碳化硅分立器件行業(yè)發(fā)展基本情況

碳化硅分立器件行業(yè)發(fā)展基本情況中國為全球最大半導(dǎo)體市場，國產(chǎn)化提升大勢所趨復(fù)盤半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷史，共經(jīng)歷三次轉(zhuǎn)移。第一次轉(zhuǎn)移：1973年爆發(fā)石油危機(jī)，歐美經(jīng)濟(jì)停滯，日本趁機(jī)大力發(fā)展半導(dǎo)體行業(yè)，實(shí)施超大規(guī)模集成電路計劃。1986年，日本半導(dǎo)體產(chǎn)品已經(jīng)超越美國，成為全球第一大半導(dǎo)體生產(chǎn)大國；第二次轉(zhuǎn)移：20世紀(jì)90年度，日本經(jīng)濟(jì)泡沫破滅，韓國通過技術(shù)引進(jìn)實(shí)現(xiàn)DRAM量產(chǎn)。與此同時，半導(dǎo)體廠商從IDM模式向設(shè)計+制造+封裝模式轉(zhuǎn)變，催生代工廠商大量興起，以臺積電為首的中國臺灣廠商抓住了半導(dǎo)體行業(yè)垂直分工轉(zhuǎn)型機(jī)遇；第三次轉(zhuǎn)移：2010年后，伴隨國內(nèi)手機(jī)廠商崛起、貿(mào)易摩擦背景下國家將集成電路的發(fā)展上升至國家戰(zhàn)略，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈逐漸向國內(nèi)轉(zhuǎn)移。中國為全球最大半導(dǎo)體市場，占比約1/3。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在手機(jī)、PC、可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子，以及新能源、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域的快速推動下，中國半導(dǎo)體市場快速增長。據(jù)WSTS數(shù)據(jù)顯示，2021年全球半導(dǎo)體銷售達(dá)到5559億美元，而中國仍然為全球最大的半導(dǎo)體市場，2021年銷售額為1925億美元，占比34．6%。國產(chǎn)化率極低，提升自主能力日益緊迫。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)分工更加精細(xì)化，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以市場為導(dǎo)向的發(fā)展態(tài)勢愈發(fā)明顯。從生產(chǎn)環(huán)節(jié)來看，制造基地逐步靠近需求市場，以減少運(yùn)輸成本；從產(chǎn)品研發(fā)來看，廠商可以及時響應(yīng)用戶需求，加快技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品迭代。我國作為全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)市場，半導(dǎo)體封測經(jīng)過多年發(fā)展在國際市場已經(jīng)具備較強(qiáng)市場競爭力，而在集成電路設(shè)計和制造環(huán)節(jié)與全球領(lǐng)先廠商仍有較大差距，特別是半導(dǎo)體設(shè)備和材料。SIA數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)廠商在封測、設(shè)計、晶圓制造、材料、設(shè)備的全球市占率分別為38%、16%、16%、13%、2%，半導(dǎo)體材料與設(shè)備的重要性日益凸顯。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)制程，目前僅有ASML集團(tuán)掌握EUV光刻膠所對應(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。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(hù)基團(tuán)，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(diǎn)。（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(dá)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(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?yàn)閼?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(jī)光刻膠需要通過相應(yīng)的光刻機(jī)進(jìn)行測試和調(diào)整，目前僅有荷蘭ASML集團(tuán)有能力制造光刻機(jī)，但對我國實(shí)施技術(shù)封鎖。國內(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(yàn)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(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(jìn)占據(jù)11%的市場份額。碳化硅二極管介紹及行業(yè)情況（一）碳化硅二極管介紹碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料，與第一二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。目前碳化硅器件主要用于600伏及以上的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是一些對能量效率和空間尺寸要求較高的應(yīng)用，如電動汽車充電裝置、電動汽車動力系統(tǒng)、光伏微型逆變器領(lǐng)域、服務(wù)器電源領(lǐng)域、變頻家電領(lǐng)域等。碳化硅二極管作為最早發(fā)明且發(fā)展較快的一類碳化硅功率分立器件，已經(jīng)在新能源汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。碳化硅二極管以碳化硅肖特基二極管為主，碳化硅肖特基二極管的導(dǎo)通壓降低于硅基功率二極管，因而損耗相對較小。同時，碳化硅肖特基二極管的導(dǎo)通電壓具備正溫度系數(shù)特性，能將電流流向均衡地在器件內(nèi)部進(jìn)行分配，使得器件的各個部位保持溫度均勻，因而可以適用于高溫環(huán)境。此外，碳化硅肖特基二極管的反向漏電流和反向恢復(fù)時間遠(yuǎn)小于硅基功率二極管，可大幅降低開關(guān)損耗，且擁有較高的開關(guān)頻率，可以適用于高電壓領(lǐng)域。（二）碳化硅二極管行業(yè)概況碳化硅材料作為第三代半導(dǎo)體的代表之一，在最近幾年經(jīng)歷了長足的發(fā)展。首先，下游終端客戶對于碳化硅器件的認(rèn)可越來越多，受到整體效率提升的影響以及能效相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策等影響，碳化硅器件在傳統(tǒng)服務(wù)器電源、電信電源、充電樁、車載充電機(jī)、太陽能逆變器等多個領(lǐng)域被采用。（三）碳化硅二極管行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及未來發(fā)展趨勢由于第三代半導(dǎo)體材料生產(chǎn)技術(shù)要求較高、晶圓加工難度較大，因此生產(chǎn)成本較高。碳化硅器件還未全面推廣，但隨著規(guī)模日漸增大，性價比逐漸提升，憑借其優(yōu)秀的物理特性未來逐漸替代硅基功率器件的空間較大。碳化硅二極管自誕生以來，經(jīng)歷了前期緩慢的積累，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的周期。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，碳化硅二極管已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于可再生能源、電動車和充電裝置、5G通信、服務(wù)器電源和UPS等領(lǐng)域。隨著國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，成本有望持續(xù)下降，下游接受度也開始提升，產(chǎn)品應(yīng)用場景將逐步拓寬，預(yù)計未來市場規(guī)模具備較大的增長性。（四）碳化硅功率器件替代硅基功率器件的類型和趨勢碳化硅功率器件目前主要包括碳化硅二極管和碳化硅MOSFET兩類，而硅基功率器件除功率二極管和MOSFET外，還主要包括晶閘管和IGBT等器件，產(chǎn)品類型更為豐富。一般來說，碳化硅功率器件替代硅基功率器件的領(lǐng)域主要為高溫、高壓和高頻等方面的產(chǎn)品，主要原因系碳化硅功率器件在高工作溫度、高工作電壓和高工作頻率下性能更加優(yōu)異，且在性價比上具備一定的競爭力。（五）碳化硅功率器件在成本和技術(shù)方面的可行性鑒于碳化硅功率器件在高溫、高壓和高頻狀態(tài)下的優(yōu)異性能，碳化硅功率器件將主要在高壓和高頻領(lǐng)域逐步替代部分硅基功率器件，在技術(shù)方面已具備可行性。盡管成本仍是阻礙碳化硅功率器件快速替代硅基功率器件的主要因素，但是碳化硅功率器件已在部分高端應(yīng)用領(lǐng)域具備一定的性價比競爭力，在成本方面也具備可行性。目前碳化硅功率器件的成本仍高于同類型的硅基功率器件，例如碳化硅二極管的價格一般是硅基功率器件的4-5倍，所以碳化硅功率器件替代硅基同類產(chǎn)品主要發(fā)生在性能要求較高的高端應(yīng)用領(lǐng)域，例如電動車、高端服務(wù)器電源、高端電信電源等領(lǐng)域。具體而言，650V和1200V的碳化硅二極管已經(jīng)開始逐步替代硅基功率二極管，幫助用戶提升電源整體轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。而650V和1200V的碳化硅MOSFET在電動汽車等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步被采用。隨著碳化硅功率器件的市場規(guī)模逐漸增大，碳化硅器件晶圓的市場供給也將逐步增多，同時國內(nèi)市場正在加大對碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)研發(fā)和投入，碳化硅功率器件的成本將存在一定的下降空間。然而，考慮到硅基功率器件的產(chǎn)品性能將不斷提升，成本也將持續(xù)優(yōu)化，碳化硅功率器件和硅基功率器件將會在較長的期間共存。根據(jù)Yole的測算，從2019年到2024年，碳化硅功率器件占整體功率半導(dǎo)體市場的比例將從3%上升到9%。半導(dǎo)體材料景氣持續(xù)，市場空間廣闊半導(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。無論從科技或經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體都至關(guān)重要。2010年以來，全球半導(dǎo)體行業(yè)從PC時代進(jìn)入智能手機(jī)時代，成為全球創(chuàng)新最為活躍的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、消費(fèi)類電子、網(wǎng)絡(luò)通信和汽車電子等核心領(lǐng)域。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要由集成電路、光電子、分立器件和傳感器組成，據(jù)WSTS世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織預(yù)測，到2022年全球集成電路占比84．22%，光電子器件、分立器件、傳感器占比分別為7．41%、5．10%和3．26%。半導(dǎo)體工藝復(fù)雜，技術(shù)壁壘極高。芯片生產(chǎn)大體可分為硅片制造、芯片制造和封裝測試三個流程。其中硅片制造包括提純、拉單晶、磨外圓、切片、倒角、磨削、CMP、外延生長等工藝，芯片制造包括清洗、沉積、氧化、光刻、刻蝕、摻雜、CMP、金屬化等工藝，封裝測試包括減薄、切割、貼片、引線鍵合、模塑、電鍍、切筋成型、終測等工藝。整體而言，硅片制造和芯片制造兩個環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘極高。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。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并快速滲透進(jìn)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(fèi)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(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)體帶來了新的需求增長點(diǎn)，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(dá)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(dá)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。半導(dǎo)體政策大基金一期主要投向半