現(xiàn)量產(chǎn)交付，產(chǎn)能為25萬只模塊。另外，近期中車時代電氣宣布，成功實現(xiàn)了電驅(qū)系統(tǒng)10萬臺年產(chǎn)量，其中由國內(nèi)首款基于自主碳化硅研制的大功率電驅(qū)C-Power 220s正式下線，電驅(qū)系統(tǒng)效率最高可達94%。

 

半導(dǎo)體研發(fā)人士介紹，功率半導(dǎo)體工藝本身不固定，難以像臺積電一樣從代工實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)。功率半導(dǎo)體廠商采用IDM模式，可以根據(jù)各自的條件對工藝進行調(diào)整，逐漸積累起經(jīng)驗，從而優(yōu)化出最好的產(chǎn)品。

 

不過，傳統(tǒng)的Fabless模式廠商也開始自建化合物半導(dǎo)體產(chǎn)線。作為A股IGBT龍頭，斯達半導(dǎo)在2020年12月加碼碳化硅功率模組產(chǎn)業(yè)化項目；2021年3月份，公司推出募集35億元非公開發(fā)行計劃，其中5億元將投入到碳化硅芯片及產(chǎn)業(yè)化項目。

 

據(jù)了解，斯達半導(dǎo)碳化硅項目就采用IDM模式，目前進展順利。西部證券分析，因海外廠商供應(yīng)受阻，光伏IGBT國產(chǎn)替代加速，斯達半導(dǎo)在光伏客戶中陸續(xù)完成批量驗證，旺盛需求保障業(yè)務(wù)增長動能充沛；另外，公司車規(guī)級碳化硅模塊已獲多家客戶定點，目前在手訂單約3.5億元。對此，公司方面也向記者確認(rèn)了該筆訂單，不過婉拒披露具體客戶情況。

 

IGBT同行宏微科技高管日前在調(diào)研中介紹，碳化硅器件已經(jīng)穩(wěn)定出貨，公司與下游客戶共同開發(fā)高功率等級的碳化硅器件。由于代工芯片成本下降，導(dǎo)致公司第三季度毛利率下降，公司新產(chǎn)線預(yù)計年底部分投產(chǎn)，自動化率、產(chǎn)品良率都有改善；目前不具備IDM實力，未來將主要和代工廠形成戰(zhàn)略合作，采用包線的形式保證芯片的產(chǎn)能。

 

此外，A股公司還通過聘用技術(shù)團隊、收購資產(chǎn)等方式進軍碳化硅領(lǐng)域，如露笑科技、鳳凰光學(xué)等。

 

如今碳化硅等化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域還有一個不容忽視的參與者——華為。華為的一大優(yōu)勢在于對部分新能源器件終端市場的把握，例如華為光伏逆變器的出貨量在全球居首。

 

2021年6月，華為數(shù)字能源部門作為全資子公司獨立出來，主要產(chǎn)品覆蓋光伏、站點、數(shù)字中心、電動車等領(lǐng)域的能源解決方案。數(shù)字能源部門的產(chǎn)品此前基本采用的是英飛凌的功率模塊，大約在三四年前開始親自涉足功率半導(dǎo)體，一方面由于功率半導(dǎo)體是產(chǎn)品技術(shù)核心，另一方面也是經(jīng)歷制裁后考慮到供應(yīng)連續(xù)性的因素。該部門最先著手的是氮化鎵，之后陸續(xù)做了IGBT、碳化硅等半導(dǎo)體，現(xiàn)在已經(jīng)基本覆蓋不同類型和材料的功率半導(dǎo)體。

 

從股權(quán)和客戶關(guān)系也能印證上述說法。記者注意到，碳化硅龍頭天科合達與山東天岳、東莞天域等企業(yè)背后都出現(xiàn)了華為旗下投資平臺哈勃投資身影，而且華為或關(guān)聯(lián)方還高度疑似為山東天岳的主要客戶。

 

據(jù)披露，2014年山東天岳與上述關(guān)聯(lián)股東客戶建立合作關(guān)系，開始研發(fā)用于制作氮化鎵射頻芯片的半絕緣型碳化硅襯底；碳化硅產(chǎn)品需求迅速增加后，2019年山東天岳通過了股東客戶的合格供應(yīng)商體系，并在2020年成為公司第二大客戶，2021年雙方簽訂了上萬片采購框架協(xié)議，未來業(yè)務(wù)量仍將持續(xù)增長。

 

 

當(dāng)前化合物半導(dǎo)體布局功率器件還處于早期階段，技術(shù)路徑并未固定。所以，碳化硅還面臨著來自氮化鎵（GaN）的競爭。在這方面，聞泰科技旗下安世半導(dǎo)體在積極布局。

 

目前安世半導(dǎo)體在行業(yè)推出領(lǐng)先性能的第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率器件 (GaN FET)，目標(biāo)市場包括電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動化和高端電源，特別是在插電式混合動力汽車或純電動汽車中。目前公司的650V氮化鎵（GaN）技術(shù)，已經(jīng)通過車規(guī)級測試。另外，在碳化硅（SiC）產(chǎn)品目前已經(jīng)交付了第一批晶圓和樣品。

 

寧德時代創(chuàng)始人曾毓群也投資氮化鎵新秀英諾賽科，認(rèn)繳出資額為7504.54萬元，持股比例為2.12％。英諾賽科作為國內(nèi)GaN功率器件的領(lǐng)軍企業(yè)，已建成中國首條8英寸硅基氮化鎵外延與芯片大規(guī)模量產(chǎn)生產(chǎn)線，并在近期將ASML光刻機導(dǎo)入氮化鎵量產(chǎn)線，進一步提升硅基氮化鎵功率器件制造的產(chǎn)能及產(chǎn)線良率。

 

不過，當(dāng)前氮化鎵的處境有些尷尬。半導(dǎo)體研發(fā)人士介紹，GaN在中低壓領(lǐng)域和MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域有所重疊，而在100V左右的低壓下性價比不如MOSFET，其最大的優(yōu)勢還是在于高頻，因此在射頻芯片、激光雷達等領(lǐng)域有較強的需求。

 

“英諾賽克的8英寸氮化鎵技術(shù)堪比國外先進水平，但目前還在找客戶消化產(chǎn)能。他們本來是IDM模式，但現(xiàn)在為了消化產(chǎn)能也愿意接一些代工的訂單。”上述半導(dǎo)體研發(fā)人士稱。

 

電子行業(yè)分析師向記者介紹，從投資邏輯順序來看，當(dāng)前主題是襯底產(chǎn)能緊缺，預(yù)計產(chǎn)能上來后下來會關(guān)注模塊、mos等環(huán)節(jié)；不過，也需要值得注意，碳化硅、氮化鎵業(yè)務(wù)在當(dāng)前上市公司業(yè)務(wù)體量占比普遍并不多。

 

龔瑞驕也向記者表示， 碳化硅更適合于一些高功率領(lǐng)域，比如說特高壓電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏、儲能以及新能源汽車，在新能源汽車中，一個電池電壓系統(tǒng)的升級，對碳化硅系統(tǒng)作用體現(xiàn)得就越明顯；氮化鎵更適合一些高頻的領(lǐng)域，比如ACDC轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在最火爆的應(yīng)用就是快速充電頭，未來還會擴展到數(shù)據(jù)中心以及汽車領(lǐng)域。

 

畢竟，化合物半導(dǎo)體所要撼動的是長期制霸、持續(xù)演進的硅片市場。 深圳大學(xué)半導(dǎo)體制造研究院院長王序進日前在出席集邦峰會上指出，硅基半導(dǎo)體已經(jīng)有上千億美元的市場體量，化合物半導(dǎo)體未來市場規(guī)模約是前者十分之一。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)碳化硅項目有100多個，而碳化硅晶圓從長晶、切片、研磨到外延，它耗時長，缺陷多，生產(chǎn)良率還非常低，投資要三思而行。

 

有車企廠商聲稱，預(yù)計到2023年用SiC車用功率半導(dǎo)體全面替代旗下汽車的硅基IGBT，但是更多電子領(lǐng)域人士認(rèn)為，未來碳化硅等化合物半導(dǎo)體與硅共存將會是常態(tài)。

 

陳東坡指出，碳化硅在高壓領(lǐng)域和中壓領(lǐng)域，硅器件在成本敏感的領(lǐng)域更有優(yōu)勢。

 

據(jù)預(yù)測，長續(xù)航里程的車型的碳化硅導(dǎo)入驅(qū)動力比較強，預(yù)計在2023～2024年，有望實現(xiàn)100%導(dǎo)入；400～500公里續(xù)航里程的車型預(yù)計將在2024年之后開始導(dǎo)入，滲透率將達到40%左右；400公里以下續(xù)航里程車型，預(yù)計2025年以后才會逐步跟進，滲透率預(yù)估在10%左右。

 

集邦咨詢預(yù)測，隨著汽車平臺高壓化趨勢愈演愈烈，預(yù)估2025年電動車市場對6英寸SiC晶圓需求將達169萬片。全球SiC功率器件市場規(guī)模將從2020年的6.8億美元增長至2025年的33.9億美元，年復(fù)合增長率將達38%，其中新能源汽車的主逆變器、OBC（車載充電器）、DC-DC（電源模塊）將成為主要驅(qū)動力，或在2025年占據(jù)62%的市場份額。

 

王序進指出，相比而言，全球半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)過幾十年的整合，海外都是“集團軍”模式，中國遍地是“游擊隊”，如果要實現(xiàn)趕超，需要資本把“游擊隊”整合起來，未來五年將是整合期。