受制于上游原材料供应较少，短期SiC器件供需仍有望维持紧张。我们测算，2021年全球6英寸SiC衬底年产能在51万片，并在积极扩产之中，2022年新能源车+光伏应用有望带来4.5万片/月（54万片/年）6寸SiC衬底产能需求（已考虑良率）。考虑到导电衬底需求正在快速爬坡，我们认为在8寸晶圆大规模普及之前，导电型衬底供应量较少依然制约了SiC器件市场快速发展，器件价格年降幅也相对有限。
五年全球SiC器件及模块市场规模有望突破百亿美元。根据我们对新能源车、光伏等主要赛道自下而上市场规模的测算，我们认为2027年全球SiC器件（不含模块）全行业市场规模有望达到76亿美元，包含模块的全行业市场规模达到112亿美元，2022-27年五年复合增速超过35%，其中22-24年是行业增速的最快时期。而在2025年前后，我们认为8寸晶圆有望大规模应用，加速SiC成本下降，但SiC在全行业中渗透率也有望呈现快速提升。
风险
SiC器件渗透率不及预期、行业竞争加剧、中国企业技术迭代及扩产较慢。
正文
SiC器件：物理特性优势明显，降本增收激发需求
优异的物理特性为碳化硅在电力电子领域打开广阔的成长空间
得益于较大的成本优势，在过去的几十年中，硅基功率半导体器件是在电力电子开关中应用广泛。而近十年来，对电力电子系统日益提高的效率要求使第三代化合物半导体材料碳化硅及其制成的器件逐渐步入了人们的视野。我们认为，与硅基器件差异最大的部分是碳化硅器件拥有更大的禁带宽度（3.4eV，硅基为1.1eV）且更优秀的载流子迁移率（本征载流子迁移率为硅的3倍），上述材料特性有望为碳化硅在电力电子领域应用带来明显的差异化表现。细分来看，1）较大的禁带宽度决定了碳化硅可以拥有更低的本征载流子浓度，器件电流随温度衰减较小，且较大的禁带宽度给予了碳化硅更高的击穿电场强度（硅基材料的7倍左右），使其耐压特性大大提高，制造1200V以上的MOSFET器件成为可能，保证了在高电压环境下理想的开关频率；2）碳化硅材料较大的载流子迁移率使其制成的器件单位面积导通电阻小于硅基器件，可以在更小芯片上输出更大电流。综合以上因素，我们认为，若用碳化硅器件去代替硅基电力电子开关，可以使电力电子系统效率优化、功率密度得到提升，并降低系统成本。
二极管及MOSFET是碳化硅器件（单管）的主流形态，模块产品日渐丰富
与硅基器件类似，碳化硅器件主要分为二极管类器件、晶体管类器件两大类。其中二极管及晶体管类的MOSFET器件应用较为广泛。
碳化硅的核心商业价值在于降低系统成本或实现更大经济效益
尽管在上文中，我们提及了碳化硅器件相比硅基产品的优势所在，但我们认为目前抑制下游客户大量采购碳化硅二极管/MOSFET来替代硅二极管/IGBT的核心因素在于明显的成本上升。由于碳化硅衬底制造良率、效率依然较低，以及器件加工、模块封装侧依然存在较高壁垒，目前碳化硅器件生产成本较高，推动其售价走高，给市场目标客户造成了较大的成本压力。举例来看，1）二极管产品方面，目前主流SiC二极管产品的价格是同规格Si二极管的1.3倍起；2）MOSFET产品与IGBT产品对比方面，由于硅IGBT标称参数为电流，而SiCMOSFET标称参数为导通电阻，需经过一系列的复杂换算才能得到对标产品，且对于工作频率、温度等环境参数的未知性，我们在此只能近似挑选相近规格的产品做对比（如10mohm的SiCMOSFET产品大概对应100A的Si-IGBT），目前SiCMOSFET的价格大约为可比SiIGBT器件的3-4倍。
但是，在SiC器件成本难以对Si实现平价化的前提下，我们认为碳化硅依然存在商业价值，其核心原因在于以半导体成本的提升换取系统效率的提升，最终可以带来系统成本降低，或帮助下游客户在产品的全生命周期内实现更大的经济利益，在碳化硅成本逐步下降的同时，下游市场也有望迎来较大规模成长。在下文中，我们将举一些重点应用领域的例子来说明碳化硅器件的市场机会。
举例1：碳化硅在新能源车领域的应用
举例2：碳化硅在光伏领域的应用
近年来，由于整体上网电价呈现下滑趋势，光伏逆变器需不断提高运行效率，降低系统度电成本，而配备碳化硅器件的光伏逆变器凭借其优良的物理特性有望满足上述需求，并在光伏逆变器应用中全面普及。由于更常见的组串式光伏逆变器电路拓扑结构中，存在二极管及IGBT两种器件类型，因此，我们认为未来SiC二极管及MOSFET有望对Si二极管及IGBT形成全面替代。
具体来看，SiC二极管相比硅基器件恢复损耗小，SiCMOSFET具有更低的导通损耗、更低的开关损耗等优点，使光伏逆变器的效率呈现优化。根据SimonWall等人在《采用SiC技术的高效光伏逆变器》的研究，在50KW的组串式逆变器中，前级电路的Si二极管被SiC二极管替代后，有望实现0.3%的系统效率提升；而根据ElectronicProducts的研究数据，在50KW组串式逆变器电路中，若采用全SiCMOSFET器件，光伏逆变器系统的效率有望实现1%的提升，峰值效率有望突破99%。若碳化硅器件带来的成本上升小于其对系统效率优化而带来的发电收益增加，碳化硅器件在光伏逆变器应用中落地便具有了经济性。此外，由于SiC器件特性受温度影响较小，温度循环次数较少，其使用寿命也有望高于目前配备Si-IGBT为主要功率器件的光伏逆变器产品。我们认为SiC器件延长逆变器使用寿命也同样是降低系统全生命周期内度电的单位成本的方式，未来SiC器件有望在光伏逆变器领域迎来规模落地；另外，SiC可以在高频领域的工作特性也使配备SiC器件的光伏逆变器体积、重量大大减小，增加了其在相对苛刻环境中安装的可能性和便捷性，同时降低安装维护成本。
从实际应用情况来看，以龙头企业阳光电源产品为例，2013年公司便开始应用SiC二极管于30KW机型上，2017年公司实现了SiC模块的上机（80KW机型）。目前，阳光电源基于碳化硅MOSFET的165kW光伏逆变器原型机已实现了1.25W/cm3的功率密度与40KHz的开关频率，最高效率达到99.2%。
行业供需及市场空间：近期导电型衬底供应量不足依然是碳化硅器件大规模起量掣肘；新能源车有望成为碳化硅器件市场成长的最大驱动力
我们认为，SiC器件凭借其优异的物理特性及降低系统成本，或助力下游客户实现更大经济效益的特点有望在电力电子应用中对Si基二极管或Si基IGBT进行全面替代。由于新能源车是诸多SiC应用场景中终端出货量最大、且能带来明显经济效益的市场，我们认为新能源车有望成为SiC器件行业增长的最大驱动力。而在上游原材料供给相对紧张的情况下，我们认为SiC器件销售均价下降趋势有望暂维持线性，并推动行业规模实现快速增长。
对于直流充电桩，SiCMOSFET器件的应用同样成为趋势。由于直流充电桩功率较大，系统多为数个模块并联组成，每个充电桩模块中都包含了PFC及DC-DC电路（与车载充电机类似）。根据安森美的方案，在25kw的直流充电装模块中应用了7个NXH010P120MNF1半桥SiC模块（每个模块内含2颗1200V/10mΩSiCMOSFET器件），以大大降低导通电阻，进而大大降低了导通损耗，且最小化的寄生电感降低开关损耗（与分立替代器件相比）。
在组串式（分布式）光伏逆变器电路拓扑结构中，往往需要MPPT（最大功率点追踪）及逆变两级电路以获得更加的工作效率。以80KW功率等级的逆变器为例，常采用多个Easy1B/2B/3B系列模块封装，以1200V/225A的模块为例，80KW功率等级需使用两个上述模块，而其单模块主要包含了3颗1200V/40A的SiC二极管以及3颗电流更大的1200VSiIGBT器件。若将SiIGBT也替换成SiCMOSFET，我们认为可以选择1200V/40mΩ的器件；而对于输出级来看，ANPC型拓扑有望成为未来趋势。以英飞凌F3L11MR12W2M1_B6模块为例，尽管该模块非全SiC方案（为IGBT及SiC混合方案，仅M2/M3为SiCMOSFET，考虑到成本问题其他低频管选择了IGBT），我们可以将其拓扑结构及选型类比到全SiC方案的应用中来，若考虑80KW三相输出，根据下图（右）的电路拓扑结构，需要6颗1200V/11mΩ的SiCMOSFET。
结合安森美公开官网披露的各不同电压/内阻等级的晶粒尺寸数据，以及我们对SiC器件在各个子系统中渗透率、制造良率的假设，我们测算2022年/2025年全球光伏用SiC器件产能需求为0.15/0.73万片6寸晶圆每月，而2022年/2025年全球光伏用SiC导电型衬底产能需求合计0.21/0.92万片6寸晶圆每月，相比新能源车领域应用绝对体量存在较大差距。
根据Yole及Wolfspeed数据，我们测算2021年全球SiC衬底产能约为51万片每年，并在积极扩产之中。我们认为，若2022年仅光伏+新能源车应用便带来4.5万片/月6英寸SiC衬底产能需求（良率已考虑在内，对应年产能约54万片/年），且下游需求端开始加速起量，行业供需可能持续存在缺口，当前上游材料供给端受限依然是SiC下游落地的主要掣肘。反映到成本上来看，我们认为SiC器件紧张的供需环境（主要归因于衬底的紧缺）使其价格下降在未来2年内依然难出现明显加速趋势，该假设也是下文中我们测算市场空间的重要基础。而对于未来会给碳化硅器件产能及制造成本带来较大冲击的8寸晶圆商业化进度，我们接下来会做重点讨论。
生产更大尺寸的晶圆可以增加每批次生产的芯粒/器件的数量，边缘浪费减小，且通过自动化水平提升等方式，可提高SiC器件生产效率并降低单位芯粒/器件的制造成本。根据Wolfspeed的数据，对于同一规格的芯片，如果生产的晶圆尺寸由6英寸转为8英寸，单位衬底可制造的芯片总数有望提升了近一倍，边缘芯片数量的占比则缩小了50%，晶圆利用率大幅增加。因此，相较于6英寸衬底，使用8英寸衬底生产单位芯片所需成本更低，我们认为开发8英寸衬底晶圆的生产工艺正成为碳化硅行业的发展趋势，但面临着生产工艺优化，及生产设备更新等问题带来的成本优势滞后的挑战。
工艺方面，改用8英寸碳化硅衬底仍然面临较多困难。从6英寸过渡至8英寸，碳化硅的生产工艺与设备面临三大挑战：1）扩径生长工艺挑战，切换为8英寸需要优化生长工艺、改进生长设备，如果仍然使用物理气相传输法，需要提高原料运输的效率，还应提高籽晶的结晶质量；2）温场控制挑战，切换为8英寸结晶炉，设备对温度控制的精度会下降，对设备的温场控制要求更高；3）切割应力挑战，随着晶体尺寸扩大，其生长的内应力会加大，而切割的应力也会扩大，应力释放在切割晶片中可能导致翘曲问题，我们认为上述挑战是碳化硅设备生产商与衬底供应商所亟待解决的问题。而衬底纵向生长速度方面，6/8英寸碳化硅晶体的生长速度几乎相同，因此纵向上获得同样厚度的晶体，生产周期不会明显增加。
成本优势方面，8英寸的碳化硅晶圆有望在2024年开始具有成本经济性优势。根据PGCConsultancy的模型[3]，改用8英寸（200mm）的碳化硅衬底并不能即可降低器件的生产成本，正如之前从4英寸到6英寸的过渡时期类似，成本可能会随着晶圆面积的扩大先上升，再随着技术的成熟和竞争的加剧而稳步下降，因此由于技术成熟度低、晶圆良率较低等于那样，早期以8寸晶圆制造SiC器件，其单位芯片成本可能高于6英寸晶圆的单位芯片成本。但是，根据PGCConsultancy的预测，晶圆良率、外延良率和芯片良率的优化有望于2024年出现，8英寸碳化硅晶圆也开始更具成本竞争力。根据PGCConsultancy的预测，到2030年，在8英寸衬底上制造的1,200-V/100-AMOSFET芯片单位成本相交如今的6英寸衬底的单位成本有望降低54%。因此我们认为，2022-2023年在8寸晶圆上制造SiC器件成本经济性依然优势较小，而2024年行业有望大规模引入8寸衬底，同时器件成本下降有望迎来加速期。
主逆变器：SiC器件市场的最重要组成部分，市场快速增长在即
结合上述假设条件，我们测算2027年，中国新能源车主逆变器用SiC市场空间有望达到170亿元人民币（器件+模块），5年复合增速达到27%，2023年起市场规模有望明显高于Si-IGBT市场规模，显示出SiC市场快速增长在即。
车载充电机、直流转换器及快速充电桩：未来五年行业有望保持50%以上复合增速
结合上述假设条件，我们测算2027年，除主逆变器外中国新能源车用SiC市场空间有望达到105亿元人民币，虽然整体市场规模不及主逆变器，但2022-2027年复合增速达到57%，是快速成长的赛道。合计来看，2027年中国新能源车用SiC器件及模块市场规模合计有望达到274亿元。
若假设中国市场空间为全球的40%，我们测算2027年全球整体新能源车用SiC器件及模块市场空间有望达到105亿美元（不含模块为71亿美元），2022-2027年复合增速有望达到34%。
由于SiC提高了逆变器的转换效率及使用寿命，有望最终使用户在逆变器产品的全生命周期内获得更大的收益，我们看到SiC二极管及MOSFET也开始在光伏领域呈现规模化应用。在晶圆需求部分，我们已经指出在集中式光伏逆变器中应用SiC器件意义不大，而组串式逆变器是SiC器件落地的重要市场。我们做出如下基本假设：1）渗透率方面，由于SiC二极管相较Si二极管成本压力已经不明显，目前在组串式逆变器出货中已有30%以上的渗透率，而MOSFET相对售价较高，目前在MPPT/逆变电路中渗透率明显低于二极管；2）价格方面，通过我们的产业链调研，二极管价格参照1.4元/A定价，1200V/30mohmMOS器件价格在15美元左右，不同Rdson的产品价格按芯片面积相应增加或减小，未来价格降幅上基本遵循上游材料扩产及晶圆尺寸迭代逻辑。
工业电源、轨道交通及其他应用：快速成长的利基型市场
我们认为，除新能源车及光伏逆变器之外，在储能逆变器、通信及服务器电源、轨道交通牵引变流器等电力电子应用领域，均需要实现整流、逆变等基本功能，而采用SiC器件有望提高电能转换效率，从不同程度上降低系统成本，或为终端客户带来更大收益及良好使用体验。结合我们上文中对新能源车、光伏逆变器领域SiC市场规模的详细预测，以及Yole于2022年3月最新发布的研究，我们测算2027年全球SiC器件（不含模块）全行业市场规模有望达到79亿美元，2021-2027年复合增速高达43%。其中，储能及风电、轨道交通、通信基础设施的市场空间均有望落在1-2亿美元之间。
SiC制造及封装工艺：与硅基器件存在较大差异，成为衬底材料外行业快速成长的新挑战
我们认为，由于碳化硅与硅材料物理特性上存在较大差异，对器件制造及封装技术也提出了更高的要求。总结来看，其制造端与硅基器件的差异主要在于：由于碳化硅的硬度、熔点更高，需要高温离子注入机、且对高温退火炉设备的热场要求更高；此外针对SiC的物理特性，还需要特殊的高温氧化炉用于器件制造。而封装端与硅基器件的差异主要在于：由于碳化硅模块体积更小、更耐高温，因此对降低寄生电感、高温耐受度也提出了更高的要求。
碳化硅器件制造
制作碳化硅器件的大部分设备与传统硅的生产设备相同，但由于碳化硅材料硬度高、熔点高等特性，需要一些特殊的生产设备与工艺。SiC所需的特定设备包括高温退火炉、高温离子注入机、SiC减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC沉底和外延片表面缺陷检测和计量设备等。以下是生产SiC器件的部分核心设备与工艺：
碳化硅封装
从分立器件和混合模块（SiIGBT+SiC二极管）来看，SiC的封装与Si基器件封装并无明显差异化、而为了发挥全SiC功率模块的特性优势，半导体厂商投入于研发新型功率模块封装技术，电学性能、耐高温、性价比、小体积、可靠性是碳化硅模块封装的痛点。
传统的硅基模块封装并不能满足碳化硅模块封装的要求。传统的硅器件多采用引线键合、单边散热等方式，将芯片背部焊接在基板上，用金属键合线引出正面电极，最后塑封或灌胶。这种方式虽然成本低，技术成熟，但并不能完全满足碳化硅MOSFET模块的需求，主要是由于如寄生电感高、散热效率低两个问题。
为了提高碳化硅模块的性能，不同功率半导体公司在探索不同的封装技术。我们下面将举例介绍几个典型技术。
·采用银烧结技术。当前碳化硅模块的封装几乎以连线键合方式为主，但功率器件的开关换流回路的面积影响杂散电感的大小，而金属键合连接方式是造成换流回路面积较大的原因之一。消除金属键合线可以有效降低杂散电感值，从而降低损耗与电磁干扰问题。银烧结技术可以被应用于芯片上表面，可以消除金属键合线。其工艺通常是将银粉与有机溶剂混合为银焊膏，以避免微米级的银粉颗粒聚合/团聚现象，再将银焊膏印刷到基板上，通过预热使得银焊膏中的有机添加剂在氧气环境中高温分解而挥发，然后加压烧结实现芯片和基板的纯银连接层，拥有极高的热导率(~200W/(m*K))、烧结温度低、高熔点（961℃）、导电性能好等优点。除消除金属键合线外，该技术也可以被应用于芯片顶层与柔性电路板之间、芯片底层与覆铜陶瓷基板（DirectBondingCopper，DBC）之间、DBC基板下层与散热器之间，如下图所示。
·采用双面水冷。功率器件的散热设计通常是将单管或模块贴在散热器上，再通过风冷或者液冷进行。英飞凌第二代SiCMOSFET模块有望采用双面水冷封装，即HybridPACKDSC（DSC，double-sidedcooled）。DSC封装使模块通过两侧的两块铜板散热，散热效率更高，有效降低热阻，使碳化硅器件以更小的体积输出同等功率，实现高功率密度。此外英飞凌采用片上温度与电流传感器技术来提供过流保护。
国内与海外公司的比较：正视差距，奋起直追
目前，SiC器件的市场份额还主要由国外公司占据，根据Yole的数据，2021年海外公司Infineon、STMicroelectronics、Onsemi、Wolfspeed、Rohm在全球碳化硅器件的市场份额合计占比达到88%。
国内企业的发展现状与追赶路径
我们认为，尽管国内企业在SiC器件领域起步较晚，但面对全球市场快速增长，行业供需紧张，叠加国内企业在新能源车、光伏逆变器等终端品牌市场份额的逐步提升，我国企业有望从SiC二极管或较高导通电阻的MOS产品切入，满足消费类产品、工业电源、车载充电机及小功率光伏组串式逆变器领域应用，之后逐步将产品迭代至低导通电阻MOS，并补足模块封装实力，全面进入新能源车主逆变器SiC产业链。
二极管设计方面，国内企业已经有较广泛的布局，电压范围覆盖650V-1200V，电流范围覆盖2A-20A，并提供TO-220/247-252等多种封装形式。但整体来看，在高压领域（1200V以上）布局企业较少，大电流（20A）以上布局企业较少，目前对一些特殊应用支持能力缺乏（如1500V的光伏系统、轨道交通、电网）。从性能指标来看，部分指标仍与海外公司有较大差距，如总电荷（Qc，影响开关速度），浪涌电流（决定过载能力，部分逆变场景要求较高）、以及雪崩性能等。目前来看，泰科天润、瞻芯电子、基本半导体、华润微、三安光电及扬杰科技拥有制造产线，其中泰科天润、三安光电、华润微的产品通过了车规级认证（制造端IATF16949，设计端AEC-Q101）。
在MOSFET设计领域，由于器件结构更加复杂，工艺技术不稳定，即便目前海外企业已有5-10年的量产经验积累，部分企业仍然停留在可靠性较高的平面型结构（Wolfspeed、Onsemi都是典型的例子），部分企业在沟槽型路线上进行多次技术迭代（如Rohm，意法半导体等）。主流企业来看，目前基本实现了SiCMOSFET应用在新能源车主逆变器中的突破。从SiCMOSFET的技术发展来看，我们认为主要需要经过以下三个阶段：
风险提示
SiC器件渗透率不及预期的风险
行业竞争加剧的风险
由于SiC行业市场规模有望呈现快速成长，我们看到越来越多的国内及海外企业迅速开展在SiC领域的布局。我们认为，若行业竞争加剧，各厂商超预期扩产，可能会导致SiC器件供过于求，各供应商间价格竞争激烈，致使行业规模发展不及预期。
中国企业技术迭代及扩产较慢的风险
尽管我们指出，2022-2024年SiC器件行业市场规模处于快速上量阶段，得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，国内企业也获得了入场机会，但我们看到，目前中国SiC器件企业与海外龙头在产能及技术水平上仍然存在较大差距，我们认为，若国内企业不能快速进行技术迭代、扩大生产规模，生存空间恐被海外龙头挤压，业绩增长可能不及预期。