www.188betkr.com 讯碳化硅材料主要包括单晶和陶瓷2大类，无论是作为单晶还是陶瓷，碳化硅材料目前已成为半导体、新能源汽车、光伏等三大千亿赛道的关键材料之一。例如：
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单晶方面，碳化硅作为目前发展最成熟的第三代半导体材料，可谓是近年来最火热的半导体材料。尤其是在“双碳”战略背景下，碳化硅被深度绑定新能源汽车、光伏、储能等节能减碳行业，万众瞩目。
陶瓷方面，碳化硅凭借其优异的高温强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性等性能，近年来随着新能源汽车、半导体、光伏等行业的起飞而需求爆发，深深地渗入到这些新兴领域的产业链中的关键环节。
今天，我们分别从单晶和陶瓷的方向，看看碳化硅材料在这些火热赛道是如何大杀四方的。
单晶/半导体方面
横空出世，解决硅基器件难以满足的性能需求
一直以来，硅是制造半导体芯片最常用的材料，目前90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。究其原因，是硅的储备量大，成本比较低，并且制备比较简单。然而，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用却受阻，且硅在高频下的工作性能较差，不适用于高压应用场景。这些限制让硅基功率器件已经渐渐难以满足新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。
在这个背景下，碳化硅走到了聚光灯下。相比于第一代和第二代半导体材料，SiC具有一系列优良的物理化学特性，除了禁带宽度，还具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点。SiC的临界击穿电场是Si的10倍，GaAs的5倍，这提高了SiC基器件的耐压容量、工作频率和电流密度，降低了器件的导通损耗。加上比Cu还高的热导率，器件使用时无需额外散热装置，减小了整机体积。此外，SiC器件具有极低的导通损耗，而且在超高频率时，可以维持很好的电气性能。例如从基于Si器件的三电平方案改为基于SiC的两电平方案，效率可以从96%提高到97.6%，功耗降低可达40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高频的应用场景中具有极大的优势。
碳化硅器件已成为新能源汽车、光伏等热门赛道追求的“香饽饽”
（1）新能源汽车
碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小，性能越来越好，所以近年来电动汽车厂商都对它青睐有加。5年前特斯拉率先在model3主驱逆变器上使用碳化硅，开辟了碳化硅“上车”的先河。之后，比亚迪、吉利、上汽大众、蔚来等车企加速布局，在提高续航里程、实现超级快充、实现V2G功能等方面加足了马力，电动汽车销量的不断增长，也带动了市场对碳化硅功率器件的需求，掀起了一股持续至今的碳化硅“上车热”。
不同车载领域应用场景下对 SiC 器件的要求，来源：《中国碳化硅衬底产业发展研究报告（2023～2026）》
另外，在车载充电机中，采用碳化硅可获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。所以，目前来看，根据碳化硅器件特点和电动汽车的发展趋势，碳化硅器件或是未来电动汽车的必然之选。
（2）轨道交通
碳化硅功率器件相较传统硅基IGBT能够有效提升开关频率，降低开关损耗，其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量，提升装置应用的机动性、灵活性，是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用，苏州轨交 3 号线 0312 号列车是国内首个基于 SiC 变流技术的永磁直驱牵引系统项目，实现了牵引节能20%的目标。2012 年东京地铁银座线进行了世界首次 SiC 器件装车运营试验。自2015 年起，日本开始在铁路车辆上大量采用 SiC 器件，到 2021 年，已进入普及应用阶段。
全碳化硅永磁直驱地铁列车
（3）光伏发电
在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。经过 40 多年的发展，硅基器件转换效率和功率密度等已接近理论极限。而使用碳化硅材料，可将转换效率从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍。例如，在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里，碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。阳光电源等光伏逆变器龙头企业已将碳化硅器件应用至其组串式逆变器中。
（4）智能电网
碳化硅基功率开关由于具有极低的开启态电阻，并且能应用于高压、高温、高频场合，是硅基器件的理想替代者，另如果使用碳化硅功率模块，与使用硅功率电源装置相比，由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上，体积与重量减少40%，将对未来电网形态和能源战略调整产生重大影响。
（5）无线通信设施
5G发展推动碳化硅基氮化镓器件需求增长，市场空间广阔。微波射频器件中功率放大器直接决定移动终端和基站无线通讯距离、信号质量等关键参数，5G通讯高频、高速、高功率特点对其性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备碳化硅高导热性能和氮化镓高频段下大功率射频输出优势，在功率放大器上的应用可满足5G通讯对高频性能、高功率处理能力要求。
资本狂下注，碳化硅在半导体寒冬中狂飙
在半导体行业的下行周期中，也并非一片低迷之声，碳化硅就是萎靡之势中的一个反例。近年来，资本市场对碳化硅一直抱有强烈的关注度。
2021年有多家碳化硅企业获得了投资机构的青睐，相继宣布完成融资，行业内也随之激起一番融资浪潮。
2022年也是碳化硅投融资热度明显的一年。据不完全统计，2022年全年投融资及并购金额超过33亿元，数量达到30余起。仅仅是在2022年12月，就有7个融资案，包括臻驱科技、芯聚能、邑文科技、瞻芯电子、南砂晶圆等。
2023年上半年刚过，碳化硅企业的融资金额就已经创了最近三年的新高。今年Q1，碳化硅领域共有21起融资，包含外延、衬底、材料、设备、功率器件……融资几乎涵盖了国内碳化硅全产业链。在这21家企业中，除部分企业未公布融资金额外，有10家企业所获融资金额过亿，约占总数的50%。其中，融资规模最大的当属天域半导体，为12亿。今年Q2又有10余起融资，总金额超50亿元。
建厂扩产毫不停歇
数据显示，上半年与碳化硅相关的扩产项目以及预期资本支出加起来总金额超上千亿元（折合成人民币），扩产的内容主要围绕衬底、外延、器件，而应用的方向也大多数以电动汽车为主。
今年1月，德国博世集团在苏州发布重磅消息：再投10亿美元打造新能源汽车核心部件及自动驾驶研发制造基地项目，生产内容包含碳化硅功率模块等。随后在4月，博世又决定收购半导体厂商TSI Semiconductors，再投资15亿美元扩张第三代半导体生产，应对电动汽车市场需求。
今年2月，美国半导体厂Wolfspeed正式宣布计划在德国萨尔州建造全球最大、最先进的碳化硅器件制造工厂。该工厂将成为全球最大的八英寸半导体工厂，采用创新性制造工艺来生产下一代碳化硅器件。
同时，国内对于碳化硅扩产动作也未停歇。
今年6月，三安光电与意法半导体联合宣布，双方拟出资32亿美元(约合人民币228亿元)合资建造一座8英寸碳化硅外延、芯片代工厂。同时，三安光电将在当地独资建立一个8英寸碳化硅衬底工厂作为配套，预计投资总额70亿元。此外还有天科合达、瀚天天成、天岳先进等公司都公布了自己新的投资与扩产计划。
国内外碳化硅衬底厂商产能规划，来源：申万宏源
陶瓷方面
陶瓷方面，常见的陶瓷材料有碳化硅、氧化铝、氮化硅等，其中碳化硅材料因其具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变等特性，作为性能优异的结构陶瓷和高温材料，在锂电、半导体、光伏等领域得到越来越多的应用。
光刻机等半导体设备用精密部件的热门材料
陶瓷是刻蚀机、涂胶显影机、光刻机、离子注入机等半导体关键设备中的关键部件材料，其成本已占半导体设备成本10%以上。其中，碳化硅陶瓷在半导体制造的前段到后段工艺装备中都有广泛应用，例如在研磨抛光吸盘、光刻吸盘、检测吸盘、精密运动平台、刻蚀环节的高纯碳化硅部件、封装检测环节中精密运动系统等等，地位极其重要。
来源：Wind，梧桐树半导体整理
（1）在光刻机中
在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等。这方面，碳化硅陶瓷足以胜任。
（2）在刻蚀设备中
在刻蚀设备中，等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短部件的使用寿命，降低设备的使用性能，另一方面腐蚀过程中产生的反应产物会出现挥发和脱落的现象，在工艺腔内产生杂质颗粒，影响腔室的洁净度。因此，刻蚀机腔体和腔体部件材料的耐等离子体刻蚀性能变得至关重要。
SiC作为刻蚀机腔体材料，相较于石英，其材料本身产生的杂质污染较少，由于具有更加优异的力学性能，在等离子轰击其原子表面时，原子损失率相对较少，日本三井公司报道一种SiC复合材料作为空气刻蚀机腔体材料，具有较高的耐腐蚀性。
碳化硅聚焦环
聚焦环部件方面，其作用是提供均衡的等离子，要求与硅晶圆有相似的电导率。以往采用的材料主要是导电硅，但是含氟等离子体会与硅反应生成易挥发的氟化硅，大大缩短其使用寿命，导致部件需要频繁更换，降低生产效率。SiC与单晶Si有相似的电导率，而且耐等离子体刻蚀性能更好，可以作为聚焦环的使用材料。
SiC刻蚀环作为半导体材料在等离子刻蚀环节中的关键耗材，其纯度要求极高。一般只能采用CVD工艺进行生长SiC厚层块体，随后经精密加工而制得，主要用于半导体刻蚀工艺的制备环节。
碳化硅陶瓷窑具——锂电材料烧结的“幕后工作者”
作为新能源分支，锂电目前有多火不用赘述。锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的烘干、烧结和热处理等工序中，辊道窑炉是一种关键的连续生产设备，窑具是窑炉的关键配件，其工业窑炉中循环使用，用于支撑或保护被烧产品的耐火制品，受正极材料扩产带动，窑具的应用规模扩大，碳化硅陶瓷窑具以其优异的高温机械性能，耐火性能以及抗热震性能应用于陶瓷窑中，可提高窑炉生产能力，大幅度降低能耗，成为各类窑炉材料窑具材料中的理想选择。
光伏行业——电池片生产过程关键载具材料
在碳化硅陶瓷当中，碳化硅舟托成为光伏电池片生产工艺过程中关键载具材料方面的良好选择，其市场需求日益受到业界关注。
目前普遍使用的石英舟托、舟盒、管件等受制于国内、国际高纯石英砂矿源限制，产能较小，且在光伏行业上游单晶炉用坩埚、中游硅片电池片载具耗材需求不断增加的背景下，高纯度石英砂存在供需紧张，价格长期高位运行的特点，石英载具作为光伏电池片生产过程中承载硅片的器件性能稳定，但是与物美价廉的耗材选型标准背道而驰。
相较于石英材料，碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等热稳定性能好，高温使用不变形，无有害析出污染物，作为石英制品的优良替代材料，使用寿命可达1年以上，可显著降低使用成本及维护维修停线造成的产能损失，成本优势明显，其作为载具在光伏领域的应用前景广阔。
当前，世界主要经济体的光伏渗透率不断提升，在各国政策引导与市场需求的驱动下，随着光伏产业度电成本显著下降，目前光伏发电已成为全球最经济的电力能源，根据IEA预测，2020-2030年间光伏装机量将以21%的CAGR增长至接近5TW，光伏占全球电力装机比重将从9.5%提升至33.2%。
终端旺盛装机需求持续带动电池片需求高增，推动光伏产业碳化硅舟托及舟盒替换需求上涨，预计到2025年半导体及光伏行业用碳化硅结构陶瓷占比达62%，其中光伏行业用碳化硅结构陶瓷占比将从2022年6%上升至26%，成为最快增长领域。
小结
我们看到，碳化硅材料无论是作为单晶材料还是作为陶瓷材料，均在半导体、锂电、光伏等当今最火的行业的产业链中占据了相当重要的位置，而且其所处的这三大行业均为千亿市场规模以上赛道，并且这些行业均正在高速成长，可以预见碳化硅材料的明天一片大好。
参考来源：
[1]碳化硅热度，只增不减.半导体产业纵横
[2]碳化硅，在芯片寒冬中狂飙.芯世相
[3]《中国碳化硅衬底产业发展研究报告（2023～2026）》.粉体大数据研究
[4]半导体行业：SiC材料的“密集赛道”？.粉体网
[5]中国陶瓷工业协会
（www.188betkr.com 编辑整理/山川）
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