碳化硅，新能源千億賽道主導者之一

?碳化硅材料主要包括單晶和陶瓷2大類，無論是作為單晶還是陶瓷，碳化硅材料目前已成為半導體、新能源汽車、光伏等三大千億賽道的關鍵材料之一。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體材料，可謂是近年來最火熱的半導體材料。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、儲能等節(jié)能減碳行業(yè)，萬眾矚目。

????陶瓷方面，碳化硅憑借其優(yōu)異的高溫強度、高硬度、高彈性模量、高耐磨性、高導熱性、耐腐蝕性等性能，近年來隨著新能源汽車、半導體、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域的產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵環(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，硅是制造半導體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因，是硅的儲備量大，成本比較低，并且制備比較簡單。然而，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應用場景。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用對器件高功率及高頻性能的需求。?

?? ? ? 在這個背景下，碳化硅走到了聚光燈下。相比于第一代和第二代半導體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點。SiC的臨界擊穿電場是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，降低了器件的導通損耗。加上比Cu還高的熱導率，器件使用時無需額外散熱裝置，減小了整機體積。此外，SiC器件具有極低的導通損耗，而且在超高頻率時，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40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高頻的應用場景中具有極大的優(yōu)勢。

??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，所以近年來電動汽車廠商都對它青睞有加。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、實現(xiàn)超級快充、實現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力，電動汽車銷量的不斷增長，也帶動了市場對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”。????

????不同車載領域應用場景下對 SiC 器件的要求，來源：《中國碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023～2026）》 ?

????另外，在車載充電機中，采用碳化硅可獲得更快的開關頻率FSW、更高的效率、雙向操作、更小的無源元件、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)碳化硅器件特點和電動汽車的發(fā)展趨勢，碳化硅器件或是未來電動汽車的必然之選。 ??

?（2）軌道交通??

????碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關頻率，降低開關損耗，其高頻化可以進一步降低無源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應用的機動性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術的主流發(fā)展方向。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應用，蘇州軌交 3 號線 0312 號列車是國內(nèi)首個基于 SiC 變流技術的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項目，實現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標。2012 年東京地鐵銀座線進行了世界首次 SiC 器件裝車運營試驗。自2015 年起，日本開始在鐵路車輛上大量采用 SiC 器件，到 2021 年，已進入普及應用階段

（3）光伏發(fā)電

????在光伏發(fā)電應用中，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，可將轉換效率從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設備循環(huán)壽命提升 50 倍。例如，在住宅和商業(yè)設施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統(tǒng)級層面帶來成本和效能的好處。陽光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應用至其組串式逆變器中。

（4）智能電網(wǎng)?

????碳化硅基功率開關由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應用于高壓、高溫、高頻場合，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）無線通信設施

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

?資本狂下注，碳化硅在半導體寒冬中狂飆?

?? 在半導體行業(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中的一個反例。近年來，資本市場對碳化硅一直抱有強烈的關注度。

????2021年有多家碳化硅企業(yè)獲得了投資機構的青睞，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，2022年全年投融資及并購金額超過33億元，數(shù)量達到30余起。僅僅是在2022年12月，就有7個融資案，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，碳化硅領域共有21起融資，包含外延、襯底、材料、設備、功率器件……融資幾乎涵蓋了國內(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)模最大的當屬天域半導體，為12億。今年Q2又有10余起融資，總金額超50億元。

????建廠擴產(chǎn)毫不停歇

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

????今年1月，德國博世集團在蘇州發(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駕駛研發(fā)制造基地項目，生產(chǎn)內(nèi)容包含碳化硅功率模塊等。隨后在4月，博世又決定收購半導體廠商TSI Semiconductors，再投資15億美元擴張第三代半導體生產(chǎn)，應對電動汽車市場需求。?

?????今年2月，美國半導體廠Wolfspeed正式宣布計劃在德國薩爾州建造全球最大、最先進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，國內(nèi)對于碳化硅擴產(chǎn)動作也未停歇。?

?????今年6月，三安光電與意法半導體聯(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，三安光電將在當?shù)鬲氋Y建立一個8英寸碳化硅襯底工廠作為配套，預計投資總額70億元。此外還有天科合達、瀚天天成、天岳先進等公司都公布了自己新的投資與擴產(chǎn)計劃。

?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、導熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應力變形和熱應變等特性，作為性能優(yōu)異的結構陶瓷和高溫材料，在鋰電、半導體、光伏等領域得到越來越多的應用。

????光刻機等半導體設備用精密部件的熱門材料?

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

?（1）在光刻機中??

????在高端光刻機中，為實現(xiàn)高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復合性、結構穩(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、導軌等。這方面，碳化硅陶瓷足以勝任。? ? ? ??

?（2）在刻蝕設備中?

????在刻蝕設備中，等離子體通過物理作用和化學反應會對設備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應產(chǎn)物會出現(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，刻蝕機腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關重要。

?????SiC作為刻蝕機腔體材料，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)異的力學性能，在等離子轟擊其原子表面時，原子損失率相對較少，日本三井公司報道一種SiC復合材料作為空氣刻蝕機腔體材料，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率。以往采用的材料主要是導電硅，但是含氟等離子體會與硅反應生成易揮發(fā)的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導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)作為半導體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關鍵耗材，其純度要求極高。一般只能采用CVD工藝進行生長SiC厚層塊體，隨后經(jīng)精密加工而制得，主要用于半導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、負極材料和電解液的烘干、燒結和熱處理等工序中，輥道窯爐是一種關鍵的連續(xù)生產(chǎn)設備，窯具是窯爐的關鍵配件，其工業(yè)窯爐中循環(huán)使用，用于支撐或保護被燒產(chǎn)品的耐火制品，受正極材料擴產(chǎn)帶動，窯具的應用規(guī)模擴大，碳化硅陶瓷窯具以其優(yōu)異的高溫機械性能，耐火性能以及抗熱震性能應用于陶瓷窯中，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)過程關鍵載具材料??

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

????目前普遍使用的石英舟托、舟盒、管件等受制于國內(nèi)、國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，價格長期高位運行的特點，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，但是與物美價廉的耗材選型標準背道而馳。?

????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1年以上，可顯著降低使用成本及維護維修停線造成的產(chǎn)能損失，成本優(yōu)勢明顯，其作為載具在光伏領域的應用前景廣闊。

????當前，世界主要經(jīng)濟體的光伏滲透率不斷提升，在各國政策引導與市場需求的驅(qū)動下，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)濟的電力能源，根據(jù)IEA預測，2020-2030年間光伏裝機量將以21%的CAGR增長至接近5TW，光伏占全球電力裝機比重將從9.5%提升至33.2%。?

?????終端旺盛裝機需求持續(xù)帶動電池片需求高增，推動光伏產(chǎn)業(yè)碳化硅舟托及舟盒替換需求上漲，預計到2025年半導體及光伏行業(yè)用碳化硅結構陶瓷占比達62%，其中光伏行業(yè)用碳化硅結構陶瓷占比將從2022年6%上升至26%，成為最快增長領域。 ??

?小結 ??

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

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