要点&分析师解读:
碳化硅主要用于功率半导体,替代现有的硅基二极管和IGBT。目前二极管的技术和经济性都已成熟,已经开始批量替代;Mosfet预计在2023年由领先的整车厂率先开始替代。
碳化硅替代的是400V以上的功率半导体,占到功率半导体总市场规模的80%,即400亿美元。目前在光伏逆变器中已有10%的渗透率,华为、阳光电源都有相关产品。在家电中也在替代,格力、美的进展较快。汽车是最大的应用市场,预计占50%,目前特斯拉Model 3、比亚迪汉、蔚来ET7都已开始使用。
碳化硅主要难度在长晶环节,国内距离国外领先水平有3-5年代差,比硅基半导体差距小了很多。在产能和技术上,国内均处于全球第二梯队,有望逐步追赶,国内企业大有可为。
陆总:长晶、外延技术介绍
碳化硅 长晶部分
生长方法:PVT,碳化硅固态在2300°以上变成气态,再在籽晶上生长碳化硅,相比硅只有1000多度,长晶速度比较慢,一小时零点几毫米,稳定的生长时间只有一周,和硅基长晶高度差100倍,速度也差几十倍,生长效率低,温度也较高,只有石墨材质能做坩埚,且需要密封,属于黑箱操作,不可操控,因此技术门槛比较高,需要经验性积累。
良率:目前较低,Cree、Ⅱ-Ⅵ 只有60%~70%,国内要低10%左右,导致4、6寸片价格较贵,是硅的60倍以上,但是由于高频、高压的性能,可以降低对无源器件的使用,可以节省系统成本,目前是硅的2~8倍。
国内情况:国外主流是6寸片,占比60%以上,4寸片占比30%左右;国内6寸良率低,以4寸为主,国内目前都在做大尺寸碳化硅衬底片,技术布局最早的是山东天岳和天科合达,还有其它企业在做。
国内外设备代差:长晶设备和国外差距不大,结构分为:线圈内置式(天科合达发明)和外置式,区别是线圈在真空腔内/外,腔体更大对控制更难一些,温度控制和效率更高,杂质更多,适合做导电型衬底;山东天岳腔体在线圈内,体积较小,杂质较小,适合做高纯半绝缘,两者技术路线不同。设备不复杂,但是需要工艺,基本都是自己设计找公司代工,全世界没有靠设备赚钱的公司,主要都是卖晶体,天科合达也是如此。
产能:目前已有的碳化硅产品基本来自Cree,衬底市占率达60%以上,第二是罗姆、第三是国内的山东天岳和天科合达。一台炉子产能一年在400~500片左右,生长效率较低,科锐号称有1000台长晶炉,年产能在20万片左右。
切磨抛设备国产化率还不高,主要进口德国、欧洲设备,切割设备需要金刚石切割,国内可靠性还不行,切割设备以日本设备为主,研磨抛也是以国外设备为主,国内产品需要进一步降低成本,提高可靠性才能逐步实现国产化,国内企业正在慢慢进入。
碳化硅 外延部分
技术门槛相对较低,目前已经有海外商业化较成熟的公司(LPE、爱思强、TEL),外延核心在厚度的均匀性、掺杂均匀性以及成本,厚度和电压成正比,器件面积和电流成正比,大约每平方厘米80~120A,国内主要就是瀚天天成和东莞天域,设备也以爱思强居多,国内中微从技术层面应该可以做。
王总:下游应用市场介绍
汽车应用:几年前特斯拉的应用引爆了市场,汽车分为三个子领域:电驱、DC-DC、充电器。其中电驱导入验证周期需要3-4年;DC-DC导入得较快,对安全要求不高;充电器分OBC和充电桩,充电桩一般用SiC二极管+IGBT,已经被各个厂商在验证,市场较大。
光伏逆变器:市场相当大,主要厂商是华为和阳光电源,H公司导入得更积极,应用方案采用碳化硅二极管+IGBT。
服务器电源:成本主要是电能,碳化硅能降低损耗,节省电能,对可靠性要求没有这么高,所以导入得较快,但是成本敏感性较高。
空调:美的和格力有较早的布局,三—四匹的空调会应用碳化硅芯片,消费级产品对成本要求也非常高。
超高压:3300V以上,用在轨交,可靠性要求更高,目前还没有上量。
国家电网:更长远的市场应用。
市场空间:比亚迪和特斯拉2023年会用纯碳化硅模块,2/3芯片,1/3模块。
产能:一辆电动车1/4~1/3片6寸晶圆,特斯拉按100万辆车,就要用25万片,科锐纽约厂,需求量较大,短期内市场不会出现过饱和的状态,国内量产的是二极管,二极管只有3-4种缺陷,Mosfet有6种缺陷,因此国内mosfet进展较慢。
时间爆发节点:2024年将推出第一个全碳化硅电动车平台,2027年所有平台换成电动车,2024年往后会有需求大规模的爆发,但是国内厂商如果现在不做,就赶不上在2024年通过验证,无法成为未来的主流玩家。
光伏方面,由于环境恶劣,可靠性要求非常高,国内已经在进行验证,大概在今年年底、明年年初将会爆发。
对IGBT的替换:对能耗、体积有要求的,在400V/600V以上都能替换,长久以来必须使用碳化硅;中低压不太可能使用碳化硅,对频率要求高的会使用GaN。
朱总:汽车端模块的应用
模块竞争格局:目前主流以IGBT为主,英飞凌占据60%的市场份额,接下来是三菱、斯达等,主要是使用在主驱逆变器中。
碳化硅与IGBT的替代:对大部分主流ODM来说,IGBT价格比较透明,为什么用碳化硅模块代替IGBT?碳化硅性能有优势,损耗、导通电阻较小,而且基于mos可以做双通道沟槽的设计,进一步降低导通电阻,技术上有优势,物理特性上,对整车能带来4~7%的成本节省(减少周身被动元器件,系统复杂性降低,减少空间可以装更多的电池)
模块设计方面:碳化硅模块和IGBT模块设计上,英飞凌市场份额高,用的是HpDrive,碳化硅没有明确的模块设计,终端ODM客户使用IGBT后,用Hpdrive切换较为方便,但是Hpdrive模块尺寸较大,无法体现碳化硅尺寸及性能优势,未来还需要针对模块进行重新设计,还需一定时间。
主流车厂规划:Tier 1 会对模块进行重新设计,并在2023年前采用碳化硅方案,Tier 2 主要以性能和价格为导向,不会有明确偏好,预计2024-2025年使用
特斯拉和比亚迪应用情况:特斯拉供应商是ST,ST从罗姆和Cree买了衬底以后做器件,目前一辆车2个模块,每个模块24个芯片并联,使用的是1in1的方案,未来还需要改进;比亚迪自己有模块厂,采购芯片后做封装,产能只供自己。
安信机械观点:重点推荐晶盛机电
1)晶盛机电经过10年技术积累,是国内唯一在长晶-外延-切磨抛设备均有涉及的公司;
2)公司在半导体、光伏、LED照明晶体生长等领域都证明了自己的实力,在热场设计、自动控制方面有深厚的技术积淀,具备横向迁移的能力;
3)近两年公司从设备厂商向材料厂商转移,如何中环、蓝思合资做硅片、蓝宝石等,经营模式和盈利模式上均有提升;
4)公司是上市公司平台,在资源整合、品牌实力等方面拥有优势;
5)估值测算过程:碳化硅方面,假设到2025年碳化硅价格降到硅的1.5倍,考虑到30%的碳化硅二极管被替代,预计碳化硅器件市场规模180亿美元。其中60%的成本在衬底和外延,如考虑相关企业利润率30%,则衬底、外延市场空间就是75亿美元,晶盛未来向材料延伸市场空间广阔,估值弹性大。
光伏方面,硅片扩产积极,预计公司近三年业绩保持高增长态势,对应今、明两年估值只有44倍和30倍,如果完全不考虑碳化硅,作为高景气行业的龙头公司,未来三年业绩呈高增长态势,对比锂电设备、光伏电池片设备龙头公司应有60倍估值,目前44倍属于低估。
整体来说,公司作为晶体制造龙头企业,光伏领域高景气奠定其安全边际,碳化硅提供较高弹性。
风险提示:下游需求波动、市场竞争加剧
安信电子观点:重点推荐斯达半导、闻泰科技、露笑科技
电子方面一是给大家讲现在器件的情况,包括像特斯拉和比亚迪,另外分享电子涉及到相关公司的投资机会。
首先讲一下特斯拉,特斯拉的Model3是第一个把碳化硅作为一个主驱的电动车型。目前来看,意法半导体来供的MOSFET,采用是650伏产品,相对于之前的X和S所采用的IGBT方案来看,大概是有5到8个的点效率提升,也就是从原来的82%提升到接近90%,这块对续航是有贡献的。逆变器采用是单管的方式,24颗单管。一颗单管是包含了2颗的MOSFET芯片,一共是48颗,这是特斯拉的方案。 比亚迪是2017年的时候就已经研发出相关产品,2018年进行正式采用,先用了车充,后面才放到了汉这款车上,近期可以看到比亚迪未来是要自建产线。
实际产业链来看,衬底是最为紧缺的环节,国际上Cree是龙头,II-VI做的也很好,从国内来看天科合达做的非常好,从长晶设备到衬底都是自己做的。因为本身四英寸是有成熟量产,现在在做6英寸产品,在徐州也有一百多台的炉子,所以这块无论是从成熟度规模还是过往的口碑、积累上,在衬底领域做得是比较领先的。
上市公司层面,设备衬底还有一个上市公司相关标的,露笑科技,也是最近投资者问得比较多的。这个公司像这边技术来源,主要是陈之战教授,他之前是上海硅酸盐研究所的,之前也担任过世纪金光的技术负责人,由于各种原因又出来,现在在露笑科技作为技术带头人。公司自己做长晶炉,自己做衬底。不过这块的衬底是是合肥产投的合资子公司来进行运营的。他们年中的时候会有第一批长晶炉点火投产,后续情况到底如何,我们也会保持持续跟踪。
从器件来看和之前专家讲的内容是差不多的。目前MOSFET是基本非常比较难,目前都是以二极管作为一个主要推的产品。像闻泰科技这个月是推出了车规级的二极管产品,像华润微、中车时代电气、三安光电都有相关产品,绝大多数推出是650伏产品,中车时代电气产品线相对宽一点,可以达到650-1700伏。
之前也有很多人会问三安光电,做化合物半导体是上市公司里面的龙头,公司在化合物半导体主要的核心还是放在射频,因为化合物半导体一是功率器件,二是射频。主要是放在射频,所以国内通信厂商也对它是全力支持。但是SiC也有布局,虽然是不同的技术路线,但是考虑到过往的成功经验,我们认为做出来主要是时间和资源的问题。
模块环节可以关注斯达半导,它在碳化硅模块领域现在复制他在IGBT领域成功路线,先做模块再往上游的自研芯片的方向去延伸,目前来看是去年下半年的时候推出来相关产品,目前来看推出来的量级还不是非常大,八万多颗的产能。基于过往IGBT产品信心还有对下游客户的黏性,模块如果真正做出来后我们认为还是会有不错进展。
整体来看,在比较高价值环节还是在上游,也就是在长晶衬底。因为现在来看,基本6英寸单片是七八千,所以从价值量来看只要谁能稳定的量产,会有一个非常好的收益。根据我们的了解,从实验室小批量到大批量,是需要整个工艺非常标准的复制,如果是能够解决温度场控制和标准化复制这两个比较核心的问题,量产的难度问题就会小很多。在研究的公司正式出产品之前,我们更多可以通过这两种方式进行一个判断。
风险提示:竞争格局恶化、下游需求波动