电力电子碳化硅：800V平台加速落地，高opex属性+低渗透率驱动行业领跑

电力电子碳化硅：800V平台加速落地，高opex属性+低渗透率驱动行业领跑 半导体 2022年12月29日 证券研究报告 行业研究 行业深度研究 半导体$[industryName] 电力电子碳化硅：800V平台加速落地，高opex属性+低渗透率驱动行业领跑 2022年12月29日 本期内容提要: 800V高压平台加速落地，2022-2023年快速上量有望激活SiC一池春水。800V高压快充平台为解决里程焦虑的破局者，国内外车企从2021年起掀起一轮800V平台车型发布潮，国内造车新势力及传统汽车厂商旗下 看好 上次评级 看好 投资评级 的智能电动品牌纷纷入场，以抢攻大功率快充高地。伴随高压平台逐渐落地，具有耐高压、低阻抗、无拖尾电流等优势的SiC有望成为首选。 电子行业首席分析师莫文宇 执业编号：S1500522090001 联系电话：13437172818 邮箱：mowenyu@cindasc.com 原料降价叠加优异性能，SiC有望突破成本藩篱，SiCMOSFET或将于2023H2达到价格甜蜜点，带动更多车端逆变器应用。基于碳化硅电驱动系统可降低4.43%的典型城市工况行驶电耗的假设，由于Si方案提高续 航需增加电池容量并在一定程度上增加电耗，因此若等效SiC方案的续航，Si方案需明显提高电池容量，从这一方面来看SiC方案可以节约电池容量扩大所带来的成本提升。若SiC晶圆价格年降10%左右，则有望在2023H2获得正的成本节约值，SiCMOSFET6寸晶圆价格3518美元/片时整体效益达到平衡。 乘新能源车之风，功率碳化硅器件市场扬帆起航。在800V平台+SiC双重渗透下，我们预计国内SiC功率器件市场规模将在23/24/25/26年分别达到5.30/9.23/15.71/25.59亿美元，CAGR高达69.02%。我们以 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 WolfSpeedFY2021给出的全球车载SiC器件市场空间计算国内占比，验证测算的准确性，22/24/26E占比分别在33.12%/49.11%/55.63%，到2026年占比与国内新能源车销量占比基本一致。 碳化硅衬底价值量较硅基晶圆呈现显著提升，其中MOSFET产品更重器件设计。以各环节价格为基础数据，我们发现，在硅基晶圆中，衬底及外 延分别占比4.69%/5.22%，前道设计及制造占比90%。而6寸碳化硅二极管中衬底占比显著提高至40%。与器件设计制造基本一致；6寸SiCMOSFET则向器件设计端倾斜，占比提升至62.5%，我们测算的MOSFET结构情况与Yole给出的1200V产品结构基本一致。 SiC市场起量期间，国内厂商抓住扩产机会布局碳化硅产业链，填补市场窗口。目前，国内碳化硅供应仍处于起步期，且电控用碳化硅器件尚未实现0到1的突破，我们预计将于2024年实现上车。 海外扩产热情抬高碳化硅行业市场预期，短期业绩难以扰动长期信心。 自2022年4月底上证指数见底反转后，虽然全球半导体行业仍然处于周期下行阶段，但天岳先进收盘价呈现明显的逆周期上行趋势。其中，WolfSpeedFY22Q4业绩超预期这一时间节点，带动了公司股价快速上升，且其他业务纯度较低或碳化硅业务仍处于规划阶段的公司也同样享受了这一利好（包括三安光电/东尼电子等）。天岳先进8月期间发布公司22半年报，营收及净利润均呈现同比大幅下滑，主要由于济南工厂部分半绝缘片产能转做导电衬底，印证了电力电子碳化硅景气高涨，因此短期的业绩不达预期并未对市场信心造成扰动。我们认为，上述股价复盘印证了电力电子碳化硅行业的较高投资热情，整体赛道特点目前为： （1）Capex+Opex属性建筑双重护城河； （2）与国内其他半导体厂商的国产替代主线逻辑不同，碳化硅行业强β属性主要归因于全球碳化硅技术的低渗透率叠加800V平台大规模规划下行业供需格局高度紧张； （3）目前全球维度来看各大厂扩产热情高涨，2021年业绩尚处于起步阶段，海外大厂投资建设碳化硅热情抬高了市场整体预期； 具体到公司维度，我们测算了不同产线稼动率及良率/损耗情况下碳化硅衬底业务的毛利率情况。 短期关注：增加产能规模、提升机台稼动率，通过规模效应摊薄研发成本、人力成本及折旧； 长期核心：注重工艺维护，良率提升及切磨抛损耗的下降将显著提升单机台产出，扩大利润空间。 与此同时，衬底的良率提升对整体芯片良率起重要作用，而碳化硅产业链上下游高度耦合，芯片良率的提升也将带动单晶圆供车量直线上升。因此，除公司本身稼动率及工艺提升程度测算或技术路径选择外，也 可密切跟踪车端应用情况（衬底厂商通常与外延厂商签约后供给器件端/器件厂商直接与终端车厂或Tier1厂商签约）以印证前述测算的准确性。 投资评级：看好 风险因素：新能源车销量不及预期；光伏装机不及预期；碳化硅渗透率不及预期；WolfSpeed产线进展不及预期。 目录 行业概况：碳化硅性能优势体现，改善工艺控制为中期核心6 电力电子碳化硅行业价值测算9 需求端：碳化硅价格甜蜜点将至，800V平台为主要驱动因素9 产业链价值量：22-25E降价假设下碳化硅器件各环节价值几何？15 供给端：海外大厂扩产热情高涨，国内电控碳化硅仍为空白17 投资策略：如何投资碳化硅行业？19 投资建议23 风险因素24 表目录 表1：主要半导体材料性能参数6 表2：不同车用环节对应的功率器件种类10 表3：SiCMOSFET逆变器应用价格甜蜜点测算12 表4：国内车用SiC器件市场空间（亿美元）13 表5：光伏用SiC器件市场空间测算14 表6：其他应用SiC器件市场空间测算14 表7：800V渗透率弹性测算15 表8：SiCMOSFET及二极管各环节市场价值空间测算（%，亿美元）16 表9：2021年全球化合物半导体厂商碳化硅扩产项目18 表10：全球电力电子碳化硅厂商规划目标21 表11：WolfSpeed碳化硅业务展望21 表12：电力电子碳化硅细分赛道龙头布局23 表13：传统硅基功率器件企业电力电子碳化硅布局23 图目录 图1：同规格碳化硅器件与硅器件对比6 图2：SiCMOSFET相对硅基器件优势7 图3：不同器件方案/开关频率下逆变器损耗情况（kHz，W）7 图4：不同器件方案/结温下逆变器损耗情况（kHz，℃）7 图5：ST测算的全SiC方案优势7 图6：碳化硅衬底及晶圆端技术难点8 图7：2018-2022H1SiC/GaN/Si晶体管价格对比情况（元/A）8 图8：2020年底-2022H1各电压SiCMOSFET价格（元/A）8 图9：2022H1主流大厂650/1200VSiCMOSFET报价（元/A）9 图10：2022H1国际主流厂商SiCMOSFET现货率（%）9 图11：车用功率器件应用范围9 图12：全球车厂800V平台Roadmap11 图13：行驶电耗降低4.43%情况下不同电池容量及续航里程情况下碳化硅方案成本节约测算12 图14：NE时代800V渗透率预测13 图15：WolfSpeed全球车载SiC市场空间预测（FY2021）及我们预测的国内占比印证14 图16：国内各应用合计碳化硅器件市场空间（亿美元）15 图17：2026E国内碳化硅器件应用结构（%）15 图18：硅基晶圆、碳化硅二极管及MOSFET产业链价值量分布测算（$）16 图19：1200VSiCMOSFET成本结构（Yole预测均值，2021）16 图20：SiCMOSFET各环节价值量预测（$）16 图21：SiC二极管各环节价值量预测（$）16 图22：国内SiC行业分环节市场空间（亿美元）17 图23：国内SiC行业分环节占比（%）17 图24：全球主要厂商等效6寸N型衬底扩产规划18 图25：国内主要厂商供给Roadmap19 图26：天岳先进收盘价及全球半导体销售额同比增速（元/股，%）20 图27：国际主要厂商电力电子SiC器件收入（$M，%）20 图28：国际主要厂商电力电子SiC外延片收入（$M，%）20 图29：国际主要厂商电力电子SiC衬底收入（$M，%）21 图30：6寸N型碳化硅衬底产线毛利率测算22 图31：不同芯片良率下单晶圆供车量测算（辆）23 行业概况：碳化硅性能优势体现，改善工艺控制为中期核心 作为第三代半导体材料的代表，SiC具有大禁带宽度、高击穿电场强度、高饱和漂移速度和高热导率等优良特性。SiC的禁带宽度（2.3-3.3eV）约是Si的3倍，击穿电场强度（0.8×106𝑉/𝑐𝑚-3×106𝑉/𝑐𝑚）约是Si的10倍，热导率（490W/(m·K)）约是Si的3.2倍，可以满足高温、高功率、高压、高频等多种应用场景。 表1：主要半导体材料性能参数 特性 Si GaAs 4H-SiC 6H-SiC 2H-GaN 禁带宽度/𝑒� 1.12 1.424 3.26 3.02 3.39 电子迁移率/(𝑐𝑚2/(�∙𝑠)) 1400 8500 900 600 1100 击穿电场强度/(106𝑉/𝑐𝑚) 0.3 0.4 2.2 2.5 3.3 热导率/(𝑊/(�·𝐾)) 149 54 490 490 130 饱和速度/(105𝑚/𝑠) 1 2 2.7 2 2.9 介电常数 11.8 12.8 10 9.7 8.9 资料来源：集成电路产业全书，信达证券研发中心 与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点，适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。 图1：同规格碳化硅器件与硅器件对比 资料来源:Rohm，天科合达招股说明书，信达证券研发中心 Si材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大（以耐压值的约2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的电压中主要采用IGBT。IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在Turn-off时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。 SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低，不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗，而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。另外，SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现无源器件的小型化。与600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小（可实现小型封装），而且体二极管的恢复损耗非常小，主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。 图2：SiCMOSFET相对硅基器件优势 资料来源:ROHM，宽禁带半导体技术创新联盟，信达证券研发中心 以80kWEV为例，ST测算了SiCMOSFET与SiIGBT+二极管方案下的牵引逆变器功率损耗。归因于SiC更优的FOM参数性能，SiCMOSFET在更高的结温情况下损耗减少更多，合计导通损耗后相比硅基方案减耗40%。 图3：不同器件方案/开关频率下逆变器损耗情况（kHz，W） 资料来源:Warwick，芯TIP，信达证券研发中心 图4：不同器件方案/结温下逆变器损耗情况（kHz，℃） 5000 4000 3000 2000 1000 0 30℃90℃150℃ 600VIGBT1200VIGBT 1200V碳化硅混合模块1200V全碳化硅模块 资料来源:Warwick，芯TIP，信达证券研发中心 图5：ST测算的全SiC方案优势 资料来源:ST，信达证券研发中心 碳化硅衬底企业发展主要掣肘为工艺难点及价格，其中工艺为核心要素，工艺控制的改善也将有效改善生产成本，缩小与SiIGBT之间的价差后带动产业链整体放量。长晶环节是关键