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2022年Wolfspeed分析报告Wolfspeed概况：全球碳化硅衬底龙头供应商公司概述：积累多年的碳化硅衬底龙头供应商Wolfspeed 是目前全球最大的 SiC 衬底制造商，前身为科瑞 Cree 旗下的 Wolfspeed 部门。公司成立于 1987 年，具有 30 余年的碳化硅生产经验，于 1991 年推出全球首款商 用 SiC 晶圆，2002 年推出首款 600V 商用 SiC JBS 肖特基二极管，以及在 2011 年推出全 球首款 SiC MOSFET。近年来，公司发展战略不断发生变化，将碳化硅业务作为公司未来 的主营业务，在 2019 年与 2021 年分别出售照明业务与 LED 业务，并于 2021 年 10 月将 公司名称由 Cree 更改为 Wolfspeed，从此专注于第三代化合物半导体领域的布局。业务构成：碳化硅材料+功率器件+射频器件公司产品主要围绕碳化硅布局，主要包括材料、功率器件和射频器件。1）半导体材 料：生产器件的必需品，主要包括碳化硅材料（包括碳化硅衬底、碳化硅外延片）、氮化 镓材料（基于碳化硅衬底长出的氮化镓外延片），其中核心产品为碳化硅衬底。2）碳化硅 功率器件：基于碳化硅材料生产的功率器件，主要包括碳化硅肖特二极管、MOSFET、功 率模块、栅极驱动器坂。3）碳化硅射频产品：基于氮化镓材料生产的射频器件，主要包 括基于氮化镓的芯片、高电子迁移率晶体管 HEMT、单片微波集成电路 MMIC、横向扩散 MOSFET LDMOS 功率晶体管等。财务分析：公司营业收入稳健增长，净亏损持续收窄财务状况：2022 财年营收实现高增长，毛利率持续恢复。FY2022 公司实现营收 7.46 亿美元，同比增长 42.0%，剥离传统业务对营收的影响正逐步消除。从毛利率角度， FY2017-2019 Wolfspeed 部门毛利率保持在 45%-50%水平，FY2020-2021 由于影响 与产能调整，公司设施利用率下降，毛利率持续下滑，FY2021 公司毛利率为 31%。FY2022 年影响有所减弱，叠加产能效率优化以及新工厂开业等一系列调整，公司 FY2022 毛 利率为 33.4%，其中各季度毛利率持续改善，分别为 31.5%/32.9%/34.0%/34.5%。业务调整影响净利润水平，FY2022 亏损明显收窄。回顾公司的净利润变化，公司对 原有业务的剥离以及转型期间对研发与设备的持续投入均对净利润产生了显著影响。 FY2022 公司转型阵痛得到有效缓解，Non-GAAP 净亏损率从-20%缩减至-8%，主要受益 于产能的优化提高。随着公司新工厂投产并进入正常运营周期，盈利能力料将持续提升。财务比较：营收有待提升，但 FY2022 以来增速远超竞争对手。美国-公司在碳化 硅领域的布局与 Wolfspeed 相似，过去三年，-的营收与增速皆高于公司，但从 FY2022 开始，受益于与下游器件厂商的紧密合作以及自身生产工艺与产能的领先，公司前三季度 营收增速皆保持在 35%以上，成为新能源汽车碳化硅应用的主要受益者之一，静待其营收 随碳化硅渗透率提升而持续提高。碳化硅行业分析：新能源车性能要求提高，SiC价值凸显行业背景：碳化硅是继硅和砷化镓之后的第三代半导体材料，由于其高击穿电场、高 热导率、高迁移率等材料特性，由其制成的半导体器件在高温、高压、高频大功率的环境 下具备良好的性能表现。因此，碳化硅器件在新能源汽车、5G 基站、光伏、轨交等领域 中应用前景广阔，尤其在新能源车领域，碳化硅器件的渗透率已开始逐渐攀升，目前已经 应用于特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等品牌的中高端车型。行业规模&增长潜力：碳化硅市场规模持续提高，新能源车为主要驱动力行业规模：预计未来四年将迎来高速增长，2026 年有望达 89 亿美元。碳化硅器件市 场包括功率器件与射频器件，前者主要用于汽车、工业与能源领域，后者主要用于 5G 建 设。Wolfspeed 预测，2022 年全球 SiC 器件市场规模为 43 亿美元，而随着碳化硅器件在 电力、射频等领域的渗透率持续提升，预计到 2026 年市场规模将增长至 89 亿美元，对应 CAGR 为 19.9%。需求来源：下游器件用于新能源车、射频、光伏、轨交等，新能源车为主要推力。碳 化硅器件的需求结构方面，新能源汽车将成为最大的应用领域，特斯拉、比亚迪、蔚来、 小鹏等知名车企已经计划在未来车型中使用 SiC 分立器件或模块。Wolfspeed 预计 2026 年的碳化硅器件市场结构中，新能源汽车将占据 52%，其余射频、工控与能源将分别占据 33%、16%，与 2022 年以射频器件为主的市场结构相比将产生较大变化。重点应用场景：提高新能源车动力性能，减少汽车充电时间。碳化硅在新能源车中的 主要应用场景为主逆变器、车载充电器与 DC/DC 变换器，其中约 80%的市场规模来自于 汽车主逆变器，17%来自于车载充电器 OBC。由于碳化硅材料具有高击穿电压、高熔点、 宽禁带等物理特点，碳化硅器件能够在高温、高压、高频的环境中提供更好的性能表现， 并能实现更小的损耗，因此在新能源汽车中使用碳化硅器件能够延长 5%-10%续航里程， 实现设备小型化，以及实现高压快充与提高动力性能。此外，随着生产成本降低，预计未 来碳化硅渗透率将持续爬升。Wolfspeed 预计未来 4 年汽车功率器件市场规模 CAGR 将达 30%。根据 Wolfspeed 预测，2022 年汽车碳化硅功率器件市场达 16 亿美元，并在接下来四年中保持 30%的年均 增长。2018 年起，特斯拉 Model 3 开始采用 SiC，向市场证实了 SiC 的性能优势。在特 斯拉宣布使用碳化硅后，其他电动车品牌也纷纷入局，如比亚迪纯电动车车型“汉”，Lucid 推出的 Lucid Air 皆采用 SiC 提高汽车性能，同时现代、奥迪、大众、奔驰、通用汽车等传 统车企也开始研发 SiC 解决方案。产业链结构：材料环节占最大价值量，衬底产能为行业瓶颈碳化硅产业链：与硅基类似，但材料环节为核心难点。碳化硅产业链共分为“衬底、 外延、器件及下游应用”四大部分，根据使用场景的不同，衬底分为导电型衬底与半绝缘 型衬底，在其表面分别生长出 SiC 外延与 GaN 外延，并分别进一步加工为功率器件用于 新能源汽车等功率领域，以及 5G 通讯等射频领域。价值量拆分：CASA 测算材料环节占据器件 75%价值量，亦是产业链的核心难点。 根据 CASA 对碳化硅器件价值量拆分测算，材料环节是当前难度最大、最为核心的生产环 节，其中衬底生产与外延生产分别占器件总价值量的 50%与 25%，其余工序中前道晶圆 处理占 20%，封装测试占 5%。材料环节因其高价值量占比，成为碳化硅产业链中各大厂 商的主要争夺项。碳化硅材料环节：产业链核心难点，中短期内保持供不应求产品构成：主要包括功率材料与射频材料，用于下游器件生产。碳化硅材料主要分为 功率材料与射频材料，分别用于功率器件与射频器件的生产，对应生产不同种类的衬底与 外延片。材料市场规模：Wolfspeed 预计 2026 年将达 17 亿美元，大部分来源于功率需求。 材料市场主要包括衬底与外延两部分，其中衬底需求为核心需求。根据 Wolfspeed 预测， 2024 年与 2026 年材料市场规模将达到 12 亿与 17 亿美元，主要增量由功率领域（主要是新能源车）提供。而根据 Yole 数据，2020 年衬底市场规模中，大约 60%来自于功率领域， 这一占比将在未来数年持续提高。新能源车的材料需求：预计 2025 年衬底需求达 263 万片。随着全球乘用车销量与新 能源车渗透率提升，新能源车领域需求持续提升。碳化硅渗透率方面，假设 2025 年碳化 硅渗透率达 30%，预计全球新能源车销量为 2194 万辆，对应使用碳化硅车型的销量为 658.8 万台。2021 年一台电动车约消耗 0.2 片 6 英寸晶圆，之后逐渐增长至单车 0.4 片， 对应全球新能源车的等效 6 英寸晶圆需求为 263.5 万片。若叠加工控、轨交、光伏等市场 需求，则功率器件对应的需求将显著超过 300 万片（等效 6 英寸）。假设每台车对应碳化 硅价值量为 300600 美元，则 2025 年对应市场空间 66132 亿美元。5G 基站的材料需求：预计 2022E-2025E 年中国年均需求 9.7 万片。4G 通信向 5G 通信的转变带来 5G 基站的建设需求，其中功率放大器（PA）用于实现发射通道的射频信 号放大，获得足够大的射频输出功率后才可用于天线传输，由此驱动了氮化镓射频器件对 衬底的需求。2022 与 2023 年为 5G 基站建设高峰期，假设每个宏基站与小基站中分别包 含 192 与 2 个功率放大器，而 2025 年宏基站 GaN 占比将由 66%提升至 85%，则对应中国宏基站 2022E-2025E 年衬底需求为 13/10/8/7 万片，小基站 2022E-2025E 年衬底需求 为 400/700/800/1000 片，合计 2022E-2025E 年中国对衬底的年均需求为 9.7 万片。供需格局：中短期供给依旧紧张，国内产能落地仍需观察。综合上述材料环节的需求 量预测，以及未来国内外当前产能及规划，我们对材料环节的供需格局作出以下判断：需求端：预计 1-2 年内，国内新能源汽车 SiC 器件应用需求将全面爆发，比亚迪、 上汽、北汽等各大车企新能源车均研发试制碳化硅器件，但国内产能的释放需要到 2-3 年 后，需求缺口持续放大。根据上述预测结果，2025 年新能源车与 5G 基站两大主要应用场 景的衬底需求量合计约 280 万片，乐观假设届时良率为 80%（2021 年国际厂商良率约为 60%，Wolfspeed 新工厂我们预计 2024 年能到 80%），则预计对应设计产能应为 350 万 片/年。供给端：目前全球实际产能 50-60 万片/年，国内碳化硅衬底产量仅为 20-30 万 片，可实现批量供应的有天科合达、山东天岳等，而国外产能主要集中在 Wolfspeed、- 与罗姆三大巨头手中。产能规划方面，国外设计产能普遍将于 2024 年开始释放，我们 预计将达 200 万片/年。通过整理各公司公告、投资者互动平台问答以及第三代半导体风向 等的国内碳化硅衬底公司扩产数据，国内远期设计产能达 350 万片/年，初步释放时间为 2023-2024 年。虽设计产能上看已能满足预计需求，但考虑到国内在该赛道的资金投入呈 现小而散的局面，仅少数厂商具备量产能力，且衬底生产对工艺要求极高、国内外工艺差 距约为 7 年，我们认为最终能够落地量产的企业将较少，预计实际产能较规划将打折扣， 实际产能与设计产能仍将存在较大缺口。碳化硅器件环节：市场规模稳健增长，主要受新能源车所驱动功率器件市场规模：Yole 预计 2027 年达 63 亿美元，对应六年 CAGR 为 34%。Yole 发布的 PowerSiC 2022 报告指出，2021 年碳化硅功率器件市场为 10.9 亿美元，预计 2027 年 SiC 功率器件市场将超过 60 亿美元，空间增长近 5 倍，对应六年 GAGR 为 34%。功率器件驱动力：主要为新能源汽车，其次是能源与工业。根据 Yole 测算，2021 年， 汽车领域对功率器件的需求占比为 63%，未来数年需求将继续扩大，预计 2027 年将达到 79%。究其需求来源，主要来自于汽车组件对能耗、性能要求的提高。电动汽车系统涉及 功率半导体应用的组件主要包括主逆变器、车载充电系统 OBC、车载 DC/DC，碳化硅模 块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。此外，能源需求占比从 14%降 至 7%，工业需求从 11%降至 9%，仅次于汽车需求。光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件，可进一步提高转换效率、明显降低能量损耗、大幅提升设 备循环寿命，具备成本低、高效能的优势。功率器件需求测算：主要来自新能源车，预计 2025 年需求达 2.4 亿个。功率器件的 需求主要来自于新能源车碳化硅器件的替代，沿用先前对采用 SiC 新能源车的假设，并假 设双电机车型的占比由 2021 年的 25%增长至 2025 年的 54%，其余为单电机车型。Model 3 四驱版本为双电机车型，采用了 48 颗意法半导体的 SiC MOSFET 器件，由此预计 2025 年新能源汽车 SiC MOSFET 合计总需求为 2.4 亿颗。射频器件市场规模：预计 2026 年达 29 亿美元，主要受 5G 基站所驱动。数据速率和 带宽需求的不断增长持续推动 5G 发展，而射频器件是无线连接的核心。第三代半导体射 频器件主要应用在 5G 基站的功率放大器（PA）中，用于将调制振荡电路所产生的小功率 的射频信号放大，使其射频输出功率达标后馈送至天线进行辐射。与传统材料相比，碳化硅基氮化镓在低功耗、高功率密度和长寿命等方面具备明显优势。Wolfspeed 预计碳化硅 基氮化镓将在 5 年内占据大部分射频器件市场，市场规模预计将由 2022 年的 21 亿美元增 长至 2026 年的 29 亿美元，对应 CAGR 为 8.4%。竞争格局：各环节市场份额相对集中，龙头公司优势明显碳化硅材料：衬底市场一家独大，外延市场呈现双寡头格局。1）衬底生产：衬底分 为导电型与半绝缘型，分别用于功率与射频领域，但都呈现出寡头垄断的竞争格局。导电 型衬底主要由 Wolfspeed、-与 Rohm 垄断（CR3 接近 90%），其中 Wolfspeed 占据 约 60%市场。半绝缘型衬底主要由 Wolfspeed、-与山东天岳垄断，CR3 市场份额持 续上升。2）外延生产：呈现双寡头竞争格局，2020 年 Wolfspeed 与 Showa Denko 在导 电型外延市场中的市占率分别为 52%与 43%，市场份额向头部集中。碳化硅功率器件：市场份额集中，前三厂商市占率超 75%。根据 Yole 统计，2021 年 碳化硅功率器件市场份额 CR5>90%，其中意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆和安 森美市占率分别为 40%、22%、14%、10%与 7%，其中意法半导体与特斯拉存在合作关 系，向后者提供 SiC MOSFET 模块，在碳化硅功率器件市场中占据最大的市场份额。GaN 射频器件：日本住友、Wolfspeed、Qorvo 为主要玩家。射频器件领域呈现三 足鼎立的竞争格局，市场 CR3>80%，日本住友、Wolfspeed 与 Qorvo 分别占据 40%、24% 与 20%的市场份额。其中，Wolfspeed 前身 Cree 于 2018 年收购了英飞凌的 RF 部门，成 为了全球 GaN 射频器件的主要提供商之一。公司分析：持续提高供给能力，未来成长性明确公司背景：公司之所以能占据产业链最大价值量环节的最大市场份额，其主要原因是 公司在生产工艺的know-how积累、8英寸晶圆量产的技术研发与在手产能具备较大优势， 高产能与高良率使得公司能够在供不应求的市场环境下实现大量且稳定的衬底供应。公司 作为全球SiC生产经验最为丰富的IDM厂商，在手资源与未来规划上皆具备明显竞争优势。公司从 1989 开始生产 SiC 产品，1991 年就推出全球首款商用 SiC 晶圆，至今已超过 30 年，在专利积累、工艺演进和在手产能上领先同类型厂家，拥有全球第一个 8 英寸碳化硅 晶圆厂，引领全行业向大尺寸晶圆迈进。展望未来：公司扩产速度与进度皆属全行业领先，考虑到与下游大型器件厂商的产能 绑定关系，未来数年生产成本与效率亦有望保持行业前列。虽然长期角度看衬底供应将趋 于充足，但在此之前公司将通过提高衬底自用率，提高器件业务收入比例，从而避免对衬 底生产的依赖。我们认为，中短期看，公司衬底龙头地位稳固且具备较大盈利提升空间； 长期看，公司对下游器件、模块的整合能力将成为业绩支柱。竞争优势：成熟生产工艺+大尺寸量产能力+领先行业的在手产能成熟生产工艺：碳化硅生产难度高，公司多年工艺积累成技术壁垒碳化硅衬底生产环境严苛，高效、稳定的生产工艺具有高技术壁垒。由于当前大多数 厂商碳化硅生产工艺不成熟、材料加工难度高、晶锭生长缓慢等客观因素，全球供应与需 求之间产生巨大缺口，而 Wolfspeed 基于 30 余年的碳化硅生产经验（此前用于 LED 照明 领域），具备高良率量产能力，亦是公司的核心竞争力。按生产工艺对其进行拆解，可将 碳化硅生产分为衬底生产、外延片生产、器件生产三大阶段。而衬底的生产步骤包括粉末 （碳化硅原料）合成、晶体生长、切割、研磨、抛光，其中晶体生长是核心难点，其质量 取决于碳化硅粉末的纯度、生产人员的工艺积累、设备稳定性等。SiC 衬底生产难点主要体现在以下方面。1）生长速度慢：为了保证晶体质量，碳化 硅长晶主要采用物理气相传输法（PVT），生长速度只有 0.3-0.5mm/h，耗时是硅的 100-200 倍，从单晶生长到形成衬底需耗时 1 个月。2）生长环境要求高：碳化硅气相生长的温度 在 2000以上且保持稳定，压力 350MPa，容易混入杂质，且直径越大，良率越低。3） 晶型多：碳化硅存在 200 多种同质异构体，但只有 4H-SiC 等少数晶型适用于新型电力电子功率器件（拥有高电子迁移率、高热导率），且生产环境的不稳定很容易导致获得晶型 与目标晶型不符。4）过程不可监测：晶体生长通常在密闭的高温石墨坩埚中进行，无法 即时检测晶体的生长状况，因此难以控制硅碳比、温度梯度、晶体生长速率以及气流气压 等参数，容易产生异质晶型，影响良率。综合来看，晶体生长需要在苛刻环境下，通过精 准控制环境参数，在多种晶型中选择并长出目标晶型，而且过程缓慢且不可监测，这对工 艺和设备稳定性都提出了很高要求，经验累积时间长，因此是衬底生产的核心环节。Wolfspeed 综合良率在 60%左右，较竞争对手 40%的良率有明显优势。SiC 衬底生 产设备并不难提供，核心门槛在于生产工艺的摸索，其结果往往体现在生产良率中。 Wolfspeed 当前综合良率在 60%左右，且由于新工厂高度自动化，在新工厂达产后预期良 率将达到 80%以上。而国内衬底厂商的生产良率大多维持在 40%以下，公司生产效率上 存在较大差距。8 英寸产线：持续扩大生产成本优势，引领行业进入大尺寸时代单晶圆生产效率提升明显，领先行业 1-2 年。大尺寸效果：莫霍克谷 8 寸线工厂开 工投产后，相较于原来的 6 寸线工厂，生产成本下降 50%、生产速度提升 50%、良率提 升 20%30%，这将使得公司在中期获得领先行业的成本端优势。一个工厂的完整周期（从 立项到全面达产）需要约 5 年时间，短期内难以追平优势。8 英寸衬底虽然生产成本比 6 英寸高，但获得的优良裸晶数量更多，从而降低了单裸晶成本。以 32 平方毫米的裸晶为 例，每片八英寸晶圆上的裸晶数量增加近 90%，且边缘裸片的数量占比从 14%减少至 7%， 综合良率可达 80%以上。竞争对手进展：公司新建 8 英寸碳化硅工厂已落地，目前处于 产能爬坡阶段，而竞争对手 8 英寸量产时间普遍为 2023-2024 年，落后于 Wolfspeed 约 1-2 年时间。在手产能：提高衬底供应能力，夯实公司市场占有率在手衬底产能 85 万片/年，成全球衬底主要提供者。根据 CASA 统计数据并等效换算 为 6 英寸，2020 年我国导电型碳化硅衬底产能为 17.8 万片/年，半绝缘型衬底产能为 8 万 片/年。Wolfspeed 在 2021 年投资者日公布，预计 2022 财年公司产能将达到 16.7 万平方 英尺（按面积等效 6 英寸为 85 万片/年），成为全球衬底产能的主要提供者。未来展望：扩展进度领先+长期订单充足+加强产业整合能力Wolfspeed 主要通过三点维护市占率：新工厂投产&旧产能改造以提高产能与良率、 绑定主要客户以及持续“材料+器件”全产业链布局。此外，随着全球碳化硅衬底扩产潮 的掀起，长期来看供应终将充足，因此公司亦通过衬底产能自给，向 IDM 厂商转型，提高 功率与射频器件业务的收入占比。扩产计划：扩产产能与速度领先同行，仍将保持龙头地位预计 2024 年年产 123 万片，规划产能与落地时间皆领先同行。Wolfspeed 预计 2022 年产能为 167k 平方英尺，2024 年为 242k 平方英尺，折合 6 英寸晶圆 182.41 平方厘米面 积，对应 6 英寸产能将在 2022 年达到 85.1 万片/年，在 2024 年增加至 123.2 万片/年。1） 国际产能方面，与其他国际厂商相比，公司扩产速度明显高于同行业水平，在 2025 年其 他厂商产能落地前将保持领导地位。目前公司除了达勒姆工厂扩产&优化产线、莫霍克谷 工厂产能爬坡之外，已经开始规划第三座更大的工厂。根据公司业绩电话会信息，随着莫 霍克谷工厂产量逐步提高，预计 2024 年将超过总产量的 50%，即达到 61.6 万片/年（等效 6 英寸）。2）国内衬底产能方面，虽然 2021 年多家厂商公布且开始了扩产计划，但投 产时间集中在 2024-2025 年。此外，产能规划考虑到当前生产难度高，工艺门槛高，良率 较低，且有相当一部分无法实现规模量产，实际有效产能仍有待观察。在手订单：下游器件厂商主动绑定产能，长期合同持续增长材料业务供不应求，下游器件厂商积极绑定产能。在衬底供应有限的背景下，下游器 件厂商倾向于与衬底厂商锁定未来供应，因此公司长期订单较为充足。2021 年 8 月，公 司与意法半导体将现有碳化硅晶圆的多年长期供货协议总价提高至 5 亿美元以上，并延长 协议有效期，较原合同总价提高一倍，提供 6 英寸碳化硅裸片和晶圆。此外公司还和 SiC 器件的竞争对手安森美（2019 年，8500 万美元）和英飞凌（2018 年，1 亿美元）达成长 期供货协议。截至 2021 年底，公司总计长期订单已超过 13 亿美元，并与大型整车厂达成 合作关系，其中美国豪华电动车企 Lucid Motors 于 2022 年 4 月与 Wolfspeed 签订多年合 作协议，在其高性能纯电车型 Lucid Air 中采用 Wolfspeed 的 XM3 碳化硅功率模块。产业链整合能力：利用衬底产能优势，发展下游器件业务借助产能发展器件业务，持续布局全产业链。Wolfspeed 未来将把更多衬底用于自给， 以持续提高高毛利器件的收入。目前 Wolfspeed 更多和 Tier1 厂商合作，直接和整车厂合 作较少，但目前已经开始导入，而且在手订单充裕，导入周期一般在 5 年左右。借助材料 端的优势，公司完全有足够时间来缩短和 STM、英飞凌等厂商在技术、客户端的差距。公司向下游业务倾斜的优势主要在于：1）掌握产业核心优势：碳化硅器件的优势在 于耐高温、高压、低损耗，而这些优势几乎全部来自于材料的特殊性，同时对制程要求不 高，器件厂无法掌握核心话语权，主动权依然在上游衬底巨头手中；2）衬底生产具有高 技术门槛：即使长期来看市场供应最终归于充足，且目前已经有多家厂商具备生产能力， 但碳化硅的低成本量产依然具备很高的技术门槛；3）回避供货不及时的风险：在价格持 续下探（目前是硅器件的 5x，预计能达到硅器件的 1.5x），碳化硅需求将持续增长，且向 铁路、电力、云计算等领域的扩展亦会加大需求，为提高生产效率与降低成本，并避免上 游供货不及时的风险，只有 IDM 模式能够通过资源协调实现。