碳化硅分立器件全景調(diào)研與發(fā)展戰(zhàn)略研究

碳化硅分立器件全景調(diào)研與發(fā)展戰(zhàn)略研究功率半導(dǎo)體行業(yè)概況功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于電子制造行業(yè)，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、電子設(shè)備等產(chǎn)業(yè)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及技術(shù)工藝的不斷進(jìn)步，新能源汽車及充電樁、智能裝備制造、物聯(lián)網(wǎng)、新能源發(fā)電、軌道交通等新興應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為功率半導(dǎo)體的重要應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)《功率半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)》，功率半導(dǎo)體按器件集成度可以分為功率分立器件和功率IC兩大類，其中功率分立器件主要包括功率二極管、晶閘管、晶體管等產(chǎn)品。隨著半導(dǎo)體材料的優(yōu)化突破，新一代以碳化硅為材料的功率半導(dǎo)體分立器件已逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并快速滲透進(jìn)入應(yīng)用市場(chǎng)。功率半導(dǎo)體的應(yīng)用十分廣闊，涉及電路控制和電能轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品均離不開(kāi)功率半導(dǎo)體的使用。目前，功率半導(dǎo)體已廣泛用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、電力能源、汽車電子、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域。近年來(lái)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、人工智能、光伏能源、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，均為功率半導(dǎo)體帶來(lái)了新的需求增長(zhǎng)點(diǎn)，其市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)。根據(jù)Omdia和中信建投研究所的數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)，2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為452億美元（主要包括功率器件、功率IC和功率模組），預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到522億美元。目前全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)仍主要被歐、美、日等國(guó)外品牌主導(dǎo)。中國(guó)的功率半導(dǎo)體行業(yè)在國(guó)家相關(guān)政策支持、加速及資本推動(dòng)等因素合力下，近年來(lái)成為半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的主要市場(chǎng)之一。在國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政策扶持及資本驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)廠商在晶圓制造和封裝測(cè)試等領(lǐng)域已取得重要突破，基本完成國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈布局。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)，中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)2024年將達(dá)206億美元，中國(guó)作為全球最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，發(fā)展前景十分廣闊。光刻膠供應(yīng)緊張，正當(dāng)時(shí)目前國(guó)內(nèi)從事半導(dǎo)體光刻膠研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)包括晶瑞股份、南大光電、上海新陽(yáng)、北京科華等。主要以i/g線光刻膠生產(chǎn)為主，應(yīng)用集成電路制程350nm以上。KrF光刻膠方面，北京科華、徐州博康已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。南大光電ArF光刻膠產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)較快，公司先后承擔(dān)國(guó)家02專項(xiàng)高分辨率光刻膠與先進(jìn)封裝光刻膠產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目和ArF光刻膠產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，也是第一家ArF光刻膠通過(guò)國(guó)內(nèi)客戶產(chǎn)品驗(yàn)證的公司，其他國(guó)內(nèi)企業(yè)尚處于研發(fā)和驗(yàn)證階段。半導(dǎo)體行業(yè)概況半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵、碳化硅等。半導(dǎo)體是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，是電子產(chǎn)品的核心組成。半導(dǎo)體產(chǎn)品可劃分為集成電路、分立器件、其他器件等多類產(chǎn)品。其中集成電路是將基本的電路原件如晶體管、二極管、電阻、電容、電感等制作在一個(gè)小型晶片上然后封裝成的具有多功能的單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。分立器件則是指具有單一功能的電路基本元件，主要實(shí)現(xiàn)電能的處理與變換，功率分立器件為分立器件類別的主導(dǎo)產(chǎn)品品類。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)在2016年至2018年期間保持較快速增長(zhǎng)，但2018年下半年由于中美貿(mào)易摩擦出現(xiàn)增速放緩；2019年受國(guó)際貿(mào)易環(huán)境惡化影響，市場(chǎng)下滑較大。2020年度全球半導(dǎo)體市場(chǎng)逐漸回暖，并在2021年、2022年保持較快增長(zhǎng)。我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在國(guó)家相關(guān)政策支持、加速及資本推動(dòng)等因素合力下，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、晶圓制造及封裝測(cè)試等技術(shù)上得到了快速發(fā)展，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距不斷縮小。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2021年度中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為1，925億美元，同比增長(zhǎng)27．06%，占全球市場(chǎng)超過(guò)三分之一，目前已成為全球最大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。光刻膠：半導(dǎo)體工藝核心材料，道阻且長(zhǎng)光刻膠是光刻工藝最重要的耗材。光刻膠是一種通過(guò)特定光源照射下發(fā)生局部溶解度變化的光敏材料，主要作用于光刻環(huán)節(jié)，承擔(dān)著將掩模上的圖案轉(zhuǎn)化到晶圓的重要功能。進(jìn)行光刻時(shí)，硅片上的金屬層涂抹光刻膠，掩膜上印有預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，光線透過(guò)掩膜照射光刻膠。如果曝光在紫外線下的光刻膠變?yōu)槿軇宄罅粝卵谀ど系膱D案，此為正性膠，反之為負(fù)性膠。（一）先進(jìn)制程推動(dòng)產(chǎn)品迭代，半導(dǎo)體光刻膠壁壘最高光刻膠可以根據(jù)曝光光源波長(zhǎng)、顯示效果和化學(xué)結(jié)構(gòu)三種方式進(jìn)行分類。根據(jù)曝光波長(zhǎng)的不同，目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的光刻膠可分為g線、i線、KrF、ArF和EUV5種類型。光刻膠波長(zhǎng)越短，加工分辨率越高，不同的集成電路工藝在光刻中對(duì)應(yīng)使用不同波長(zhǎng)的光源。隨著芯片制程的不斷進(jìn)步，每一代新的光刻工藝都需要新一代的光刻膠技術(shù)與之相匹配。g/i線光刻膠誕生于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)主流制程工藝在0．8-1．2μm，適用于波長(zhǎng)436nm的光刻光源。到了90年代，制程進(jìn)步到0．35-0．5μm，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)更短的365nm光源。當(dāng)制程發(fā)展到0．35μm以下時(shí)，g/i線光刻膠已經(jīng)無(wú)法制程工藝的需求，于是出現(xiàn)了適用于248納米波長(zhǎng)光源的KrF光刻膠，和193納米波長(zhǎng)光源的ArF光刻膠，兩者均是深紫外光刻膠。EUV（極紫外光）是目前最先進(jìn)的光刻膠技術(shù)，適用波長(zhǎng)為13．5nm的紫外光，可用于10nm以下的先進(jìn)制程，目前僅有ASML集團(tuán)掌握EUV光刻膠所對(duì)應(yīng)的光刻機(jī)技術(shù)。根據(jù)顯示效果的不同，光刻膠可分為正性和負(fù)性。如果光刻膠是正性的，在特定光線照射下光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)并變成溶劑，曝光部分的光刻膠可以被清除。如果為負(fù)性光刻膠，曝光的光刻膠反應(yīng)不再是溶劑，未曝光的光刻膠被清除。光分解型光刻膠采用含有重氮醌類化合物材料作為感光劑，光線照射后發(fā)生光分解反應(yīng)，由油性變?yōu)樗匀軇芍圃煺怨饪棠z。光交聯(lián)型光刻膠采用聚乙烯醇月桂酸酯作為光敏材料，光線照射后形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的不溶物，可起到抗蝕作用，適用于制成負(fù)性光刻膠。化學(xué)放大型光刻膠使用光致酸劑作為光引發(fā)劑，光線照射后，曝光區(qū)域的光致酸劑會(huì)產(chǎn)生一種酸，并在后熱烘培工序期間作為催化劑移除樹(shù)脂的保護(hù)基團(tuán)，使樹(shù)脂變得可溶?；瘜W(xué)放大光刻膠對(duì)深紫外光源具有良好的光敏性，具有高對(duì)比度、分辨率等優(yōu)點(diǎn)。（二）光刻膠市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)，ArFi占比最高半導(dǎo)體光刻膠市場(chǎng)增速穩(wěn)定。伴隨芯片制程工藝的升級(jí)，光刻膠市場(chǎng)需求量也隨之增加。根據(jù)TECHECT數(shù)據(jù)，2021年全球光刻膠市場(chǎng)規(guī)模約為19億美元，同比增長(zhǎng)11%，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到21．34億美元，同比增長(zhǎng)12．32%。具體來(lái)看，在7nm制程的EUV技術(shù)成熟之前，ArFi光刻膠仍是市場(chǎng)主流，占比高達(dá)36．8%，KrF和g/i光刻膠分別占比為35．8%和14．7%。（三）多重因素構(gòu)筑壁壘，日企壟斷高端市場(chǎng)1、工藝壁壘光刻膠多用于微米和納米級(jí)別的圖形加工，因此產(chǎn)品品質(zhì)要求極高，微粒子及金屬離子含量極低，制造工藝復(fù)雜，研發(fā)和生產(chǎn)都有較高的技術(shù)壁壘。此外，因?yàn)閼?yīng)用需求眾多，光刻膠品類也很多，因此需要通過(guò)調(diào)整光刻膠的配方以滿足對(duì)應(yīng)的需求。2、配套光刻機(jī)光刻膠需要通過(guò)相應(yīng)的光刻機(jī)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，目前僅有荷蘭ASML集團(tuán)有能力制造光刻機(jī)，但對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖。國(guó)內(nèi)僅有一家企業(yè)可制造光刻機(jī)，且技術(shù)水準(zhǔn)與ASML集團(tuán)仍有較大差距。3、原材料壁壘光刻膠是主要由光引發(fā)劑、光刻膠樹(shù)脂、單體、溶劑及其他助劑形成的溶液。其中樹(shù)脂和光引發(fā)劑是光刻膠最核心的部分，樹(shù)脂決定光刻膠的硬度、柔韌性、附著力等基本屬性，光引發(fā)劑則決定了光刻膠的感光度、分辨率。目前上游原材料主要被陶氏杜邦、富士膠片等日韓美企業(yè)壟斷。4、客戶認(rèn)證壁壘由于光刻膠的品質(zhì)會(huì)直接影響芯片性能、良率等，試錯(cuò)成本高，客戶驗(yàn)證需要經(jīng)過(guò)PRS（基礎(chǔ)工藝考核）、STR（小批量試產(chǎn)）、MSTR（中批量試產(chǎn)）、RELEASE（量產(chǎn)）四個(gè)階段，驗(yàn)證周期在兩年以上。日本企業(yè)龍頭地位穩(wěn)固，CR5高達(dá)80%。全球半導(dǎo)體光刻膠2021年行業(yè)前六家企業(yè)占比約為88%，市場(chǎng)集中度高。日本東京應(yīng)化、日本JSR、日本住友化學(xué)、日本富士膠片四大日本企業(yè)分別占據(jù)27%、13%、12%、8%市場(chǎng)份額，美國(guó)陶氏杜邦占據(jù)17%的市場(chǎng)份額，韓國(guó)東進(jìn)占據(jù)11%的市場(chǎng)份額。功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展情況和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)（一）功率半導(dǎo)體行業(yè)下游市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)1、家用電器行業(yè)以家用電器為代表的消費(fèi)類電子行業(yè)是功率半導(dǎo)體器件供應(yīng)的重要領(lǐng)域。隨著全球?qū)夂颦h(huán)境的持續(xù)關(guān)注，家用電器進(jìn)入了節(jié)能降耗的時(shí)代。相對(duì)于傳統(tǒng)的家電產(chǎn)品，變頻類家用電器在能效、性能及智能控制等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于空調(diào)、微波爐、冰箱、熱水器等大功耗電器。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，2017年全球家用電器的銷量約7．11億臺(tái)，其中變頻類家電數(shù)量為2．44億臺(tái)，占比為34%；預(yù)計(jì)到2022年全球家用電器的銷量約9．02億臺(tái)，其中變頻類家電數(shù)量將達(dá)到5．85億臺(tái)，占比也將提升至65%。根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計(jì)，從非變頻家電到變頻類家電的升級(jí)迭代，單個(gè)家電產(chǎn)品中的半導(dǎo)體使用價(jià)值將從0．79美元增長(zhǎng)至10．67美元，使用價(jià)值的增加主要?dú)w功于應(yīng)用更多的功率半導(dǎo)體，因此全球家用電器的變頻化趨勢(shì)將推動(dòng)功率半導(dǎo)體在家電領(lǐng)域的發(fā)展。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代技術(shù)應(yīng)用，家電行業(yè)也出現(xiàn)智能化潮流，雖然傳統(tǒng)家電品類增速放緩，但高端化、智能化的產(chǎn)品升級(jí)將成為家電行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年全球智能家居設(shè)備市場(chǎng)相較2020年增長(zhǎng)了11．7%，設(shè)備出貨量超過(guò)8．95億臺(tái)；2021年中國(guó)智能家居設(shè)備市場(chǎng)出貨量超過(guò)2．2億臺(tái)，同比增長(zhǎng)9．2%。顯示智能家居升級(jí)是2021年的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。2、新能源汽車行業(yè)功率半導(dǎo)體是汽車電子的核心，無(wú)論是汽車引擎中的壓力傳感器，或者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向、變速、制動(dòng)，還是車燈、儀表盤(pán)等儀器的運(yùn)作控制，都離不開(kāi)功率半導(dǎo)體的使用。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車對(duì)功率半導(dǎo)體的使用量更大。根據(jù)StrategyAnalytics測(cè)算，傳統(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體用量?jī)H為71美元，48V輕混車型功率半導(dǎo)體價(jià)值量增值至90美元，而純電車型的功率半導(dǎo)體用量增幅高達(dá)364%，大幅上漲至330美元。新能源汽車消費(fèi)近年來(lái)增長(zhǎng)迅速。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)新能源汽車的總生產(chǎn)量從2016年的51．7萬(wàn)輛，增長(zhǎng)至2021年的354．5萬(wàn)輛，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)47．0%。另一方面，新能源汽車銷量則從2016年的50．7萬(wàn)輛增長(zhǎng)到了2021年的352．1萬(wàn)輛，年復(fù)合增長(zhǎng)率為47．3%。新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展已從政策驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)拉動(dòng)新發(fā)展階段，呈現(xiàn)出市場(chǎng)規(guī)模、發(fā)展質(zhì)量雙提升的良好發(fā)展局面。作為新能源汽車不可缺少的配套設(shè)施，汽車充電樁也是推動(dòng)功率半導(dǎo)體需求增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿χ?。充電樁作為新能源汽車的配套設(shè)施，必將跟隨新能源汽車發(fā)展而發(fā)展。中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，我國(guó)公共及私人充電樁保有量總計(jì)261．70萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)70．10%，我國(guó)隨車配建充電樁增量達(dá)到59．70萬(wàn)臺(tái)，同比上漲323．9%。2020年中美歐新能源汽車充電需求約為180億千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)到2030年，伴隨新能源汽車滲透率的提升，新能源汽車充電需求將高達(dá)2，710億千瓦時(shí)。2020年中美歐充電樁數(shù)量約為300萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì)到2030年增長(zhǎng)至4，000萬(wàn)個(gè)，年復(fù)合增速約30%。3、新能源行業(yè)功率半導(dǎo)體在以光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)為代表的新能源領(lǐng)域也有較多應(yīng)用。在發(fā)電過(guò)程中，由于太陽(yáng)光強(qiáng)弱變化導(dǎo)致其產(chǎn)生的電流不具備穩(wěn)定性，無(wú)法直接輸送入電網(wǎng)中，因此需要功率半導(dǎo)體對(duì)電流進(jìn)行整流、逆變等變換。在電流傳輸過(guò)程中，通常采用高壓直流輸電，因而需要大功率晶閘管、大功率IGBT等功率器件。在進(jìn)入家庭的過(guò)程中，需要將高壓電壓降低至家用電壓，而功率半導(dǎo)體是電力電子變壓的關(guān)鍵器件。此外，在風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)景，同樣需要使用大量的功率半導(dǎo)體。智能電網(wǎng)具備可靠、自愈、經(jīng)濟(jì)、兼容、集成和安全等特點(diǎn)?；诎雽?dǎo)體技術(shù)與電力技術(shù)的融合，其增強(qiáng)了電網(wǎng)的靈活性和可靠性，是智能電網(wǎng)的先進(jìn)控制和調(diào)節(jié)手段。傳統(tǒng)的機(jī)械式控制手段，響應(yīng)速度慢、不能頻繁動(dòng)作、控制功能離散，而大功率電力電子器件作為智能電網(wǎng)的核心部件具有更強(qiáng)、更快、更有效的功能特點(diǎn)，最終使得智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電力高效節(jié)能的傳輸。傳統(tǒng)能源消耗已對(duì)地球環(huán)境造成諸多不可逆的破壞，因而新型能源的關(guān)注度持續(xù)提高。近年來(lái)新能源市場(chǎng)發(fā)展快速，從全球范圍來(lái)看，風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電快速穩(wěn)定增長(zhǎng)。全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）指出，2021年全球新增風(fēng)電裝機(jī)93．6GW，比2019年增加了53%，全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)837．5GW。根據(jù)IRENA研究，2050年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到14，000GW。2020年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量為725GW，由此推算2020~2050三十年間年復(fù)合增長(zhǎng)率為10．4%。4、工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)也是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。功率半導(dǎo)體在工業(yè)領(lǐng)域，主要起到控制電壓、電流和變頻的作用。伴隨國(guó)內(nèi)制造業(yè)持續(xù)升級(jí)，以及海外工業(yè)水平的持續(xù)深化，高度的自動(dòng)化與智能化將會(huì)是未來(lái)世界工業(yè)發(fā)展的核心所在，而功率半導(dǎo)體則是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化中不可缺少的核心元器件，從控制到加工，都離不開(kāi)安全、高效的功率半導(dǎo)體器件。因此，全球范圍內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)增大對(duì)功率半導(dǎo)體的需求，從而持續(xù)擴(kuò)大功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模。（二）碳化硅器件發(fā)展趨勢(shì)向好受限于硅材料的自身特性，傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)