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)域包括消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、電子設(shè)備等產(chǎn)業(yè)，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及技術(shù)工藝的不斷進步，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。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》，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現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并快速滲透進入應(yīng)用市場。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)品均離不開功率半導(dǎo)體的使用。目前，功率半導(dǎo)體已廣泛用于消費電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、電力能源、汽車電子、國防、航空航天等領(lǐng)域。近年來數(shù)字經(jīng)濟、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)體帶來了新的需求增長點，其市場規(guī)模不斷增長。根據(jù)Omdia和中信建投研究所的數(shù)據(jù)及預(yù)測，2020年全球功率半導(dǎo)體市場規(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2024年將達到522億美元。目前全球功率半導(dǎo)體市場仍主要被歐、美、日等國外品牌主導(dǎo)。中國的功率半導(dǎo)體行業(yè)在國家相關(guān)政策支持、加速及資本推動等因素合力下，近年來成為半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的主要市場之一。在國家對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政策扶持及資本驅(qū)動下，國內(nèi)廠商在晶圓制造和封裝測試等領(lǐng)域已取得重要突破，基本完成國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈布局。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)及預(yù)測，中國功率半導(dǎo)體市場預(yù)計2024年將達206億美元，中國作為全球最大的功率半導(dǎo)體市場，發(fā)展前景十分廣闊。光刻膠供應(yīng)緊張，正當(dāng)時目前國內(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、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、徐州博康已實現(xiàn)量產(chǎn)。南大光電ArF光刻膠產(chǎn)業(yè)化進程相對較快，公司先后承擔(dān)國家02專項高分辨率光刻膠與先進封裝光刻膠產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項目和ArF光刻膠產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目，也是第一家ArF光刻膠通過國內(nèi)客戶產(chǎn)品驗證的公司，其他國內(nèi)企業(yè)尚處于研發(fā)和驗證階段。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、電感等制作在一個小型晶片上然后封裝成的具有多功能的單元，實現(xiàn)對信息的處理、存儲和轉(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)計組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，全球半導(dǎo)體市場在2016年至2018年期間保持較快速增長，但2018年下半年由于中美貿(mào)易摩擦出現(xiàn)增速放緩；2019年受國際貿(mào)易環(huán)境惡化影響，市場下滑較大。2020年度全球半導(dǎo)體市場逐漸回暖，并在2021年、2022年保持較快增長。我國半導(dǎo)體行業(yè)在國家相關(guān)政策支持、加速及資本推動等因素合力下，在半導(dǎo)體設(shè)計、晶圓制造及封裝測試等技術(shù)上得到了快速發(fā)展，與發(fā)達國家的差距不斷縮小。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2021年度中國半導(dǎo)體市場規(guī)模為1，925億美元，同比增長27．06%，占全球市場超過三分之一，目前已成為全球最大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市場。光刻膠：半導(dǎo)體工藝核心材料，道阻且長光刻膠是光刻工藝最重要的耗材。光刻膠是一種通過特定光源照射下發(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。進行光刻時，硅片上的金屬層涂抹光刻膠，掩膜上印有預(yù)先設(shè)計好的電路圖案，光線透過掩膜照射光刻膠。如果曝光在紫外線下的光刻膠變?yōu)槿軇?，清除后留下掩膜上的圖案，此為正性膠，反之為負(fù)性膠。（一）先進制程推動產(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、顯示效果和化學(xué)結(jié)構(gòu)三種方式進行分類。根據(jù)曝光波長的不同，目前市場上應(yīng)用較多的光刻膠可分為g線、i線、KrF、ArF和EUV5種類型。光刻膠波長越短，加工分辨率越高，不同的集成電路工藝在光刻中對應(yīng)使用不同波長的光源。隨著芯片制程的不斷進步，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)時主流制程工藝在0．8-1．2μm，適用于波長436nm的光刻光源。到了90年代，制程進步到0．35-0．5μm，對應(yīng)波長更短的365nm光源。當(dāng)制程發(fā)展到0．35μm以下時，g/i線光刻膠已經(jīng)無法制程工藝的需求，于是出現(xiàn)了適用于248納米波長光源的KrF光刻膠，和193納米波長光源的ArF光刻膠，兩者均是深紫外光刻膠。EUV（極紫外光）是目前最先進的光刻膠技術(shù)，適用波長為13．5nm的紫外光，可用于10nm以下的先進制程，目前僅有ASML集團掌握EUV光刻膠所對應(yīng)的光刻機技術(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?，可制造正性光刻膠。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?；瘜W(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)域的光致酸劑會產(chǎn)生一種酸，并在后熱烘培工序期間作為催化劑移除樹脂的保護基團，使樹脂變得可溶?；瘜W(xué)放大光刻膠對深紫外光源具有良好的光敏性，具有高對比度、分辨率等優(yōu)點。（二）光刻膠市場穩(wěn)定增長，ArFi占比最高半導(dǎo)體光刻膠市場增速穩(wěn)定。伴隨芯片制程工藝的升級，光刻膠市場需求量也隨之增加。根據(jù)TECHECT數(shù)據(jù)，2021年全球光刻膠市場規(guī)模約為19億美元，同比增長11%，預(yù)計2022年將達到21．34億美元，同比增長12．32%。具體來看，在7nm制程的EUV技術(shù)成熟之前，ArFi光刻膠仍是市場主流，占比高達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1、工藝壁壘光刻膠多用于微米和納米級別的圖形加工，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，因為應(yīng)用需求眾多，光刻膠品類也很多，因此需要通過調(diào)整光刻膠的配方以滿足對應(yīng)的需求。2、配套光刻機光刻膠需要通過相應(yīng)的光刻機進行測試和調(diào)整，目前僅有荷蘭ASML集團有能力制造光刻機，但對我國實施技術(shù)封鎖。國內(nèi)僅有一家企業(yè)可制造光刻機，且技術(shù)水準(zhǔn)與ASML集團仍有較大差距。3、原材料壁壘光刻膠是主要由光引發(fā)劑、光刻膠樹脂、單體、溶劑及其他助劑形成的溶液。其中樹脂和光引發(fā)劑是光刻膠最核心的部分，樹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)會直接影響芯片性能、良率等，試錯成本高，客戶驗證需要經(jīng)過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)）四個階段，驗證周期在兩年以上。日本企業(yè)龍頭地位穩(wěn)固，CR5高達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%市場份額，美國陶氏杜邦占據(jù)17%的市場份額，韓國東進占據(jù)11%的市場份額。功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢（一）功率半導(dǎo)體行業(yè)下游市場持續(xù)增長1、家用電器行業(yè)以家用電器為代表的消費類電子行業(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，家用電器進入了節(jié)能降耗的時代。相對于傳統(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，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，其中變頻類家電數(shù)量為2．44億臺，占比為34%；預(yù)計到2022年全球家用電器的銷量約9．02億臺，其中變頻類家電數(shù)量將達到5．85億臺，占比也將提升至65%。根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計，從非變頻家電到變頻類家電的升級迭代，單個家電產(chǎn)品中的半導(dǎo)體使用價值將從0．79美元增長至10．67美元，使用價值的增加主要歸功于應(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將推動功率半導(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)品升級將成為家電行業(yè)發(fā)展的新趨勢。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年全球智能家居設(shè)備市場相較2020年增長了11．7%，設(shè)備出貨量超過8．95億臺；2021年中國智能家居設(shè)備市場出貨量超過2．2億臺，同比增長9．2%。顯示智能家居升級是2021年的主要增長動力。2、新能源汽車行業(yè)功率半導(dǎo)體是汽車電子的核心，無論是汽車引擎中的壓力傳感器，或者驅(qū)動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向、變速、制動，還是車燈、儀表盤等儀器的運作控制，都離不開功率半導(dǎo)體的使用。相對于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車對功率半導(dǎo)體的使用量更大。根據(jù)StrategyAnalytics測算，傳統(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體用量僅為71美元，48V輕混車型功率半導(dǎo)體價值量增值至90美元，而純電車型的功率半導(dǎo)體用量增幅高達364%，大幅上漲至330美元。新能源汽車消費近年來增長迅速。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，國內(nèi)新能源汽車的總生產(chǎn)量從2016年的51．7萬輛，增長至2021年的354．5萬輛，復(fù)合增長率達47．0%。另一方面，新能源汽車銷量則從2016年的50．7萬輛增長到了2021年的352．1萬輛，年復(fù)合增長率為47．3%。新能源汽車市場發(fā)展已從政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向市場拉動新發(fā)展階段，呈現(xiàn)出市場規(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功率半導(dǎo)體需求增長的重要動力之一。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。中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，我國公共及私人充電樁保有量總計261．70萬臺，同比增長70．10%，我國隨車配建充電樁增量達到59．70萬臺，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，預(yù)計到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2，710億千瓦時。2020年中美歐充電樁數(shù)量約為300萬個，預(yù)計到2030年增長至4，000萬個，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)電過程中，由于太陽光強弱變化導(dǎo)致其產(chǎn)生的電流不具備穩(wěn)定性，無法直接輸送入電網(wǎng)中，因此需要功率半導(dǎo)體對電流進行整流、逆變等變換。在電流傳輸過程中，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。在進入家庭的過程中，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、兼容、集成和安全等特點?；诎雽?dǎo)體技術(shù)與電力技術(shù)的融合，其增強了電網(wǎng)的靈活性和可靠性，是智能電網(wǎng)的先進控制和調(diào)節(jié)手段。傳統(tǒng)的機械式控制手段，響應(yīng)速度慢、不能頻繁動作、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、更快、更有效的功能特點，最終使得智能電網(wǎng)實現(xiàn)電力高效節(jié)能的傳輸。傳統(tǒng)能源消耗已對地球環(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。近年來新能源市場發(fā)展快速，從全球范圍來看，風(fēng)能、太陽能發(fā)電快速穩(wěn)定增長。全球風(fēng)能理事會（GWEC）指出，2021年全球新增風(fēng)電裝機93．6GW，比2019年增加了53%，全球累計裝機容量達837．5GW。根據(jù)IRENA研究，2050年全球光伏累計裝機量將達到14，000GW。2020年全球光伏累計裝機量為725GW，由此推算2020~2050三十年間年復(fù)合增長率為10．4%。4、工業(yè)自動化行業(yè)工業(yè)自動化行業(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。伴隨國內(nèi)制造業(yè)持續(xù)升級，以及海外工業(yè)水平的持續(xù)深化，高度的自動化與智能化將會是未來世界工業(yè)發(fā)展的核心所在，而功率半導(dǎo)體則是實現(xiàn)工業(yè)自動化中不可缺少的核心元器件，從控制到加工，都離不開安全、高效的功率半導(dǎo)體器件。因此，全球范圍內(nèi)工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢將會增大對功率半導(dǎo)體的需求，從而持續(xù)擴大功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模。（二）碳化硅器件發(fā)展趨勢向好受限于硅材料的自身特性，傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)