2021 进击的国产碳化硅市场!

2021-06-07 17:06:03 28
半导体行业说“一代材料、一代技术、一代产业”

半导体行业,素有“一代材料、一代技术、一代产业”之说。一代是硅,第二代是砷化镓,而今天我们要研究的,是第三代半导体产业链。



氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),被称为第三代半导体双雄,本文我们重点研究碳化硅(SiC)。

在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。


随着5G、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业迅速发展,产业链上下游企业纷纷跑步入场。在巨大的潜在市场需求增长、火热的投资环境以及政策保障下,我国SIC产业已完成基本布局

从应用领域来看,新能源汽车是SiC器件最大的应用市场,占比超过50%。未来,中国将成为最大的SiC市场。



图片

当第一代、第二代半导体材料工艺逐渐接近物理极限,有望突破传统半导体技术瓶颈的第三代半导体材料成为行业发展的宠儿。


事实上,国内之所以将半导体材料以“代”来划分,多少缘自于随着半导体材料的大规模应用而来的三次产业革命。


第一代半导体材料以硅(Si)为代表,其取代了笨重的电子管,推动了以集成电路为核心的微电子产业的迅猛发展。


第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等为主,磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件,砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。


而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料则有效推动着新能源、光伏、电力汽车等产业的发展。


从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率(低压条件下的高频工作性能)、饱和漂移速率(高压条件下的高频工作性能)、禁带宽度(器件的耐压性能、最高工作温度与光学性能)三项指标上均强于硅材料器件。


其中,最引人注目的是第三代半导体的“宽禁带(WideBand-Gap,WBG)”。高禁带宽度的好处是,器件耐高压、耐高温,并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。


国内SIC产业链企业大踏步向前的底气与良机

01
市场潜力



我国作为全球最大的新能源汽车市场,随着特斯拉等品牌开始大量推进SiC解决方案,国内的厂商也快速跟进,以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局,推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。




从国家来看,中国是全球最大的新能源汽车市场,销量远超其他所有国家,占据了全球40%以上的份额。从应用领域来看,新能源汽车是SiC器件最大的应用市场,占比超过50%。未来,中国将成为最大的SiC市场。


根据IHS的数据预估,今年的SiC(碳化硅)市场总额将会达到5000万美元,到2028年将飙升到1亿6000万。其中在电动汽车充电市场,SiC在未来几年的符合增长率高达59%;在光伏和储能市场,SiC的年复合增长率也有26%;而在电源部分,这个数字也有16%。整体年复合增长率也高达16%。


02
政府促进



政府扮演风险投资角色,参与投资建设大量SiC项目。



SiC项目大多为地方政府与企业合作投资建设,地方政府投入相对更多,也一并承担了更多的风险。


有别于传统Si基项目集中于中国一二线城市,SiC项目遍布全国各地。


与Si基项目相比,SiC项目总体投资相对较低,且许多中小型城市政府急于提升城市形象,增加半导体产业相关布局。


地方政府具体参与的部分SiC项目汇总



03
资本涌入



资本热情高涨,大量资金涌入SiC产业。


04
政策驱动



中央及地方政府颁布了一系列政策推动SiC产业发展。


国家十四五规划21年公布的细则中
预期会加入重点支持第三代半导体产业发展的描述


另外,在《中国制造2025》中,国家对5G通信、高效能源管理中的国产化率也提出了具体目标,目标要求到2025年,要使先进半导体材料的国产化率达到50%。这些利好的政策,对SiC市场的进一步发展壮大助益良多。


鲁晶半导体在参加2021年慕尼黑电子展的展会上,电视栏目组《品质》也曾采访公司总经理徐文汇先生关于《中国制造2025》有关第三代半导体发展的看法,碳化硅功率器件的应用将在未来3-5年大规模应用,在某些领域甚至能全面替代硅基产品。


05
产业链完成基本布局




相对国外市场,我国开展SiC材料及器件方面的研究工作比较晚,在多方因素的推动下,中国SiC产业链已完成基本布局,取得了一定的成果,逐步缩小了与国外先进技术的差距,各个环节都涌现出几家领先企业。


然而,从整个SiC市场格局来看,美、日、欧等外商仍是整个市场的主导者,国内厂商在该领域的话语权还不大。根据Yole数据显示,Cree、英飞凌、罗姆约占据了90%的SiC市场份额,Cree是SiC衬底主要供应商,罗姆、意法半导体等则拥有自己的SiC生产线等,其中Cree占据了一半以上的碳化硅晶片市场,这种垄断优势使其在产业上游的话语权非常之大。从这个角度看,国内企业要走的路,相较国外现在的位置还有较大差距。


从产业链看国内外竞争的差距


01
衬底



衬底

技术指标和国际厂商有明显差距,产品的一致性问题是难以攻克的短板。

在衬底最主要的三个几何参数TTV(总厚度偏差),Bow(弯曲度),Wrap(翘曲度)方面。国内厂商与国外领先厂商之间存在明显的差距。



国产衬底技术差距和一致性问题产生的原因大致可以归纳为以下两类:


  1. 在材料匹配、设备精度和热场控制等技术角度需要长时间的 Know-how累积。国内厂商起步相对较晚,投入更少,与国外领先厂商存在明显的差距。

  2. 国内厂商的客户较少且比较分散,客户的反馈速度更慢,反馈内容不彻底。CREE的产品线覆盖衬底、外延、器件乃至模组,后端反馈充分且及时。


技术差距直接导致衬底综合性能较差,无法用于要求更高的产线中。

一致性问则表示优质衬底比例较低,直接导致衬底的成本大幅上升。

主要是因为以上两点影响,国产衬底目前还无法进入主流供应链。


02
外延



外延

技术壁垒较低,技术水平与国外整体差距不大


外延环节技术较为单一,主要过程为在原SiC衬底上生长一层新单晶。是整个产业链中附加值和技术门槛较低的环节。


外延环节依赖成熟的设备(目前业界主流设备为Aixtron等公司提供的CVD设备),气相沉积流程通过流量计严格控制,业界和设备商有相对成熟的技术。


以国内厂商瀚天天成为例,技术水平和国际外延领先企业日本昭和电工(Showa Denko)已经相差不大。根据调研反馈,瀚天天成和昭和电工已在全球多个市场展开竞争。


03
器件



器件

技术指标和国际厂商有明显差距,产品的一致性问题是难以攻克的短板,国产衬底目前仍难以进入主流供应链。



设计:SiC器件设计相对简单,与国外差距相对较小


  • SiC SBD器件设计在专利方面没有壁垒,国内领先企业已开始Gen 6 SiC SBD的研发,与国外差距相对较小。

  • SiC MOSFET器件方面,国内多家公司宣称已完成研发,但仍未进入量产状态。同时,最新的Gen 4 Trench SiC MOSFET专利被国外公司掌握,未来可能存在专利方面的问题。


制造:SiC器件制造与国外存在明显的差距

  • SiC SBD器件制造产线大多处于刚通线的状态,还需经历产能爬坡等阶段,离大规模稳定量产还有一定距离。

  • 目前,国内所有SiC MOSFET器件制造平台仍在搭建中,部分公司的产线仍处于计划阶段,离正式量产还有很长一段距离。

04
模块



模块

市场竞争激烈,国内产业整体成熟度仍较低。


SIC模块国内企业当下的竞争情况:


国内众多新能源汽车厂商布局激进,自建SiC模块产线,满足自身需求,从上游端向下游覆盖。与此同时,传统模块厂商也有部分横向展开SiC模块的研发,凭借Si基模块的经验加快研发进度。


但国内新能源汽车厂商模块产线的建设大多于19/20年启动,至少22年才能放量。包括国内新兴的模块厂商大多体量较小,尚未实现大规模量产。国内产业的成熟度依然较低。


除国内厂商之间互相竞争外,在SIC领域真正的竞争压力还是来自于国外的巨头,目前英飞凌、ST、罗姆等国际大厂600-1700V碳化硅SBD、MOSFET均已实现量产,国内碳化硅厂商目前主要推出二极管产品,MOSFET只有极少数厂商量产,还有待突破,产线方面Cree、英飞凌等已开始布局8英寸线,而国内厂商还在往6英寸线过渡。衬底市场仅Cree一家便占据了约40%份额。


未来很长一段时间里,国内SIC产业链企业的进击之路。仍道阻且长!但好在SiC在5G、新能源汽车、光伏等各个领域的表现都极佳,市场足够大,且国产替代需求持续,国内企业尚可一拼!


目前国内SiC产业布局情况

01
SiC衬底



山东天岳、天科合达、中科节能、同光晶体


02
外延片生产



瀚天天成、东莞天域

03
SiC器件、模组生产企业



三安集成泰科天润、瞻芯电子、基本半导体济南鲁晶半导体等。


鲁晶半导体成立于2010年,十余年来一直专注于硅基半导体二三极管、MOS管的生产、销售、研发,在业内享有口碑。2016年以来,根据产业发展需求,积极布局第三代半导体器件的研发、封测和应用。着力加大科研投入、培养人才队伍来构筑全新的技术创新体系。提升企业核心竞争力、充实企业创新发展的后劲,为企业可持续发展提供强有力的技术支撑。



免责声明:本文转载自“鲁晶芯城”,本文仅代表作者个人观点,不代表萨科微及行业观点,只为转载与分享,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者,如有侵权请联系我们删除。