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    半導體碳化硅(SiC)行業研究:打開新能源汽車百億市場空間

    發布人:旺材芯片 時間:2022-05-24 來源:工程師 發布文章

    報告出品方/作者:海通國際)

    1、碳化硅(SiC):新一代半導體材料,打開新能源車百億市場空間

    1.1 碳化硅半導體材料

    第三代半導體性能優越,應用場景更廣。半導體材料作為電子信息技術發展的 基礎,經歷了數代的更迭。隨著應用場景提出更高的要求,以碳化硅、氮化鎵為代 表的第三代半導體材料逐漸進入產業化加速放量階段。相較于前兩代材料,碳化硅 具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優越性能,廣泛應用于制作高溫、高頻、大功率和 抗輻射電子器件。

    碳化硅器件應用場景廣闊。因其高熱導性、高擊穿電場強度及高電流密度,基 于碳化硅材料的半導體器件可應用于汽車、充電設備、便攜式電源、通信設備、機 械臂、飛行器等多個工業領域。其應用的范圍也在不斷地普及和深化,是一種應用 前景非常廣泛、非常具有價值的材料。

    1.2 碳化硅的優勢分析

    第三代半導體材料禁帶寬度遠大于前兩代。第一代和第二代半導體都是窄帶隙 半導體,而從第三代半導體開始,寬禁帶(帶隙大于 2.2eV)半導體材料開始被大 量應用。碳化硅作為第三代半導體的典型代表,具有 200 多種空間結構,不同的結 構對應著不同的帶隙值,一般在 2.4eV-3.35eV 之間。碳化硅材料除寬禁帶之外,還 具有高擊穿場強、高飽和漂移速度及高穩定性、最大功率等優點。

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    1.2.1 寬禁帶:提高材料穩定性和擊穿電場強度

    禁帶寬度決定材料特性,寬禁帶提高更好性能。禁帶寬度是衡量半導體性能的 一個重要指標,更寬的禁帶意味著更高的激發要求,即電子和空穴更難以形成,這 也導致了寬帶隙半導體在不需要工作時可以保持類似絕緣體的特性,這也使得其具 有更好的穩定性,寬禁帶同時也有助于提高擊穿電場強度,進而增強對工作環境的 承受能力,具體體現在具有更好的耐熱性和耐高電壓性、抗輻射性。

    同時因寬禁帶體系中導帶與價帶間的高能量差,使得電子與空穴被激發后的復 合率大大降低,這就使得更多的電子和空穴可以用于導電或者傳熱,這也是碳化硅 具有更強的導熱性與導電能力的一個原因。

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    基于這些特點,碳化硅器件可以在更高強度的環境下進行工作,也能夠更快速 地進行散熱,極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升,同時 降低對散熱系統的要求,使終端可以更加輕量和小型化。碳化硅的高禁帶寬度也使 得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少,從而降低功率損耗;碳化硅器件在關斷 過程中不存在電流拖尾現象,開關損耗低,大幅提高實際應用的開關頻率。

    1.2.2 高擊穿電壓:帶來更大的工作區間及功率范圍

    擊穿電壓越高,工作區間及功率范圍越大。擊穿電壓指的是使電介質擊穿的電 壓。對于半導體來說,一旦電壓到達了擊穿電壓就意味著半導體失去了其介電性 能,因內部結構被破壞而呈現出類似與導體的性能,進而無法工作。所以更高的擊 穿電場意味著更大的工作區間及功率范圍,即擊穿電場越高越好。

    碳化硅器件功率更大、體積更小,能量損失更低。碳化硅材料因其更高的擊穿 電壓特性,可以廣泛地應用于大功率器件的制備,這是硅基半導體所無法替代的優 勢。碳化硅更高的電擊穿允許碳化硅功率器件具有更薄更重摻雜的阻擋層,這使得 同等要求下使用碳化硅材料可以將器件做的更薄,這可以起到節省空間、提高單位 能量密度的作用。此外,高擊穿電場還可以使得碳化硅在外電壓中的導通電阻更 小,而更小的導通電阻意味著更低的能量損失。

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    1.2.3 高飽和漂移速度:能量損耗更小

    碳化硅因其內部結構,具有更高的飽和漂移速度。漂移速度反應的是載流子在 外電壓下的遷移速度,理論上講漂移速度是可以隨著外界電場的增加而無限提高 的,但實際上隨著外加電場的增加,材料內部載流子之間的碰撞也會隨之增加,所 以會存在一個飽和的漂移速度。在碳化硅材料中,其內部結構具有很好的緩沖碰撞 的能力,所以具有更高的飽和漂移速度。

    高飽和漂移速度帶來更小的能量損耗。高飽和漂移速度意味著載流子能更快地 遷移,以及更低的電阻。這也使得碳化硅材料中的能量損耗大大減小。與硅相比, 相同規格的碳化硅基 MOSFET 和硅基 MOSFET 相比,導通電阻降低為 1/200,尺寸 減小為 1/10;相同規格的使用碳化硅基 MOSFET 和使用硅基 IGBT 的逆變器相比, 總能量損失小于 1/4。這些特點為碳化硅材料在光伏逆變器、高頻器件中的應用提 供了有力的支撐。

    2.碳化硅產業鏈

    國外廠商多以 IDM 模式布局,國內企業專注單個環節。碳化硅產業鏈依次可分 為:襯底、外延、器件、終端應用。國外企業多以 IDM 模式布局全產業鏈,如 Wolfspeed、Rohm 及意法半導體(ST),而國內企業則專注于單個環節制造,如襯 底領域的天科合達、天岳先進,外延領域的瀚天天成、東莞天域,器件領域的斯達 半島、泰科天潤。

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    襯底與外延占據 70%的碳化硅器件成本。受制于材料端的制備難度大,良率 低,產能小,目前產業鏈的價值集中于襯底和外延部分,前端兩部分占碳化硅器件 成本的 47%、23%,而后端的設計、制造、封測環節僅占 30%。

    2.1 襯底:行業呈現一超格局

    行業呈現一超格局,Wolfspeed 占據 62%市場份額。自 2018 年特斯拉首次將碳 化硅器件導入 Model3 代替 IGBT 模塊,便打開了碳化硅在新能源車領域的應用,行 業迅速進入升溫期。目前碳化硅襯底市場呈現一超格局,Wolfspeed(原 Cree)以

    62%的市占率高居第一,II-VI、Rohm 則以 14%和 13%的市占率位列第二、三位, CR3 接近 90%。國內廠商天科合達市占率僅為 4%。

    碳化硅襯底可分為導電型和半絕緣型。導電型是指電阻率在 15~30mΩ·cm 的碳 化硅襯底,將其進行外延后可進一步制成功率器件,應用于新能源車、光伏、智能 電網等領域。半絕緣型則是指電阻率高于 105mΩ·cm 的碳化硅襯底,主要用于制造 氮化鎵微波射頻器件,作為無線通訊領域的基礎零部件。

    碳化硅襯底是由高純硅、碳粉經過合成成 SiC 微粉后,通過物理氣相沉積法 (PVT)生長成為晶錠,之后加工得到標準直徑尺寸的碳化硅晶體,再經過切磨拋 工藝獲得表面無損傷的碳化硅拋光片,最后對其進行檢測、清洗形成可交付下游外 延廠商使用碳化硅襯底。

    2.1.1 原料合成:各家襯底廠商自產為主

    高純 SiC 粉末可使用氣相法、液相法及固相法合成,目前產業中主要使用固相 法中自蔓延高溫合成法,即將固態的 Si 源和 C 源作為原料,使其在 1400~2000°C 的高溫下持續反應,最后得到高純 SiC 粉體。這種方法原料便宜,合成質量穩定, 合成效率高。目前各家襯底廠商基本自產高純 SiC 粉末。

    2.1.2 晶錠生長:目前行業內以 PVT 法為主,整體良率較低

    90%襯底企業選擇 PVT 法。碳化硅單晶主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學 氣相沉積(HTCVD)法和液相外延法(LPE)法,目前 PVT 法由于設備易于制造、長晶過 程更好控制以及成本較低等優點,是業內最成熟的工藝。其原理是通過將處于

    2000°C以上的 SiC 原料升華分解成氣相物質,這些氣相物質輸運到溫度較低的籽晶 處,結晶生成 SiC 單晶。業內 90%的企業都使用 PVT 法。

    HTCVD 法的原理是將 Si 源和 C 源氣體在 2100°C左右的高溫環境下發生化學反 應生成 SiC,這種長晶法可實現晶體長時間持續生長,但設備成本高,且生長速度 也很慢。業內使用 HTCVD 法的有 Norstel 和日本電裝。

    LPE 法通過在高溫純硅溶液中將碳溶解其中,從過飽和液中析出碳化硅晶體。LPE 適用于制備高質量大尺寸碳化硅襯底,但是生長速度極其緩慢,材料要求也 高,應用廠家有住友金屬。

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    PVT 法生長速度慢、厚度低,且良率較低。根據劉得偉等人在《PVT 法生長 6 英寸 4H-SiC 晶體的工藝研究》文中數據,在不同原料區溫度下,80 小時生長時間內 晶錠厚度 8-15mm,并且由于粉源石墨化的影響,晶錠長度限制在 50mm 左右。且 碳化硅晶體的生長環境復雜、工藝控制難度大,整體良率較低,據天岳先進招股書 中披露,公司晶棒環節整體良率在 50%。

    2.1.3 切磨拋:SiC 晶錠硬度高、脆性大,加工困難

    生長完成的 SiC 晶錠在經過初加工定型后,還需要經過切磨拋環節制成碳化硅 拋光片。受加工技術的制約,目前高表面質量碳化硅晶片的加工效率較低,據天岳 先進招股書中披露,公司襯底環節整體良率在 75%。

    國內切割環節主要用固結磨料多線切割。由于碳化硅硬度高、脆性大、化學性 質穩定,無法使用傳統鋸切工具。國內目前最多使用固結磨料多線切割法來加工, 將金剛石磨料固結在金屬絲上,隨鋸絲運動實現磨粒的鋸切加工。目前國內外正在 研究激光切割、冷分離和電火花切片等技術。

    研磨主要是為了去除晶片切割后表面的缺陷,并達到預定厚度,同時將晶片的 翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。目前主要用單面減薄技術以及雙 面研磨,使用的磨料通常為碳化硼或金剛石。

    拋光主要通過配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學拋光(CMP),用 來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應力等,使研磨片表面達到納米級平 整度。最后通過檢測、清洗,將襯底交付給下游外延環節。

    2.2 外延:可滿足不同應用領域對器件的電阻等參數要求

    外延可滿足不同應用領域對器件參數要求。外延是指在碳化硅襯底上生長了一 層與襯底晶相同的單晶薄膜(外延層)的過程。為了滿足 SiC 器件在不同應用領域 對電阻等參數的特定要求,必須在襯底上進行滿足條件的外延后才可制作器件,因 此外延質量的好壞將會影響 SiC 器件的性能。目前 SiC 襯底上常見外延有 SiC 同質外 延和 GaN 異質外延,前者用于功率器件,后者用于射頻器件。

    目前主要使用 CVD 法進行外延。目前碳化硅外延技術主要采用化學氣相沉積法 (CVD),可以在較高生長速率下獲得高質量外延層。通常采用 H2 作為載氣,硅烷 (SiH4)和丙烷(C3H8)作為 Si 源與 C 源,在淀積室發生化學反應后生成 SiC 分子并沉積 在碳化硅襯底上。

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    國內還欠缺高電壓器件所需的厚膜技術。外延層厚度及摻雜濃度是制作外延層 時最基本的兩個參數,兩者共同決定了器件的電壓檔級。電壓等級越高,厚度越 厚,摻雜濃度越低。通常來說每 1000V 電壓需要 10μm 的外延層,國內外延技術可 滿足中低壓器件的需求,高壓器件需要的厚膜方面缺陷還較多。

    目前外延片的制備環節受限于設備交付環節,無法快速放量。外延生長設備目 前被意大利的 LPE 公司、德國 AIXTRON 公司以及日本 Nuflare 和 TEL 公司所壟斷, 主流 SiC 高溫外延設備交付周期已拉長至 1.5-2 年左右。國內目前有晶盛機電,北方 華創等企業開始小批量生產碳化硅外延設備。

    3.碳化硅下游使用情況

    3.1 新能源車

    新能源車領域將會為 SiC 功率器件帶來巨大增量。在新能源車上,碳化硅器件 主要使用在主驅逆變器、OBC(車載充電機)、DC-DC 車載電源轉換器和大功率 DCDC 充電設備。隨著各大車企相繼推出 800V 電壓平臺,為滿足大電流、高電壓的 需求,電機控制器的主驅逆變器將不可避免的由硅基 IGBT 替換為 SiC-MOS,帶來巨 大增長空間。

    電機控制器中功率模塊占整車成本 8%。電機控制器在新能車成本中占比 20%,是除電池外占比最大的一個部件,負責把動力電池輸出的高壓直流電轉換成 頻率和電流可變的三相交流電,給驅動電機供電,改變電機的轉速和扭矩,同時在 能量回收時把電機的三相交流電整流成直流電給動力電池充電。而功率模塊占其成 本 41%,折合占整車成本 8%。

    使用碳化硅器件能帶來好處:

    1) 提升加速度。碳化硅器件的使用能讓驅動電機在低轉速時承受更大輸入功率, 且因其高熱性能,不怕電流過大導致的熱效應和功率損耗。在車輛起步時,驅 動電機能夠輸出更大扭矩,獲得更強的加速能力。

    2) 增加續航里程。SiC 器件可以通過導通/開關兩個維度降低損耗,從而實現增加 電動車續航里程的目的。結合英飛凌的研究數據,在 25°C結溫下,SiC-MOS 關 斷損耗大約是 Si-IGBT 的 20%;在 175°C的結溫下,SiC-MOS 關斷損耗僅為 Si- IGBT 的 10%。綜合來說,新能源車使用 SiC 器件能夠增加 5-10%續航里程。

    3) 實現輕量化。得益于 SiC 的優越性能,SiC 器件可在以下方面可達到縮小體積的 效果:1)封裝尺寸更小、2)減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等 的使用、3)減少散熱器體積、4)同樣續航范圍內,可以減少電池容量。以羅 姆公司設計的 SiC 逆變器為例,使用全 SiC 模組后,主逆變器尺寸降低 43%,重 量降低 6kg。

    4) 降低系統成本。目前 SiC 器件的價格是硅基器件的 4-6 倍,但采用 SiC 器件實現 了電池成本的大幅下降和續航里程的提升,綜合降低了整車成本。使用 SiC- MOS 的驅動逆變器,器件帶來的成本增加約為 75~200 美元,然而從電池、無 源元器件、冷卻系統節省的成本在 525~850 美元,系統性成本顯著下降。相同 里程條件下,采用 SiC 逆變器單車可節省至少 200 美元。

    3.2 光伏逆變器

    碳化硅功率器件能提高光伏逆變器轉換效率,減少能量損耗。光伏發電方面, 目前基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統 10%左右,卻是系統能量損耗的主要 來源之一。使用 SiC-MOS 為基礎材料的光伏逆變器,轉換效率可從 96%提升至 99% 以上、能量損耗降低 50%以上、設備循環壽命提升 50 倍,從而能夠縮小系統體 積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。高效、高功率密度、高可 靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中,碳化 硅產品預計會逐漸替代硅基器件。目前國內在光伏領域應用碳化硅光伏逆變器的很 少,但在全球范圍內已經有光伏逆變器公司開始應用碳化硅光伏逆變器,比如西班 牙 Ingeteam 公司的 TLM 系列。

    3.3 軌道交通

    在軌道交通方面,軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件,其牽引變流器、 輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件 的需求。其中,牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備,將碳化硅器件 應用于軌道交通牽引變流器,能極****揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性,提 高牽引變流器裝置效率,符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應 用需求,提升系統的整體效能。

    3.4 智能電網

    智能電網方面,相比其他電力電子裝置,電力系統要求更高的電壓、更大的功 率容量和更高的可靠性,碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率 和高溫度方面的限制所導致的系統局限性,并具有高頻、高可靠性、高效率、低損 耗等獨特優勢,在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配 電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。

    3.5 射頻領域

    在射頻器件方面,以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導 熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢,突破了砷化鎵和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷,能夠滿足 5G 通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求,碳化硅 基氮化鎵射頻器件已逐步成為 5G 功率放大器尤其是宏****功率放大器的主流技術 路線。

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    4.碳化硅襯底全球市場空間測算

    碳化硅襯底是碳化硅器件制備必不可少、也是目前成本最高的一環,分析碳化 硅襯底的市場空間有著重要的意義。在這里,我們對全球碳化硅襯底 2021 年到 2025 年在新能源汽車、光伏領域的市場空間、襯底需求量進行了測算,并以此為參 比預測出了碳化硅襯底的總市場空間及襯底需求量。

    4.1 新能源汽車領域:25 年需求量或達 300 萬片,市場空間超 100 億元

    針對新能源車領域的碳化硅襯底市場預測,我們對關鍵參數做出以下假設:

    單片價格:目前 6 英寸碳化硅平均售價為 1000 美金,約 6400 元/片,由于未 來 6 英寸上的技術路線發展以及進一步規模經濟的形成,預期碳化硅價格總體呈現 降低趨勢,對于具體的價格趨勢,我們對 2021-2025 年襯底價格下降幅度進行以下 三種假設:1)10%降幅;2)15%降幅;3)20%降幅。

    單車消耗襯底數:考慮到未來價格下降后將逐步增加碳化硅在新能源車上的應 用場景,以目前 Model 3 單車用 48 個碳化硅 MOSFET 芯片計算,單車用 6 英寸襯底 數約 0.16 片,之后逐漸增長到 2025 年的 0.4 片。

    滲透率:這里的滲透率定義為采用 SiC 器件為主體的新能源汽車銷量在全部新 能源汽車銷量中的占比。2021 年的滲透率為 14%,預期 2021-2025 的滲透率增速為 6%。

    結合以上數據及假設,在 10%/15%/20%三種價格降幅預期下,新能源車領域的 碳化硅襯底市場或將分別達到 128/102/80 億元,相應襯底需求量達到 304 萬片。

    4.2 光伏領域:25 年需求量或超 50 萬片,市場空間達 20 億元

    全球新增裝機量:碳化硅襯底在光伏行業中主要應用于光伏逆變器,2020 年全 球裝機量為 137GW,2025 年預期可超過 400GW,按 400GW 作為參考。2021 年數 據參考陽光電源年報相關數據換算,約為 156GW。假設在這段區間內光伏裝機量加 速增長。

    IGBT 成本占比:根據天科合達招股說明書披露的數據,硅基 IGBT 的成本占比 約為光伏逆變器總成本的 10%,假設硅基 IGBT 的成本比例在未來幾年內占比維持不 變。

    逆變器價格:2021 年陽光電源光伏逆變器材料基本均為硅基材料,銷量為 47GW,相關業務營業收入為 90.5 億元,故硅基光伏逆變器價格約為 0.19 元/W。根 據陽光電源 2017-2021 年的逆變器價格變化數據,平均每年價格約下降 0.02 元/W。故預期在未來價格會逐漸降低,假設按照 0.02 元/W 每年的速度下降到 0.13 元/W。

    碳化硅/硅價格比:目前碳化硅器件和硅基器件的價格比約為 4,而在未來預期 成本替代比會降低,下降比例應該與價格變化幅度正相關,故假設成本替代比例每 年遞減。

    襯底成本比例:目前襯底占比為 46%,預期占比比例每年按照 3%的速度遞 減。

    滲透率:這里的滲透率指的是碳化硅光伏逆變器在總逆變器中的占比。參考 CASA 數據,2021 年滲透率為 10%,預期每年滲透率按照 10%的速度增長。到 2025 年達到 50%。

    結合以上數據及假設,得到如下圖所示的測算表:市場空間的年復合增長率為 39%、需求量的年復合增長率為 58%。到 2025 年市場空間達到 20 億元,襯底需求 量超過 50 萬片。

    4.3 總市場測算

    根據 Wolfspeed 投資者報告中的數據,2021 年新能源汽車+光伏在碳化硅總市 場里占比為 77%,2027 年預期達到 86%。故本部分測算中 2021 年占比為 77%,按 照市場占比每年 2%的速度增長,預期 2025 年達到 85%。根據以上數據反推出總體 數據,可以得到從 2021 年到 2025 年全球碳化硅襯底總市場規模將從 19 億元增長 至 143 億元,需求量將從 30 萬片增長至 420 萬片。

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    關鍵詞: 碳化硅

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