Wolfspeed对国产SiC的启示

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• 自2017年， 公司开始战略性转型，将发展重心转移至Wolfspeed部门，并于次年宣布将创建一家更加集中的强大半导体公司，为Wolfspeed、其核心功率和射频业务提供发展基金。
  
  
• 2018年3月， 公司宣布收购英飞凌的射频功率业务，稳固了Wolfspeed在射频碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）技术方面的领导地位。
  
  
• 公司分别于2019年、2021年出售其照明业务与LED业务， 2021年10月正式更名为Wolfspeed，专注于第三代化合物半导体领域的开发与创新。

• 功率产品， 主要包括碳化硅MOSFET及裸芯片、碳化硅肖特基二极管、功率模块以及栅极驱动板；
  
  
• 射频产品， 主要包括28V、40V、50V宽带应用场景的GaN HEMT器件以及适用于不同波段的碳化硅基氮化镓和LDMOS功率晶体管的产品组合；
  
  
• 材料产品， 主要包括碳化硅裸晶圆、外延片以及碳化硅晶圆上的GaN外延层。此外，公司还提供射频代工服务。

• 总裁兼首席执行官格雷格·洛， 曾担任飞思卡尔半导体公司的总裁兼首席执行官，领导其成为高性能、混合信号半导体行业的领导者；首席财务官尼尔·雷诺兹是一位经验丰富的财务主管，曾在全球科技公司领导过各种财务职能；
  
  
• 首席技术官约翰·帕尔莫尔是Wolfspeed创始人之一， IEEE院士，专注于为功率和射频商业应用开创突破性的半导体技术，负责碳化硅和氮化镓电子设备的加工和器件设计领域的386篇出版物和75项美国专利。

• 功率业务： 由于碳化硅产品在电动汽车和工业市场的采用率超预期，功率设备业务同比增长超100%，相关直销和分销客户显著增加；
  
  
• 射频业务： 5G和美国国防领域需求坚实，射频设备业务有所增加；
  
  
• 材料业务： 150mm碳化硅衬底需求依然强劲，收入增长与上一季度基本持平，且随着公司产能爬坡，供需关系匹配状况更加良好。

• FY2017-2019， 部门毛利率持续处于45%-50%的高位；
  
  
• FY2020-2021， 受疫情影响，且由于工厂扩建、部分设施的利用率不足，部门毛利率持续下滑至31%水平，其中FY2021Q4毛利率为32.3%；
  
  
• FY2022至今， 随着工厂转型、产能爬坡，另受益于折旧费用减少，公司毛利率持续改善，FY2022Q1毛利率达33.5%、Q2毛利率达35.4%，公司毛利率Q3指引为基于Q2水平进一步改善0.5-1.5pct。公司预期将通过优化杜伦工厂（Durham）效率、莫霍克谷工厂（Mohawk Valley）投产爬坡、产品线过渡至200mm等降本途径达到毛利率50%以上的远期目标。

• 碳化硅是第三代半导体材料， 与第一、二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的击穿电场、更高的电子迁移率等性能优势，使得器件有耐高压、耐高温和高频的性能。
  
  
• 体现在产品上，导通损耗低，从而提高效率；简化散热，从而减小体积；简化外围组件，从而降低其他成本。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加，碳化硅材料、器件已实现从研发到规模化量产的跨越，进入产业化快速发展阶段。

• 导电型衬底可用于生长碳化硅外延片， 制成耐高温、耐高压的碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；半绝缘型衬底可用于生长氮化镓外延片，制成耐高温、耐高频的HEMT等微波射频器件，主要应用于5G通讯、卫星、雷达等领域。

• 据Yole数据， 到2025年，全球电力电子领域碳化硅市场规模将超过30亿美元，较2020年的7亿美元CAGR超过37%。具体到细分领域，随着成本持续下降，碳化硅器件与硅基器件价差逐步缩小，加速进入新能源汽车供应链；
  
  
• 碳化硅材料性能优越， 能够高效管理热量累积、提升太阳能转换效率，有望加速渗透光伏市场；碳化硅器件具有大功率、高效率的性能优势，应用于铁路和电机驱动器，有望打开轨交市场；受5G基础设施建设推动，射频功放器件市场呈现高速增长态势，碳化硅衬底市场前景广阔。

• 碳化硅材料耐高频、易散热、高电流密度、低功率损耗， 能够解决新能源汽车轻量化、续航里程、高电平要求等需求痛点，目前主要用于主逆变器，搭载碳化硅功率模块，部分用于OBC和DC/DC，搭载单管器件。
  
  
• 此前影响碳化硅器件放量的主要约束为成本经济性问题， 现今随着晶圆生产制造成本下行、与硅基器件价差持续缩小，同时若考虑散热系统成本节约、空间节约、电驱系统性能提升和整车价值跃升等附加价值，碳化硅器件已具有一定竞争优势。

• 根据国际能源署（IEA）数据显示， 2020年全球光伏累计装机容量达到760.4GW，占全球新增发电装机的三分之一。
  
  
• 据IEA预估， 2021年全球光伏装机容量新增156.1GW，为达到2050年净零排放，2020年-2030年的全球太阳能光伏年均增量须达到422GW。

• 而碳化硅材料的击穿电压是传统硅的十倍以上， 同时具有更高的热导率、更低的导通电阻、栅极电荷，能够承受更高的电压和电流，同时保留了低压硅器件的开关频率优势，确保高转换效率，实现双赢。
  
  
• 数据显示， 在光伏逆变器中使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，大幅提高设备循环寿命，降低生产成本。据CASA预测，到2048年，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比可达85%。

• 据西门子为期一年的碳化硅技术测试成果， 碳化硅电车在操作过程中噪音水平较低，且能源消耗减少约10%；经装车试验测试，中车株洲所与深圳地铁集团联合研发的地铁列车全碳化硅牵引逆变器在节能化方面表现优异，同比硅基IGBT牵引逆变器的综合能耗降低10%以上，中低速段噪声下降5分贝以上，温升降低40℃以上。

• 截至2021年12月， 国内已有至少8条列车线路采用了碳化硅技术，日本、欧洲的轨交牵引系统也大面积采用了碳化硅，仅2021年下半年，日本推出了搭载碳化硅车载设备、主电路设备的E131 Series 500系列列车；
  
  
• 搭载碳化硅牵引变流器的德国慕尼黑Avenio有轨电车已通过测试， 正式投入使用；欧洲PINTA项目将重点在双系统有轨电车中使用碳化硅，有望在整个欧洲推广；
  
  
• 此外，碳化硅逐步进入高铁领域， 如日本N700S新干线、西门子Velaro列车已引入碳化硅；2019年底，Cree与ABB宣布达成合作，助力Wolfspeed进入高铁等市场。

• 碳化硅渗透轨道交通得到政策支持，2021年8月，交通运输部提出和发布的预期成果包括： 形成碳化硅器件应用技术路线及电力电子变压器应用技术路线；通过3-5年时间，在动车和城轨牵引系统中完成碳化硅MOSFET装车应用。

• 根据中国充电联盟统计数据， 截至2021年12月，全国充电基础设施保有量达261.7万台，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩114.7万台，同比增长56.4%，其中直流充电桩47.0万台，同比增长52.1%。碳化硅主要应用于直流充电桩中，其高功率能够提升充电效率、缩短充电时间，有望实现加速渗透。

• 根据中国充电联盟和公安部统计数据， 初步计算我国车桩比从2016年的4.27下降到了2021年的3.00。根据国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》指引和工信部的规划，预计到2025年我国车桩比应在2:1到3:1之间，到2030年接近1:1的合理值。
  
  
• 新能源汽车作为运输工具低碳转型的重要推动力， 即将进入快速发展期，与之相匹配的公共基础配套设施充电桩也将随之迎来广阔的市场前景，带动碳化硅市场空间持续扩容。

• 充电桩行业发展主要围绕着大功率直流快充进行， 充电模块是构建高功率充电基础设施的核心部分。相较于硅基功率器件，使用碳化硅功率器件可以实现高功率密度、超小体积，同时能够支持快速充电，因此可以实现充电模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。
  
  
• 参考泰科天润提供的一款基于碳化硅的直流快速充电桩， 输出功率为60kw，其体积比同样输出功率的硅基充电桩小30-35%左右，因而能够通过散热性能和所占空间节省成本。根据CASA的测算，2019年碳化硅在直流充电桩的充电模块渗透率约10%，预期未来随着成本的降低，渗透率将进一步提升。

• 据Yole预测， 到2024年，全球氮化镓射频器件市场将达到20亿美元，2018-2024年CAGR约21%。氮化镓是极稳定的化合物，具有高热导率、高电离度和化学稳定性，相较硅和砷化镓，抗辐照能力更强；
  
  
• 同时氮化镓又是高熔点材料， 热传导率高，通常采用热传导率更优的碳化硅衬底，因此氮化镓功率器件具有较高的结温，能够在高温环境下工作。据Yole预测，到2023年，氮化镓射频器件的市场规模将占3W以上射频功率市场的45%，未来10年内，氮化镓将成为射频应用的主流技术。

• 相比于4G， 5G的通信频段往高频波段迁移，而氮化镓射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求，在宏基站和回传领域将占据主导位置。伴随5G基础设施建设，中国氮化镓射频器件市场将实现快速发展。
  
  
• 根据工信部统计， 截至2021年上半年，我国移动通信基站总数达948万站，其中5G基站总数达96.1万站，我国已开通5G基站数量全球排名第一。GaN HEMT是5G基站射频功放主流技术，碳化硅衬底作为主流解决方案，市场空间将持续突破。

• 单晶生长， 以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料形成碳化硅晶体；
  
  
• 衬底环节， 碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成单晶薄片，也即半导体衬底材料；
  
  
• 外延片环节， 通常使用化学气相沉积（CVD）方法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片；
  
  
• 晶圆加工， 通过光刻、沉积、离子注入和金属钝化等前段工艺加工形成的碳化硅晶圆，经后段工艺可制成碳化硅芯片；
  
  
• 器件制造与封装测试， 所制造的电子电力器件及模组可通过验证进入应用环节。

• PVT法通过感应加热的方式在2300℃以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料， 使其升华产生包含Si原子、Si2C分子、SiC2分子等气相物质，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源；在温度梯度的驱动下，这些气相物质被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。
  
  
• 整个固-气-固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内， 任意生长条件的波动将导致整个单晶生长系统的变化，且由于200多种碳化硅的同质异构晶型之间能量转化势垒极低，导致PVT法下生长系统稳定性不佳、晶体生长效率低、易产生标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题，进一步导致碳化硅材料成本高昂。

• 因为特气纯度高、杂质含量低， 因此HT-CVD法能够制备高纯度、高质量的半绝缘碳化硅晶体；其原料可持续添加、参数可调整，具有产品多样性等优势。但由于设备昂贵、高纯气体价格不菲，该方法商业化慢于PVT法。

• 将硅熔化后， 加入如过渡金属元素等助熔剂，在硅的熔体中熔解碳，然后在液相外延通过籽晶向上提拉，借由缓慢降温使溶液过饱和后在籽晶前端生长出碳化硅单晶。
  
  
• LPE法虽目前尚未成熟， 但优势显著，可以大幅降低生产温度、提升生产速度，且在此方法下熔体本身更易扩型，晶体质量亦大为提高，因而被认为是碳化硅材料走向低成本的较好路径，有积极的发展空间。

• 碳化硅常见缺陷包括微管、晶型夹杂、包裹物、位错、层错等， 且缺陷之间存在相互影响和演变。因此，控制晶体生长的环境参数从而有效控制晶体缺陷是核心技术难点。
  
  
• 在长晶条件极为苛刻的情况下，若要生成低缺陷、高质量的碳化硅单晶，需要精确的温场控制、压力控制等控制技术，更需长期的技术积累和工艺优化，形成系统性的晶体缺陷控制技术。

• 衬底也即晶片， 其良好的表面质量可抑制外延生长中缺陷的产生；如果近表面的残余损伤未被充分去除，则将导致外延生长的宏观缺陷。
  
  
• 据研究， 衬底中的螺型位错（TSD）约98%转化为外延片的TSD；刃型位错（TED）则100%转化为外延片的TED；基面位错（BPD）约95%转化为TED，少量维持BPD。
  
  
• 其中TSD和TED会引发局部载流子寿命降低， 但基本不影响最终的碳化硅器件的性能，而BPD则会引发器件性能的退化，导致导通电阻及漏电流的增加。因此，控制衬底缺陷、提升衬底质量，是提高外延片质量、器件制备良率、器件可靠性及寿命的重要途径。

• 天科合达、天岳先进等厂商专注于碳化硅衬底， 东莞天域、瀚天天成等厂商专注于外延片，华润微、泰科天润、扬杰科技、闻泰科技、士兰微等厂商则专注于器件制造。
  
  
• 衬底厂商现亦有晶棒出售业务； 三安集成、世纪金光等目前已形成碳化硅垂直产业链布局。随着市场需求的增加、产能扩张伴随优胜劣汰，向上下游延伸或谋求合作将成为国产供应链重要的降本和资源整合的路径。

• 海外龙头寡头垄断，国内企业奋起追赶。 碳化硅衬底龙头Wolfspeed在1991年便打造了第一片碳化硅衬底，1993年实现30mm衬底商用化，2015年推出8英寸碳化硅衬底。其他海外衬底领军厂商如罗姆、II-VI、意法半导体也在2005年前进军相关领域，截至2021年已具备8英寸衬底的生产能力。
  
  
• 相比而言， 国内衬底厂商起步晚，国内衬底巨头天科合达和天岳先进分别在2006年与2012年具备2英寸衬底片能力。截至2021年，国外已实现6英寸碳化硅衬底产品商用化，主流厂商陆续研发出8英寸衬底样品。国内碳化硅商业化衬底仍以4英寸为主，并向6英寸过渡。
  
  
• 技术难度升级， 技术壁垒加固，国内厂商迎难而上。天科合达2020年实现6英寸衬底规模化量产，同时着力研发8英寸衬底。天岳先进在五年内实现从4英寸量产至6英寸量产的跃升，19年也同样实现6英寸量产。国内企业有望突破壁垒、实现同步发展。

• Wolfspeed、罗姆、II-VI等巨头都有5倍以上的产能扩建规划。 罗姆计划从2019到2025年扩产6倍，即从5万片左右年产能扩产到30~40万片。II-VI则在2020年提出计划，5年内产能将扩大5-10倍，2024年将量产8英寸衬底。
  
  
• 而作为全球的碳化硅衬底龙头， Wolfspeed更是在2019年推出了5年实现30倍扩产计划，宣布将投资10亿美元分别在北卡罗来纳州和纽约州建造全新的可满足车规级标准的8英寸功率和射频衬底制造工厂，将碳化硅晶圆制造能力提高多达30倍，并使碳化硅材料生产增加30倍，从而满足2024年的预期市场增长。未来两年Wolfspeed将逐步扩张产能至约合10万片/月（等效6英寸）。

• 据中国电子材料行业协会半导体材料分会（CEM）统计， 截至2021年中，全国碳化硅衬底规划投资超300亿元，预计规划年产能达200万片，而2020年全国碳化硅产能则仅为约11万片。
  
  
• 根据CASA对国内的各类碳化硅投资项目情况的跟踪调查， 每年所宣称的投资额均超过100亿元，但目前投资到位、建设并投产的项目仍然较少。其主要原因归纳如下：1）部分项目建设周期长、进度慢；2）项目资金需求量大、协调要求高，最终并未实质落地；3）部分项目的规划脱离实际，导致后续执行难以落实。

• 据Yole预测， 碳化硅器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增至2030年的100亿美金。面对广阔的发展前景，国内各大器件产商积极扩产。另据CASA，2020年底，国内至少已有8条6英寸碳化硅晶圆制造产线，另有约10条碳化硅生产线正在建设。
  
  
• 三安光电、泰科天润等主要企业已有相应产线，同时仍在积极扩建。 总投资160亿元的湖南三安半导体基地一期项目正式于2021年6月份投产，将打造国内首条、全球第三条碳化硅垂直整合产业链，计划月产三万片6寸碳化硅晶圆。
  
  
• 泰科天润的湖南项目于2019年年底正式开建， 主要建设6英寸碳化硅基电力电子芯片生产线，满产后可实现6万片/年的6英寸碳化硅功率芯片。比亚迪半导体、南京百识电子等企业也在建设产线。

• 从营收规模看， 仅以Wolfspeed本部门为例，其2020财年营收为470.7百万美元（折合人民币3,071.3百万元），而天岳先进2020财年营收为424.8百万元，体量约为Wolfspeed的七分之一；2019财年，天岳先进的营收仅为Wolfspeed营收规模的十四分之一，天科合达的营收则仅达到了Wolfspeed营收的4%左右，规模差距较大。
  
  
• 虽目前体量较小，但国内厂商加速成长，收入同比增速较高。 其中天岳先进2019、2020财年营收分别同比增长97.3%、58.2%，而Wolfspeed 2019财年营收同比增速为65.8%，2020财年营收则同比下降18%。

• Wolfspeed本部门2020财年毛利率为39.2%， 天岳先进毛利率则为38.7%，已十分接近；截至2021Q3，天岳先进毛利率达35.3%，超出Wolfspeed 2021财年的31.3%，但应该正视公司毛利率背后产品的差异。
  
  
• Wolfspeed正处于晶圆厂成本过渡时期， 伴随200mm产能爬坡，据公司远期指引，毛利率将攀升至50%。目前国产厂商仍以4英寸为主，逐步向6英寸过渡，若要保持长期竞争优势，国产厂商仍需不懈追赶。

• 根据天岳先进招股书， 公司在2021年1-6月碳化硅衬底产能2.8万片；天岳先进目前在上海临港新建工厂，预计2022年试生产，2026年达产30万片。天科合达在2020年Q1产能约5000片（等效6英寸）；目前于北京大兴在建的新工厂预计2022年初投产，产能可达12万片。
  
  
• 2019年， Wolfspeed宣布未来5年投资10亿美元用于扩大碳化硅产能，将在纽约州建立新工厂及扩建现有工厂；2021年投资者日，公司宣布当前碳化硅衬底的总产能为16.7万平方英尺，约合85万片每年（等效6英寸），未来两年将逐步扩张产能至24.2万平方英尺，约合123万片每年（等效6英寸）。

• 天岳先进2018-2020年向前五名客户合计销售金额 占当期销售总额的比例分别为80.15%、82.94%、89.45%，客户集中度较高。天岳先进与客户B于2014年建立合作关系，双方于2019年签订了销售框架协议，客户B开始向天岳先进批量采购，2020年客户B成为天岳先进的第二大客户。
  
  
• 2021年双方签订了全年上万片的采购框架协议。 天岳先进的下游领域均具有广阔前景，同时，天岳先进与大客户均达成稳定良好的战略合作关系，与重要客户均有长期合作的意愿，未来的业务合作量有望持续增长。

• 市场关注降本速度，衬底降本先行。 碳化硅的成本直接决定了渗透率，影响市场规模，因此需要密切关注产业降本节奏。以山东天岳为例，其2020年整体成本（除股份支付成本）中，营业成本占比66.2%；其主要原材料采购金额中，石墨件、石墨毡为主要原材料，采购金额占比分别为34.74%、48.87%。
  
  
• 衬底降本快于器件，衬底发展类似于LED行业。 LED行业早期成本较高，被国外厂商垄断，国内的三安等企业切入市场后开始快速降价，实现了份额的提升，带来行业格局洗牌。衬底制造难度高于LED，但仍有一定可比性，我们判断未来降成本速度将快于器件。

• 碳化硅全产业链生产环节较长， 衬底制作环节就包括晶体生长和切磨抛等，整体来看技术难度较大，工艺进展缓慢，目前国产厂商大多处于实验室阶段，尚不具备大批量供货能力。
  
  
• 盈利能力方面， Wolfspeed公布的2021年毛利率为31.3%，国产厂商由于产品阶段的不成熟，财务数据不具有显著可比性，有待产能和良率的进一步提升，以及产品正式的验证、通过、迭代。

• 通过山东天岳和天科合达公开数据进行测算，我们认为良率达30%、单炉年产量1000片4寸片时，可以达到盈亏平衡。如果维持单炉年产量1000片4寸片，良率提升到50%以上，有望实现30%以上的利润率。

• 回顾第二代半导体砷化镓的发展， 砷化镓在手机射频领域和光电子领域占据了主导地位，而碳化硅主要应用于电力电子领域，下游应用的区别使得它们的发展方向有较大差别。
  
  
• 砷化镓产业链主要环节 有衬底外延生产、IC设计、晶圆制造/代工、IC封装测试，下游应用包括手机射频、LED、激光、光伏等。
  
  
• 衬底环节， 仅IQE和全新光电两家就占比89%，外延环节中IQE和全新光电合计占比达79%。
  
  
• 晶圆制造环节， 稳懋独占全球71%的市场份额，一家独大。器件市场中，美国Skyworks占据32%的市场份额，其他厂商竞争较为充分。

• 就硅片而言， 2015-2020年全球前五大硅片制造商合计市占率分别为98%，91%、94%、93%、92%、87%，CR5在6年时间整体下降11pct。
  
  
• 碳化硅产业中国产份额较低， 2020年国内龙头天科合达全球份额仅4%，未来国产份额提升空间或大于硅片。以天科合达为代表的国产厂商有机会加速扩产，挤压海外厂商市场份额。

• 当前碳化硅衬底市场格局呈现寡头垄断， 以导电型碳化硅衬底为例，近三年全球前三大碳化硅衬底制造商Wolfspeed、贰陆、罗姆合计市占率分别为88%、87%、89%。较高的市场集中度体现了行业的高进入门槛和竞争壁垒。
  
  
• Wolfspeed作为行业龙头， 独占近60%份额，说明技术学习曲线相对陡峭，一旦跑出竞争优势，可以维持较持续的竞争优势。国产厂商目前呈现百花齐放态势，但行业终局更有可能会跑出赢家，长出较大体量的公司。

• 日本Silicon United Manufacturing Corp.于2002年并购SUMITOMO和MITSUBISHI， 更名为SUMCO，市场份额成为全球第二，并于2006年又收购了KOMATSU。中国台湾环球晶圆2012年收购CoorsTek，2016年收购Topsil和SunEdison，2020年收购德国世创后市场份额跃居全球第二。韩国SK Siltron于2017年、2019年先后收购LG Siltron和杜邦碳化硅晶圆事业部。