本文编译自BCG analysis 的“Silicon Carbide Chips: The Auto Sector’s Newest Supply Hurdle”一篇趋势解读,作者为Jan-Hinnerk Mohr, Holger Rubel, Robert Herzberg, Rolf Kilian and Tristan Harder。主要研究探讨了不断发展的碳化硅市场,旨在揭示供需失衡的前景。

SiC在电动汽车逆变器中的应用将推动市场的初步增长。然而,预计未来5-7年,SiC市场的供应将受到限制,这将为SiC产能的早期投资者带来竞争优势。从长远来看,可再生能源领域的应用(包括光伏和风能逆变器)以及众多的工业用例将推动SiC的需求。
SiC的新颖性和预期的供应限制,再加上电动汽车逆变器的重要性,使得确保SiC供应与确保电池供应一样,成为汽车 OEM 的首要任务。所有价值链参与者都需要建立新的合作伙伴关系,计划大幅增加产能投资,以确保2027年之后SiC的供应跟上需求的步伐

01.

SiC将为未来汽车提供动力
电动汽车的普及率一直超过预期。当然,政策的变化也进一步加快了电动汽车的普及速度,例如欧盟将从2035年开始禁售新的燃油车。预计到2030年,纯电动汽车 (BEV) 预计将占全球轻型汽车产量的40%
在纯电动汽车中,功率半导体调节从充电器到高压直流电池以及从电池到交流电机和低电压直流设备的电能流。电动动力总成是每辆车半导体含量不断增加的主要原因之一,此外还有高级驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶(AD)技术和数字座舱功能。
在动力系统中,逆变器的半导体含量最高,它使用功率半导体通过电池的直流电来运行和控制交流电机。预计到2020年代中期推出的大多数电动汽车平台都将在逆变器中采用SiC,从而促进市场的大幅增长。

▲ 碳化硅为逆变器贡献最大价值(Source: BCG analysis )
SiC具有更大的带隙和击穿电场等优异电气特性,因此将在逆变器中广泛取代硅绝缘栅双极晶体管(Si-IGBT)。这些特性使开关过程中的能量损耗减少了约40%,这直接影响了电动汽车的续航里程和对电池尺寸的要求。此外,SiC还具有更高的能效、更强的导热性和卓越的稳定性,从而减少了冷却需求,使外形更加紧凑。
虽然目前基于SiC功率模块比基于硅的同类产品更昂贵,但主要受电池成本降低的驱动,SiC的整体系统优势已经凸显。随着纯电动汽车架构从400V过渡到800V,SiC在系统成本和尺寸方面为后者提供了相当大的优势。
此外,由于SiC是一种比Si-IGBT更新的技术,预计其价格在未来几年会下降得更快。由于芯片尺寸更小,而且人们对SiC即使在较高工作温度下的可靠性的信心也不断增强,因此SiC在成本方面更具竞争力,从而允许SiC在逆变器额定功率较低的大众市场车辆中应用。特斯拉最近宣布将在其动力系统中更有效地使用SiC,凸显了这一趋势。
除了逆变器之外,车载充电器和DC-DC转换器也为使用SiC提高效率提供了更多机会。然而,这些组件的额定功率较低,这意味着它们所需的芯片面积比逆变器功率模块少十倍。这就使得它们不是SiC的理想候选者,尤其是考虑到未来几年预计会出现的供应短缺。从长远来看,为车载充电器和DC-DC转换器供电的明显赢家仍有待观察。成熟的 Si-IGBT、通过创新和扩展降低成本的碳化硅以及新兴的氮化镓(GaN)技术将是未来的选择。可以预见的是,逆变器将成为动力总成中SiC的主要应用,约占SiC价值贡献的三分之一,而车载充电器和DC-DC转换器约占十分之一。
氮化镓(GaN)是另一种前景看好的宽带隙材料,但在高压应用领域,它并不被认为是SiC的直接竞争对手。氮化镓的成本优势主要来自其在硅衬底上的制造工艺。然而,这一特性也限制了氮化镓的击穿电压,这意味着与碳化硅相比,氮化镓不太适合高压应用。此外,氮化镓的热性能较差,其外延层的厚度也带来了重大的技术挑战。因此,氮化镓最适合的应用可能仅限于高频应用,如快速充电器和射频(RF)设备。其他宽带隙材料,如氧化镓(Ga203)距离商业化还很远,可能要到2030年后才能发挥重要作用。
综上所述,汽车行业对SiC的需求不容小觑。到2030年,SiC在电动汽车逆变器中的应用预计将达到 80% 左右,到2028年将超过硅基功率模块,推动SiC市场规模超过140亿欧元。汽车行业将占据 70% 以上的市场份额。

▲ 电动汽车平台中碳化硅的采用正在推动市场增长(Source: BCG analysis )

02.

垂直整合正在重塑SiC价值链
与内燃机相比,电动汽车动力系统的复杂程度要低得多。为了在增值机会较少的情况下保持利润和确保市场,许多OEM采取了垂直整合战略,从电池生产开始,逐步转向逆变器的开发和生产。因此,功率模块作为市场上的关键供应部件,其重要性日益凸显。借鉴最近的半导体供应链危机的经验教训,OEM正在利用其新建立的行业联系和半导体知识来确保碳化硅供应链的安全。

▲ 垂直整合正在改变 SiC 价值链(Source: BCG analysis )
在价值链上游,半导体IDM也在垂直扩张,旨在整合功率模块生产。这种发展增加了Tier1的竞争压力。为此,领先的Tier1正在与半导体IDM建立密切的合作伙伴关系,以基于集成开发(从芯片到模块和逆变器)和专业知识来实现差异化,进而满足每个 OEM 的特定要求。在这种责任转移的背景下,半导体行业需要制定功率模块设计标准。
迄今为止,很少有SiC代工供应商进入市场。半导体IDM拥有处理SiC和设计高性能芯片所需的大量知识产权(IP)和专业知识,这给新进入者造成了巨大障碍。然而,代工企业无与伦比的半导体生产规模化能力,可能会在与努力实现规模效益的较小IDM的合作中发挥重要作用。
在更上游的地方,获得高质量衬底对于SiC芯片制造商至关重要。SiC衬底和芯片生产工艺仍处于初级阶段,直到最近才达到批量生产的成熟度。提高衬底质量仍然是提高芯片生产良率的关键障碍。此外,过渡到8英寸衬底对于实现必要的芯片数量和具有竞争力的成本地位至关重要。预计很快就会有充足的6英寸衬底供应,然而,8英寸的商业化生产才刚刚开始,预计未来几年将出现供应短缺。因此,一些IDM已收购衬底制造商以扩大自己的生产规模,而OEM已将获得衬底视为其SiC功率模块和逆变器供应商的关键先决条件。

03.

工业和能源应用将推动SiC的广泛应用
虽然汽车应用将成为SiC需求的主要驱动力,但可再生能源和工业领域也将受益于SiC技术的进步,以提高能源效率。SiC的较高成本在中高功率应用中是相对合理的,这些应用可以实现显着的节能。在能源领域,光伏逆变器和电动汽车充电基础设施提供了最大的增长潜力,并且可能会出现电网存储等其他应用。工业领域以电源为主,还有各种其他应用,包括火车用 DC-DC 转换器。
与汽车逆变器相比,这些领域的采用速度可能较慢,因为需要更高的额定电压,而且标准化程度较低。此外,短期供应稀缺和大型 OEM 合同可能会限制SiC的可用产能。然而,正在进行的能源转型将持续数十年,而能源和工业应用的发展势头现在才刚刚开始。一旦纯电动汽车BEV的采用开始趋于平稳,从长远来看,这些行业将在促进SiC需求和增长方面发挥越来越重要的作用。

04.

随着市场的发展,需要进行大规模的新产能投资
IDM已经对SiC产能进行了大量投资,并宣布了未来几年进一步投资的计划。然而,新的前端SiC产能投产通常需要3-4年的滞后期。此外,从2025年起,随着完全依赖SiC半导体作为逆变器的新电动汽车平台的到来,需求将激增。这一系列因素意味着,供应限制将在未来5-7年内持续存在,从而限制了市场的增长潜力。为了到2030年实现供需平衡,除了已经宣布的投资之外,IDM 还需要在未来几年内对产能扩张进行额外投资。

▲ 图4 SiC市场将面临产能限制(Source: BCG analysis )

kWSPM = Thousand Wafer Starts per Month 

考虑到这些制约因素,我们预计发展中的SiC市场将经历三个不同的阶段:
 先行者的到来和生态系统的形成,这在今天是显而易见的。
 在电动汽车采用SiC的强劲需求的推动下,产能迅速扩大。
 市场成熟,其特点是增长率下降、整合以及汽车应用以外的更广泛采用。
每个阶段都为相关参与者(包括半导体IDM、汽车一级供应商和OEM)带来独特的机遇、挑战和战略要求。
■ 第一阶段:先行者
如今,随着生态系统的形成和先行者完善技术、宣布产能投资和确保市场份额,SiC开发的初始阶段提供了一个机会之窗。由于SiC产量有限,价格居高不下。
对于IDM而言,这一阶段的优先事项包括掌握SiC芯片加工技术以提高产量,通过战略投资和公共资金迅速扩大规模,以及差异化和扩大其功率模块产品。确保获得高质量的SiC衬底是IDM之间差异化的关键因素,因为衬底是主要的成本驱动因素,并严重影响良率和生产能力。
在需求方面,OEM已将SiC视为重要的半导体组件,但供应形势不确定。借鉴最近的半导体供应链危机的教训,OEM正在利用与半导体厂商新建立的关系以及对行业不断加深的了解,直接从IDM获得产能
价值链的转变使Tier1处于不确定的地位。虽然他们将继续拥有一些逆变器生产业务,但由 IDM直接向OEM销售功率模块的情况正变得越来越普遍。IDM与OEM之间直接合作的趋势不断上升,有可能使一级供应商处于边缘地位。要在这一格局中保持竞争力,Tier1必须与OEM和IDM建立牢固的合作关系。
■ 第二阶段:快速扩展
从2025年起,主要的战略重点将放在快速扩张上。IDM将集中精力快速提升新的前端产能,以充分利用高利润的潜力。成本的降低源于技术的进步,如向8英寸衬底的过渡、先进的晶圆切割技术、芯片尺寸的缩小以及规模效益。众多新型电动汽车平台将依赖于碳化硅,这将促使OEM采取多种采购策略,以规避潜在的SiC供应短缺问题。
尽管良率提高和规模效益将降低生产成本,但持续的供应限制可能会推迟市场价格的下降。而这种供应不足可能又会推迟新的基于SiC的电动汽车平台的推出,迫使OEM厂商重新设计平台,以实现Si-IGBT的替代。另一方面,公共融资机会的增加和市场发展信心的增强可能会刺激芯片产能和技术进步的加速投资,这将提高芯片产量,减少芯片面积需求。因此,在目前的投资期限(2027 年左右)之后的供需平衡将在很大程度上受到未来几年的决策和进展的影响。
■ 第三阶段:市场成熟
从长远来看,SiC在其他应用中的多样化使用将变得越来越重要。竞争加剧和市场增长放缓将导致价格下降。战略重点将受到新技术创新的影响,例如GaN在中功率领域日益增强的竞争力,以及工业和能源应用的需求。

05.

欧洲SiC企业可为重建芯片产业提供蓝图
要生产出高质量、高效率的SiC芯片,制造商必须克服这种材料的独特性能(如硬度)所带来的技术挑战。因此,SiC 需要独特的技术方法、工艺优化和专用工具。鉴于这些挑战,迄今为止很少有制造商扩大产能。事实上,在争夺市场领导地位的新一轮竞争中,前五大厂商占据了碳化硅市场 80% 以上的份额。
领先企业已宣布对前端产能扩张进行重大投资,这表明SiC技术已足够成熟,可以进行大规模生产。美国和欧洲公司在创新方面处于领先地位。日本公司等紧随其后。中国的竞争者也在推进SiC技术的发展。虽然许多企业已进入全球衬底市场,并在质量水平上具有竞争力,但汽车级芯片生产滞后,预计到2030年将主要服务于本地市场。越来越多的参与者正在加入全球SiC市场,但从长远来看,先行者的规模优势和知识产权覆盖面可能会促进市场整合。
持续的投资正在塑造全球SiC制造的足迹。在美国和欧洲大量公共资金的推动下,加上从地缘政治变化和近期供应链危机中获得的启示,一个与传统硅基芯片生产截然不同的格局正在形成。在这种格局下,预计到2027年,美国、欧洲和亚太地区的生产能力将达到相似水平。

▲ 欧盟和美国玩家将拥有最大的市场份额(Source: BCG analysis )

目前亚太地区的产能扩张主要集中在日本、韩国和马来西亚。

kWSPM = Thousand Wafer Starts per Month 
随着需求的增加,提高新制造产能的速度将成为扩大市场份额和从高利润潜力中获利的关键差异化因素。然而,重大挑战仍然存在,特别是过渡到8英寸衬底以及控制和持续提高良率。因此,在这一新形成的半导体细分市场中,芯片设计和制造工艺的投资与发展对于保持强大的市场地位至关重要,尤其是对于欧洲而言,这将成为其重建半导体产业的蓝图。

06.

整个价值链的当务之急
汽车OEM必须将SiC视为关键资源。对电力电子器件的需求激增,尤其是在汽车行业向 800V架构过渡的过程中,推动了SiC的重要性。然而,潜在的碳化硅供应短缺可能会限制其在新型电动汽车平台中的应用。为应对挑战并充分挖掘碳化硅的潜力,OEM应探索合作机会,以控制主要价值链环节。他们还应密切关注中国本地采购的需求,并准备在中长期内实施这种方法。
汽车Tier1应优先考虑将碳化硅作为功率模块的关键元件。这对于解决进入逆变器业务的OEM日益激烈的竞争至关重要。此外,Tier1应利用其与半导体制造商的密切关系,使半导体开发与汽车规格和要求达到最佳协调。这种合作将通过产品差异化和确保市场地位来实现增值。
半导体IDM应迅速扩大产能,以便从强劲的市场增长中获利。为了保持长期竞争力,IDM应推动创新,在8英寸晶圆上生产更小的芯片。
半导体代工厂应考虑SiC是否是他们的机遇,尤其是在与 IDM 合作的情况下。
SiC半导体可以提高能源效率,从而促进向电动汽车的过渡,并促进可再生能源的更广泛采用。然而,供应短缺有可能推迟机遇的实现。为了充分享受SiC带来的好处,价值链参与者必须单独或集体行动起来,继续行业投资轨迹,并分配到2030年所需的100亿至300亿美元投资。站在迎接挑战最前沿的企业将有可能获得巨大的竞争优势。
本文来源:BCG analysis
“Silicon Carbide Chips: The Auto Sector’s Newest Supply Hurdle”
本文作者:Jan-Hinnerk Mohr, Holger Rubel, Robert Herzberg, Rolf Kilian and Tristan Harder

本文编译:吴晰



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