出货大增!国产碳化硅衬底将占半壁江山

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碳化硅功率器件具备优越的耐高压、耐高温、低损耗等特性,解决了传统硅基器件难以满足的性能需求,受到市场广泛欢迎。在过去1年多的时间里,国内碳化硅产业经历了快速发展。

从日前召开的2024宽禁带半导体先进技术创新与应用发展高峰论坛上集微网获悉,2023年我国碳化硅衬底材料折合6英寸晶圆,出货已达89.4万片,相比2022年猛增297.9%。据估算,我国2023年的碳化硅衬底产能已占到全球产能的42%,预计到2026年我国碳化硅衬底产能将达全球产能的50%。与此同时,国内碳化硅的外延、晶圆、器件等产业链环节也在同步提升,今明两年将是国产碳化硅降本增效、打开需求空间、取得快速发展的关键时点。

国产碳化硅发展加速

受益于在新能源汽车、光伏发电、储能等应用领域的渗透,碳化硅整体市场规模不断扩大,特别是碳化硅衬底材料领域取得显著发展。根据中国电科46所集团首席专家,中国电子材料行业协会半导体材料分会秘书长林健的介绍,碳化硅作为重要的宽禁带半导体材料具有重要战略意义,是当前世界各国科技竞争的焦点之一。从产品供应方面来看,2023年全球碳化硅材料市场规模约为14亿美元,比2022年增长17%,预计到2027年将达到53亿美元。

从全球碳化硅材料市场来看,Wolfspeed、Coherent、罗姆等仍然占据产业主导地位。但是近年来我国碳化硅材料市场同样十分火爆。据SMIA的统计,目前国内从事碳化硅材料研究生产的单位已达100余家,规划产能衬底900多万片/年。2023年我国碳化硅衬底材料出货89.4万片(折合6英寸),比2022年的30万片增长297.9%,销售收入36.5亿元,同比增长221.2%。

从企业角度来看,山西烁科、天科合达、山东天岳、河北同光、广州南砂、晶盛机电等衬底厂商均已实现批量生产(或小批量生产)。天科合达常务副总经理彭同华强调,碳化硅行业衬底行业,国内企业已经趋于与国外企业并跑。Yole报告显示,在2023年全球导电型碳化硅衬底材料市场占有率排行中,天科合达(TankeBlue)超过美国Coherent(原名II-VI),跃居全球第二,另一家中国企业山东天岳(SICC)则市场份额位列第四。

碳化硅其他产业环节的增长也很快。外延方面,东莞天域、厦门瀚天天成、三安光电、河北普兴及中电化合物等外延厂商均已实现量产出货,2023年外延产能达400多万片/年。器件方面,芯联集成、士兰微、积塔半导体、三安半导体、泰科天润等企业相继签约碳化硅功率器件/模块项目,国内碳化硅企业市场占有率正快速提升。

光伏、新能源、储能同步拉动

碳化硅产业的快速发展离不开下游应用的强力拉动。林健指出,在应用范围上,碳化硅在1kHz-10kHz的中高频段,以及大于1000kW的中高功率范围,有着很强的竞争力。北方华创化合物半导体行业发展部总经理李仕群也表示,随着碳化硅功率半导体在新能源汽车、光伏、储能等领域渗透率不断提升,碳化硅功率半导体市场规模有望持续提升。根据行家说Research的预测,碳化硅功率半导体渗透率逐年提升,2023年功率半导体市场容量323亿美元,硅仍是市场主流,占比90%以上。碳化硅市场容量21.12亿美元,渗透率约6.53%。但随着碳化硅成本不断下降,预计2028年功率半导体整体市场容量达431亿美元,其中碳化硅将达到80.09亿美元,渗透率约18.58%。

具体来看,目前碳化硅在EV/HEV上主要应用在包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载DC/DC)、电动汽车车载充电系统(OBC)及非车载充电桩等方面。传统汽车向新能源汽车转型是必然趋势,未来10年,新能源汽车在政策强制驱动、市场接力驱动下,会逐步取代传统汽车市场份额。根据全国乘联会数据,2023年全球汽车销量8918万台,其中新能源汽车1428万台,新能源汽车渗透率达到22%;中国2023年销量887万台,占比全球62.1%,继续大幅超越欧洲和北美洲的销量。预计到2027年全球新能源汽车销量将达到3448万辆,碳化硅渗透率70%以上,折合6英寸碳化硅需求量724万片,中国新能源汽车销量达到2000万辆,折合6英寸需求量420万片。

在光伏逆变器方面,碳化硅器件在恶劣环境中比硅基IGBT更加耐用,使用碳化碳器件,设备的循环寿命可提升50倍;转换效率可从96%提升到99%以上;同规格下,碳化硅MOSFET能量损耗能够减少66%。因此,未来5年内,碳化硅功率器件将更为广泛地应用于光伏市场,碳化硅逆变器的年复合增长率达39%以上。

在储能行业,随着国家能源结构的转型步伐不断加快,新能源在电力系统中的占比逐步提高,风电、光伏等新能源的波动性、间歇性和随机性给电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战。在此背景下,新型储能将在中国能源结构转型、提升可再生能源比例中发挥关键作用。碳化硅具有广阔的市场空间。

进一步完善构建产业生态

中国是全球最大的光伏与新能源汽车市场。中国光伏装机量已经连续11年全球第一,全球占比达到55%。中国也是全球新能源汽车销售的最大驱动力,2023年约占全球销量的62%。但是目前国内光伏、新能源汽车等领域所使用的碳化硅产品,包括用于OBC、DC/DC、主驱逆变器等领域,仍以国外器件为主,国产碳化硅仍处于追赶状态。

对此,天科合达常务副总经理彭同华强调,要想推动国内碳化硅产业的进一步发展,追赶国际大厂的步伐,需要构建更加完善的产业生态。碳化硅从材料到器件的制造过程经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。构建更加完善的碳化硅产业生态,需要从多个维度进行战略布局。目前国内碳化硅衬底技术与质量趋于成熟,需聚焦于进一步降低位错密度,以及各项质量参数的分布收敛性控制。下一步碳化硅将朝着更大尺寸、更快生长速度、更厚晶体、更少加工损耗方向发展。今后需要进一步优化产业链布局,加强上下游企业间的合作与协同,形成从原材料供应、生产加工到应用推广的完整产业链条,以拓展应用领域,提升市场竞争力。

此外,碳化硅产业的发展还应注重人才培养和引进,建立一支高素质的碳化硅产业人才队伍。在政策层面,则应加大对碳化硅产业的扶持力度,建立健全行业标准和规范等。林健强调,目前我国已经把大力支持发展第三代宽禁带功率半导体产业写入国家“十四五”规划和2035中长期发展规划中,计划在教育、科研、开发、融资、应用等方面,大力支持第三代宽禁带功率半导体产业的发展。

责编: 张轶群
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