長期以來，基于硅的半導(dǎo)體一直是高功率電子應(yīng)用的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但這種統(tǒng)治即將結(jié)束。在突破性的轉(zhuǎn)變中，材料科學(xué)和制造技術(shù)的進步帶來了一種寬帶隙材料，在能源效率方面顯著超越硅材料。通過促進向可再生電力能源的轉(zhuǎn)型以及將運輸和供暖系統(tǒng)電氣化，這些效率提升對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。對此，波士頓研究（BCG）發(fā)表了一份專門報告。
碳化硅（SiC）在這些革命性材料中脫穎而出，并有望在高功率應(yīng)用中取代硅。到2025年，預(yù)計大多數(shù)主要的新能源汽車平臺將采用SiC組件，到2030年碳化硅市場的年復(fù)合增長率將超過30%。汽車原始設(shè)備制造商（OEM）已經(jīng)認識到碳化硅在即將推出的電動汽車平臺中發(fā)揮著不可或缺的作用，而領(lǐng)先的半導(dǎo)體集成器件制造商（IDM）也意識到了這個巨大商機。
本研究探討了碳化硅市場的發(fā)展，并旨在闡明供需失衡的前景。我們發(fā)現(xiàn)，碳化硅在電動汽車逆變器中的采用將推動市場的初始增長。然而，未來五到七年碳化硅市場預(yù)計將面臨供應(yīng)瓶頸，使得早期投資者在碳化硅產(chǎn)能方面具有競爭優(yōu)勢。從長遠來看，碳化硅在可再生能源領(lǐng)域，包括太陽能和風(fēng)能逆變器以及眾多工業(yè)應(yīng)用案例中的應(yīng)用需求將得到提振。
碳化硅的新穎性和預(yù)期的供應(yīng)限制，加上電動汽車逆變器的重要性，使得確保碳化硅供應(yīng)與確保電池供應(yīng)一樣成為汽車OEM的首要任務(wù)。所有價值鏈參與者都需要建立新的合作伙伴關(guān)系，并計劃進行重大的額外產(chǎn)能投資，以確保碳化硅供應(yīng)在2027年后能夠跟上需求。
碳化硅將為未來的汽車提供動力
電動汽車的采用率一直超出預(yù)期。最近的政策變化進一步加速了電動汽車的發(fā)展，例如歐盟計劃在2035年禁止銷售新型內(nèi)燃機車輛。到2030年，純電動汽車（BEV）預(yù)計將約占全球輕型車生產(chǎn)的40%。
在純電動汽車中，功率半導(dǎo)體器件調(diào)節(jié)從充電器到高壓直流電池以及從電池到交流電動機和低壓直流設(shè)備的電能流。電動動力總成是每輛車中半導(dǎo)體器件含量增加的主要原因之一，還包括先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、自動駕駛（AD）技術(shù)和數(shù)字化駕艙功能。
在電動動力系統(tǒng)中，逆變器含有最多的半導(dǎo)體器件，使用功率半導(dǎo)體器件通過電池提供的直流電來操作和控制交流電動機（見圖1）。預(yù)計到2020年代中期推出的大多數(shù)電動汽車平臺將在其逆變器中采用碳化硅，促進市場顯著增長。
圖1：碳化硅在逆變器中貢獻最大價值
碳化硅將在逆變器中廣泛取代Si-IGBT，這要歸功于其優(yōu)越的電氣特性，如更大的帶隙和電擊穿場強度。這些特性導(dǎo)致在開關(guān)過程中能量損失約減少40%，直接影響電動汽車的續(xù)航里程和電池尺寸要求。此外，碳化硅具有更高能效、更好的熱導(dǎo)率和更優(yōu)越的穩(wěn)定性，降低了冷卻需求，并使得設(shè)備外形更加緊湊。
雖然基于碳化硅的功率模塊目前比基于硅的模塊更昂貴，但總體系統(tǒng)效益已經(jīng)偏向碳化硅，主要受到電池成本降低的推動。隨著純電動汽車從400伏特向800伏特結(jié)構(gòu)的過渡，這一優(yōu)勢變得更加明顯——對于后者而言，碳化硅在系統(tǒng)成本和尺寸方面提供了更大的優(yōu)勢。
此外，由于碳化硅是比Si-IGBT更新的技術(shù)，預(yù)計其價格在未來幾年內(nèi)將更快地下降。較小的芯片尺寸以及對越來越相信碳化硅在更高工作溫度下的可靠性，使得其成本競爭力更強，可以應(yīng)用于功率較低的大眾市場車輛的逆變器中。特斯拉最近關(guān)于在動力系統(tǒng)中更高效使用碳化硅的公告突顯了這一趨勢。
除了逆變器，車載充電器（OBC）和DC-DC也為使用碳化硅提高效率提供了更多機會。然而，這些組件的功率較低意味著它們所需的芯片面積可以比逆變器功率模塊少十倍。這使得它們不太適合碳化硅，尤其是考慮到未來幾年預(yù)期的供應(yīng)短缺情況。從長遠來看，為車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器供電的明確贏家還有待觀察。可選擇的包括成熟的Si-IGBT、通過創(chuàng)新和擴張來降低成本的碳化硅，以及新興的氮化鎵（GaN）技術(shù)。在可預(yù)見的未來，逆變器將是碳化硅的主要應(yīng)用領(lǐng)域，大約占碳化硅價值貢獻的三分之一，而車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器約占十分之一。
氮化鎵（GaN）是另一種有前途的寬帶隙材料，但在高壓應(yīng)用方面并不被視為碳化硅的直接競爭對手。氮化鎵的成本優(yōu)勢主要源于其在硅襯底上的制造。然而，這一特性也限制了氮化鎵的擊穿電壓，這意味著與碳化硅相比，它不太適合高壓應(yīng)用。此外，氮化鎵的熱性能較差，其外延層的厚度也帶來了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，氮化鎵最適合的應(yīng)用領(lǐng)域可能局限于高頻應(yīng)用，例如快速充電器和射頻設(shè)備。其他寬帶隙材料，如氧化鎵（Ga203），離商業(yè)化還有很長的路要走，可能要到2030年后才能發(fā)揮重要作用。
總而言之，這些發(fā)展意味著對碳化硅的汽車行業(yè)需求不容小覷。到2030年，預(yù)計電動汽車逆變器中的碳化硅應(yīng)用將達到約80%，在2028年超過基于硅的功率模塊，并推動碳化硅市場超過140億歐元（見圖2）。汽車行業(yè)將占據(jù)70%以上的市場份額。
圖2：碳化硅在電動汽車平臺中的應(yīng)用推動市場增長
垂直整合正在重塑碳化硅價值鏈
相較于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機，電動汽車的動力系統(tǒng)要簡單得多。為了保持利潤和確保就業(yè)機會，盡管增值機會較少，許多原始設(shè)備制造商（OEM）采取了垂直整合策略，從電池生產(chǎn)開始，逐漸向逆變器的開發(fā)和生產(chǎn)發(fā)展（見圖3）。因此，功率模塊作為市場上重要的供應(yīng)組件變得越來越重要。借鑒最近的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈危機中的教訓(xùn)，OEM利用他們新建立的行業(yè)聯(lián)系和半導(dǎo)體知識來確保碳化硅的供應(yīng)鏈。
圖3：垂直整合正在改變碳化硅價值鏈
在價值鏈的上游，半導(dǎo)體集成設(shè)備制造商（IDM）也在進行垂直擴張，旨在整合功率模塊的生產(chǎn)。這一發(fā)展增加了一級供應(yīng)商的競爭壓力。作為回應(yīng)，領(lǐng)先的一級供應(yīng)商正在與半導(dǎo)體IDM建立密切合作伙伴關(guān)系，通過整合開發(fā)（從芯片到模塊和逆變器）和專業(yè)知識來實現(xiàn)差異化，以滿足每個原始設(shè)備制造商的特定需求。在這種責(zé)任轉(zhuǎn)移的背景下，半導(dǎo)體行業(yè)需要制定功率模塊設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。
到目前為止，只有少數(shù)碳化硅晶圓代工供應(yīng)商進入市場。半導(dǎo)體IDM擁有廣泛的知識產(chǎn)權(quán)和加工碳化硅、設(shè)計高性能芯片所需的專業(yè)知識，為新進入者設(shè)置了實質(zhì)性的壁壘。然而，晶圓代工廠商在擴大半導(dǎo)體生產(chǎn)規(guī)模方面具有獨一無二的能力，這可能對與那些努力獲得規(guī)模優(yōu)勢的較小的IDM合作來說非常有價值。
在價值鏈的更上游，高質(zhì)量的襯底對于碳化硅芯片制造商至關(guān)重要。碳化硅襯底和芯片生產(chǎn)工藝仍處于初期階段，直到最近才達到了大規(guī)模生產(chǎn)的成熟階段。提高襯底質(zhì)量仍然是提高芯片產(chǎn)量的一個關(guān)鍵障礙。此外，過渡到8英寸襯底將是實現(xiàn)必要的芯片數(shù)量和具有競爭力的成本地位的關(guān)鍵。預(yù)計很快將有足夠的6英寸襯底供應(yīng)，然而8英寸的商業(yè)化生產(chǎn)剛剛開始，未來幾年預(yù)計會出現(xiàn)供應(yīng)短缺的情況。因此，一些IDM已經(jīng)收購了襯底制造商來擴大自己的生產(chǎn)規(guī)模，而OEM則認為獲得襯底資源是其碳化硅功率模塊和逆變器供應(yīng)商的關(guān)鍵先決條件。
行業(yè)和能源應(yīng)用將推動碳化硅的更廣泛應(yīng)用
雖然汽車應(yīng)用將是碳化硅需求的主要推動因素，但可再生能源和工業(yè)領(lǐng)域也有望從碳化硅技術(shù)的進步中獲益，以提高能源效率。在中高功率應(yīng)用中，碳化硅的較高成本可以通過實現(xiàn)顯著的節(jié)能來證明其合理性。在能源行業(yè)中，光伏逆變器和電動車充電基礎(chǔ)設(shè)施具有最大的增長潛力，同時還可能涌現(xiàn)出其他應(yīng)用，如電網(wǎng)儲能。工業(yè)領(lǐng)域以電源為主導(dǎo)，還包括各種各樣的其他應(yīng)用，包括火車的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
與汽車逆變器相比，這些行業(yè)的采用可能較慢，因為需要更高的電壓等級，且標(biāo)準(zhǔn)化程度較低。此外，短期供應(yīng)緊缺和大型OEM合同可能限制了可用的碳化硅產(chǎn)能。然而，正在進行的能源轉(zhuǎn)型將持續(xù)數(shù)十年，能源和工業(yè)應(yīng)用目前才開始獲得動力。一旦電動汽車的采用開始趨于穩(wěn)定，這些行業(yè)在促進碳化硅需求和長期增長方面可能會發(fā)揮越來越重要的作用。
隨著市場的發(fā)展，需要進行重大的新產(chǎn)能投資
已經(jīng)有大量的投資用于碳化硅生產(chǎn)能力，并且IDM已經(jīng)宣布了未來幾年進一步投資的計劃。然而，通常需要三到四年的時間，新的前端碳化硅產(chǎn)能才能投入運營。此外，從2025年開始，隨著完全依賴于碳化硅半導(dǎo)體逆變器的新電動汽車平臺的推出，需求將會激增。這些因素的結(jié)合意味著供應(yīng)限制將在未來五到七年內(nèi)持續(xù)存在，從而限制了市場的增長潛力（見圖4）。為了在2030年實現(xiàn)供需平衡，除了已經(jīng)宣布的計劃外，IDM需要在未來幾年內(nèi)對產(chǎn)能擴張進行額外投資。
圖4：碳化硅市場將面臨產(chǎn)能限制
考慮到限制因素，我們預(yù)計碳化硅市場的發(fā)展將經(jīng)歷三個不同的階段：
第一批進入者的到來和生態(tài)系統(tǒng)的形成，這些在今天是顯而易見的。
電動汽車對碳化硅的強勁需求驅(qū)動產(chǎn)能迅速擴大。
市場成熟階段，其特點是增長率降低、市場整合，并在汽車應(yīng)用之外實現(xiàn)更廣泛的采用。
每個階段都為相關(guān)參與者（包括半導(dǎo)體IDM、汽車一級供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商）帶來了獨特的機遇、挑戰(zhàn)和戰(zhàn)略要求。
第一階段：先行者
隨著生態(tài)系統(tǒng)的形成和先行者對技術(shù)進行改進、宣布產(chǎn)能投資和確保市場份額，當(dāng)前的碳化硅發(fā)展初期階段提供了發(fā)展的機遇。由于碳化硅的產(chǎn)量有限，價格仍然較高。
對于IDM來說，這個階段的重點是掌握碳化硅芯片加工技術(shù)以提高產(chǎn)量，并通過戰(zhàn)略投資和公共資金的快速擴張，在功率模塊的差異化和擴展方面取得成功。獲得高質(zhì)量的碳化硅襯底是IDM之間的關(guān)鍵差異化因素，因為襯底是主要的成本驅(qū)動因素，并且極大地影響產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
在需求方面，原始設(shè)備制造商已將碳化硅確定為一種供應(yīng)不確定的關(guān)鍵半導(dǎo)體組件。借鑒最近半導(dǎo)體供應(yīng)鏈危機的教訓(xùn)，原始設(shè)備制造商正在利用與半導(dǎo)體廠商建立的新關(guān)系以及對該行業(yè)日益增長的了解，直接從IDM那里獲取產(chǎn)能。
價值鏈的轉(zhuǎn)變使得一級供應(yīng)商處于一個不確定的位置。雖然他們將繼續(xù)擁有一些逆變器生產(chǎn)業(yè)務(wù)，但IDM直接向原始設(shè)備制造商銷售功率模塊的情況越來越普遍。IDM與原始設(shè)備制造商之間直接合作的趨勢不斷上升，讓一級供應(yīng)商處于邊緣狀態(tài)。為了在這種格局下保持競爭力，他們必須與原始設(shè)備制造商和IDM建立穩(wěn)固的合作伙伴關(guān)系。
第二階段：快速擴張
從2025年開始，主要的戰(zhàn)略重點將放在快速擴張上。IDM將集中精力快速提高新的前端產(chǎn)能，以充分利用高利潤潛力。技術(shù)進步將帶來成本降低，例如過渡到8英寸襯底、先進的晶片切割和晶片尺寸縮小，以及規(guī)模效益。許多新的電動汽車平臺將依賴碳化硅，促使原始設(shè)備制造商采取多元供應(yīng)策略，以規(guī)避潛在的碳化硅供應(yīng)短缺。在快速變化的地緣政治環(huán)境下，與中國的供應(yīng)和交流仍然不確定，因此預(yù)計會強調(diào)本地供應(yīng)。
盡管產(chǎn)量提高和規(guī)模效益將降低生產(chǎn)成本，但由于持續(xù)的供應(yīng)限制，市場價格的下降可能會延遲。這種供應(yīng)不足可能會推遲新的基于碳化硅的電動汽車平臺的推出，迫使原始設(shè)備制造商對平臺大幅重新設(shè)計平臺，以實現(xiàn)Si-IGBT的替代。另一方面，不斷增長的公共資金機會和對市場發(fā)展信心的增加可能會刺激芯片生產(chǎn)能力和技術(shù)進步的加速投資。這將導(dǎo)致更高的芯片產(chǎn)量并減少芯片面積需求。在當(dāng)前投資周期之外，大約在2027年左右，供需平衡將因未來幾年的決策和進展而受到重大影響。
第三階段：市場成熟
從長遠來看，將碳化硅在其他應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化使用將變得越來越重要。競爭加劇和市場增長放緩將導(dǎo)致價格下降。戰(zhàn)略重點將受到新技術(shù)創(chuàng)新的影響，例如GaN在中功率領(lǐng)域的競爭性增強，以及工業(yè)和能源應(yīng)用的需求。
歐洲實力強大的碳化硅（SiC）行業(yè)參與者可為重建芯片行業(yè)提供藍圖
要生產(chǎn)高質(zhì)量、高效的碳化硅芯片，制造商必須克服該材料獨特性質(zhì)（如硬度）帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，碳化硅需要獨特的技術(shù)方法、流程優(yōu)化和專用工具。鑒于這些挑戰(zhàn)，迄今為止，很少有制造商擴大了產(chǎn)能。實際上，在爭奪市場領(lǐng)導(dǎo)地位的新競賽中，前五名的參與者占據(jù)了80%以上的碳化硅市場收入。
領(lǐng)先的參與者宣布了重要的前端產(chǎn)能擴張投資，表明碳化硅技術(shù)已成熟到足以進行大規(guī)模生產(chǎn)。美國和歐洲公司是創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者，日本公司等緊隨其后。中國的競爭對手也在推進碳化硅技術(shù)。雖然許多參與者以具有競爭力的質(zhì)量水平進入全球基板市場，但汽車級芯片生產(chǎn)滯后，并預(yù)計到2030年將專注于為本地市場提供服務(wù)。全球越來越多的參與者正在加入碳化硅市場，但先行者的規(guī)模效益和知識產(chǎn)權(quán)覆蓋可能會鼓勵長期的整合。
持續(xù)的投資正在塑造全球碳化硅制造業(yè)的布局（參見圖5）。在美國和歐洲獲得大量公共資金的推動下，再加上從地緣政治變動和最近的供應(yīng)鏈危機中獲得的見解，與傳統(tǒng)的基于硅的芯片生產(chǎn)相比，出現(xiàn)了一個截然不同的格局。在這個格局下，到2027年，美國、歐洲和亞太地區(qū)的生產(chǎn)能力預(yù)計將達到相近的水平。
圖5：歐盟和美國的參與者將擁有最大的布局
隨著需求的增加，快速擴大新的制造能力將成為增加市場份額和從高利潤潛力中獲利的關(guān)鍵差異化因素。然而，仍然存在一些重大挑戰(zhàn)，特別是過渡到200毫米基板以及控制和持續(xù)提高良率。因此，在這個新興的半導(dǎo)體領(lǐng)域中，對芯片設(shè)計和制造工藝的投資和發(fā)展對于維持強勁的市場地位至關(guān)重要，尤其是對于歐洲來說，它可以作為重建其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的藍圖。
價值鏈中的要務(wù)
我們研究的結(jié)果指出了價值鏈中每個參與者所面臨的一系列要務(wù)：
汽車原始設(shè)備制造商（OEM）必須將碳化硅視為關(guān)鍵資源。其重要性源于對功率電子的激增需求，特別是在行業(yè)向800伏特架構(gòu)過渡時。然而，潛在的碳化硅供應(yīng)短缺可能限制其在新的電動汽車平臺中的可用性。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)并充分發(fā)揮碳化硅的潛力，OEM應(yīng)該探索合作伙伴機會來控制主要的價值鏈環(huán)節(jié)。他們還應(yīng)密切關(guān)注中國市場對本土供應(yīng)的需求，并準(zhǔn)備在中長期內(nèi)實施這種方法。
汽車一級供應(yīng)商應(yīng)優(yōu)先考慮將碳化硅作為功率模塊的關(guān)鍵組件。這對于應(yīng)對進入逆變器業(yè)務(wù)的原始設(shè)備制造商的競爭至關(guān)重要。此外，一級供應(yīng)商應(yīng)利用與半導(dǎo)體制造商的密切關(guān)系，將半導(dǎo)體的開發(fā)與汽車規(guī)格和要求保持高度一致。這樣的合作將通過差異化產(chǎn)品和確保市場地位來增加價值。
半導(dǎo)體IDMs應(yīng)迅速擴大生產(chǎn)能力以獲利于強勁的市場增長。為了保持長期競爭力，IDMs應(yīng)推動創(chuàng)新，朝著使用8英寸晶圓上的更小芯片的方向發(fā)展。
半導(dǎo)體代工廠應(yīng)考慮碳化硅是否對他們來說是一個機會，特別是在與IDM合作的情況下。
碳化硅半導(dǎo)體所帶來的能效提升將有助于電動汽車的過渡，并促進可再生能源的更廣泛采用。然而，供應(yīng)短缺威脅到延遲實現(xiàn)這些機會。為了充分獲得碳化硅的全部好處，價值鏈參與者必須單獨和集體行動，繼續(xù)行業(yè)的投資軌跡，并對到2030年100億至300億美元的投資需求進行配置。主動應(yīng)對挑戰(zhàn)的領(lǐng)先者很可能獲得重要的競爭優(yōu)勢。
來源：愛集微 武守哲
