碳化硅，新能源千億賽道主導(dǎo)者之一

?碳化硅材料主要包括單晶和陶瓷2大類，無(wú)論是作為單晶還是陶瓷，碳化硅材料目前已成為半導(dǎo)體、新能源汽車、光伏等三大千億賽道的關(guān)鍵材料之一。例如：? ? ?

?單晶方面，碳化硅作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，可謂是近年來最火熱的半導(dǎo)體材料。尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，碳化硅被深度綁定新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等節(jié)能減碳行業(yè)，萬(wàn)眾矚目。

????陶瓷方面，碳化硅憑借其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、耐腐蝕性等性能，近年來隨著新能源汽車、半導(dǎo)體、光伏等行業(yè)的起飛而需求爆發(fā)，深深地滲入到這些新興領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

????今天，我們分別從單晶和陶瓷的方向，看看碳化硅材料在這些火熱賽道是如何大殺四方的。?

單晶/半導(dǎo)體方面

橫空出世，解決硅基器件難以滿足的性能需求

?? 一直以來，硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因，是硅的儲(chǔ)備量大，成本比較低，并且制備比較簡(jiǎn)單。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對(duì)器件高功率及高頻性能的需求。?

?? ? ? 在這個(gè)背景下，碳化硅走到了聚光燈下。相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點(diǎn)。SiC的臨界擊穿電場(chǎng)是Si的10倍，GaAs的5倍，這提高了SiC基器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度，降低了器件的導(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)率，器件使用時(shí)無(wú)需額外散熱裝置，減小了整機(jī)體積。此外，SiC器件具有極低的導(dǎo)通損耗，而且在超高頻率時(shí)，可以維持很好的電氣性能。例如從基于Si器件的三電平方案改為基于SiC的兩電平方案，效率可以從96%提高到97.6%，功耗降低可達(dá)40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高頻的應(yīng)用場(chǎng)景中具有極大的優(yōu)勢(shì)。

??碳化硅器件已成為新能源汽車、光伏等熱門賽道追求的“香餑餑”??

?（1）新能源汽車 ??

?碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小，性能越來越好，所以近年來電動(dòng)汽車廠商都對(duì)它青睞有加。5年前特斯拉率先在model3主驅(qū)逆變器上使用碳化硅，開辟了碳化硅“上車”的先河。之后，比亞迪、吉利、上汽大眾、蔚來等車企加速布局，在提高續(xù)航里程、實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充、實(shí)現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力，電動(dòng)汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，也帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)碳化硅功率器件的需求，掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車熱”。????

????不同車載領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì) SiC 器件的要求，來源：《中國(guó)碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2023～2026）》 ?

????另外，在車載充電機(jī)中，采用碳化硅可獲得更快的開關(guān)頻率FSW、更高的效率、雙向操作、更小的無(wú)源元件、更小的系統(tǒng)尺寸和更低的系統(tǒng)成本。所以，目前來看，根據(jù)碳化硅器件特點(diǎn)和電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，碳化硅器件或是未來電動(dòng)汽車的必然之選。 ??

?（2）軌道交通??

????碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，其高頻化可以進(jìn)一步降低無(wú)源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應(yīng)用的機(jī)動(dòng)性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應(yīng)用，蘇州軌交 3 號(hào)線 0312 號(hào)列車是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于 SiC 變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標(biāo)。2012 年?yáng)|京地鐵銀座線進(jìn)行了世界首次 SiC 器件裝車運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)。自2015 年起，日本開始在鐵路車輛上大量采用 SiC 器件，到 2021 年，已進(jìn)入普及應(yīng)用階段

（3）光伏發(fā)電

????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。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，硅基器件轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限。而使用碳化硅材料，可將轉(zhuǎn)換效率從 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。例如，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統(tǒng)級(jí)層面帶來成本和效能的好處。陽(yáng)光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中。

（4）智能電網(wǎng)?

????碳化硅基功率開關(guān)由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應(yīng)用于高壓、高溫、高頻場(chǎng)合，是硅基器件的理想替代者，另如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比，由開關(guān)損失引起的功率損耗可降低5倍以上，體積與重量減少40%，將對(duì)未來電網(wǎng)形態(tài)和能源戰(zhàn)略調(diào)整產(chǎn)生重大影響。

（5）無(wú)線通信設(shè)施

????5G發(fā)展推動(dòng)碳化硅基氮化鎵器件需求增長(zhǎng)，市場(chǎng)空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動(dòng)終端和基站無(wú)線通訊距離、信號(hào)質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，5G通訊高頻、高速、高功率特點(diǎn)對(duì)其性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅高導(dǎo)熱性能和氮化鎵高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢(shì)，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足5G通訊對(duì)高頻性能、高功率處理能力要求。

?資本狂下注，碳化硅在半導(dǎo)體寒冬中狂飆?

?? 在半導(dǎo)體行業(yè)的下行周期中，也并非一片低迷之聲，碳化硅就是萎靡之勢(shì)中的一個(gè)反例。近年來，資本市場(chǎng)對(duì)碳化硅一直抱有強(qiáng)烈的關(guān)注度。

????2021年有多家碳化硅企業(yè)獲得了投資機(jī)構(gòu)的青睞，相繼宣布完成融資，行業(yè)內(nèi)也隨之激起一番融資浪潮。

????2022年也是碳化硅投融資熱度明顯的一年。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年全年投融資及并購(gòu)金額超過33億元，數(shù)量達(dá)到30余起。僅僅是在2022年12月，就有7個(gè)融資案，包括臻驅(qū)科技、芯聚能、邑文科技、瞻芯電子、南砂晶圓等。

????2023年上半年剛過，碳化硅企業(yè)的融資金額就已經(jīng)創(chuàng)了最近三年的新高。今年Q1，碳化硅領(lǐng)域共有21起融資，包含外延、襯底、材料、設(shè)備、功率器件……融資幾乎涵蓋了國(guó)內(nèi)碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈。在這21家企業(yè)中，除部分企業(yè)未公布融資金額外，有10家企業(yè)所獲融資金額過億，約占總數(shù)的50%。其中，融資規(guī)模最大的當(dāng)屬天域半導(dǎo)體，為12億。今年Q2又有10余起融資，總金額超50億元。

????建廠擴(kuò)產(chǎn)毫不停歇

? ? ? 數(shù)據(jù)顯示，上半年與碳化硅相關(guān)的擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目以及預(yù)期資本支出加起來總金額超上千億元（折合成人民幣），擴(kuò)產(chǎn)的內(nèi)容主要圍繞襯底、外延、器件，而應(yīng)用的方向也大多數(shù)以電動(dòng)汽車為主。

????今年1月，德國(guó)博世集團(tuán)在蘇州發(fā)布重磅消息：再投10億美元打造新能源汽車核心部件及自動(dòng)駕駛研發(fā)制造基地項(xiàng)目，生產(chǎn)內(nèi)容包含碳化硅功率模塊等。隨后在4月，博世又決定收購(gòu)半導(dǎo)體廠商TSI Semiconductors，再投資15億美元擴(kuò)張第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)需求。?

?????今年2月，美國(guó)半導(dǎo)體廠Wolfspeed正式宣布計(jì)劃在德國(guó)薩爾州建造全球最大、最先進(jìn)的碳化硅器件制造工廠。該工廠將成為全球最大的八英寸半導(dǎo)體工廠，采用創(chuàng)新性制造工藝來生產(chǎn)下一代碳化硅器件。?

?????同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳化硅擴(kuò)產(chǎn)動(dòng)作也未停歇。?

?????今年6月，三安光電與意法半導(dǎo)體聯(lián)合宣布，雙方擬出資32億美元(約合人民幣228億元)合資建造一座8英寸碳化硅外延、芯片代工廠。同時(shí)，三安光電將在當(dāng)?shù)鬲?dú)資建立一個(gè)8英寸碳化硅襯底工廠作為配套，預(yù)計(jì)投資總額70億元。此外還有天科合達(dá)、瀚天天成、天岳先進(jìn)等公司都公布了自己新的投資與擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。

?陶瓷方面?

?? 陶瓷方面，常見的陶瓷材料有碳化硅、氧化鋁、氮化硅等，其中碳化硅材料因其具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變等特性，作為性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷和高溫材料，在鋰電、半導(dǎo)體、光伏等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

????光刻機(jī)等半導(dǎo)體設(shè)備用精密部件的熱門材料?

????陶瓷是刻蝕機(jī)、涂膠顯影機(jī)、光刻機(jī)、離子注入機(jī)等半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備中的關(guān)鍵部件材料，其成本已占半導(dǎo)體設(shè)備成本10%以上。其中，碳化硅陶瓷在半導(dǎo)體制造的前段到后段工藝裝備中都有廣泛應(yīng)用，例如在研磨拋光吸盤、光刻吸盤、檢測(cè)吸盤、精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、刻蝕環(huán)節(jié)的高純碳化硅部件、封裝檢測(cè)環(huán)節(jié)中精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等等，地位極其重要。??

?（1）在光刻機(jī)中??

????在高端光刻機(jī)中，為實(shí)現(xiàn)高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復(fù)合性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁鋼骨架水冷板、反射鏡、導(dǎo)軌等。這方面，碳化硅陶瓷足以勝任。? ? ? ??

?（2）在刻蝕設(shè)備中?

????在刻蝕設(shè)備中，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會(huì)對(duì)設(shè)備器件表面造成嚴(yán)重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒，影響腔室的潔凈度。因此，刻蝕機(jī)腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關(guān)重要。

?????SiC作為刻蝕機(jī)腔體材料，相較于石英，其材料本身產(chǎn)生的雜質(zhì)污染較少，由于具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，在等離子轟擊其原子表面時(shí)，原子損失率相對(duì)較少，日本三井公司報(bào)道一種SiC復(fù)合材料作為空氣刻蝕機(jī)腔體材料，具有較高的耐腐蝕性。?

聚焦環(huán)部件方面，其作用是提供均衡的等離子，要求與硅晶圓有相似的電導(dǎo)率。以往采用的材料主要是導(dǎo)電硅，但是含氟等離子體會(huì)與硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導(dǎo)致部件需要頻繁更換，降低生產(chǎn)效率。SiC與單晶Si有相似的電導(dǎo)率，而且耐等離子體刻蝕性能更好，可以作為聚焦環(huán)的使用材料。?

??SiC刻蝕環(huán)作為半導(dǎo)體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵耗材，其純度要求極高。一般只能采用CVD工藝進(jìn)行生長(zhǎng)SiC厚層塊體，隨后經(jīng)精密加工而制得，主要用于半導(dǎo)體刻蝕工藝的制備環(huán)節(jié)。?

碳化硅陶瓷窯具——鋰電材料燒結(jié)的“幕后工作者”? ??

????作為新能源分支，鋰電目前有多火不用贅述。鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料和電解液的烘干、燒結(jié)和熱處理等工序中，輥道窯爐是一種關(guān)鍵的連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，窯具是窯爐的關(guān)鍵配件，其工業(yè)窯爐中循環(huán)使用，用于支撐或保護(hù)被燒產(chǎn)品的耐火制品，受正極材料擴(kuò)產(chǎn)帶動(dòng)，窯具的應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大，碳化硅陶瓷窯具以其優(yōu)異的高溫機(jī)械性能，耐火性能以及抗熱震性能應(yīng)用于陶瓷窯中，可提高窯爐生產(chǎn)能力，大幅度降低能耗，成為各類窯爐材料窯具材料中的理想選擇。?

光伏行業(yè)——電池片生產(chǎn)過程關(guān)鍵載具材料??

????在碳化硅陶瓷當(dāng)中，碳化硅舟托成為光伏電池片生產(chǎn)工藝過程中關(guān)鍵載具材料方面的良好選擇，其市場(chǎng)需求日益受到業(yè)界關(guān)注。?

????目前普遍使用的石英舟托、舟盒、管件等受制于國(guó)內(nèi)、國(guó)際高純石英砂礦源限制，產(chǎn)能較小，且在光伏行業(yè)上游單晶爐用坩堝、中游硅片電池片載具耗材需求不斷增加的背景下，高純度石英砂存在供需緊張，價(jià)格長(zhǎng)期高位運(yùn)行的特點(diǎn)，石英載具作為光伏電池片生產(chǎn)過程中承載硅片的器件性能穩(wěn)定，但是與物美價(jià)廉的耗材選型標(biāo)準(zhǔn)背道而馳。?

????相較于石英材料，碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等熱穩(wěn)定性能好，高溫使用不變形，無(wú)有害析出污染物，作為石英制品的優(yōu)良替代材料，使用壽命可達(dá)1年以上，可顯著降低使用成本及維護(hù)維修停線造成的產(chǎn)能損失，成本優(yōu)勢(shì)明顯，其作為載具在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

????當(dāng)前，世界主要經(jīng)濟(jì)體的光伏滲透率不斷提升，在各國(guó)政策引導(dǎo)與市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，隨著光伏產(chǎn)業(yè)度電成本顯著下降，目前光伏發(fā)電已成為全球最經(jīng)濟(jì)的電力能源，根據(jù)IEA預(yù)測(cè)，2020-2030年間光伏裝機(jī)量將以21%的CAGR增長(zhǎng)至接近5TW，光伏占全球電力裝機(jī)比重將從9.5%提升至33.2%。?

?????終端旺盛裝機(jī)需求持續(xù)帶動(dòng)電池片需求高增，推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)碳化硅舟托及舟盒替換需求上漲，預(yù)計(jì)到2025年半導(dǎo)體及光伏行業(yè)用碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷占比達(dá)62%，其中光伏行業(yè)用碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷占比將從2022年6%上升至26%，成為最快增長(zhǎng)領(lǐng)域。 ??

?小結(jié) ??

我們看到，碳化硅材料無(wú)論是作為單晶材料還是作為陶瓷材料，均在半導(dǎo)體、鋰電、光伏等當(dāng)今最火的行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了相當(dāng)重要的位置，而且其所處的這三大行業(yè)均為千億市場(chǎng)規(guī)模以上賽道，并且這些行業(yè)均正在高速成長(zhǎng)，可以預(yù)見碳化硅材料的明天一片大好。 ??

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