長期以來，基于硅的半導體一直是高功率電子應用的黃金標準，但這種統治即將結束。在突破性的轉變中，材料科學和制造技術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型以及將運輸和供暖系統電氣化，這些效率提升對于實現可持續發展目標至關重要。對此，波士頓研究（BCG）發表了一份專門報告。
碳化硅（SiC）在這些革命性材料中脫穎而出，并有望在高功率應用中取代硅。到2025年，預計大多數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合增長率將超過30%。汽車原始設備制造商（OEM）已經認識到碳化硅在即將推出的電動汽車平臺中發揮著不可或缺的作用，而領先的半導體集成器件制造商（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展，并旨在闡明供需失衡的前景。我們發現，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計將面臨供應瓶頸，使得早期投資者在碳化硅產能方面具有競爭優勢。從長遠來看，碳化硅在可再生能源領域，包括太陽能和風能逆變器以及眾多工業應用案例中的應用需求將得到提振。
碳化硅的新穎性和預期的供應限制，加上電動汽車逆變器的重要性，使得確保碳化硅供應與確保電池供應一樣成為汽車OEM的首要任務。所有價值鏈參與者都需要建立新的合作伙伴關系，并計劃進行重大的額外產能投資，以確保碳化硅供應在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期。最近的政策變化進一步加速了電動汽車的發展，例如歐盟計劃在2035年禁止銷售新型內燃機車輛。到2030年，純電動汽車（BEV）預計將約占全球輕型車生產的40%。
在純電動汽車中，功率半導體器件調節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備的電能流。電動動力總成是每輛車中半導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（ADAS）、自動駕駛（AD）技術和數字化駕艙功能。
在電動動力系統中，逆變器含有最多的半導體器件，使用功率半導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）。預計到2020年代中期推出的大多數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，這要歸功于其優越的電氣特性，如更大的帶隙和電擊穿場強度。這些特性導致在開關過程中能量損失約減少40%，直接影響電動汽車的續航里程和電池尺寸要求。此外，碳化硅具有更高能效、更好的熱導率和更優越的穩定性，降低了冷卻需求，并使得設備外形更加緊湊。
雖然基于碳化硅的功率模塊目前比基于硅的模塊更昂貴，但總體系統效益已經偏向碳化硅，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伏特結構的過渡，這一優勢變得更加明顯——對于后者而言，碳化硅在系統成本和尺寸方面提供了更大的優勢。
此外，由于碳化硅是比Si-IGBT更新的技術，預計其價格在未來幾年內將更快地下降。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，可以應用于功率較低的大眾市場車輛的逆變器中。特斯拉最近關于在動力系統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期的供應短缺情況。從長遠來看，為車載充電器和DC-DC轉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、通過創新和擴張來降低成本的碳化硅，以及新興的氮化鎵（GaN）技術。在可預見的未來，逆變器將是碳化硅的主要應用領域，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挑戰。因此，氮化鎵最適合的應用領域可能局限于高頻應用，例如快速充電器和射頻設備。其他寬帶隙材料，如氧化鎵（Ga203），離商業化還有很長的路要走，可能要到2030年后才能發揮重要作用。
總而言之，這些發展意味著對碳化硅的汽車行業需求不容小覷。到2030年，預計電動汽車逆變器中的碳化硅應用將達到約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）。汽車行業將占據70%以上的市場份額。
圖2：碳化硅在電動汽車平臺中的應用推動市場增長
垂直整合正在重塑碳化硅價值鏈
相較于傳統燃油發動機，電動汽車的動力系統要簡單得多。為了保持利潤和確保就業機會，盡管增值機會較少，許多原始設備制造商（OEM）采取了垂直整合策略，從電池生產開始，逐漸向逆變器的開發和生產發展（見圖3）。因此，功率模塊作為市場上重要的供應組件變得越來越重要。借鑒最近的半導體供應鏈危機中的教訓，OEM利用他們新建立的行業聯系和半導體知識來確保碳化硅的供應鏈。
圖3：垂直整合正在改變碳化硅價值鏈
在價值鏈的上游，半導體集成設備制造商（IDM）也在進行垂直擴張，旨在整合功率模塊的生產。這一發展增加了一級供應商的競爭壓力。作為回應，領先的一級供應商正在與半導體IDM建立密切合作伙伴關系，通過整合開發（從芯片到模塊和逆變器）和專業知識來實現差異化，以滿足每個原始設備制造商的特定需求。在這種責任轉移的背景下，半導體行業需要制定功率模塊設計的標準。
到目前為止，只有少數碳化硅晶圓代工供應商進入市場。半導體IDM擁有廣泛的知識產權和加工碳化硅、設計高性能芯片所需的專業知識，為新進入者設置了實質性的壁壘。然而，晶圓代工廠商在擴大半導體生產規模方面具有獨一無二的能力，這可能對與那些努力獲得規模優勢的較小的IDM合作來說非常有價值。
在價值鏈的更上游，高質量的襯底對于碳化硅芯片制造商至關重要。碳化硅襯底和芯片生產工藝仍處于初期階段，直到最近才達到了大規模生產的成熟階段。提高襯底質量仍然是提高芯片產量的一個關鍵障礙。此外，過渡到8英寸襯底將是實現必要的芯片數量和具有競爭力的成本地位的關鍵。預計很快將有足夠的6英寸襯底供應，然而8英寸的商業化生產剛剛開始，未來幾年預計會出現供應短缺的情況。因此，一些IDM已經收購了襯底制造商來擴大自己的生產規模，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商的關鍵先決條件。
行業和能源應用將推動碳化硅的更廣泛應用
雖然汽車應用將是碳化硅需求的主要推動因素，但可再生能源和工業領域也有望從碳化硅技術的進步中獲益，以提高能源效率。在中高功率應用中，碳化硅的較高成本可以通過實現顯著的節能來證明其合理性。在能源行業中，光伏逆變器和電動車充電基礎設施具有最大的增長潛力，同時還可能涌現出其他應用，如電網儲能。工業領域以電源為主導，還包括各種各樣的其他應用，包括火車的DC-DC轉換器。
與汽車逆變器相比，這些行業的采用可能較慢，因為需要更高的電壓等級，且標準化程度較低。此外，短期供應緊缺和大型OEM合同可能限制了可用的碳化硅產能。然而，正在進行的能源轉型將持續數十年，能源和工業應用目前才開始獲得動力。一旦電動汽車的采用開始趨于穩定，這些行業在促進碳化硅需求和長期增長方面可能會發揮越來越重要的作用。
隨著市場的發展，需要進行重大的新產能投資
已經有大量的投資用于碳化硅生產能力，并且IDM已經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。這些因素的結合意味著供應限制將在未來五到七年內持續存在，從而限制了市場的增長潛力（見圖4）。為了在2030年實現供需平衡，除了已經宣布的計劃外，IDM需要在未來幾年內對產能擴張進行額外投資。
圖4：碳化硅市場將面臨產能限制
考慮到限制因素，我們預計碳化硅市場的發展將經歷三個不同的階段：
第一批進入者的到來和生態系統的形成，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動產能迅速擴大。
市場成熟階段，其特點是增長率降低、市場整合，并在汽車應用之外實現更廣泛的采用。
每個階段都為相關參與者（包括半導體IDM、汽車一級供應商和原始設備制造商）帶來了獨特的機遇、挑戰和戰略要求。
第一階段：先行者
隨著生態系統的形成和先行者對技術進行改進、宣布產能投資和確保市場份額，當前的碳化硅發展初期階段提供了發展的機遇。由于碳化硅的產量有限，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以提高產量，并通過戰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。獲得高質量的碳化硅襯底是IDM之間的關鍵差異化因素，因為襯底是主要的成本驅動因素，并且極大地影響產量和生產能力。
在需求方面，原始設備制造商已將碳化硅確定為一種供應不確定的關鍵半導體組件。借鑒最近半導體供應鏈危機的教訓，原始設備制造商正在利用與半導體廠商建立的新關系以及對該行業日益增長的了解，直接從IDM那里獲取產能。
價值鏈的轉變使得一級供應商處于一個不確定的位置。雖然他們將繼續擁有一些逆變器生產業務，但IDM直接向原始設備制造商銷售功率模塊的情況越來越普遍。IDM與原始設備制造商之間直接合作的趨勢不斷上升，讓一級供應商處于邊緣狀態。為了在這種格局下保持競爭力，他們必須與原始設備制造商和IDM建立穩固的合作伙伴關系。
第二階段：快速擴張
從2025年開始，主要的戰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能，以充分利用高利潤潛力。技術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，以及規模效益。許多新的電動汽車平臺將依賴碳化硅，促使原始設備制造商采取多元供應策略，以規避潛在的碳化硅供應短缺。在快速變化的地緣政治環境下，與中國的供應和交流仍然不確定，因此預計會強調本地供應。
盡管產量提高和規模效益將降低生產成本，但由于持續的供應限制，市場價格的下降可能會延遲。這種供應不足可能會推遲新的基于碳化硅的電動汽車平臺的推出，迫使原始設備制造商對平臺大幅重新設計平臺，以實現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展信心的增加可能會刺激芯片生產能力和技術進步的加速投資。這將導致更高的芯片產量并減少芯片面積需求。在當前投資周期之外，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，將碳化硅在其他應用領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致價格下降。戰略重點將受到新技術創新的影響，例如GaN在中功率領域的競爭性增強，以及工業和能源應用的需求。
歐洲實力強大的碳化硅（SiC）行業參與者可為重建芯片行業提供藍圖
要生產高質量、高效的碳化硅芯片，制造商必須克服該材料獨特性質（如硬度）帶來的技術挑戰。因此，碳化硅需要獨特的技術方法、流程優化和專用工具。鑒于這些挑戰，迄今為止，很少有制造商擴大了產能。實際上，在爭奪市場領導地位的新競賽中，前五名的參與者占據了80%以上的碳化硅市場收入。
領先的參與者宣布了重要的前端產能擴張投資，表明碳化硅技術已成熟到足以進行大規模生產。美國和歐洲公司是創新領導者，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。雖然許多參與者以具有競爭力的質量水平進入全球基板市場，但汽車級芯片生產滯后，并預計到2030年將專注于為本地市場提供服務。全球越來越多的參與者正在加入碳化硅市場，但先行者的規模效益和知識產權覆蓋可能會鼓勵長期的整合。
持續的投資正在塑造全球碳化硅制造業的布局（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鏈危機中獲得的見解，與傳統的基于硅的芯片生產相比，出現了一個截然不同的格局。在這個格局下，到2027年，美國、歐洲和亞太地區的生產能力預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鍵差異化因素。然而，仍然存在一些重大挑戰，特別是過渡到200毫米基板以及控制和持續提高良率。因此，在這個新興的半導體領域中，對芯片設計和制造工藝的投資和發展對于維持強勁的市場地位至關重要，尤其是對于歐洲來說，它可以作為重建其半導體產業的藍圖。
價值鏈中的要務
我們研究的結果指出了價值鏈中每個參與者所面臨的一系列要務：
汽車原始設備制造商（OEM）必須將碳化硅視為關鍵資源。其重要性源于對功率電子的激增需求，特別是在行業向800伏特架構過渡時。然而，潛在的碳化硅供應短缺可能限制其在新的電動汽車平臺中的可用性。為了應對挑戰并充分發揮碳化硅的潛力，OEM應該探索合作伙伴機會來控制主要的價值鏈環節。他們還應密切關注中國市場對本土供應的需求，并準備在中長期內實施這種方法。
汽車一級供應商應優先考慮將碳化硅作為功率模塊的關鍵組件。這對于應對進入逆變器業務的原始設備制造商的競爭至關重要。此外，一級供應商應利用與半導體制造商的密切關系，將半導體的開發與汽車規格和要求保持高度一致。這樣的合作將通過差異化產品和確保市場地位來增加價值。
半導體IDMs應迅速擴大生產能力以獲利于強勁的市場增長。為了保持長期競爭力，IDMs應推動創新，朝著使用8英寸晶圓上的更小芯片的方向發展。
半導體代工廠應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，供應短缺威脅到延遲實現這些機會。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，繼續行業的投資軌跡，并對到2030年100億至300億美元的投資需求進行配置。主動應對挑戰的領先者很可能獲得重要的競爭優勢。
來源：愛集微 武守哲
