碳化硅是由硅和碳組成的無機(jī)化合物，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。碳原子和硅原子不同的結(jié)合方式使碳化硅擁有多種晶格結(jié)構(gòu)，如4H，6H.3C等等。4H-SIC因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。同時(shí)，碳化硅也是極限功率器件的理想的材料。中國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840~3320kg/mm2。
目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫優(yōu)勢，必須進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)整體突破。
一、碳化硅的性能
由于碳化硅的化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，如制成的高級耐火材料、脫氧劑、電熱元件硅碳棒等。
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二、產(chǎn)業(yè)鏈
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三、上游分析
碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。近年來，在高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來的超細(xì)碳化硅粉體制備的方法，主要?dú)w為三種：固相法、液相法、氣相法。
1.硬脆材料的研磨機(jī)理
是對硬脆材料進(jìn)行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時(shí)，隨著研磨加工的進(jìn)行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進(jìn)行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進(jìn)行滾動(dòng)而產(chǎn)生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達(dá)到表面去除的目的。
2.碳化硅的拋光加工
目前碳化硅的拋光方法主要有：機(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、電化學(xué)拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學(xué)拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。其中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。
3.單晶片
碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT）生長碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。2018年國內(nèi)碳化硅單晶片產(chǎn)能超過19萬片，行業(yè)產(chǎn)量約10.45萬片，隨著下游市場的需求不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)在2021年行業(yè)產(chǎn)量可達(dá)18.93萬片。
碳化硅晶體通常用Lely法制造，國際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過渡，且已經(jīng)開發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品，國內(nèi)襯底以4英寸為主。由于現(xiàn)有的6英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級改造用于生產(chǎn)SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時(shí)間。
數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
4.外延材料
碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。
5.重點(diǎn)企業(yè)分析
在全球市場中，單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon等，器件方面，全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分。
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近年來國內(nèi)已初步建立起相對完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈體系，包括有IDM廠商中車時(shí)代電氣、世紀(jì)金光、泰科天潤、揚(yáng)杰電子等，單晶襯底企業(yè)山東天岳、天科合達(dá)、同光晶體等，外延片企業(yè)天域半導(dǎo)體、瀚天天成等，部分廠商已取得階段性進(jìn)展。
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四、中游分析
1.碳化硅功率器件
碳化硅器件工藝技術(shù)水平還比較低，這是制約碳化硅功率器件發(fā)展和推廣實(shí)現(xiàn)的技術(shù)瓶頸，特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質(zhì)量氧化層生長工藝尚不理想，使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高溫和長期工作條件下可靠性低的缺陷。
在碳化硅功率器件測試方面，碳化硅器件測試設(shè)備、測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)基本沿用硅器件的測試方法，導(dǎo)致碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性、安全工作區(qū)等測試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，缺乏統(tǒng)一的測試評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
同時(shí)，碳化硅芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(nèi)大規(guī)模建立碳化硅工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。
2.碳化硅功率模塊
當(dāng)前碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優(yōu)勢，必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻，并提高芯片在高溫下的穩(wěn)定運(yùn)行能力。碳化硅功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術(shù)，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創(chuàng)新不足，功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。
目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫優(yōu)勢，必須進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)整體突破。
3.重點(diǎn)企業(yè)分析
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五、下游分析
SiC器件正在廣泛地被應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域中，典型市場包括軌交、功率因數(shù)校正電源、風(fēng)電、光伏、新能源汽車、充電樁、不間斷電源等。
1.市場規(guī)模
2018-2019年，受新能源汽車、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動(dòng)，全球電力電子碳化硅的市場規(guī)模從4.3億美元增長至5.64美元，中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測未來市場仍將因新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而增長，預(yù)計(jì)2021年的市場規(guī)模將達(dá)7億美元。
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2.應(yīng)用領(lǐng)域
功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
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3.半導(dǎo)體
根據(jù)中國半導(dǎo)體業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國集成電路產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持2位數(shù)增長，2020年1-9月中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為5905.8億元，同比增長16.9%。其中，設(shè)計(jì)業(yè)同比增長24.1%，銷售額2634.2億元，仍是三業(yè)增速最快的產(chǎn)業(yè)；制造業(yè)同比增長18.2%，銷售額為1560.6億元；封裝測試業(yè)同比增長6.5%，銷售額1711億元。
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4.新能源汽車充電樁
新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了充電柱的需求增長，對新能源電動(dòng)汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標(biāo)。在充電樁電源模塊中使用碳化硅器件，可以實(shí)現(xiàn)充電樁電源模塊的高效化和高功率化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電速度的提升和充電成本的降低。
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5.5G基建—射頻器件
通信電源是服務(wù)器、基站通訊的能源庫，為各種傳輸設(shè)備提供電能，保證通訊系統(tǒng)正常運(yùn)行。碳化硅MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高；碳化硅肖特基二極管反向恢復(fù)幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2019年底我國共建成5G基站超13萬個(gè)，預(yù)計(jì)2020年我國將建設(shè)超過60萬-80萬個(gè)5G宏基站。
數(shù)據(jù)來源：工信部、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
