2023年天岳先进研究报告:碳化硅衬底龙头,800V趋势加速公司成长

一、国产碳化硅衬底领先厂商,深耕车规领域

(一)发展历史:深耕碳化硅衬底十余年,导电&半绝缘双轨并行

公司是一家国内领先的宽禁带半导体材料生产商,主要从事半绝缘型和导电型碳化 硅半导体材料的研发、生产和销售,产品可广泛应用于微波电子、电力电子等领域。 (1)导电型衬底:公司于2013年启动6英寸导电型碳化硅衬底产品的研发工作,并 于2017年实现了6英寸导电型碳化硅衬底的量产能力,同年经过中国电子材料行业 协会出具《科学技术成果鉴定证书》,经鉴定,公司6英寸导电型碳化硅衬底达到国 内领先、国际先进水平。此后,公司于2020年启动8英寸导电型碳化硅衬底产品的研 发工作,根据公司中报表述,2023年公司8英寸导电型衬底已开展客户送样验证,并 实现小批量交付,目前公司营业收入主要来自于6英寸导电型产品销售。 (2)半绝缘衬底:公司于2011年启动2英寸半绝缘型碳化硅衬底产品的研发工作, 通过持续的技术研究和产品开发,于2015年实现了4英寸半绝缘型碳化硅衬底的量 产能力。此后,公司继续改进工艺并不断开发新工艺,以持续提高该类产品的品质。 根据YOLE报告,2022年,公司在半绝缘碳化硅衬底领域,市场占有率连续四年保持 全球前三,公司是国际上少数几家同时在导电型和半绝缘型碳化硅衬底产品领域均 具有竞争力的企业。

公司股权结构较为稳定,实际控制人宗艳民先生持股30%。截至2023年3季报,公司 实际控制人宗艳民先生直接持有公司30.09%股份,同时,宗艳民先生持有员工持股 平台上海麦明0.0130%、上海铸傲0.0233%股份,并担任上海麦明、上海铸傲的普通 合伙人和执行事务合伙人。宗艳民先生亦为公司核心技术人员,带领团队历经10年 数千次的工程化试验,攻克了原料提纯、碳化硅材料生长及缺陷控制、衬底加工等 一系列难题,并掌握碳化硅半导体材料产业化核心关键技术。此外,哈勃投资持有 公司6.34%股份。

参控股公司方面,公司拥有10家全资子公司,1家控股子公司。其中,上海天岳半导 体材料有限公司是公司募投项目的实施主体;SICC GLOBAL株式会社则是主要负责 公司碳化硅产品在日本的销售服务;Sakura Technologies株式会社负责公司在日本 市场的业务窗口,以及行业前沿技术研发。

(二)主营业务:持续发力导电型衬底,拓展高端应用领域

碳化硅衬底为核心业务,8英寸进展国内领先。公司产品主要包括导电型衬底、半绝 缘衬底。公司目前已经实现6英寸导电型衬底、6英寸半绝缘型衬底、4英寸半绝缘衬 底等产品的规模化供应。在8英寸产品布局上,2022年初,公司公布了自主扩径制备 的高品质8英寸衬底,在2023年Semicon论坛上,公司首席技术官高超博士宣布公司 通过液相法制备出了低缺陷密度的8英寸晶体,属于业内首创,代表了公司领先的技 术实力。

持续拓展车规产品,获国内外知名客户认可。2022年,公司取得了IATF 16949质量 管理体系认证,为公司碳化硅产品在汽车市场的进一步拓展提供更有利保障,促进 公司研发体系、供应链体系以及质量管理体系的不断优化。公司高品质碳化硅衬底 获得国际客户的认可,产品加速“出海”。公司已经与英飞凌、博世等行业下游电 力电子、汽车电子领域的国内外知名企业开展了广泛合作,有助于共同推动碳化硅 材料和器件的渗透应用。

(三)财务分析:产品顺利切换&产能逐步释放,23Q3 为公司盈利拐点

导电型转型顺利,公司23Q3单季度净利润由负转正。2022年,公司积极调整济南工 厂产能,逐步加大导电型衬底产能产量,在产品结构调整过程中,因产线、设备调整 等导致临时性产能下滑,当期业绩有所承压。 随济南工厂的产能不断调整,叠加上海临港工厂建设取得阶段性成果,截止2023Q3, 公司已实现连续六个季度收入环比增长,且2023Q3首次实现归母净利润由负转正。 我们认为,随济南工厂产能的顺利切换,叠加上海临港智慧工厂产量持续爬坡,公 司规模效应将逐渐显现,公司营收与利润有望实现持续环比改善。

毛利率边际改善明显。公司近三年毛利率存在较大波动,主要因公司处于导电型产 品扩产阶段,一方面自2022年起,公司济南工厂进行产品产能调整,且临港工厂新 建,产品、产量处于爬坡阶段,综合影响公司产品的单位成本,另一方面毛利率受公 司整体产销量规模、客户结构、新增产能良品率提升等多方面因素综合影响,因此公 司毛利率有所波动。2023Q3公司毛利率为18.69%,环比+8.00pct,同比+30.37pct, 净利率为0.98%,环比+18.90pct,同比+41.92pct。未来随产能逐步释放,叠加研发 投入带来的技术进步持续发力,公司毛利率、净利率有望持续增长。

持续加码研发力度,赋能产品核心竞争力。2023Q1~Q3公司期间费用为2.31亿元, 同比+63.30%,2023Q1~Q3公司期间费用率为28.00%,相比2022年减少27.40pct。 研发投入方面,公司持续加大研发投入,2023Q1~Q3公司研发费用为1.23亿元,同 比+140.90%,研发与规模化生产形成良好的正循环积累,一方面公司工程化试验数 据为技术和良率的持续改进提供了关键支持;另一方面,公司在8英寸导电型产品产 业化研发,液相法等前瞻性技术发展方向做全方位布局,继续保持在全球技术和产 品竞争中的领先优势。

二、海内外厂商积极扩产,衬底市场快速扩容

(一)性能全方位提升,电动车 800V 升级催化碳化硅渗透

碳化硅打破硅基极限,性能全方位提升。半导体材料主要分为三个代际,其中第一 代半导体以材料硅Si、锗Ge为代表,目前在半导体领域中第一代硅Si材料应用最为 广泛;第二代半导体主要以化合物材料砷化镓GaAs、磷化铟InP为代表;第三代半 导体主要以化合物材料碳化硅SiC、氮化镓GaN、氮化铝AlN为代表,其具有明显的 禁带宽度大、临界击穿电场强度大的特征,又被成为宽禁带半导体。

以SiC为例,由于其带隙宽度较宽、临界击穿电场强度较高,使其具备在高压环境 下的应用能力;而较高的热导率和熔点使其能够实现快速的散热,满足高温环境的 应用;而其较高的饱和飘逸速度使其能够达到更高的工作频率和实现高频开关的性 能。此外SiC的平均密度约为3 g/cm3,因此重量相对较轻,它具有化学惰性和耐腐 蚀性,即使暴露在高达800°C的温度下,也不会受到任何酸、熔盐或碱的侵蚀。 SiC具有非常低的热膨胀系数,这意味着在极端温度变化下,它也保持尺寸稳定 (例如,它在受热时不会显著膨胀或在受冷时显著收缩),它还具有出色的抗热震 性。对比传统的硅基器件它的功率密度、开关效率和器件损耗上都有大幅度提升。 其性能赋予其应用范围广、冷却成本低、尺寸小、轻量化、低损耗等特征。

以汽车为例,碳化硅提升续航里程,优化整车架构。Wolfspeed、福特以及Rohm 的实验结果表明,相较于IGBT模块,在主驱逆变器中使用碳化硅模块可大幅降低 整体损耗,提升车辆电池工作效率,进而提升整车续航里程。此外碳化硅器件由于 其高耐压的特性,芯片厚度大幅降低,模块体积减小重量减轻,整车架构得到优 化。同时,得益于碳化硅出色的耐高温性能以及散热能力,将有效带动冷却成本的 下降,进而从系统级角度降低整车成本。目前,如特斯拉,蔚来等品牌在主驱逆变 器中都已采用碳化硅模块,以获取更强劲的性能。

新能源车高压化加速碳化硅导入进度。为响应高功率快充对充电电压的提升,新能 源车母线电压需从400V升级至800V。在800V平台下,逆变器正常工作需使用 1200V耐高压功率器件,但高压环境下会造成IGBT阻抗升高、频率性能下降进而导 致IGBT器件的导通损耗、开关损耗显著增加。相较于硅基IGBT,碳化硅材料由于 其高耐压的特性,以其为材料制造的SiC-MOSFET在1200V的耐压下阻抗远低于SiIGBT,更适合应用于800V平台下的新能源车中。在缓解里程焦虑,拥抱高压快充 的趋势下,本土国产品牌相继发布800V车型布局,小鹏G6/G9、智己LS7已开始销 售,智界S7、理想Mega、极氪007、问界M9等800V车型在近期也将陆续发布, 800V车型渗透率有望持续提升,将有效促进新能源车中碳化硅功率器的应用,进 而提升碳化硅器件市场规模。

(二)产业链皇冠上的明珠,衬底制备难度较大

碳化硅衬底成本占比最高,制备难度较大。碳化硅生产流程包含材料端衬底与外延 的制备,以及后续芯片的设计与制造,再到器件的封装,最终流向下游应用市场。

碳化硅按衬底制备方式以及面向的下游应用分可为两种类型。一种是通过生长碳化 硅同质外延,下游用于新能源汽车、光伏、工控、轨交、储能、电网等功率领域的导 电型衬底,外延层上制造各类功率器件;另一种是通过生长氮化镓异质外延,下游 应用于5G通讯、国防等射频领域的半绝缘型衬底,主要用于制造氮化镓射频器件。

碳化硅衬底制备难度,成本较高。碳化硅衬底制备环节主要包括原料合成、碳化硅 晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节,其 中制备重难点主要是晶体生长和切割研磨抛光环节,是整个衬底生产环节中的重点 与难点,成为限制碳化硅良率与产能提升的瓶颈, 也是造成目前碳化硅衬底成本较 高的主要原因。

技术升级带动衬底成本优化。受益于衬底制备技术持续进步,碳化硅衬底成本将有 望得到优化,根据英飞凌数据,2023年至2027年衬底价格将得到显著下降。根据东 尼电子公告披露数据,2023年向客户交付6英寸碳化硅衬底单价为5,000元/片,2024 年MOS衬底价格为4750RMB/片,2025年MOS衬底价格为4510RMB/片;2024年 SBD衬底价格为4275RMB/片,2025年SBD衬底价格为4060RMB/片。我们认为,未 来随着衬底尺寸从6寸向8寸提升,持续优化良率以及相关生产切割、抛光工艺的升 级,碳化硅材料成本有望显著下降,将有效降低整体器件价格,提升下游客户的替 代意愿,拉升碳化硅功率器件的市场渗透率。

(三)市场高度集中,产业扩张加速

衬底市场目前集中度较高,国际大厂积极建立产业阵营。目前导电型衬底市场格局 呈现出高度集中的格局,CR3(Wolfspeed、II-VI、SiCrystal)凭借出色的技术实力 与突出的产能供应占据全球超过80%的市场。根据英飞凌引用yole的数据,2021年, Wolfspeed市场占有率为49%;II-VI(现已被Coherent收购)和SiCrystal(Rohm子 公司)分别占据17%、15%。同时国际大厂间的收购与合作错综复杂,都在建立自己 的产业阵营。在SiC器件在功率器件市场持续渗透的背景下,获得大批量高质量衬底 变得至关重要。为获取到长期稳定有效的碳化硅衬底供应,海外功率大厂均在大力 布局,与碳化硅衬底公司合作频繁,建立自己的产业阵营,形式包括签订长期供货 订单,或直接收购投资上游衬底厂商等行为。

海内外厂商积极扩产,本土企业异军突起。目前碳化硅衬底市场被海外大厂牢牢占 据,竞争格局高度集中。根据英飞凌引用yole的数据,目前海外主要衬底厂商持续加 大扩产力度,23-24年产能较20-22年实现总产能约4倍的扩充,最大产能将达285万 片/年(合6寸)。但从市占率的层面来看,相较于21年总和约90%的市场占比,预计 至2024年,海外主要衬底厂商市场份额将降至约65%,究其主要原因,和中国碳化 硅衬底企业的大力扩产息息相关。从22年开始,本土碳化硅衬底企业进入高速扩产 期,预计至2024年,天岳先进等本土公司合计总产能有望超过150万片/年(规划产 能不等于有效产能),市场占比合计约为35%。 碳化硅衬底市场规模快速扩容。在海内外企业积极扩产的背景下,碳化硅衬底市场 规模将得到显著提升,根据wolfspeed的预测,预计至2026年,全球碳化硅材料(衬 底+外延)市场规模将达17亿美元,相较于2022年提升近2.5倍。

三、先进品质持续,产能叠加订单优势促进长期发展

(一)研发优势:核心团队经验丰富,前瞻布局新技术

公司保持高强度研发投入,持续布局前沿技术储备。碳化硅衬底属于高度技术密集 型行业,具有极高的技术壁垒。技术迭代更新需要长期持续开展大量创新性的工作, 同时需要获取海量的技术数据积累,以完成各工艺环节的精准设计。公司自成立以 来,专注于碳化硅单晶半导体的制备技术,且公司设有碳化硅半导体材料研发技术 国家地方联合工程研究中心、国家级博士后科研工作站、山东省碳化硅材料重点实 验室等国家和省级研发平台,承担了一系列国家和省部级研发和产业化项目。目前 公司经过十余年的技术发展,系统地掌握了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生 长、衬底加工等各类核心技术,通过持续技术积累实现了6英寸导电型碳化硅衬底批 量销售,并自主扩径已经完成高品质8英寸导电型碳化硅衬底制备,并持续加强研发 投入,包括8英寸导电型产品产业化研发,液相法等,继续在宽禁带半导体领域加强 前沿技术储备。根据公司23年中报,截至2023年6月末,公司及下属子公司累计获得 境内发明专利授权152项,实用新型专利授权324项, 境外发明专利授权12项,专利 技术覆盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工、质量检测等每个 技术环节,并建立了完整有效的知识产权保护机制。

核心团队多年耕耘宽禁带,产业经验丰富。公司实际控制人、董事长兼核心技术人 员宗艳民先生带领团队历经10年数千次的工程化试验,为公司项目A、4英寸半绝缘 4H-SiC衬底材料、6英寸导电型4H-SiC衬底材料科技成果的主要参与人;公司董事、 首席技术官兼核心技术人员高超先生主要主持公司的产品开发和技术研发工作,具 体负责碳化硅单晶制备技术,带领团队突破了6英寸导电型和半绝缘型4H-SiC 单晶 衬底的制备技术;公司核心技术人员梁庆瑞先生主要主持公司碳化硅衬底加工研发 工作,具体负责碳化硅衬底加工技术,从事宽禁带半导体碳化硅衬底加工技术研究 近十年,产业经验丰富。

(二)产品优势:大尺寸&技术领先&高性价比,市场份额稳定扩大

SiC衬底朝大尺寸化发展。与硅基晶圆发展路径相同,未来碳化硅衬底也将持续提升 晶片尺寸,降低单位面积芯片成本,推进碳化硅器件的成本下降。海内外衬底厂商 以6寸为主流,目前正在向8寸过渡。

衬底尺寸的提升,芯片成本有望显著下降。根据Wolfspeed数据,在相同尺寸的芯片 下,8英寸衬底片可切出的芯片数量相比6英寸衬底片提高约90%,同时降低约7%的 边缘浪费,带来生产力和效率的大幅提升。伴随着尺寸扩张带来的规模效应以及自 动化产线带来的相关成本的降低,Wolfspeed预计至2024年,8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于2022年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%,这将持续推进碳 化硅产品的降价,加速对硅基器件的替代。

液相法制备8寸晶体,为国内领先水平。天岳先进于2020年启动8英寸导电型碳化硅 衬底产品的研发工作,2022年初,公司公布了自主扩径制备的高品质8英寸衬底,根 据公司中报表述,2023年公司8英寸导电型衬底已开展客户送样验证,并实现小批量 交付;在2023年Semicon论坛上,公司首席技术官高超博士宣布公司通过液相法制 备出了低缺陷密度的8英寸晶体,属于业内首创,代表了公司领先的技术实力。

技术媲美海外厂商&性价比较高,公司产品优势逐渐显现。公司于2023年5月与英飞 凌签订了一项新的衬底和晶棒供应协议。根据英飞凌2023年5月3日发布的新闻稿, 天岳先进将为英飞凌供应用于制造碳化硅半导体的高质量碳化硅衬底和晶棒,第一 阶段将侧重于150毫米碳化硅材料,后续将助力英飞凌向200毫米直径碳化硅晶圆过 渡。英飞凌表示,该协议的供应量预计将占到英飞凌长期需求量的两位数份额。根 据英飞凌FY23Q3业绩说明会上的表述,中国供应商天岳先进等合计供应份额已达到 20%左右,未来季度会再翻一番。此外,在英飞凌2023年5月11日的GIP Division Business Update中,英飞凌指出目前供应价格较低的衬底与供应价格较高的衬底在 性能上差距较小,因此,我们预计公司有望凭借技术领先&高性价比等优势,全球市 场份额将逐步提升。

公司订单饱满,长期供应协议达22亿元。随电动汽车、新能源、储能等下游应用领 域对碳化硅半导体材料需求的爆发式增长,公司与主要客户签订了长期供货协议, 截止目前,公司先后于2022年7月、2023年8月披露《关于签署框架采购协议的公告》、 《关于签订重大合同的公告》,两大合同合计销售金额达22亿元。随着公司导电型 产品产量的提高,公司订单交付能力不断提升,目前公司已实现连续六个季度销量 增加,带动营业收入持续增长。

(三)产能优势:济南产品转型顺利,上海产能持续扩张

上海工厂产量持续爬坡,建设进度超预期。根据2022年募投计划,公司将于上海临 港建设碳化硅衬底生产基地,扩大公司在导电型碳化硅单晶衬底的生产能力,原计 划于2022年试生产、2026年达产,实现年产能30万片导电型碳化硅衬底。在2023年 5月,临港新片区管理委员会对外公示《关于“天岳半导体碳化硅半导体材料项目(调 整)”》,公司计划将产能扩产2.2倍,规划产能提升至96万片/年。同月,上海工厂 开启了产品交付,目前正处于产量的持续爬坡阶段。根据目前公司在手订单及合作 客户需求情况预计,临港工厂第一阶段年产30万片导电型衬底的产能产量将提前实 现,上海临港工厂将成为公司导电型碳化硅衬底主要生产基地。

智慧工厂提质增产,赶超国际标杆厂商。由于碳化硅半导体材料生长温度高,影响 因素多,技术迭代周期相对较长。公司新建上海临港基地采用AI技术、数字孪生技 术,打造数字化智慧工厂。具体来看,上海实地工厂将利用积累的海量数据,进行工 艺技术模拟,将模拟成果在工厂内进行验证,上海实地工厂积累的数据再反馈给数 字工厂,达到数字工厂、实体工厂联动,大幅度压缩技术迭代,提高研发速度。

济南工厂转型顺利,规模效应将逐渐显现。2022年上海临港项目受疫情影响导致进 度延缓,公司为尽快实现6英寸导电型产品的交付,公司将济南工厂的部分产能转变 为导电型,积极克服上半年疫情冲击对生产经营的影响。截止目前,公司济南工厂 已调整为导电型产品为主,产量及营业收入较同期增长。 积极优化产能布局,持续拓展海外市场。公司目前已形成山东济南、上海临港、山 东济宁碳化硅半导体材料生产基地,自2022年起,公司加大对导电型产品的产能产 量,2023年5月新建的上海临港智慧工厂已成功开启产品交付,目前正处于产量的持 续爬坡阶段。根据公司2023年半年报数据,公司根据目前在手订单及合作客户需求 情况预计,上海临港工厂第一阶段年产30万片导电型衬底的产能产量将提前实现。 此外,公司亦在日本设立研发及销售中心,积极开拓海外市场,目前公司已经与英 飞凌、博世等行业下游电力电子、汽车电子领域的海外知名企业开展了广泛合作, 有助于共同推动碳化硅材料和器件的渗透应用,产品实现加速“出海”。


(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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