鑽石舞台

受制於上游原材料供應較少，短期SiC器件供需仍有望維持緊張。我們測算，2021年全球6英寸SiC襯底年產能在51萬片，並在積極擴產之中，2022年新能源車+光伏應用有望帶來4.5萬片/月（54萬片/年）6寸SiC襯底產能需求（已考慮良率）。考慮到導電襯底需求正在快速爬坡，我們認為在8寸晶圓大規模普及之前，導電型襯底供應量較少依然制約了SiC器件市場快速發展，器件價格年降幅也相對有限。

五年全球SiC器件及模塊市場規模有望突破百億美元。根據我們對新能源車、光伏等主要賽道自下而上市場規模的測算，我們認為2027年全球SiC器件（不含模塊）全行業市場規模有望達到76億美元，包含模塊的全行業市場規模達到112億美元，2022-27年五年複合增速超過35%，其中22-24年是行業增速的最快時期。而在2025年前後，我們認為8寸晶圓有望大規模應用，加速SiC成本下降，但SiC在全行業中滲透率也有望呈現快速提升。

中國企業有望迎來較大商業機會。在2022-2024年間，我們認為中國本土新能源車、光伏逆變器品牌商有望積極推動SiC器件滲透，相關需求有望快速成長卻面臨全球SiC器件供應量受限。我們認為，本土SiC器件供應商有望把握國產替代機會，複製硅基IGBT時代輝煌，擁有全產業一體化（材料、製造、封測）能力的企業存在着更大的競爭優勢。技術路徑上，我們認為中國企業有望依照SiC二極管->高導通電阻MOS->低導通電阻MOS->大電流模塊產品的四段式路徑進行迭代，目前大部分企業已擁有了SiC二極管及高導通電阻MOS產品的設計或製造能力。

SiC器件滲透率不及預期、行業競爭加劇、中國企業技術迭代及擴產較慢。

得益於較大的成本優勢，在過去的幾十年中，硅基功率半導體器件是在電力電子開關中應用廣泛。而近十年來，對電力電子系統日益提高的效率要求使第三代化合物半導體材料碳化硅及其製成的器件逐漸步入了人們的視野。我們認為，與硅基器件差異最大的部分是碳化硅器件擁有更大的禁帶寬度（3.4eV，硅基為1.1eV）且更優秀的載流子遷移率（本徵載流子遷移率為硅的3倍），上述材料特性有望為碳化硅在電力電子領域應用帶來明顯的差異化表現。細分來看，1）較大的禁帶寬度決定了碳化硅可以擁有更低的本徵載流子濃度，器件電流隨溫度衰減較小，且較大的禁帶寬度給予了碳化硅更高的擊穿電場強度（硅基材料的7倍左右），使其耐壓特性大大提高， 製造1200V以上的MOSFET器件成為可能，保證了在高電壓環境下理想的開關頻率；2）碳化硅材料較大的載流子遷移率使其製成的器件單位面積導通電阻小於硅基器件，可以在更小芯片上輸出更大電流。綜合以上因素，我們認為，若用碳化硅器件去代替硅基電力電子開關，可以使電力電子系統效率優化、功率密度得到提升，並降低系統成本。

圖表：碳化硅擁有比硅材料更大的禁帶寬度

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

圖表：碳化硅優異的物理特性助力電力電子系統效率提升

資料來源：泰科天潤官網，英飛凌官網，中金公司研究部

與硅基器件類似，碳化硅器件主要分為二極管類器件、晶體管類器件兩大類。其中二極管及晶體管類的MOSFET器件應用較為廣泛。

圖表：碳化硅二極管的主要結構主要包含SBD、JBS及PiN二極管三類

資料來源：T. Ayalew等人：《SiC 半導體器件技術、建模和仿真》，T.Yasunori等人：《開發用於高壓功率逆變器的 6kV 級 SiC-PiN 二極管》，中金公司研究部

圖表：不同類型SiC MOSFET對比

資料來源：WINSOK微碩官網，中金公司研究部

在SiC材料的相關研究報告（碳化硅材料：乘碳中和之東風，國內廠商奮起直追）中我們指出，目前上游獲得近乎完美的高質量SiC襯底難度依然較大，且由於缺陷在晶圓中一般會均勻分布，因此面積越大的SiC器件的良率也就越低，即便是其單位面積導通電阻大幅低於Si基器件，目前單顆SiC MOSFET的電流輸出能力依然有限。我們看到，為使更加系統穩定、可靠地達到更大的輸出電流，多個SiC MOSFET器件並聯後封裝成模塊（模組）的出貨形式也非常普遍。Wolfspeed，Rohm，STMicro，On Semi，Infineon及Semikron等海外知名廠商均推出了不同種類的SiC MOSFET模塊產品，從半橋模塊到三相全橋模塊均有涉及，以靈活滿足不同應用的需求。

圖表：不同種類的SiC MOSFET模塊一覽

資料來源：羅姆官網，Wolfspeed官網，ST官網，Infineon官網，Onsemi官網，中金公司研究部

儘管在上文中，我們提及了碳化硅器件相比硅基產品的優勢所在，但我們認為目前抑制下遊客戶大量採購碳化硅二極管/MOSFET來替代硅二極管/IGBT的核心因素在於明顯的成本上升。由於碳化硅襯底製造良率、效率依然較低，以及器件加工、模塊封裝側依然存在較高壁壘，目前碳化硅器件生產成本較高，推動其售價走高，給市場目標客戶造成了較大的成本壓力。舉例來看，1）二極管產品方面，目前主流SiC二極管產品的價格是同規格Si二極管的1.3倍起；2）MOSFET產品與IGBT產品對比方面，由於硅IGBT標稱參數為電流，而SiC MOSFET標稱參數為導通電阻，需經過一系列的複雜換算才能得到對標產品，且對於工作頻率、溫度等環境參數的未知性，我們在此只能近似挑選相近規格的產品做對比（如10mohm的SiC MOSFET產品大概對應100A的Si-IGBT），目前SiC MOSFET的價格大約為可比Si IGBT器件的3-4倍。

但是，在SiC器件成本難以對Si實現平價化的前提下，我們認為碳化硅依然存在商業價值，其核心原因在於以半導體成本的提升換取系統效率的提升，最終可以帶來系統成本降低，或幫助下遊客戶在產品的全生命周期內實現更大的經濟利益，在碳化硅成本逐步下降的同時，下游市場也有望迎來較大規模成長。在下文中，我們將舉一些重點應用領域的例子來說明碳化硅器件的市場機會。

圖表：碳化硅與硅基二極管的價格對比

資料來源：貿澤電子，中金公司研究部，註：價格數據更新於2022/6/26

圖表：碳化硅與硅基MOSFET的價格對比

資料來源：貿澤電子，中金公司研究部，註：價格數據更新於2022/6/26

舉例1：碳化硅在新能源車領域的應用

我們看到，面對新能源車領域續航里程短、補能時間長兩大痛點，碳化硅器件（及模塊）在新能源車主逆變器、車載充電機、直流轉換器及快速充電樁等領域均有實際的應用需求，來替代硅基IGBT或超級結器件。對於不同的子系統，其輸出功率、工作頻率需求呈現差異化，其中主逆變器為大功率低頻場景（功率100KW以上，工頻50KHz以下）；而車載充電機/DCDC為小功率高頻場景（車載充電機：功率3.3KW-22KW，工頻100KHz-300KHz；DCDC：功率3KW，工頻100KHz以上）。我們在下文中會對上述系統應用SiC的案例逐一分析。

圖表：SiC有望在新能源車的多個子系統中得到應用

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

首先，新能源車主逆變器中有望運用SiC MOSFET替代Si-IGBT。與IGBT相比，由於碳化硅不用並聯快恢復二極管FRD（MOS器件存在體二極管），因此碳化硅具有反向恢復損耗（Err）較低的特性，且MOS器件不存在少子拖尾電流，關斷損耗也相對較低，且在同樣的電壓條件下，有望助力逆變器輸出更大的功率。根據安森美的數據，以A級車用電控為例，以1.7mohm/2.2mohm內阻的SiC模塊直接替換820A規格的Si-IGBT模塊，全逆變損耗有望降低45.3%/25.3%，開關平均損耗有望降低34.5%/16.3%，在不改變450V直流母線電壓的情況下，系統效率提升5%。若以英飛凌的測試結果為例，將直流母線電壓提高到800V後（在同樣的輸出功率情況下降低電流，進一步降低電機損耗，800V系統需要使用1200V的功率半導體器件，SiC使800V的直流母線電壓成為可能），使用SiC MOSFET替代Si-IGBT器件用於汽車主逆變器，系統效率有望提升7.6%。儘管SiC帶來的效率提升僅在中高個位數百分比區間內，但對於50kWh以上電池容量的電池包，我們認為應用SiC器件的主逆變器帶來的效率提升如果超過5%，則其帶來的電池成本節約將大於半導體器件增加的成本，成本節約主要來源於可以在維持續航不變的前提下使用容量更小的電池包（具體敏感性分析如圖15所示），SiC落地具有商業價值。此外，若考慮到SiC器件可以帶來散熱器及被動元器件重量體積的減少，SiC器件應用於新能源車的主逆變器可帶來系統成本的進一步降低。

圖表：安森美指出，採用SiC器件替代Si IGBT配合450V直流母線電壓，逆變器效率有望提高5%

資料來源：安森美官網，中金公司研究部

圖表：採用800V系統及SiC逆變器有望給系統帶來7.6%的效率提升

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

圖表：電池成本下降 vs. SiC帶來主逆變器效率提升的敏感性分析

資料來源：國軒高科招股書，英飛凌官網，安森美官網，中金公司研究部；註：假設方面，鋰電池製造單位成本假設為0.8元/Wh，SiC逆變器較Si逆變器帶來的單車成本上升為2000元

圖表：採用SiC的逆變器將帶來被動元件體積的下降，帶來逆變器整體體積的明顯降低

資料來源：英飛凌官網，Wolfspeed官網，中金公司研究部

我們看到，Tesla Model 3是市場最早應用SiC於主逆變器的車型，其雙電機版本輸出功率達到358KW，配備76kwh容量三元電池的長續航版能實現595公里的NEDC續航里程，自2018年起開始放量銷售。我們看到，近幾年來，除了現代、起亞、通用等國際知名車企在使用SiC器件於新能源車主逆變器中迅速跟進外，國內的比亞迪、造車新勢力相關企業也相繼推出相關車型。比亞迪漢的雙電機版本可以實現363KW的功率輸出，採用磷酸鐵鋰的情況下，配備76.8kWh容量的電池包便能達到605公里的續航里程，我們認為SiC器件發揮了重要的作用。根據我們統計，2021年配備碳化硅器件於主逆變器的車型達到100萬輛水平，以全球新能源車出貨量650萬輛計算，目前SiC在主逆變器中的滲透率已經達到15%。

圖表：配備SiC主逆變器的車型梳理

資料來源：各公司官網，中金公司研究部

第二，碳化硅器件在車載OBC領域也有望得到大規模應用。我們認為車載充電機（OBC）與車外固定直流快速充電樁相比，由於安裝於車內整體體積受限，且使用頻率更高，直接影響客戶補能體驗，因此OBC對於功率密度、整機效率的要求一般高於其他車載電源零部件。通過使用碳化硅器件替代OBC中的二極管或MOSFET，儘管單個功率器件成本呈現增加，但是通過減少散熱器、被動元件尺寸、簡化電路以及實現效率提升，可以給終端用戶帶來更好的價值。未來來看，隨着未來主力車型續航里程變長，電池包容量增大，為解決補能時間痛點，車載充電機主流功率將有目前的3.3KW-6.6KW上升至11KW-22KW，為使其正常工作也需要高壓（900V/1200V）器件來支持，因此SiC MOSFET或Si-IGBT+Si二極管的方案成為了必然選擇。目前，配備SiC二極管的兩級OBC效率已經可以達到96%-97%之間，未來隨着全SiC MOSFET在OBC中的應用，我們認為OBC的效率有望達到98%甚至更高水平。目前，各主要OBC供應商已經開始推廣配備SiC器件的產品，部分也採用了國產器件。

圖表：配備SiC MOSFET的車載OBC有望助力系統實現更高效率

資料來源：各公司官網，中金公司研究部

圖表：Wolfspeed指出，SiC在車載充電機中使用有望降低損耗，提升功率密度，使系統成本更低

資料來源：Wolfspeed官網，中金公司研究部

圖表：各OBC廠商關於SiC器件的應用布局

資料來源：各公司官網，中金公司研究部

而在主逆變器和車載充電機領域之外，由於直流轉換器（DC-DC）領域及快速充電樁（Booster）領域也涉及電能轉換，拓撲結構與OBC有相似之處，我們認為SiC器件也有望憑藉其可以提升電能轉換效率的優勢，在相關領域開始持續放量。

圖表：快速充電樁市場SiC器件應用案例

資料來源：EV Tech News，各公司官網，中金公司研究部

舉例2：碳化硅在光伏領域的應用

近年來，由於整體上網電價呈現下滑趨勢，光伏逆變器需不斷提高運行效率，降低系統度電成本，而配備碳化硅器件的光伏逆變器憑藉其優良的物理特性有望滿足上述需求，並在光伏逆變器應用中全面普及。由於更常見的組串式光伏逆變器電路拓撲結構中，存在二極管及IGBT兩種器件類型，因此，我們認為未來SiC二極管及MOSFET有望對Si二極管及IGBT形成全面替代。

具體來看，SiC二極管相比硅基器件恢復損耗小，SiC MOSFET具有更低的導通損耗、更低的開關損耗等優點，使光伏逆變器的效率呈現優化。根據Simon Wall等人在《採用 SiC 技術的高效光伏逆變器》的研究，在50KW的組串式逆變器中，前級電路的Si二極管被SiC二極管替代後，有望實現0.3%的系統效率提升；而根據Electronic Products的研究數據，在50KW組串式逆變器電路中，若採用全SiC MOSFET器件，光伏逆變器系統的效率有望實現1%的提升，峰值效率有望突破99%。若碳化硅器件帶來的成本上升小於其對系統效率優化而帶來的發電收益增加，碳化硅器件在光伏逆變器應用中落地便具有了經濟性。此外，由於SiC器件特性受溫度影響較小，溫度循環次數較少，其使用壽命也有望高於目前配備Si-IGBT為主要功率器件的光伏逆變器產品。我們認為SiC器件延長逆變器使用壽命也同樣是降低系統全生命周期內度電的單位成本的方式，未來SiC器件有望在光伏逆變器領域迎來規模落地；另外，SiC可以在高頻領域的工作特性也使配備SiC器件的光伏逆變器體積、重量大大減小，增加了其在相對苛刻環境中安裝的可能性和便捷性，同時降低安裝維護成本。

圖表：採用SiC二極管替代Si二極管有望使50KW組串式光伏逆變器效率提升0.3%

資料來源：Simon Wall等人：《採用 SiC 技術的高效光伏逆變器》，中金公司研究部

圖表：採用全SiC MOSFET器件，有望使50KW組串式光伏逆變器效率提升1%，並優化其他指標

資料來源：Electronic Products，中金公司研究部

圖表：配備SiC器件的光伏逆變器體積及重量呈現大大減小

資料來源：Wolfspeed官網，Kaco and pv magazine，中金公司研究部

從實際應用情況來看，以龍頭企業陽光電源產品為例，2013年公司便開始應用SiC二極管於30KW機型上，2017年公司實現了SiC模塊的上機（80KW機型）。目前，陽光電源基於碳化硅 MOSFET 的165kW光伏逆變器原型機已實現了1.25W/cm3的功率密度與40KHz的開關頻率，最高效率達到 99.2%。

圖表：陽光電源在SiC逆變器上的布局

資料來源：陽光電源官網，中金公司研究部

我們認為，SiC器件憑藉其優異的物理特性及降低系統成本，或助力下遊客戶實現更大經濟效益的特點有望在電力電子應用中對Si基二極管或Si基IGBT進行全面替代。由於新能源車是諸多SiC應用場景中終端出貨量最大、且能帶來明顯經濟效益的市場，我們認為新能源車有望成為SiC器件行業增長的最大驅動力。而在上游原材料供給相對緊張的情況下，我們認為SiC器件銷售均價下降趨勢有望暫維持線性，並推動行業規模實現快速增長。

首先，我們對新能源車相關SiC需求進行詳細拆分測算。在上文中我們已經提及，新能源車主逆變器、車載充電機（OBC）、直流轉換器（DCDC）以及快速充電樁均有望迎來SiC相關器件部署。以主逆變器為例，我們認為SiC的應用可以降低導通及開關損耗，在同樣的直流母線電壓下助力主逆變器輸出更高功率並提升系統效率，或支持800V應用。以A級車（150KW以上）主逆變器的器件選型來看，一般採用單一Si IGBT三相全橋模塊（單芯片電壓650V-750V，電流200A以上）支持電機工作。若將Si-IGBT替換為SiC器件，根據英飛凌官網的SiC HPD模塊結構，我們看到單橋臂芯片數量由3顆IGBT並聯改為4顆SiC MOSFET並聯（一般選用650V/1200V，導通電阻11mΩ或相似芯片）來支撐200KW+的功率輸出，整個模塊SiC MOSFET芯片數量為24個，其主要原因在於受限於晶圓良率，通過SiC單芯片面積增大來實現導通電阻繼續降低面臨難度。此外，因SiC MOSFET本身帶有性能較好的體二極管，無需再並聯硅快恢復二極管或SiC二極管。

圖表：硅基IGBT用HPD模塊內部結構圖（左）及碳化硅用HPD模塊內部結構圖（右）

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

而對於車載充電機應用，我們逐漸看到相關廠商在6.6KW OBC的PFC級引入SiC二極管（共2個），以提升OBC前級效率至98%-99%區間，考慮到未來車載充電機功率要達到11KW，輸入側將採用三相交流電輸入，輸出級電壓將達到550V以上，原650V器件難以安全支持系統工作，需要更高電壓等級（如1200V）開關管，且由於車載充電機功率密度要求較高（在車內體積相對受限，因此OBC工作頻率一般在100KHz甚至更高水平來降低被動元件體積，提高功率密度），Si IGBT難以勝任，因此我們認為SiC MOSFET成為最優選擇。對於11KW/22KW OBC方案，支持反向充電的電路拓撲結構包含了14顆SiC MOSFET器件，對於不同功率需求SiC MOS的選型會呈現差異化（如11KW方案主要應用1200V/30mΩ器件）。而在直流轉換器DC-DC中，由於不存在二極管結構，目前將高壓及低壓的硅基MOS全部替換SiC MOSFET成本增加較大且效率提升不明顯，若未來直流母線電壓有望上升至800V，則需要1200V SiC MOSFET的支持。單DC-DC系統中，一般僅高壓側需要4顆SiC MOSFET器件。

圖表：6.6KW雙向OBC電路結構示意圖

資料來源：意法半導體官網，中金公司研究部

圖表：11KW雙向OBC（充電11KW/反向逆變6.6KW）電路結構示意圖

資料來源：派恩傑半導體官網，中金公司研究部

圖表：800V DC-DC示意圖（次級由於輸出電壓較低，不需要SiC MOSFET器件）

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

對於直流充電樁，SiC MOSFET器件的應用同樣成為趨勢。由於直流充電樁功率較大，系統多為數個模塊並聯組成，每個充電樁模塊中都包含了PFC及DC-DC電路（與車載充電機類似）。根據安森美的方案，在25kw的直流充電裝模塊中應用了7個NXH010P120MNF1半橋SiC模塊（每個模塊內含2顆1200V/10mΩSiC MOSFET器件），以大大降低導通電阻，進而大大降低了導通損耗，且最小化的寄生電感降低開關損耗（與分立替代器件相比）。

圖表：800V DC-DC示意圖（次級由於輸出電壓較低，不需要SiC MOSFET器件）

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

圖表： 25KW直流充電樁PFC電路參考設計

資料來源：安森美官網，中金公司研究部

圖表： 25KW直流充電樁DC-DC電路參考設計

資料來源：安森美官網，中金公司研究部

結合安森美公開官網披露的各不同電壓/內阻等級的晶粒尺寸數據，以及我們對SiC器件在各個子系統中滲透率、製造良率的假設，我們測算2022全球年新能源車用SiC器件產能需求為3.0萬片/月6寸晶圓，若考慮70%的襯底良率，2022年全球新能源車用SiC襯底產能有望達到4.3萬片/月6寸晶圓。2025年，儘管材料與器件製造良率呈現提升，相關需求也有望成長至16.0萬片/月6寸晶圓（器件）及20.0萬片/月6寸晶圓（襯底），即對應240萬片/年以上的6寸襯底產能需求。

圖表：新能源車用SiC產能需求分析（器件/襯底）

資料來源：英飛凌官網，安森美官網，Caly Technologies，中金公司研究部

而對於市場持續火熱關注的光伏應用，SiC落地前景同樣廣闊。未來更主流，裝機貢獻更大的組串式逆變器有望受益於SiC優良的物理特性，來實現系統的降本提效，並在「平價上網」的市場環境下有望為終端用戶創造更大經濟價值。而對於集中式逆變器，我們認為由於其單機功率較大，即便在電壓提升的情況下，單顆芯片依然需要通過較大的電流，採用SiC器件替代IGBT，製造成本上並不占優勢，因此我們下文中對於SiC器件在光伏領域需求的討論，重點集中於組串式逆變器應用。

圖表：分布式光伏主要分為MPPT（最大功率點追蹤）及逆變兩級電路

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

在組串式（分布式）光伏逆變器電路拓撲結構中，往往需要MPPT（最大功率點追蹤）及逆變兩級電路以獲得更加的工作效率。以80KW功率等級的逆變器為例，常採用多個Easy 1B/2B/3B系列模塊封裝，以1200V/225A的模塊為例，80KW功率等級需使用兩個上述模塊，而其單模塊主要包含了3顆1200V/40A的SiC二極管以及3顆電流更大的1200V Si IGBT器件。若將Si IGBT也替換成SiC MOSFET，我們認為可以選擇1200V/40mΩ的器件；而對於輸出級來看，ANPC型拓撲有望成為未來趨勢。以英飛凌F3L11MR12W2M1_B6模塊為例，儘管該模塊非全SiC方案（為IGBT及SiC混合方案，僅M2/M3為SiC MOSFET，考慮到成本問題其他低頻管選擇了IGBT），我們可以將其拓撲結構及選型類比到全SiC方案的應用中來，若考慮80KW三相輸出，根據下圖（右）的電路拓撲結構，需要6顆1200V/11mΩ的SiC MOSFET。

圖表： 英飛凌DF225R12W2H3F_B11模塊電路拓撲及外形

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

圖表： 英飛凌F3L11MR12W2M1_B65模塊電路拓撲及外形

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

結合安森美公開官網披露的各不同電壓/內阻等級的晶粒尺寸數據，以及我們對SiC器件在各個子系統中滲透率、製造良率的假設，我們測算2022年/2025年全球光伏用SiC器件產能需求為0.15/0.73萬片6寸晶圓每月，而2022年/2025年全球光伏用SiC導電型襯底產能需求合計0.21/0.92萬片6寸晶圓每月，相比新能源車領域應用絕對體量存在較大差距。

圖表：光伏發電用SiC產能需求分析（器件/襯底）

資料來源：英飛凌官網，安森美官網，Caly Technologies，中金公司研究部

根據Yole及Wolfspeed數據，我們測算2021年全球SiC襯底產能約為51萬片每年，並在積極擴產之中。我們認為，若2022年僅光伏+新能源車應用便帶來4.5萬片/月6英寸SiC襯底產能需求（良率已考慮在內，對應年產能約54萬片/年），且下游需求端開始加速起量，行業供需可能持續存在缺口，當前上游材料供給端受限依然是SiC下游落地的主要掣肘。反映到成本上來看，我們認為SiC器件緊張的供需環境（主要歸因於襯底的緊缺）使其價格下降在未來2年內依然難出現明顯加速趨勢，該假設也是下文中我們測算市場空間的重要基礎。而對於未來會給碳化硅器件產能及製造成本帶來較大衝擊的8寸晶圓商業化進度，我們接下來會做重點討論。

圖表： Wolfspeed CY21收入拆分

資料來源：Yole，Wolfspeed官網，中金公司研究部

圖表：全球導電型SiC襯底市占率（2021）

資料來源：Yole，Wolfspeed官網，中金公司研究部

圖表：N型導電SiC襯底產能測算

資料來源：Yole，Wolfspeed官網，中金公司研究部

生產更大尺寸的晶圓可以增加每批次生產的芯粒/器件的數量，邊緣浪費減小，且通過自動化水平提升等方式，可提高SiC器件生產效率並降低單位芯粒/器件的製造成本。根據Wolfspeed的數據，對於同一規格的芯片，如果生產的晶圓尺寸由6英寸轉為8英寸，單位襯底可製造的芯片總數有望提升了近一倍，邊緣芯片數量的占比則縮小了50%，晶圓利用率大幅增加。因此，相較於6英寸襯底，使用8英寸襯底生產單位芯片所需成本更低，我們認為開發8英寸襯底晶圓的生產工藝正成為碳化硅行業的發展趨勢，但面臨着生產工藝優化，及生產設備更新等問題帶來的成本優勢滯後的挑戰。

圖表：Wolfspeed認為8英寸襯底將提高晶圓利用率

資料來源：Wolfspeed，中金公司研究部

圖表：Wolfspeed認為8英寸襯底成本將顯著降低

資料來源：Wolfspeed，中金公司研究部

工藝方面，改用8英寸碳化硅襯底仍然面臨較多困難。從6英寸過渡至8英寸，碳化硅的生產工藝與設備面臨三大挑戰：1）擴徑生長工藝挑戰，切換為8英寸需要優化生長工藝、改進生長設備，如果仍然使用物理氣相傳輸法，需要提高原料運輸的效率，還應提高籽晶的結晶質量；2）溫場控制挑戰，切換為8英寸結晶爐，設備對溫度控制的精度會下降，對設備的溫場控制要求更高；3）切割應力挑戰，隨着晶體尺寸擴大，其生長的內應力會加大，而切割的應力也會擴大，應力釋放在切割晶片中可能導致翹曲問題，我們認為上述挑戰是碳化硅設備生產商與襯底供應商所亟待解決的問題。而襯底縱向生長速度方面，6/8英寸碳化硅晶體的生長速度幾乎相同，因此縱向上獲得同樣厚度的晶體，生產周期不會明顯增加。

製造設備方面，8英寸碳化硅器件相關設備面臨升級。將SiC晶圓升級到8英寸需要對製造設備和整體支撐生態系統進行升級與更換。器件製造商可以通過採購與自研的方式獲得針對8英寸碳化硅器件製造的設備，我們認為採購設備面臨設備供應短期不足的風險，自研設備則需要較高的技術積累與資金支持。目前，全球半導體設備龍頭公司應用材料已經開發出新型 200mm SiC 化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP) 系統Mirra Durum，該系統集成拋光、材料去除、測量、清潔和乾燥功能，有效的降低了成品晶片表面粗糙度。2021年應用材料指出，Wolfspeed（當時的Cree）在最新的8寸莫霍克谷晶圓廠應用了其多設備安裝方案[1]。此外，意法半導體也表示，自身也已經深入參與到8英寸碳化硅器件製造設備的研發中，正在與供應鏈上下游的技術製造商合作，開發自己的製造設備和生產流程。根據華威大學副教授Vishal Ajit Shah 的分析，晶圓廠的改造和基礎設施的改進都需要以指數級的成本進行[2]。

圖表：應用材料的8英寸碳化硅MIRRA DURUM CMP系統

資料來源：應用材料官網，中金公司研究部

圖表：應用材料的6英寸與8英寸碳化硅VIISTA® 900 3D熱離子注入系統

資料來源：應用材料官網，中金公司研究部

成本優勢方面，8英寸的碳化硅晶圓有望在2024年開始具有成本經濟性優勢。根據PGC Consultancy的模型[3]，改用8英寸（200mm）的碳化硅襯底並不能即可降低器件的生產成本，正如之前從4英寸到6英寸的過渡時期類似，成本可能會隨着晶圓面積的擴大先上升，再隨着技術的成熟和競爭的加劇而穩步下降，因此由於技術成熟度低、晶圓良率較低等於那樣，早期以8寸晶圓製造SiC器件，其單位芯片成本可能高於6英寸晶圓的單位芯片成本。但是，根據PGC Consultancy的預測，晶圓良率、外延良率和芯片良率的優化有望於2024年出現，8英寸碳化硅晶圓也開始更具成本競爭力。根據PGC Consultancy的預測，到 2030 年，在 8英寸襯底上製造的 1,200-V/100-A MOSFET 芯片單位成本相交如今的6英寸襯底的單位成本有望降低 54%。因此我們認為，2022-2023年在8寸晶圓上製造SiC器件成本經濟性依然優勢較小，而2024年行業有望大規模引入8寸襯底，同時器件成本下降有望迎來加速期。

圖表：6英寸與8英寸的SiC成本預測模型

註：模型基於 2021 年同類最佳 1,200-V/100-A 器件，所有數據都標準化為2022年已知或估計的6英寸晶圓的數值 資料來源：PGC Consultancy，Powerelectronicsnews，中金公司研究部

主逆變器：SiC器件市場的最重要組成部分，市場快速增長在即

與Si-IGBT類似，由於主逆變器在整個新能源車系統中相較OBC、DC/DC等子系統功率更大，半導體晶圓消耗量更多，因此從市場空間來看，主逆變器應用也有望成為SiC器件在新能源車中最大的細分市場。以現今量產車型來看，除Tesla Model 3採用了意法半導體提供的特殊的雙管封裝方案外，大部分廠商（如英飛凌、安森美、羅姆等）主逆變器的封裝形式依然與Si-IGBT兼容（三相全橋模塊，6-pack，如圖下方雙圖所示），單電機與雙電機方案分別使用1個或2個模塊。在測算市場規模的過程中，由於SiC器件有望先在對續航里程和補能時間存在痛點的中高端車型中落地，因此我們以車型種類作為拆分的標準，並採取了如下的關鍵假設：1）從應用車型來看，SiC會在B/C級乘用車及商用車中首先滲透，2022年在新能源車中的滲透率為15%-20%，2025年有望達到40%，2027年有望達到62%；2）從價格方面來看，結合我們的產業鏈調研，我們以目前B/C級車應用的750V/950A Si-IGBT模塊（或類似產品）價格的3-4倍作為2021年950V/1.7mohm（或類似產品）SiC模塊售價的假設（根據安森美官網，目前可對標樣品來看SiC模塊價格是Si-IGBT模塊的4倍），價格年降幅近兩年維持在13%-15%，24年開始以18%-20%水平加速下降（結合上文對供需分析，我們認為24-25年8寸晶圓在SiC行業大規模應用後會加速SiC器件降本，若屆時市場呈現超預期的價格降幅情況，我們認為SiC滲透率也有望相應高於當前模型假設，最終市場規模的測算結果不會出現較大邏輯錯誤）。

結合上述假設條件，我們測算2027年，中國新能源車主逆變器用SiC市場空間有望達到170億元人民幣（器件+模塊），5年複合增速達到27%，2023年起市場規模有望明顯高於Si-IGBT市場規模，顯示出SiC市場快速增長在即。

圖表：英飛凌主逆變器用SiC模塊（HybridPACK™ Drive CoolSiC™）

資料來源：英飛凌官網，中金公司研究部

圖表：安森美主逆變器用SiC模塊（VE−Trac Direct Power Module）

資料來源：安森美官網，中金公司研究部

車載充電機、直流轉換器及快速充電樁：未來五年行業有望保持50%以上複合增速

除主逆變器之外，在上文晶圓需求測算部分我們也提及，車載充電機、直流轉換器及快速充電樁也有望迎來SiC器件的大規模部署。我們做出以下關鍵假設：1）在車載充電機方面，6.6KW拓撲方案中，由於PFC電路中依然含有二極管且價格已經較低，因此我們已經看到SiC二極管對Si基器件進行規模性替換來優化效率，MOSFET方面，由於成本經濟性原因，在6.6KW方案中整體滲透率依然較低；11KW/22KW的方案來看，由於輸入側變為三相交流，器件耐壓需提高，因此需要將Si MOSFET全部替換為SiC MOSFET，但2022年出貨量依然較少；2）DC-DC方面，我們認為在800V以上系統高壓側才需要使用SiC MOSFET來替換Si基器件，目前800V電氣系統滲透率十分有限，2023年後有望在中高端車中加速起量；3）快速充電樁方面，較大功率充電樁（150KW或以上產品）需要多個25KW或30KW模塊並聯，對單模塊效率提出較高要求，因此需要SiC MOSFET的支持，目前150KW以上充電樁數量較少，但隨着各主機廠對快充相關投資加速，SiC MOSFET有望在充電樁領域規模落地；4）最後，在價格方面，根據我們的產業鏈調研，二極管方面以1.4元/A作為現價標準（6.6KW方案中多使用650V/30A的SiC二極管），MOSFET方面，不同系統需滿足不同輸出功率的要求，器件選型呈現差異，650V/40mohm器件目前售價在11美元/顆左右，更低Rdson的器件售價相應提高；成本下降曲線來看，未來整體趨勢與主逆變器市場的假設類似：22-23年降幅相對線性，而24-25年隨着8寸晶圓規模應用迎來加速下降期。

結合上述假設條件，我們測算2027年，除主逆變器外中國新能源車用SiC市場空間有望達到105億元人民幣，雖然整體市場規模不及主逆變器，但2022-2027年複合增速達到57%，是快速成長的賽道。合計來看，2027年中國新能源車用SiC器件及模塊市場規模合計有望達到274億元。

若假設中國市場空間為全球的40%，我們測算2027年全球整體新能源車用SiC器件及模塊市場空間有望達到105億美元（不含模塊為71億美元），2022-2027年複合增速有望達到34%。

圖表：2027年新能源車用SiC器件及模塊市場規模有望突破100億美元，2022-27年複合增速達到34%

資料來源：英飛凌官網，安森美官網，中金公司研究部

由於SiC提高了逆變器的轉換效率及使用壽命，有望最終使用戶在逆變器產品的全生命周期內獲得更大的收益，我們看到SiC二極管及MOSFET也開始在光伏領域呈現規模化應用。在晶圓需求部分，我們已經指出在集中式光伏逆變器中應用SiC器件意義不大，而組串式逆變器是SiC器件落地的重要市場。我們做出如下基本假設：1）滲透率方面，由於SiC二極管相較Si二極管成本壓力已經不明顯，目前在組串式逆變器出貨中已有30%以上的滲透率，而MOSFET相對售價較高，目前在MPPT/逆變電路中滲透率明顯低於二極管；2）價格方面，通過我們的產業鏈調研，二極管價格參照1.4元/A定價，1200V/30mohm MOS器件價格在15美元左右，不同Rdson的產品價格按芯片面積相應增加或減小，未來價格降幅上基本遵循上游材料擴產及晶圓尺寸迭代邏輯。

根據以上分析，我們測算2027年全球光伏用SiC器件及模塊市場規模有望達到5.5億美元，2022-27年複合增長率為47%。與新能源車市場體量相比，光伏相關SiC器件及模塊市場空間較小，但從複合增速來看要優於新能源車賽道。我們認為，2023-2025年，得益於組串式逆變器裝機量快速提升，疊加SiC滲透率提升的邏輯，光伏相關SiC器件及模塊市場有望迎來三年高速成長期。

圖表：2027年光伏發電用SiC器件市場有望達到5.5億美元

資料來源：英飛凌官網，安森美官網，中金公司研究部

工業電源、軌道交通及其他應用：快速成長的利基型市場

我們認為，除新能源車及光伏逆變器之外，在儲能逆變器、通信及服務器電源、軌道交通牽引變流器等電力電子應用領域，均需要實現整流、逆變等基本功能，而採用SiC器件有望提高電能轉換效率，從不同程度上降低系統成本，或為終端客戶帶來更大收益及良好使用體驗。結合我們上文中對新能源車、光伏逆變器領域SiC市場規模的詳細預測，以及Yole於2022年3月最新發布的研究，我們測算2027年全球SiC器件（不含模塊）全行業市場規模有望達到79億美元，2021-2027年複合增速高達43%。其中，儲能及風電、軌道交通、通信基礎設施的市場空間均有望落在1-2億美元之間。

圖表：全球碳化硅器件（模塊）市場空間預估

資料來源：Yole，英飛凌官網，安森美官網，中金公司研究部

我們認為，由於碳化硅與硅材料物理特性上存在較大差異，對器件製造及封裝技術也提出了更高的要求。總結來看，其製造端與硅基器件的差異主要在於：由於碳化硅的硬度、熔點更高，需要高溫離子注入機、且對高溫退火爐設備的熱場要求更高；此外針對SiC的物理特性，還需要特殊的高溫氧化爐用於器件製造。而封裝端與硅基器件的差異主要在於：由於碳化硅模塊體積更小、更耐高溫，因此對降低寄生電感、高溫耐受度也提出了更高的要求。

製作碳化硅器件的大部分設備與傳統硅的生產設備相同，但由於碳化硅材料硬度高、熔點高等特性，需要一些特殊的生產設備與工藝。SiC所需的特定設備包括高溫退火爐、高溫離子注入機、SiC減薄設備、背面金屬沉積設備、背面激光退火設備、SiC沉底和外延片表面缺陷檢測和計量設備等。以下是生產SiC器件的部分核心設備與工藝：

圖表：SiC晶圓製造的特定設備

資料來源：芯TIP，中金公司研究部

從分立器件和混合模塊（Si IGBT+SiC二極管）來看，SiC的封裝與Si基器件封裝並無明顯差異化、而為了發揮全SiC功率模塊的特性優勢，半導體廠商投入於研發新型功率模塊封裝技術，電學性能、耐高溫、性價比、小體積、可靠性是碳化硅模塊封裝的痛點。

圖表：不同碳化硅與硅器件/模塊封裝的對比

資料來源：中車時代電氣，驅動視界，中金公司研究部

傳統的硅基模塊封裝並不能滿足碳化硅模塊封裝的要求。傳統的硅器件多採用引線鍵合、單邊散熱等方式，將芯片背部焊接在基板上，用金屬鍵合線引出正面電極，最後塑封或灌膠。這種方式雖然成本低，技術成熟，但並不能完全滿足碳化硅MOSFET模塊的需求，主要是由於如寄生電感高、散熱效率低兩個問題。

為了提高碳化硅模塊的性能，不同功率半導體公司在探索不同的封裝技術。我們下面將舉例介紹幾個典型技術。

· 採用銀燒結技術。當前碳化硅模塊的封裝幾乎以連線鍵合方式為主，但功率器件的開關換流迴路的面積影響雜散電感的大小，而金屬鍵合連接方式是造成換流迴路面積較大的原因之一。消除金屬鍵合線可以有效降低雜散電感值，從而降低損耗與電磁干擾問題。銀燒結技術可以被應用於芯片上表面，可以消除金屬鍵合線。其工藝通常是將銀粉與有機溶劑混合為銀焊膏，以避免微米級的銀粉顆粒聚合/團聚現象，再將銀焊膏印刷到基板上，通過預熱使得銀焊膏中的有機添加劑在氧氣環境中高溫分解而揮發，然後加壓燒結實現芯片和基板的純銀連接層，擁有極高的熱導率(~200W/(m*K))、燒結溫度低、高熔點（961℃）、導電性能好等優點。除消除金屬鍵合線外，該技術也可以被應用於芯片頂層與柔性電路板之間、芯片底層與覆銅陶瓷基板（Direct Bonding Copper，DBC）之間、DBC基板下層與散熱器之間，如下圖所示。

圖表：銀燒結的應用位置

資料來源：Semikron，Power Modules，中金公司研究部

圖表：碳化硅器件表面工藝對比

資料來源：比亞迪半導體，中金公司研究部

圖表：碳化硅器件典型封裝結構

資料來源：盛況等：《碳化硅功率器件封裝關鍵技術綜述及展望》，2019，中金公司研究部

· 採用雙面水冷。功率器件的散熱設計通常是將單管或模塊貼在散熱器上，再通過風冷或者液冷進行。英飛凌第二代SiC MOSFET模塊有望採用雙面水冷封裝，即HybridPACK DSC（DSC，double-sided cooled）。DSC封裝使模塊通過兩側的兩塊銅板散熱，散熱效率更高，有效降低熱阻，使碳化硅器件以更小的體積輸出同等功率，實現高功率密度。此外英飛凌採用片上溫度與電流傳感器技術來提供過流保護。

圖表：英飛凌的雙面水冷碳化硅模塊封裝技術

資料來源：Infineon，中金公司研究部

目前，SiC器件的市場份額還主要由國外公司占據，根據Yole的數據，2021年海外公司Infineon、 STMicroelectronics、Onsemi、Wolfspeed、Rohm在全球碳化硅器件的市場份額合計占比達到88%。

圖表：2021年碳化硅功率器件市場市占率

資料來源：Yole，英飛凌，中金公司研究部

我們認為，儘管國內企業在SiC器件領域起步較晚，但面對全球市場快速增長，行業供需緊張，疊加國內企業在新能源車、光伏逆變器等終端品牌市場份額的逐步提升，我國企業有望從SiC二極管或較高導通電阻的MOS產品切入，滿足消費類產品、工業電源、車載充電機及小功率光伏組串式逆變器領域應用，之後逐步將產品迭代至低導通電阻MOS，並補足模塊封裝實力，全面進入新能源車主逆變器SiC產業鏈。

二極管設計方面，國內企業已經有較廣泛的布局，電壓範圍覆蓋650V-1200V，電流範圍覆蓋2A-20A，並提供TO-220/247-252等多種封裝形式。但整體來看，在高壓領域（1200V以上）布局企業較少，大電流（20A）以上布局企業較少，目前對一些特殊應用支持能力缺乏（如1500V的光伏系統、軌道交通、電網）。從性能指標來看，部分指標仍與海外公司有較大差距，如總電荷（Qc，影響開關速度），浪涌電流（決定過載能力，部分逆變場景要求較高）、以及雪崩性能等。目前來看，泰科天潤、瞻芯電子、基本半導體、華潤微、三安光電及揚傑科技擁有製造產線，其中泰科天潤、三安光電、華潤微的產品通過了車規級認證（製造端IATF16949，設計端AEC-Q101）。

圖表：主要國內外SiC 二極管企業對比

資料來源：各公司官網，中金公司研究部，註：信息統計截止2022/6/26

在MOSFET設計領域，由於器件結構更加複雜，工藝技術不穩定，即便目前海外企業已有5-10年的量產經驗積累，部分企業仍然停留在可靠性較高的平面型結構（Wolfspeed、Onsemi都是典型的例子），部分企業在溝槽型路線上進行多次技術迭代（如Rohm，意法半導體等）。主流企業來看，目前基本實現了SiC MOSFET應用在新能源車主逆變器中的突破。從SiC MOSFET的技術發展來看，我們認為主要需要經過以下三個階段：

1）小電流的SiC MOSFET在工業化領域的規模化應用經驗，如光伏逆變器、電動汽車充電樁等，內阻在40毫歐以上；2）開發大電流的SiC MOSFET（比如15毫歐以下，單管電流通過能力超過100A以上的器件)；3）開發大功率SiC MOSFET模塊（例如將多個10-15mohm SiC MOSFET集成到一個模塊中，從半橋模塊過度到三相全橋模塊，形成下遊客戶習慣的三相全橋器件，滿足當下車用主逆變器的供應能力，未來封裝形式上還需要近一步優化迭代）。根據泰科天潤估計，每個裡程碑的實現需要耗費大約1 年的時間，因此要達到電動汽車逆變器的國際巨頭過去幾年達到的高度，至少還需3-4 年的時間。目前主要國內企業設計水平基本還停留在第一或第二階段，我們認為國產SiC MOSFET產品進入汽車主逆變器領域至少要到2023年下半年。

圖表：主要國內外SiC MOSFET企業對比

資料來源：各公司官網，中金公司研究部，註：信息統計截止2022/6/26

在前文中我們已經討論到，SiC器件的製造過程與Si基器件存在較大不同，通過技術改造方式將Si基生產線轉化為SiC基生產線仍然需要較大投資，且由於高溫退火、高溫離子注入、高溫氧化等工藝較難且相關設備不易獲得，能製造SiC MOSFET的企業尚少，大部分海外龍頭廠商以IDM模式運營，能夠提供較強代工實力的企業很多也位於海外或中國台灣地區（如意法半導體，X-FAB，東部高科，漢磊等）。我們認為擁有自有產能的企業有望更主動地把握下游應用快速上量，配合關鍵客戶進行產能擴張來構築競爭護城河；此外，由於高質量導電型襯底供應緊張（海外龍頭企業優先保證自己供應或供給大客戶，國內企業有效產能仍低），短期內上游高質量碳化硅原材料供應受限也影響了其下游器件製造良率的提升及產能擴張，擁有上游原材料到製造封測一體化能力的IDM企業有望更大程度受益於2022-2024年行業高速成長期。

圖表：主要國內企業製造產能梳理

資料來源：各公司官網，中金公司研究部

[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/

本文摘自：2022年6月30日已經發布的《碳化硅器件：百億美元賽道，譜寫後硅基IGBT時代電力電子應用新篇章》

成喬升 SAC 執業證書編號：S0080521060004

李學來 SAC 執業證書編號：S0080521030004 SFC CE Ref：BRH417

彭 虎 SAC 執業證書編號：S0080521020001SFC CE Ref：BRE806

張怡康 SAC 執業證書編號：S0080121090113

胡炯益 SAC 執業證書編號：S0080120070115