2016年，在新能源汽車(chē)中，一種名叫碳化硅功率器件的的零部件突然火了起來(lái)：
2016年4月，特斯拉Tesla Model 3中率先采用了以碳化硅SiC MOSFET為功率模塊的逆變器；
今年7月，比亞迪新上市的漢EV旗艦車(chē)成為首款采用SiC碳化硅模塊的國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)；
9月，博世Bosch也首次展示了應(yīng)用于新能源汽車(chē)電機(jī)的SiC碳化硅功率器件；
截至當(dāng)前，全球已有超過(guò)20家汽車(chē)廠(chǎng)商在車(chē)載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。
那么，碳化硅究竟是什么，又為何引得車(chē)企爭(zhēng)相熱捧？
半導(dǎo)體新材SiC 靜待爆發(fā)
目前全球95%以上的集成電路元器件以第一代半導(dǎo)體硅為襯底制造，但是硅基功率器件在600V以上高電壓和高功率場(chǎng)合下達(dá)到性能極限，難以滿(mǎn)足如今市場(chǎng)對(duì)高頻、高溫、高功率及小型化產(chǎn)品的需求。以SiC碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借禁帶寬度寬、擊穿電場(chǎng)高和導(dǎo)熱率高等優(yōu)異特性迅速崛起，正成為下一個(gè)半導(dǎo)體材料風(fēng)口。
以博世的SiC碳化硅功率器件為例，與傳統(tǒng)Si硅基產(chǎn)品相比，使用碳化硅功率器件可使汽車(chē)電機(jī)的能耗降低，功率提升，汽車(chē)?yán)m(xù)航里程能隨之提高6%。
據(jù)IHS數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約3.9億美元，預(yù)計(jì)到2027年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，9年間復(fù)合增速達(dá)40%。電動(dòng)汽車(chē)、動(dòng)力電池、光伏風(fēng)電、航空航天等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸β实囊筇嵘?qū)動(dòng)著碳化硅器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，傳導(dǎo)到產(chǎn)業(yè)鏈上游，從而也打開(kāi)了碳化硅晶片制造領(lǐng)域的市場(chǎng)空間。
由于應(yīng)用前景廣闊，世界各國(guó)都將第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展放在戰(zhàn)略性高度。美國(guó)的SWITCHES計(jì)劃、歐盟的SPEED計(jì)劃、MANGA計(jì)劃以及日本的“實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的新一代功率電子項(xiàng)目”都旨在促進(jìn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，以鞏固各國(guó)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
目前全球的碳化硅產(chǎn)業(yè)，美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立。美國(guó)占據(jù)全球碳化硅產(chǎn)量的70%-80%，其中，美國(guó)Cree公司的碳化硅晶片全球市場(chǎng)占有率高達(dá)6成，屬于絕對(duì)龍頭；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大話(huà)語(yǔ)權(quán)；日本則在設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
碳化硅晶片領(lǐng)域的高集中度，特別是美國(guó)企業(yè)的壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)讓產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)更為突出。逆全球化背景下，碳化硅的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。
在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，以天科合達(dá)為首的一批企業(yè)，正聚焦第三代半導(dǎo)體碳化硅材料，致力于碳化硅晶片、晶體和碳化硅單晶生長(zhǎng)爐的研發(fā)制造。2014年，天科合達(dá)成為國(guó)內(nèi)首家研制成功6英寸碳化硅晶片的公司，成為這一細(xì)分賽道龍頭。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2018年天科合達(dá)的導(dǎo)電型碳化硅晶片的全球市占率為1.7%，排名全球第六、國(guó)內(nèi)第一。
成為龍頭之前，天科合達(dá)也經(jīng)歷過(guò)一段厚積薄發(fā)的過(guò)程。2017年以前，由于研發(fā)的持續(xù)投入，以及受碳化硅半導(dǎo)體材料工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程較慢的影響,公司經(jīng)歷了持續(xù)虧損。然而2017至2019年，天科合達(dá)的營(yíng)收從0.24億增至1.55億，三年增長(zhǎng)了5.5倍；凈利潤(rùn)從-2035萬(wàn)元提升至3004萬(wàn)元，扣非凈利潤(rùn)也從-2572萬(wàn)元增至1219萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。
從利潤(rùn)常年為負(fù)到如今扭虧為盈，天科合達(dá)到底經(jīng)歷了什么？面對(duì)亟待爆發(fā)的碳化硅晶片行業(yè)，天科合達(dá)將如何繼續(xù)保持龍頭優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)帆第三代半導(dǎo)體浪潮？
中科院加持 筑技術(shù)壁壘
SIC碳化硅產(chǎn)業(yè)的難度大部分集中在碳化硅晶片的長(zhǎng)晶和襯底制作方面。
碳化硅200多種晶體結(jié)構(gòu)中，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才符合產(chǎn)品需求；而且碳化硅晶體的制作環(huán)境非常苛刻，需要在2000°C以上的高溫環(huán)境生長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中的碳硅比例、溫度、晶體生長(zhǎng)速率、氣流氣壓等參數(shù)必須嚴(yán)格控制，否則很容易產(chǎn)生多晶型雜質(zhì)。而硬度堪比金剛石的碳化硅也給切割、研磨、拋光工藝帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。
沒(méi)有成熟的技術(shù)和工業(yè)借鑒，天科合達(dá)率先從中科院物理所引入“碳化硅單晶生長(zhǎng)和晶片加工技術(shù)”，歷經(jīng)15年，通過(guò)“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合的方式深耕碳化硅晶體生長(zhǎng)、晶片加工和晶體生長(zhǎng)設(shè)備研制領(lǐng)域。
和硅片一樣，往大尺寸發(fā)展是碳化硅的必然趨勢(shì)。晶片尺寸越大，一塊晶片可切割出的芯片數(shù)量越多，可以很大程度為下游器件制造降本增效。
但是尺寸越大對(duì)晶體生產(chǎn)加工的技術(shù)要求也越高。目前，國(guó)際碳化硅晶片廠(chǎng)商主要提供4至6英寸碳化硅晶片，Cree、II-VI等國(guó)際龍頭企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線(xiàn)。近幾年，天科合達(dá)的碳化硅晶片產(chǎn)品主要以4英寸為主，逐步向6英寸過(guò)渡，8英寸晶片的研發(fā)工作已經(jīng)于2020年1月啟動(dòng)。
通過(guò)不斷摸索，天科合達(dá)已經(jīng)掌握了碳化硅晶片生產(chǎn)的全流程關(guān)鍵技術(shù)和工藝。但是，碳化硅襯底材料制造技術(shù)的高門(mén)檻也曾讓前期的研發(fā)投入高企。
2017年，天科合達(dá)的研發(fā)占營(yíng)收比重高達(dá)61.84%，近兩年比例也維持在16.15%和18.81%的水平。前期相對(duì)緩慢的工業(yè)化進(jìn)程，使得天科合達(dá)長(zhǎng)期處于不盈利的狀態(tài)，直到2018年其凈利潤(rùn)才轉(zhuǎn)正。截至2020Q1，天科合達(dá)仍有-1522.49萬(wàn)元的累計(jì)未分配利潤(rùn)。
雖然前期投入較大，但作為半導(dǎo)體新材料賽道里的明日之星，天科合達(dá)仍然是各路資本眼里的“香餑餑”。
除了第八師國(guó)資委實(shí)控的天富集團(tuán)和中科院物理所位列第一、第二大股東，分別持股24.15%和7.73%，2019年天科合達(dá)還通過(guò)增資方式引入了戰(zhàn)略投資者集成電路基金和華為全資子公司哈勃投資，二者分別持股5.08%和4.82%。
從供給端來(lái)看，國(guó)內(nèi)能夠向下游企業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)4英寸及6英寸碳化硅襯底的生產(chǎn)廠(chǎng)商相對(duì)有限，目前天科合達(dá)和山東天岳的受關(guān)注度最高。但就研發(fā)進(jìn)度來(lái)看，山東天岳2019年研制成功6英寸碳化硅晶片，比天科合達(dá)晚了5年。
在需求端，隨著碳化硅在終端產(chǎn)品的逐漸滲透，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的功率器件企業(yè)開(kāi)始涉足碳化硅半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
截至2018年末，產(chǎn)業(yè)鏈中游的中電科五十五所、泰科天潤(rùn)、株洲中車(chē)時(shí)代、三安集成等企業(yè)已投資建成碳化硅器件生產(chǎn)線(xiàn)(包括中試線(xiàn))。2019年以來(lái)，中科鋼研、泰科天潤(rùn)、芯聚能等多家公司宣布了碳化硅器件生產(chǎn)線(xiàn)投資建設(shè)計(jì)劃，華潤(rùn)微電子(688396.SH)等硅基功率器件企業(yè)的碳化硅器件生產(chǎn)業(yè)務(wù)也在計(jì)劃中。
高技術(shù)壁壘+高成長(zhǎng)性，天科合達(dá)的擴(kuò)張之路即將開(kāi)始。
SiC增速迅猛 產(chǎn)能亟擴(kuò)
天科合達(dá)的營(yíng)收由三部分構(gòu)成:碳化硅晶片為核心產(chǎn)品占比48.12%；籽晶、寶石等其他碳化硅產(chǎn)品占比36.65%；碳化硅單晶生長(zhǎng)爐占比15.23%。
2017至2019年間，天科合達(dá)碳化硅晶片銷(xiāo)售量分別為0.51萬(wàn)片、1.70萬(wàn)片、3.25萬(wàn)片，晶片銷(xiāo)售額從1020.9萬(wàn)上升至7439.73萬(wàn)元，年復(fù)合增速達(dá)170%。
銷(xiāo)售額增加的同時(shí)，4英寸碳化硅生產(chǎn)工藝的成熟及規(guī)模化生產(chǎn)助推著晶片成本進(jìn)一步下降，2017至2019年，碳化硅晶片的成本已從2245元降至1842元/片。2020年一季度，隨著價(jià)格較高的半絕緣型晶片和6英寸晶片銷(xiāo)售占比上升，碳化硅晶片的盈利能力進(jìn)一步顯現(xiàn)。目前，碳化硅晶片的毛利率已經(jīng)從2017年的-12.1%顯著提高到29.5%。
而隨著銷(xiāo)量大幅增加，產(chǎn)能不足的問(wèn)題也迎面而來(lái)。
雖然天科合達(dá)在過(guò)去三年持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了晶片產(chǎn)量的大幅增長(zhǎng)，但是其產(chǎn)能利用率一直在97.95%、97.69%、98.28%的高位徘徊。
下游市場(chǎng)亟待爆發(fā)，而碳化硅晶片制造的高門(mén)檻也意味著后來(lái)者很難短時(shí)間內(nèi)搶占市場(chǎng)，天科合達(dá)亟需通過(guò)產(chǎn)能釋放來(lái)吸收下游需求。隨著6英寸碳化硅晶片制作工藝的成熟，此次，天科合達(dá)計(jì)劃在公開(kāi)市場(chǎng)募集5億元，用于6英寸碳化硅晶片擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)項(xiàng)目投產(chǎn)后將年產(chǎn)12萬(wàn)片6英寸碳化硅晶片。
放眼全球市場(chǎng)，國(guó)際龍頭Cree公司也在碳化硅晶片擴(kuò)張業(yè)務(wù)上動(dòng)作頻頻。 2019年，Cree宣布了迄今為止最大的投資——10億美元碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，這筆投資將為Cree帶來(lái)碳化硅晶片制造產(chǎn)能和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長(zhǎng)。而Cree與英飛凌、安森美、ST等國(guó)際半導(dǎo)體龍頭簽署的巨額碳化硅供應(yīng)協(xié)議也提前確定了碳化硅材料的市場(chǎng)滲透進(jìn)程。
碳化硅晶片制造在第三代半導(dǎo)體浪潮中占據(jù)著戰(zhàn)略性地位。作為這個(gè)細(xì)分賽道上的龍頭，天科合達(dá)背負(fù)著國(guó)產(chǎn)化的重要使命。隨著碳化硅技術(shù)的成熟和發(fā)展，下游碳化硅應(yīng)用的風(fēng)口已至，突破產(chǎn)能瓶頸的天科合達(dá)將有機(jī)會(huì)充分受益。
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