机械设备行业周报：关注碳化硅设备国产化突破和加速

碳化硅是制作大功率、高频、低损耗功率器件的最佳材料 与硅基半导体材料相比，碳化硅具备能量损耗低、封装尺寸更小、可实现高频开关以及耐高温、散热能力强的突出优势，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，是新能源领域的理想材料。新能源汽车、光伏、风电等市场需求驱动，Yole预计2027年全球碳化硅功率器件市场将增长62.97亿美元，CAGR达34%。 供给侧进展：供给紧张加速扩产，设备决定产能上限 根据三安集成官网，保守估计到2025年，新能源汽车碳化硅功率器件用量约219万片6寸碳化硅晶圆。而2025年的全球碳化硅产能仅有242万片，其中约有60%可投入新能源汽车生产。2025年，新能源汽车市场大约会有123万片碳化硅6寸晶圆的产能缺口。碳化硅衬底和晶圆的产能增速远落后于新能源汽车需求扩张的速度。国内碳化硅IDM厂商三安光电，衬底厂商天岳先进、露笑科技、东尼电子、北京天科，器件厂商士兰微、华润微电子、燕东微电子等加速扩产，而设备是决定各厂商产能上限的决定性因素。 碳化硅产业资本开支加速，供应链安全可控助力国产碳化硅设备厂商突围 碳化硅晶圆和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，但部分工艺段使用专用设备，部分需要在硅设备基础上加以改进。根据我们梳理，目前长晶设备已基本实现国产化，其他各工艺环节设备国产化率在0%-20%之间。国产替代空间广阔。集成电路产业链自主可控是国家多次强调的大趋势，伴随《关于做好2023年中央企业投资管理进一步扩大有效投资有关事项的通知》等一批积极的政策出台，碳化硅设备将加快国产化步伐。 产业链拆解：重点推荐国产衬底磨抛设备和芯片封装固化设备 衬底环节是碳化硅器件制造中最核心、最困难的环节。碳化硅衬底价格高是制约碳化硅应用落地的主要原因。由于切片环节良率较低，切抛磨环节约占衬底总成本的2/3，切磨抛设备是衬底加工最核心的设备，国产化率约20%。根据我们测算，预计2025年中国车用6英寸SiC晶圆抛磨设备市场空间约为50.9亿元。在器件封装环节，由于纳米银烧结工艺具备可实现高温服役、高热导率、高导电率、高可靠性几大优势，契合三代半导体封装需求，纳米银烧结设备成为碳化硅封装固化工艺的最核心设备，截至2022年未实现国产化。根据我们测算，预计2025年国内纳米银烧结设备市场规模为30亿元。受益标的：（1）宇环数控：国内稀缺的高端数控机床研发制造企业，以超硬材料机加工核心技术为基，切入碳化硅研磨设备。（2）快克股份：深耕微电子封装三十年，在二级封装锡焊设备领域国内第一、全球领先，向上切入一级封装，纳米银烧结设备将打破海外垄断。 风险提示：车用碳化硅器件渗透进度不及预期、碳化硅光伏逆变器渗透不及预期、国内设备厂商研发、产业化进度不及预期。 1、碳化硅：大功率、高频、低损耗功率器件的最佳材料 与硅基半导体材料相比，碳化硅具备能量损耗低、封装尺寸更小、可实现高频开关以及耐高温、散热能力强的突出优势，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，是新能源领域的理想材料。 新能源汽车、光伏、风电等市场需求驱动，预计全球碳化硅功率器件市场将从2021年10.90亿美元增长至2027年62.97亿美元，期间年复合增长率达34%。 图1：预计2021-2027年碳化硅器件市场CAGR=34% 1.1、驱动因素一：车用碳化硅渗透加速 新能源车是未来碳化硅功率器件的主要驱动力。作为电力电子转换器件，碳化硅器件新能源汽车产业存在五个主要应用场景,包括电机控制器、车载充电机OBC、DC/DC变换器、空调系统以及充电桩。 表1：碳化硅相比硅基提升优势明显 对于新能源车而言，系统成本节省以及800V快充的需求，共同催生了对碳化硅器件的更换需求。根据Trendforce数据，预计到2026年全球新能源汽车SiC功率器件市场规模达276亿元，2022-2026CAGR达38.6%，逆变器是车用碳化硅的主要应用领域。 成本节省：根据《碳化硅在新能源汽车中的应用现状与导入路径》一文数据，相同里程条件下，采用SiC逆变器单车可节省至少200美元。 高压快充直击充电焦虑痛点。高压平台成为主要整车厂的重点布局方向，而只有耐高温高压的碳化硅功率器件，才能支持800V乃至更高的高压系统要求。碳化硅能够很好地满足高压充电平台的要求。 图2：相同里程下，单台新能源汽车中采用SiC逆变器可节省至少200美元 图3：预计2022-2026全球车载碳化硅市场规模CAGR=38.6% 图4：碳化硅在800V充电平台优势明显，全球多家车企布局 2022年1-9月全球碳化硅车型渗透率约20%，国内碳化硅电驱渗透率9.4%，低于全球渗透水平，未来我国碳化硅市场增长有望快速提升。根据行家说三代半数据，2022年1-9月全球搭载碳化硅主驱的车型销量合计超130万台，在全球总销量681万台中占比接近20%。根据NE时代数据，2022年我国200kw以上高功率新能源车电驱出货量达到53万套，占总体出货量比重接近10%，同时受特斯拉、蔚来、比亚迪、小鹏新车的推动，搭载碳化硅功率模块的电控出货量突破50万套，占比达到9.4%，总体低于2022年前三季度全球碳化硅车型渗透率。 图5：我国碳化硅电驱渗透率提升空间大 1.2、驱动因素二：碳化硅光伏逆变器可进一步降本减损，渗透加速 在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。 根据天科合达援引的CASA数据，预计2030年光伏逆变器中碳化硅功率器件占比为70%。 2、供给侧进展：供给紧张，加速扩产 根据三安集成官网，保守估计，到2025年，新能源汽车碳化硅功率器件用量为约219万片6寸碳化硅晶圆。而2025年的全球碳化硅产能仅有242万片，其中约有60%可投入新能源汽车生产。因此2025年，新能源汽车市场大约会有123万片碳化硅6寸晶圆的产能缺口。 碳化硅衬底和晶圆的产能增速远落后于新能源汽车需求扩张的速度，全球厂商加速扩产。碳化硅生产设备决定产能上线，国产设备决定供应链安全。 图6：2025年全球碳化硅衬底和器件将供不应求 表2：国内碳化硅产业资本开支加速 3、设备国产化进度：整体国产化率低，长晶设备基本实现国 产化 碳化硅晶圆和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，但部分工艺段使用专用设备，部分需要在硅设备基础上加以改进。目前碳化硅器件制造所需设备中，国产化率情况如下： 图7：碳化硅制造所需设备的整体国产化率低，长晶设备基本实现国产化 4、产业链拆解：重点推荐衬底磨抛设备和芯片封装固化设备 衬底环节是碳化硅器件制造中最核心、最困难的环节。碳化硅衬底价格高是制约碳化硅应用落地的主要原因。由于切片环节良率较低，切抛磨环节约占衬底总成本的2/3，切磨抛设备是衬底加工最核心的设备。 在器件封装环节，由于纳米银烧结工艺技术具备三大优势，契合三代半导体封装需求，因此，纳米银烧结设备是碳化硅封装固化工艺的最核心设备。 纳米银烧结可实现低温制备以及长时间的高温服役。可以在250度左右进行烧结，而工作温度可以到900度 纳米银烧结工艺实现高热导率和电导率，因为烧结完成后就是一整块银。 在芯片烧结层形成可靠的机械连接和电连接，有效降低热阻和内阻，整体提升模块性能及可靠性。 图8：衬底环节是碳化硅器件制造最核心环节，而切磨抛设备是衬底加工最核心的设备 根据我们测算，2025年中国车用6英寸SiC晶圆抛磨设备市场空间约为50.9亿元，2025年国内纳米银烧结设备市场规模为30亿元、2022-2025年市场规模复合增速达59%。受益标的为国内领先的碳化硅衬底磨抛设备商宇环数控，纳米银烧结国内稀缺供应商快克股份。 表3：2025年中国车用6英寸SiC晶圆抛磨设备市场空间约为50.9亿元 表4：2025年国内纳米银烧结设备市场规模为30亿元，2022-2025年市场规模CAGR=59% 5、受益标的 【宇环数控】 公司是国内稀缺的高端数控机床研发制造企业，专注金属和非金属材料的精密磨削和切磨设备。包括研磨抛光机、五轴数控磨床，用于消费电子、新能源汽车零部件、半导体。 在超硬材料加工领域技术积累深厚，加工精度可以与国外先进水平媲美，2016年已开发出蓝宝石精密加工设备。公司直接对标日本，应终端用户需求开发碳化硅设备，应对衬底片和研磨片的切磨抛环节。 【快克股份】 公司是国内电子装联设备龙头，电子装联属于微电子封装的二级封装，锡焊为电子装联核心工艺。公司的主业精密锡焊设备在中高端市场全球领先，2021年精密锡焊设备业务毛利率高达55%。 凭借微电子封装领域的技术、公司首先将精密焊接下游应用拓展至新能源，设备应用于IGBT功率模块焊接，得到多家头部客户认可。其后公司又向上切入一级封装领域的IGBT芯片以及SiC Mosfet芯片封装（主流制程在 350nm 以上），真空共晶炉已实现少量销售，纳米银烧结设备打破海外垄断。未来公司将持续拓展先进封装工艺、更先进制程范围的芯片封装设备，打开长期成长空间。 6、风险提示 车用碳化硅器件渗透进度不及预期、碳化硅光伏逆变器渗透不及预期、国内设备厂商研发、产业化进度不及预期。