以碳化硅為代表的半導(dǎo)體新材料風(fēng)口已至，經(jīng)歷了15年的技術(shù)沉淀，天科合達終于迎來高速成長期。面對需求釋放和外資巨頭的強勢擴張，它將如何繼續(xù)保持優(yōu)勢，揚帆第三代半導(dǎo)體浪潮？

2016年，在新能源汽車中，一種名叫碳化硅功率器件的的零部件突然火了起來：

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旗艦車成為首款采用SiC碳化硅模塊的國產(chǎn)新能源汽車；

9月，博世Bosch也首次展示了應(yīng)用于新能源汽車電機的SiC碳化硅功率器件；

截至當(dāng)前，全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。

那么，碳化硅究竟是什么，又為何引得車企爭相熱捧？

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合下達到性能極限，難以滿足如今市場對高頻、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、擊穿電場高和導(dǎo)熱率高等優(yōu)異特性迅速崛起，正成為下一個半導(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電機的能耗降低，功率提升，汽車續(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規(guī)模約3.9億美元，預(yù)計到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，9年間復(fù)合增速達40%。電動汽車、動力電池、光伏風(fēng)電、航空航天等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸β实囊筇嵘?qū)動著碳化硅器件市場快速增長，傳導(dǎo)到產(chǎn)業(yè)鏈上游，從而也打開了碳化硅晶片制造領(lǐng)域的市場空間。

由于應(yīng)用前景廣闊，世界各國都將第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展放在戰(zhàn)略性高度。美國的SWITCHES計劃、歐盟的SPEED計劃、MANGA計劃以及日本的“實現(xiàn)低碳社會的新一代功率電子項目”都旨在促進碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，以鞏固各國在第三代半導(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、歐洲、日本三足鼎立。美國占據(jù)全球碳化硅產(chǎn)量的70%-80%，其中，美國Cree公司的碳化硅晶片全球市場占有率高達6成，屬于絕對龍頭；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擁有強大話語權(quán)；日本則在設(shè)備和模塊開發(fā)方面占據(jù)絕對領(lǐng)先優(yōu)勢。

碳化硅晶片領(lǐng)域的高集中度，特別是美國企業(yè)的壓倒性優(yōu)勢讓產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險更為突出。逆全球化背景下，碳化硅的國產(chǎn)化勢在必行。

在國內(nèi)市場，以天科合達為首的一批企業(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爐的研發(fā)制造。2014年，天科合達成為國內(nèi)首家研制成功6英寸碳化硅晶片的公司，成為這一細分賽道龍頭。據(jù)Yole統(tǒng)計，2018年天科合達的導(dǎo)電型碳化硅晶片的全球市占率為1.7%，排名全球第六、國內(nèi)第一。

成為龍頭之前，天科合達也經(jīng)歷過一段厚積薄發(fā)的過程。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，天科合達的營收從0.24億增至1.55億，三年增長了5.5倍；凈利潤從-2035萬元提升至3004萬元，扣非凈利潤也從-2572萬元增至1219萬元，實現(xiàn)大幅增長。

從利潤常年為負到如今扭虧為盈，天科合達到底經(jīng)歷了什么？面對亟待爆發(fā)的碳化硅晶片行業(yè)，天科合達將如何繼續(xù)保持龍頭優(yōu)勢，揚帆第三代半導(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，生產(chǎn)過程中的碳硅比例、溫度、晶體生長速率、氣流氣壓等參數(shù)必須嚴格控制，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、拋光工藝帶來很大挑戰(zhàn)。

沒有成熟的技術(shù)和工業(yè)借鑒，天科合達率先從中科院物理所引入“碳化硅單晶生長和晶片加工技術(shù)”，歷經(jīng)15年，通過“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合的方式深耕碳化硅晶體生長、晶片加工和晶體生長設(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。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。

但是尺寸越大對晶體生產(chǎn)加工的技術(shù)要求也越高。目前，國際碳化硅晶片廠商主要提供4至6英寸碳化硅晶片，Cree、II-VI等國際龍頭企業(yè)已經(jīng)開始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。近幾年，天科合達的碳化硅晶片產(chǎn)品主要以4英寸為主，逐步向6英寸過渡，8英寸晶片的研發(fā)工作已經(jīng)于2020年1月啟動。

通過不斷摸索，天科合達已經(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)的高門檻也曾讓前期的研發(fā)投入高企。

2017年，天科合達的研發(fā)占營收比重高達61.84%，近兩年比例也維持在16.15%和18.81%的水平。前期相對緩慢的工業(yè)化進程，使得天科合達長期處于不盈利的狀態(tài)，直到2018年其凈利潤才轉(zhuǎn)正。截至2020Q1，天科合達仍有-1522.49萬元的累計未分配利潤。

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，天科合達仍然是各路資本眼里的“香餑餑”。

除了第八師國資委實控的天富集團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年天科合達還通過增資方式引入了戰(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%。

從供給端來看，國內(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)廠商相對有限，目前天科合達和山東天岳的受關(guān)注度最高。但就研發(fā)進度來看，山東天岳2019年研制成功6英寸碳化硅晶片，比天科合達晚了5年。

在需求端，隨著碳化硅在終端產(chǎn)品的逐漸滲透，國內(nèi)越來越多的功率器件企業(yè)開始涉足碳化硅半導(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、株洲中車時代、三安集成等企業(yè)已投資建成碳化硅器件生產(chǎn)線（包括中試線）。2019年以來，中科鋼研、泰科天潤、芯聚能等多家公司宣布了碳化硅器件生產(chǎn)線投資建設(shè)計劃，華潤微電子（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)也在計劃中。

高技術(shù)壁壘+高成長性，天科合達的擴張之路即將開始。

SiC增速迅猛 產(chǎn)能亟擴

天科合達的營收由三部分構(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%；碳化硅單晶生長爐占比15.23%。

2017至2019年間，天科合達碳化硅晶片銷售量分別為0.51萬片、1.70萬片、3.25萬片，晶片銷售額從1020.9萬上升至7439.73萬元，年復(fù)合增速達170%。

銷售額增加的同時，4英寸碳化硅生產(chǎn)工藝的成熟及規(guī)?；a(chǎn)助推著晶片成本進一步下降，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，隨著價格較高的半絕緣型晶片和6英寸晶片銷售占比上升，碳化硅晶片的盈利能力進一步顯現(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%。

而隨著銷量大幅增加，產(chǎn)能不足的問題也迎面而來。

雖然天科合達在過去三年持續(xù)擴大產(chǎn)能，實現(xiàn)了晶片產(chǎn)量的大幅增長，但是其產(chǎn)能利用率一直在97.95%、97.69%、98.28%的高位徘徊。

下游市場亟待爆發(fā)，而碳化硅晶片制造的高門檻也意味著后來者很難短時間內(nèi)搶占市場，天科合達亟需通過產(chǎn)能釋放來吸收下游需求。隨著6英寸碳化硅晶片制作工藝的成熟，此次，天科合達計劃在公開市場募集5億元，用于6英寸碳化硅晶片擴產(chǎn)項目，預(yù)計項目投產(chǎn)后將年產(chǎn)12萬片6英寸碳化硅晶片。

放眼全球市場，國際龍頭Cree公司也在碳化硅晶片擴張業(yè)務(wù)上動作頻頻。 2019年，Cree宣布了迄今為止最大的投資——10億美元碳化硅產(chǎn)能擴張計劃，這筆投資將為Cree帶來碳化硅晶片制造產(chǎn)能和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長。而Cree與英飛凌、安森美、ST等國際半導(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滲透進程。

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。作為這個細分賽道上的龍頭，天科合達背負著國產(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)能瓶頸的天科合達將有機會充分受益。
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