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第三代半导体的机遇

作者:匿名    来源:未知   
浏览:843    发布:2021-11-08 10:58:56

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化合物半导体物理特性具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发展阶段:第一阶段是以硅、锗为代表的IV族半导体;第二阶段是以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体,其中GaAs技术发展成熟,主要用于通讯领域;第三阶段主要是以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料。硅材料技术成熟,成本低,但是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的应用。相比硅材料,化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热能力等特性上具有独特优势。


硅材料主导,化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料,由于硅材料极大的成本优势,未来在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独特的物理特性优势,赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。


GaAs主导sub-6G 5G手机射频


具体而言,GaAs在5G手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs是最为成熟的化合物半导体,具有较高的饱和电子速率及电子迁移率,使得其适合应用于高频场景,在高频操作时具有较低的噪声;同时因为GaAs有比Si更高的击穿电压,所以砷化镓更适合应用在高功率场合。因为这些特性,砷化镓在sub-6G的5G时代,仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材料。根据Qorvo报告,5G手机中射频开关从4G手机的10个增加至30个、功率放大器平均单机价值从4G手机的3.25美元增加至7.5美元,这些都带动砷化镓器件市场规模的增长。GaAs的另一个优点是直接能隙材料,所以可以制作VCSEL激光器等光电子器件,在数据中心光模块、手机前置VCSEL3D感应、后置LiDAR激光雷达等应用带动下,光电子器件是砷化镓器件增长的另外一个重要驱动因素。


GaN在5G宏基站射频PA的大发展


相较于Si和GaAs的前两代半导体材料,GaN和SiC同属于宽禁带半导体材料,具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小等特点,具有低损耗和高开关频率的特点,适合于制作高频、大功率和小体积高密度集成的电子器件。GaN的市场应用偏向微波器件领域、高频小电力领域(小于1000V)和激光器领域。相比硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs解决方案,GaN器件能够提供更高的功率和带宽,并且GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模MIMO技术,GaNHEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为5G宏基站功率放大器的重要技术。目前在宏基站上GaN主要采用使用SiC衬底(GaN on SiC),由于SiC作为衬底材料和GaN的晶格失配率和热失配率较小,同时热导率高,更容易生长高质量的GaN外延层,能满足宏基站高功率的应用。


除了运用在基站,消费电子快充市场是GaN另外一个快速增长的领域。相较于硅基功率器件,GaN能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采用硅基衬底(SiC on Si)。虽然在硅衬底上难生长高质量GaN外延层,但是成本远低于SiC衬底,同时能满足手机充电等较小的功率需求。随着安卓厂商和第三方配套厂商陆续推出相关产品,GaN快充有望在消费电子领域快速普及。


在光电子领域,凭借宽禁带、激发蓝光的独特性质,GaN在高亮度LED、激光器等应用领域具有明显的竞争优势。


SiC有望颠覆汽车功率半导体未来


与GaN同属于宽禁带材料的SiC同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点,并且与GaN相比,SiC热导率是GaN的三倍,并且能达到比GaN更高的崩溃电压,因此在高温和高压领域应用更具优势,适用于600V甚至1200V以上的高温大电力领域,如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。


电动车高压化趋势明显。在乘用电动车领域,目前车辆电压普遍300-400V左右。随着技术的发展,车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为迫切,比亚迪唐的额定电压超过600V,保时捷Taycan电压平台为800V。超级快充和功率提升促使电动汽车不断迈向高压化。


电动车碳化硅方案带来四大优势。目前电动车(不包括48V MHEV)系统架构中涉及到功率器件的组件包括:电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系统(OBC,On-board charger)、电源转换系统(车载DC-DC)和非车载充电桩。电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来四大大优势:


1.可以提高开关频率降低能耗。采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降80%,整车能耗降低5%-10%;


2.可以缩小动力系统整体模块尺寸,以丰田开发的碳化硅PCU为例,其体积仅为传统硅PCU的五分之一;


3.在相同续航情况下,使用更小电池,减少无源器件使用,降低整体物料成本。以电动汽车的6.6kW双向OBC为例,典型AC/DC部分包括四个650 VIGBT、几个二极管和一个700-µH电感,占材料清单成本的70%以上。通过使用四个650V SiC MOSFET实现,只需要230µH的电感。这比基于IGBT的设计降低了将近13%的材料清单成本。


4.缩短电池充电时间,由于更高的充电功率和更小的电池,可以大幅缩短电动车充电时间。


电动汽车的逆变器、OBC、大功率充电桩对碳化硅需求将大幅度增长。逆变器从整车控制器(VCU)获取扭矩、转速指令,从电池包获取高压直流电,将其转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电,才能驱动电机使车辆行驶。电动汽车中,逆变器和电机取代了传统发动机的角色,因此逆变器的设计和效率至关重要,其好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。由于碳化硅的优异特性,围绕SiC MOSFET进一步提高车用逆变器功率密度,降低电机驱动系统重量及成本,成为各车企的布局重点。


2018年特斯拉已在Model 3的主驱逆变器中使用SiC MOSFET,每个电机中采用24个SiC MOS单管模块,拆开封装每颗有2个SiC裸晶,耐压为650V,供应商为意法半导体。2020年比亚迪推出的汉EV高性能四驱版本是国内首款在主逆变器中应用自主开发SiC模块的电动汽车,与当前的1200V硅基IGBT模块相较,采用SiC方案NEDC工况下电控效率提升3%-8%。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。2021年蔚来最新发布的首款纯电轿车也将搭载采用碳化硅模块的第二代电驱平台。


除逆变器之外,碳化硅在OBC中已经得到较为广泛的运用,目前有超过20家汽车厂商在OBC中使用SiC器件,随着车载充电机功率的提高,碳化硅方案也从二极管向“二极管+SIC MOS”演进;DCDC转换器上从2018年开始从硅基MOS转向SiCMOS方案。对于充电桩,采用碳化硅模块,充电模块功率可以达到60KW以上,而采用MOSFET/IGBT单管的设计还是在15-30kW水平。采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数量。因此,对于城市大功率充电站、充电桩,碳化硅带来的小体积在特定场景中具有优势。


除了电动汽车,光伏逆变器是碳化硅另一个快速增长的应用领域。用SiC MOSFET或SiC MOSFET与SiC SBD结合的功率模块的光伏逆变器,峰值能源转换效率可从96%提升至99%以上,逆变器能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而能够缩小系统体积、延长器件使用寿命。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。随着太阳能逆变器成本的优化,在组串式和集中式光伏逆变器中,越来越多的厂商将会使用SiC MOSFET作为主逆变器件,来替换原来的三电平逆变器控制的复杂电路。


发展阶段、核心驱动因素及受益环节分析


我们认为SiC、GaN和GaAs处于不同发展阶段。对于SiC行业而言,目前整体市场规模较小,2020年全球市场规模约6亿美元。但是下游需求确定且巨大,根据IHSMarkit数据,受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,2020-2027年复合增速比较。目前制约行业发展的主要成本高昂和性能可靠性。我们认为SiC行业一旦到达综合器件成本趋近于硅基功率器件的“奇点时刻”,行业将迎来爆发性增长。对于GaN,根据Grand view research的测算及预测,2027年全球GaN器件市场规模预计达到58.5亿美元,从2020-2027年复合增速有望达到19.8%,增速也较快。而GaAs行业发展较为成熟,预计2020-2025年全球复合增速约10%-15%。


我们认为未来五年驱动SiC、GaN和GaAs行业的核心驱动因素和核心受益环节不同。对于碳化硅行业,由于成本是制约下游采用的最重要因素,因此驱动SiC行业发展的最核心因素是成本的下降速度。而GaAs衬底和外延片制备技术相对成熟,成本趋于稳定,而需求增长点主要来源于5G手机射频和小基站。因此驱动GaAs行业最核心因素是5G技术的更新及基站建设周期。对于GaN,一方面GaN外延片目前成本高昂,另一方面需求主要来源于宏基站。由于宏基站对功率器件成本相对敏感度低,因此短期驱动GaN行业的核心因素是5G的建设周期,长期来看GaN如果要运用于毫米波手机射频及中低压功率器件,成本相比现在也需要有很大幅度下降。

 

核心受益环节方面,由于目前碳化硅芯片成本结构中60%-70%是衬底和外延片,其中衬底约占40%-50%,因此材料厂商是核心受益环节;而砷化镓的衬底和外延技术稳定且成本占比相对较低,但是发展模式上越来越多砷化镓射频供应商提高使用代工的比例,因此射频IDM厂商和砷化镓代工厂都是核心受益环节。对于氮化镓,由于制造主要以IDM为主,因此核心受益环节是外延片供应商如Sumitomo及IDM厂商如Qorvo。


SiC成本高昂之源及可靠性问题


高纯度碳粉和硅粉提纯不易、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢且良品率低共同导致碳化硅成本短期内难以快速下降。碳化硅器件制作的主要工艺流程包括单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。


碳化硅衬底制造的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工(切抛磨)技术。碳化硅衬底配方改进困难、晶体生长缓慢、成品良品率低。具体而言:


高纯碳粉是生长高质量SiC晶体的基础,尤其对半绝缘型SiC晶体生长有至关重要的影响,涉及到制备技术、合成技术和提纯技术。其中高纯度碳粉提纯对工艺要求极高,而合成涉及到的配方技术需要长时间的摸索和积累。


数字仿真技术:单晶生长温度在2350-2500度,由于炉内温度不可测量,通过高精度数字仿真技术可以节约大量的研发时间和成本,仿真水平的高低也直接代表单晶企业的核心技术能力。


单晶生长技术:单晶生长缓慢是碳化硅衬底成本高居不下的重要原因。目前Cree和国内主流厂家都采用PVT物理气相传输法。由于碳化硅晶体生长速度远慢于硅晶体,8寸硅晶圆2-3天可以生长至1-2米,而碳化硅4寸晶圆一周只能生长2-6cm。影响晶体生长的一个重要因素是仔晶繁殖,仔晶是和碳化硅单晶晶体具有相同晶体结构的“种子”晶片,是晶体生长之源,晶体生长附着凝结于仔晶之上。仔晶生长是碳化硅制备的核心技术,也是评判所有碳化硅衬底企业的核心技术之一。仔晶一般不对外销售。


单晶加工技术:由于碳化硅硬度非常高且脆性高,使得打磨、切割、抛光都耗时长且良品率低。硅片切割只用几小时,而6寸碳化硅片切割要上百小时。


由于碳化硅功率器件主要用于汽车行业,因此对可靠性要求极高。硅功率器件在长时间的质量测试过程中被证实可靠,但是碳化硅则无法假设这一点。SiC器件主要存在两个可靠性问题——栅极氧化物稳定性和阈值电压稳定性。


栅极氧化物稳定性:与功率MOSFET类似,SiC器件也是垂直器件,使用与MOSFET相同的栅极氧化物材料(二氧化硅),但是SiC器件在更高的内部电场工作,因此栅极氧化物在实际工作中寿命可能缩短。目前SiC中的栅极氧化问题已经被理解,TDDB(时变电介质击穿)是时效机制,目前已经已经得到很大解决。


阈值电压稳定性:MOSFET的阈值电压会随着偏置而变化,是由偏置温度不稳定(BTI)的时效机制所引起。BTI是晶体管的退化现象。


预计SiC“奇点时刻”五年之内到来


系统的角度看碳化硅具有综合成本优势。从前面分析中,碳化硅方案相比硅方案可以提高能效提升续航、减少电池容量缩减成本、降低无源器件及冷却系统体积从而缩减整体模块体积、缩减尺寸。因此从车辆总成本的角度看,碳化硅方案可以给汽车制造商带来成本收益。


随着SiC成本下降,碳化硅在电动车上的应用将爆发性增长。从物料成本角度看,目前新能源电动车采用硅基方案的全车功率器件价值约400美元左右,我们预计目前在新能源车全碳化硅方案成本约为1500-2000美元,是硅基方案成本的4-5倍。目前碳化硅方案成本高昂的重要原因是衬底材料成本高昂。我们以SiCJBS(碳化硅结势垒肖特基二极管)为例,成本结构中,衬底约占50%、外延片约占20%、晶圆加工约占25%、封测约占5%。


目前市场4英寸碳化硅衬底比较成熟,良率较高,同时价格较低,而6英寸衬底价格由于供给少和成片良率低,价格远远高于4寸片。未来推动碳化硅衬底成本降低的三大驱动力:1.工艺和设备改进以加快长晶速度2.缺陷控制改进提升良率3.设计改进降低使用器件的衬底使用面积。随着产业成熟,预计衬底价格未来五年以每年10%-15%左右的幅度下降。因此我们预计分立器件成本每年能以10%左右价格下降。


假设未来五年碳化硅模块价格每年下降10%,IGBT价格每年下降5%,电池成本每年下降10%,中性预计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗8%,仅考虑相同续航下节省的电池成本,而忽略节省的散热系统成本缩减、无源器件成本缩减以及更好能效节省的使用成本,从2025年开始全碳化硅方案相比硅方案就具有综合物料成本优势,开始爆发式增长。在实现综合成本优势之前,碳化硅从售价相对高昂的车型开始被逐步采用,这部分需求也足够拉动行业快速增长。


化合物半导体行业因为整体规模较小,非标准化程度高,仍然以代工模式为主,但是我们观察到,在GaAs产业中,随着产业逐渐走向成熟以及市场规模增大,代工模式占比在逐渐提高。而在SiC产业中,越来越多企业逐步布局全产业链。


化合物半导体行业以IDM模式为主


跟硅半导体类似,化合物半导体行业商业模式主要分为IDM(集成器件制造)、Foundry(晶圆代工)+Fabless(无工厂)。化合物半导体产业链分工模式跟跟上文的SiC分工模式相同,主要分为单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。我们从下游应用、生产模式、制程研发、财务及营销等方面比较硅晶圆代工和以砷化镓为代表的化合物半导体晶圆代工的发展模式:


在下游应用方面,材料特性及晶圆结构的不同导致了制造成本的区别以及使用场景的区别。硅晶圆材料生产成本低,普遍用在信息、消费及通讯市场;而砷化镓材料耐高温及高频性能佳,但材料成本贵,目前主要用在无线及光电市场。在生产模式方面,硅晶圆代工行业在设计阶段即提供设计服务,IP专业化及自动化设计工具发展成熟,设计分工及设计自动化工具发展都很成熟,代工厂可以快速响应客户的需求;而砷化镓代工因为外延片需要根据客户不同定制,同时生产良率低及生产制程没有标准化而使得生产成本较高。目前砷化镓代工产业主要竞争对手是国际IDM厂商,他们通过合作及共同开发的策略持续使用彼此的产品,使得IC设计公司不易取得市场份额;而在硅晶圆代工行业,竞争对手主要是世界上几家大型代工厂。


在制程研发方面,制程微缩效应在砷化镓器件上体现得不明显。目前GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程工艺为主,Qorvo正在进行90nm工艺研发;受衬底尺寸限制,目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主,部分企业也开始导入8英寸产线,但还没有形成主流。由于砷化镓是以Emitter-Base-Collector垂直结构为主,晶体管数量只在百颗数量级;而硅晶圆是Source Gate Drain的平面设计,晶体管数量达到数千万数量级,所以砷化镓在制程研发上并没有像硅晶圆代工行业那样明显的优势。财务及营销方面,硅基晶圆厂的巨额投资额已经形成了资本竞争障碍;相比硅晶圆的投资,砷化镓的固定资产投资相对较小。砷化镓市场主要以功率放大器为主,砷化镓代工行业过去不易因为新产品持续升级而产生客户忠诚,客户只要对不同代工厂进行认证通过,就较容易因为价格因素而更换代工厂。


综上,化合物半导体行业之所以未出现像硅半导体行业中大规模的专业晶圆代工的根本原因是相比硅半导体,化合物半导体产业规模较小使得高度专业分工不能带来明显的成本优势;制程优势不明显,不用追求先进制程导致固定资产投资壁垒相对较低,所以无需通过多个客户提高产能利用率从而分担资本开支压力。


欧美主导产业链,台湾厂商垄断代工


砷化镓产业链上游材料端以欧美日为主。半绝缘型衬底主要由日本的住友、德国的Freiberger、和美国的AXT垄断,三家公司合计约占全球90%的市场份额。住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水平最高的公司,以VB法生产砷化镓为主,能够量产4寸和6寸单晶片;德国Freiberger主要以VGF、LEC法生产2到6英寸砷化镓衬底,产品全部用于微电子领域;美国AXT产品中一半用于LED,一半用作微电子衬底。国内供应商砷化镓衬底主要用于LED芯片,少数公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底逐渐放量。


英国IQE占据外延片市场53%的市场份额。具体而言,约90%射频客户采购外部外延片,射频市场被IQE垄断,IQE和VPEC合计占据射频外延片市场约80%的份额。而光电子外延片,不同下游应用有所区别:应用于数据中心的光模块器件主要由Finisar和Avago这些垂直供应商提供,而应用于消费电子VCSEL等3D感应的外延片主要由外部供应商IQE提供。


GaAs射频器件市场主要由IDM厂商Skyworks、Qorvo、博通和日本村田等垄断,其中Skyworks、Qorvo和博通市场份额合计约70%。而这些大型IDM厂扩产趋于谨慎,会选择将毛利率较低的4G产品外包给砷化镓代工厂商使产能优先满足高毛利产品,在需求旺盛自身产能满载的时候也会外包部分5G订单。


稳懋是砷化镓代工市场绝对龙头。砷化镓代工市场规模占全球砷化镓器件市场规模10%左右,其中稳懋、环宇和宏捷科约占这其中90%的市场份额,而稳懋占据其中超过70%市场份额。截至2020年三季度,稳懋月产能达到4.1万片。砷化镓代工厂主要生产功率放大器,稳懋和环宇超过90%营收来自于功率放大器。


绑定下游大客户,锁定客户需求是化合半导体主要策略。以稳懋为例,第一大客户博通在2019年营收贡献占比达到30%-40%。2017年12月,博通以1.85亿美元入股稳懋,深度绑定和稳懋的合作关系。博通在5G和光通讯有强大的布局,并且这种合作关系使得博通无需自己扩充产能,能专心作在它的强项产品设计。过去博通的HBT有一半自己做,一半由稳懋代工,未来有望也会把另外一半的订单逐步转移给稳懋,除博通外,Skyworks、Qorvo和紫光展锐也是稳懋的重要客户。宏捷营收来源高度依赖Skyworks,其营收中约8成左右来自于Skyworks。环宇与三安成立了合作公司,而全球重要的LED外延片生产企业台湾晶电与环宇战略合作,并为环宇提供6寸晶圆代工服务。


代工比例提升,代工厂大举扩产


随着射频、光电子等应用带动砷化镓器件等下游需求快速增长,GaAs代工比例逐步提升。过去几年砷化镓器件代工比例保持稳定。从2013年-2019年,砷化镓器件代工比例逐渐小幅提升,从2014年的7.5%提升至2019年的10.3%。代工比例的波动取决于IDM厂的盈利情况带来的释放订单意愿的强弱和代工厂自身扩产的节奏。随着代工厂技术的成熟以及长期合作过程中打消技术泄密的疑虑,同时IDM厂了维持高产能利用率使得产能建设趋于保守,因此IDM厂有意愿释放出更多代工订单。除此之外,高通、联发科、海思等Fabless设计公司在射频领域崛起都新增加砷化镓代工需求。


针对快速增加的砷化镓代工需求,代工厂大举扩产应对。稳懋拟投资200亿元人民币在高雄建厂,计划分三年投资,新增总产能超过10万片/月,公司现有月产能约4.1万片,新增产能超过现有产等的两倍。预计2021年一季度宏捷科月产能达到1.5万片,2021年底达到2万片月产能。三安集成2020年底产能在3000片-4000片,预计2021年一季度扩产到8000片。


国内PA产业链闭环,代工不可或缺


砷化镓主要用于手机PA、WifiPA和小基站PA。目前国产PA在4G领域已具备比较成熟的性能和量产能力,市占率达10%-20%,在中功率4G PA,国产产品与国外基本相差不大,而在高功率4G PA,虽然整体性能还有部分差距,但是足够满足手机客户需求;在5G领域,针对华为海思的制裁或将延缓内PA领域的追赶。除海思外,唯捷创芯、昂瑞微、慧智微、紫光展锐等厂家有机会在5G PA上取得突破,预计在2021年会有部分出货。


Wi-FiPA是除手机PA外的第二大增长点。WifiPA也正在经历国产替代,主要差距体现在高功率产品上。具体而言,对于WIFI4PA,国内中功率产品成本优势明显,整体性能上也已经不差于Skyworks和Qorvo;对于WIFI5PA,国内康希5.8G中功率FEM性能上最好;对于WIFI6FEM(射频前端模块),国产WIFI6中功率已经面世,2018年Skyworks和Qorvo高功率的WIFI6FEM面世,预估国内产品的差距至少是3年。


国产砷化镓代工必不可缺,国内厂商有望受益。虽然对于射频器件来说,设计和制造工艺紧密结合,使得射频Fabless设计公司更倾向与有丰富经验的台湾代工厂合作,但是在外部环境导致供应链不确定性加大的背景下,国内砷化镓代工厂也有望获得更多参与机会,这一过程中三安集成和威海华芯有望受益。


三安光电:全面布局化合半导体


2014年三安光电成立全资子公司三安集成,是中国第一家6寸化合物半导体晶圆代工厂,开发砷化镓、氮化镓外延片和衬底,涵盖射频、电力电子、光通讯和滤波器板块。2020年上半年三安集成实现销售收入3.75亿元。砷化镓射频出货客户累计将近100家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡;电力电子产品客户累计超过60家,27种产品已进入批量量产阶段;光通讯业务除扩大现有中低速PD/MPD产品的市场领先份额外,高端产品10GAPD/25GPD、VCSEL和DFB发射端产品均已在行业重要客户处验证通过,进入批量试产阶段。公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目,项目正处于建设阶段。


射频是三安集成短期内收入的主要来源。公司射频业务产品应用于2G-5G手机射频功放WiFi、物联网、路由器、通信基站射频信号功放等市场应用;其中手机用射频器件以GaAs为主,基站用射频器件以GaN为主。三安射频工艺制程主要包括HBT(异质结双极型晶体管)、pHEMT(伪型态高电子迁移率晶体管)、BiHEMT(异质结双极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片)。目前用于无线基站功放的GaN射频工艺,已获得主流基站的性能认可。650V GaN工艺开发已经取得突破,某国际化大客户下单,开始流片验证。


电力电子业务布局逐渐完善。公司电力电子业务主要在湖南全资子公司进行,公司从SiC衬底到外延到模组都有布局。三安光电长沙项目将包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链。


公司化合物半导体业务客户开拓取得积极拓展。在射频代工领域,国内主要客户包括海思、紫光展锐、昂瑞微等。在光通讯领域,PD产品的客户包括瑞谷、铭普、储翰等;数通产品领域客户中际旭创、AOI、光迅、剑桥等,公司目前已处于送样评估阶段。在电力电子板块,公司已布局能源市场领域:在逆变器方面,三安集成与主要客户阳光电源确认了合作开发项目意向。在国家电网方面,已进入南瑞、许继电器供应链,并已小量试产;充电桩方面,产品已进入行业领先客户永联供应链的样品测试阶段;在交通领域,公司已正式启动汽车行业认证体系;在数据中心电源行业龙头的科华恒盛、长城电源都已成功送样并测试通过,目前正在小量样品导入阶段。


三安集成营收规模增长,公司亏损幅度收窄。三安集成目前虽仍处于亏损状态,但是随着收入规模上升公司亏损幅度收窄。由于前期产能利用率低,良品率低,三安集成2017-2019年分别亏损9600万元、1700万元和8200万元,2020年上半年亏损幅度收窄至1100万元。


全产业布局占优,国内追赶海外巨头


成本结构导致SiC全产业链布局具有优势。以碳化硅为衬底的产业链主要分为衬底、外延和器件三个环节。由于衬底在器件中的高成本占比,使得掌握衬底工艺和产能的企业在竞争中具有优势。美国的Cree和日本的罗姆都是拥有从衬底、外延片到器件的碳化硅全产业链生产能力,所生产的碳化硅衬底除对外销售外,其余部分为自用。目前Cree在衬底方面产能和市占率领先所有竞争者,2019年宣布建设8英寸衬底产线,2020年全球市场份额约50%。除了Cree和罗姆,在衬底方面处于领先地位的还有II-VI,国内的有天科合达和东天岳,6寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线。


外延片市场主要被IDM公司主导,如三菱、英飞凌和意法半导体。在国内纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域,均可供应4-6英寸外延片,中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。器件方面,意法半导体、安森美、英飞凌和罗姆都是重要供应商,华润微的国内首条6寸商用SiC产线已经正式量产,三安光电拟投资160亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于2020年开工。由于碳化硅器件的成本结构导致全产业链的优势,我们看到器件公司逐步布局上游材料,如意法半导体在2020年2月份以1.4亿美元现金收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel,Norstel生产6英寸SiC衬底和外延晶圆。


在碳化硅产业链各个环节,国内领先水平与国际领先水平仍有一定差距,但是工艺水平和发展状况的差距远小于相比硅半导体。


需求增长,全球供需即将失衡


特斯拉Model3逆变器集成意法半导体的SiC MOSFET的功率模块,该主逆变器需要24个电源模块。另外假如OBC、DCDC转换器、快充电桩等都使用SiC的话,每台特斯拉约消耗0.5片6英寸碳化硅衬底。


2020年特斯拉全年共交付新车49.96万辆,同比增长35.87%。如果2022年特斯拉车型全部采用碳化硅,交付量达到100万辆的话,那么仅特斯拉一年就将消耗掉50万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为40-60万片。因此电动车的快速发展或将造成碳化硅衬底短时间的失衡。


在此背景下,全球加大碳化硅衬底投资:2020年Cree计划投资10亿美元用于碳化硅产能扩充,这次产能扩大在2024年全部完工后,将带来碳化硅晶圆制造产能的30倍增长和碳化硅材料生产的30倍增长,以满足2024年之前的预期市场增长。罗姆公司也宣布2024财年碳化硅生产能力相比2019财年提升5倍以上。


国际企业通过提前锁定衬底产能保证未来供应。如Cree与英飞凌、意法半导体等欧美主要碳化硅下游企业签订长期供货协议,公司四分之三的材料业务都签订了长期协议。

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