電動汽車發(fā)展還有上升空間嗎？
一直以來，“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關(guān)鍵問題，是車企和車主共同的焦慮。
為了解決最大的痛點，車企圍繞著這個核心又迷茫的話題進行著不斷的探索。但無論蔚來的換電策略、還是電池廠商不斷探索的高密度三元鋰電池，似乎都是在電池容量上下功夫，并沒有真正地解決充電速率的問題，快速充電一直是人們心中一道過不去的坎。
但隨著高壓電氣技術(shù)的不斷進步，快充時代已經(jīng)到來。繼2019年4月保時捷Taycan Turbo S 全球首發(fā)三年后，800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V，800V帶來了更高的功效，大幅提升功率，實現(xiàn)了15分鐘的快充補能。
而構(gòu)建800V超充平臺的靈魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命。
本文從碳化硅發(fā)展原因講起，分析了下游應(yīng)用市場與相關(guān)公司，以期全方位體現(xiàn)碳化硅發(fā)展現(xiàn)狀、前景與具體投資機會。
碳化硅成半導體攻關(guān)熱點
作為半導體材料之一，碳化硅的快速發(fā)展得益于半導體的廣闊市場帶動。
半導體，指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，被稱為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。近年受益于智能手機和智能穿戴等新興消費電子市場的快速放量，以及汽車電子、工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)等科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，疊加半導體國產(chǎn)化的快速推進，我國半導體產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展階段。
近年來，全球半導體材料市場規(guī)模穩(wěn)健增長。總銷售額從2010年的449億美元增長至2021年的643億美元，2010-2021年復合增長率為33.3%。未來，隨著半導體芯片工藝升級、芯片尺寸持續(xù)小型化，以及全球硅材料、化合物半導體材料的品種和性能不斷迭代升級的影響下，晶圓制造材料占比有望繼續(xù)提升。
數(shù)據(jù)來源：SEMI，東莞證券研究所
我國半導體產(chǎn)業(yè)更是處于高速發(fā)展的階段。2021年，我國半導體銷售額達到了1921億美元，同比增長 26.80%，2017-2021年復合增速高達9.94%，高于全球同期6.18%的復合增速。從銷售額占比來看，我國半導體產(chǎn)業(yè)的全球影響力逐步增強，國內(nèi)半導體銷售額占全球比重從2017年的30.69%提升至2021年的35.27%。
資料來源：SIA，東莞證券研究所
碳化硅材料電氣性能優(yōu)越，有望成為半導體領(lǐng)域最具前景的材料之一。
半導體材料發(fā)展至今已經(jīng)歷三個階段。常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導體材料。
從被研究和規(guī)?；瘧?yīng)用的時間先后順序來看，上述半導體材料被業(yè)內(nèi)通俗地劃分為三代：
第一代半導體是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，從20世紀50年代開始大規(guī)模應(yīng)用，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，無法滿足人類的需求。
第二代半導體材料是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）化合物材料為代表，從20時機90年代開始大規(guī)模應(yīng)用，適用于制作高速高頻、大功率及發(fā)光電子器件。但是第二代半導體擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外砷化鎵材料有毒，存在著引起環(huán)境污染的問題。
第三代半導體材料是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體，多在通信、新能源汽車、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等場景中應(yīng)用。與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢，因此，采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運行，適用于高電壓、高頻率場景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。
碳化硅在第三代半導體中存在的主要形式是作為襯底材料，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，當前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。具體來說，碳化硅器件有以下幾個優(yōu)點：
（1）耐高壓：碳化硅擊穿電場強度大，碳化硅制備器件可以極大提高耐壓容量、工作頻率與電流密度，在實際應(yīng)用中可以設(shè)計成更小的體積。
（2）耐高溫：碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性，極限溫度甚至可達600℃。同時，其導熱性更高，有助于器件的散熱，有助于實現(xiàn)設(shè)備的小型化。
（3）實現(xiàn)高頻性能：碳化硅包和電子漂移速率大，可以實現(xiàn)更高的工作頻率與功率密度，也可以減少能量損失。在800V高壓工作下，碳化硅 MOSFET逆變器的能量損失僅為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。
在SiC產(chǎn)業(yè)鏈中，價值主要集中于上游襯底和外延。
SiC生產(chǎn)過程主要包括碳化硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，分別對應(yīng)襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。
資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，中信建投
三大環(huán)節(jié)中，襯底成本占比達47%，其次為外延片，占比23%，這兩大工序為SiC器件的重要組成部分。由于SiC襯底生產(chǎn)工藝壁壘高，生產(chǎn)良率較低，全球產(chǎn)量具有明顯的瓶頸，因此其制造成本一直居高不下。此外，外延片的參數(shù)性能會受到SiC襯底質(zhì)量的影響，其本身也會影響下游器件的性能。若能在襯底和外延片環(huán)節(jié)進行技術(shù)突破，將會大幅降低制造成本，提高性能。
碳化硅器件制造成本分布
數(shù)據(jù)來源：CASA，前瞻產(chǎn)業(yè)，東莞證券
新能源革命，驅(qū)動碳化硅行業(yè)進入快車道
第三代半導體處于成長期，市場規(guī)模增長迅速。
2019年及以前，以SiC和GaN為主的第三代半導體材料處于發(fā)展初期，晶圓設(shè)備開發(fā)、襯底外延制造、下游器件生產(chǎn)均處于研發(fā)階段且尚未形成規(guī)模量產(chǎn)。隨著美國、韓國、日本等半導體強國大力進行第三代半導體的相關(guān)研發(fā)，2020年在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用爆發(fā)的推動下，第三代半導體正式進入高速發(fā)展期。
目前，SiC襯底和外延技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用于8英寸節(jié)點，功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域，國際領(lǐng)先企業(yè)也實現(xiàn)了MOSFET器件的量產(chǎn)。此外，中國也發(fā)布了多項半導體行業(yè)建設(shè)政策，旨在打造國產(chǎn)先進半導體企業(yè)，這對第三代半導體的市場擴大具有積極意義。
2019年，全球SiC市場的規(guī)模約為5.41億美元，全球半導體市場規(guī)模約為4123.07 億美元，SiC市場占總體比例不足1%。預計2025年，全球碳化硅市場規(guī)模將達到25.62億美元，未來6年CAGR 約為30%，市場成長空間巨大。
碳化硅行業(yè)發(fā)展階段曲線
資料來源：公司公告，中信建投
新能源汽車需求釋放，推動碳化硅市場快速增長。
目前，傳統(tǒng)硅材料在 MOSFET、IGBT、功率IC等領(lǐng)域的器件性能已經(jīng)逐漸接近極限，已無法適應(yīng)新興市場快速發(fā)展的變革需要，而碳化硅襯底相較于硅基器件具有更高的工作溫度、擊穿電壓以及優(yōu)越的開關(guān)性質(zhì)，其開關(guān)頻率和功率頻率都輕易突破了傳統(tǒng)材料的上限，因此廣泛用于新能源汽車等領(lǐng)域。
2019年，全球新能源汽車IGBT的市場規(guī)模約為 2.25億美元，預計該數(shù)值2025 年將為15.53億美元，市場將以38%的CAGR快速增長。
資料來源：Yole，中信建投
同時，新能源汽車市場的應(yīng)用也占據(jù)了碳化硅器件總市場的41.59%，預計這一占比將于2025年提升至 60.62%。
在當下，用于電機驅(qū)動逆變器的碳化硅功率器件是車用SiC產(chǎn)品中最主要且潛在增長空間最巨大的部分，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)達到了批量生產(chǎn)的臨界區(qū)域，相關(guān)下游市場的大量需求正在逐步釋放。預計隨著新能源車市場滲透率的進一步擴大，以及功率模塊和相關(guān)應(yīng)用的迅速發(fā)展，碳化硅市場將在中期內(nèi)迎來爆發(fā)。
同時，全球的碳化硅廠商也在積極尋求合作，紛紛與先進新能源汽車企業(yè)簽訂協(xié)議：
①特斯拉Model 3所采用的SiC MOSFET功率模塊正是由意法半導體提供的，且后者與碳化硅領(lǐng)先企業(yè)Woifspeed簽訂了150mm碳化硅晶圓擴展協(xié)議，旨在為全球的 SiC 晶圓供給加碼。
②意法半導體還于2021年6月與雷諾集團達成戰(zhàn)略合作，以提供用于電動和混合動力汽車的SiC功率器件供應(yīng)，此舉旨在降低汽車的電池成本、增加充電里程、縮短充電時間最終使成本降低近30%。
③日本先進半導體制造商ROHM也與吉利汽車達成合作，使用ROHM提供的SiC功率器件實現(xiàn)高效的逆變效率和充電性能，從而進一步提高用戶體驗。
而在消費者最關(guān)心的車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面，目前全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件，有效的降低了開關(guān)損耗，并大幅提升了充電效率，在實現(xiàn)超充的路上更進了一步。
目前，全球頂尖碳化硅器件制造商都紛紛與新能源車企達成了合作，以擴大自身在相關(guān)市場的領(lǐng)先地位，新能源汽車市場的快速發(fā)展必將加劇全球碳化硅企業(yè)的競爭，預計市場集中度將進一步提高。
碳化硅物化性質(zhì)優(yōu)越，引起光伏原材料迭代升級。
在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。而根據(jù)天科合達招股書顯示，使用碳化硅材料，可將轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。
盡管碳化硅器件具有較高的制造成本，但其高導熱率、高擊穿電場、低損耗等特性，都使得光伏系統(tǒng)效率更高，從而進一步降低成本。
無論從光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料制造看，還是從下游應(yīng)用的高效能看，碳化硅都具有無與倫比的高效能。預計中長期內(nèi)，碳化硅將會成為太陽能光伏領(lǐng)域功率器件的主要制造原料，同時帶動產(chǎn)業(yè)鏈整體實現(xiàn)迭代升級。
在碳化硅功率器件顯著的性能影響下，諸多領(lǐng)先廠商紛紛加碼。國內(nèi)三安集成已完成SIC器件的量產(chǎn)平臺打造，首發(fā)產(chǎn)品也實現(xiàn)了一系列性能和可靠性測試。此外，露笑科技與斯達半導體也在廣泛布局光伏業(yè)務(wù)。預計未來五年內(nèi)碳化硅功率器件將更為廣泛地應(yīng)用于光伏市場，將為SiC器件帶來至少15%以上的快速增長。
光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預測
資料來源：天科合達招股書，CASA，民生證券
除汽車與光伏外，碳化硅器件還被廣泛應(yīng)用于充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、軌道交通、UPS等許多領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域不斷發(fā)展的同時，也在持續(xù)提升SiC器件的滲透率，讓SiC成為了各大半導體企業(yè)的“兵家必爭之地”。
三安光電天岳先進角逐碳化硅之巔
三安光電，碳化硅或受益全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢。
三安光電是國內(nèi)LED行業(yè)的龍頭企業(yè)，旗下業(yè)務(wù)包括LED、通訊射頻和SiC功率器件業(yè)務(wù)，是全球極少數(shù)擁有從碳化硅襯底到器件、封測全產(chǎn)業(yè)鏈布局的公司。
自2014年起，三安光電全面進軍化合物半導體行業(yè)。公司通過收購 Norstel，并且經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)，獲得了碳化硅襯底制造技術(shù)。同時，三安光電的LED業(yè)務(wù)因貿(mào)易戰(zhàn)、行業(yè)周期等因素，受到了較大的影響，也進一步堅定了三安進軍新型半導體產(chǎn)業(yè)的決心。
2019年起，化合物半導體業(yè)務(wù)以三安集成為主要產(chǎn)業(yè)基地，開始逐步放量。并且隨著技術(shù)研發(fā)不斷推進，成本和費用管控進一步優(yōu)化，預計伴隨著第三代半導體技術(shù)研發(fā)逐步轉(zhuǎn)化為銷售成果后，公司將實現(xiàn)費用管控，進一步增加營收，從而實現(xiàn)凈利潤的增長。
在半年報業(yè)績交流會上，三安相關(guān)人員表示其生產(chǎn)的碳化硅器件的目標客戶不僅僅是國內(nèi)廠商，未來將拋向國際市場。目前H1已經(jīng)獲得國際客戶驗證通過，并實現(xiàn)少量銷售，接下來會繼續(xù)推進襯底的對外銷售。
而在與某券商研究團隊的溝通中，對方對奇偶派表示，三安光電是國內(nèi)唯一布局襯底到器件再到模塊的公司，目前出貨量占國內(nèi)的60%。并且正處于擴產(chǎn)周期，明年有望實現(xiàn)2到3倍的成長，后續(xù)產(chǎn)品、客戶規(guī)模效應(yīng)將更加明顯。并且近期還收到了某新能源車頭部企業(yè)的38億碳化硅產(chǎn)品大單，充分展現(xiàn)了三安的技術(shù)實力，對開拓后續(xù)終端龍頭公司起到了強促進的作用。
天岳先進，則是半絕緣襯底龍頭，向?qū)щ娦鸵r底進軍。
天岳先進成立于2010年，主營業(yè)務(wù)為第三代半導體碳化硅襯底材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，歷經(jīng)十幾年的技術(shù)發(fā)展，已掌握多項襯底加工環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，并擔當起了國家核心戰(zhàn)略物資的保障供應(yīng)重任，批量供應(yīng)了半絕緣型碳化硅襯底材料，成功實現(xiàn)國產(chǎn)化自主可控。
近年來，因半絕緣型襯底受國外禁運，為滿足國家戰(zhàn)略需要，公司優(yōu)先將產(chǎn)能用于半絕緣型襯底生產(chǎn)。但由于導電型襯底可搭載碳化硅外延可用于新能源汽車、光伏能源、交通軌道等領(lǐng)域，下游市場的火熱使得該襯底市場具有較大潛力，于是公司在滿足半絕緣型襯底需求的同時也在積極擴展業(yè)務(wù)，向?qū)щ娦鸵r底進軍。
根據(jù)公司碳化硅半導體材料項目建設(shè)進度，公司預計2026年三期全部建設(shè)完成并達產(chǎn)，屆時將新增導電型碳化硅襯底材料產(chǎn)能約30萬片/年。目前，已與大客戶簽訂長期訂單，獲得認可，待上海公司投產(chǎn)后，導電型碳化硅襯底產(chǎn)能擴張有望帶動公司持續(xù)快速成長。
在與天岳先進相關(guān)人員交流中，對方向奇偶派表示，公司已經(jīng)通過車規(guī)級體系的認證，并加快推動相應(yīng)產(chǎn)品的客戶認證工作，截至目前，已經(jīng)獲得了眾多知名客戶的認可，導電型襯底具有充足的客戶保障，并將繼續(xù)加快臨港項目產(chǎn)能建設(shè)進度，預計導電型襯底滿產(chǎn)將比原計劃提前，有望開啟盈利第二曲線。
寫在最后
隨著新能源汽車賽道的爆發(fā)，碳化硅市場進入蓬勃發(fā)展的階段。碳化硅作為目前半導體產(chǎn)業(yè)最熱門的賽道之一，吸引了眾多半導體大廠和新銳力量參與其中。
與其它領(lǐng)域相同，新技術(shù)在誕生初期，都面臨著成本過高的問題?，F(xiàn)在的碳化硅就像過去光伏領(lǐng)域的HJT電池、氫能領(lǐng)域的膜電極、動力電池領(lǐng)域的固態(tài)電池一樣，有著比較大的降本空間。但是可以確定的是，伴隨著技術(shù)的進步、規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)品良率的提升，碳化硅必然會憑借其優(yōu)異的性能被廣大的下游客戶所接受。
或許就在不久的未來，碳化硅高壓快充平臺將全面取代當下的充電模組，彼時，將不再有“充電焦慮”，真正實現(xiàn)“充電五分鐘，行駛兩小時”。