聚焦 | 全球碳化硅 （SiC） 供需面临失衡？

市场有报道称：2020 年特斯拉全年共交付新车 49.96万辆，同比增长 35.87%。如果 2022 年特斯拉车型全部采用碳化硅，交付量达到 100 万辆的话，那么仅特斯拉一年就将消耗掉 50 万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为 40-60 万片。因此电动车的快速发展或将造成碳化硅衬底短时间的失衡。

SIC供需失衡是定局？
需求篇

为了搞清楚SIC 是否会面临供需失衡，我们要先搞清楚需求空间有多大？

电动汽车是目前SIC最大的市场。SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩。如特斯拉的Model 3就采用了意法半导体和英飞凌的SiC逆变器，也是全球第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。

自此之后，多家车企开始采用SIC的解决方案。有行业人士称：“目前，电动车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主，但考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量，在车用半导体中，SiC一定会是未来趋势。”

全球碳化硅市场规模预测 (十亿美元)

与此同时，电动车高压化趋势也非常明显: 在乘用电动车领域，目前车辆电压普遍 200-450V左右。随着技术的发展，车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为迫切，比亚迪唐的额定电压超过 600V，保时捷 Taycan 电压平台为 800V。超级快充和功率提升促使电动车不断迈向高压化。

电动车牵引逆变器往高压方向发展

电压平台的不断提升，意味着电动汽车所有的高压元器件及管理系统都要提高标准，首当其冲的就是逆变器。

电动车中，逆变器和电机取代了传统发动机的角色，因此逆变器的设计和效率至关重要，其好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。由于碳化硅的优异特性，围绕 SiC MOSFET 进一步提高车用逆变器功率密度，降低电机驱动系统重量及成本，成为各车企的布局重点。

2018年，特斯拉在 Model 3 的主驱逆变器中使用 SiC MOSFET，每个电机中采用24 个 SiC MOS 单管模块，拆开封装每颗有 2 个 SiC 裸晶，耐压为 650V，

主要供应商为意法半导体。

2020 年比亚迪推出的汉 EV 高性能四驱版本是国内首款在主逆变器中应用自主开发 SiC 模块的电动汽车，与当前的1200V 硅基 IGBT 模块相较，采用 SiC 方案 NEDC 工况下电控效率提升3%-8%。比亚迪汉 EV 能够使用 650V 电压平台，也有碳化硅的功劳，高电压意味着低电流，能减少设备电阻的损耗。对电机设计来说，也更容易在小体积下实现更高功率，也因此，比亚迪汉可以轻松实现 3.9S 的0–100 加速性能。预计到 2023 年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC 车用功率半导体对硅基 IGBT 的全面替代。

2021 年蔚来最新发布的首款纯电轿车也将搭载采用碳化硅模块的第二代电驱平台。

除逆变器之外，碳化硅在 OBC 中已经得到较为广泛的运用，目前有超过 20 家汽车厂商在 OBC 中使用 SiC 器件，随着车载充电机功率的提高，碳化硅方案也从二极管向“二极管+SIC MOS”演进；

DC－DC 转换器从 2018 年开始从硅基 MOS 转向 SiC MOS 方案 。对于充电桩，采用碳化硅模块，充电模块功率可以达到 60KW 以上，而采用 MOSFET/IGBT 单管的设计还是在 15-30kW 水平。采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数量。

因此，对于城市大功率充电站、充电桩，碳化硅带来的小体积在特定场景中具有优势。

值得注意的是，作为全球最大的新能源汽车消费市场，2020年，中国新能源汽车产销分别完成136.6万辆和136.7万辆，同比分别增长7.5%和10.9%，增速较上年实现了由负转正。中汽协总工程师许海东表示， 2021年新能源汽车销量180万辆，同比增长40%。新能源汽车的发展必将促进SIC的需求。

此外，有分析指出，未来一到两年，除了常规的需求讲持续外，一系列因5G、Wi-Fi 6布局而衍生的新兴应用也会持续拉升相关SiC元器件需求。

SIC供需失衡是定局？
供应篇

弄清楚需求之后，我们来看看供应！

成本高是目前碳化硅行业发展的主要瓶颈之一。以碳化硅材料二极管的成本结构为例，晶片衬底成本是50%，外延片是25%，器件晶圆生产环节20%，封装测试环节5%。碳化硅衬底，是碳化硅产业链中投入最大、技术门槛最高的环节。

在SIC成为大趋势之下，几乎所有半导体公司都在积极布局SiC 的研发、推广新产品以及扩产。

2020上半年全球半导体SiC晶片市场份额，美国CREE出货量占据全球45%，日本罗姆子公司SiCrystal占据20%，II-VI占13%；中国企业天科合达的市场占有率由2019年3%上升至2020年5.3%，山东天岳占比为2.6%。

2019年5月Cree宣布，将在未来5年内，斥资10亿美元用于扩大SiC碳化硅产能，在公司美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造一座采用最先进技术的自动化200mm SiC碳化硅生产工厂和一座材料超级工厂。

意法半导体（ST）也在2020年2月份以1.375亿美元现金收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel AB，Norstel生产150mmSiC裸晶圆和外延晶圆。

放眼国内，“中国制造2025”计划中也明确提出要大力发展第三代半导体产业。据不完全统计，我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家（不包括中国电科46所、硅酸盐所、浙江大学和天津理工大学等纯研究机构），近年来这些单位的规划总投资已经超过300亿元，规划总产能已经超过180万片/年。

据专家预计，衬底方面4英寸的逐渐减少并在2025年后退出市场，6英寸的在2025年会增长到40万片。综合上述产能，2022年底全国将达135.9万片，市场容量折算成4寸片，也就是45万片。虽然并非所有的企业都能实现量产或达到较高的良品率，实际可能比上述数字略少，但以上也只是国内目前的产能情况，实际上，目前国产衬底的产品并非是市场应用主流，CREE一家的市占率高达6成之多，几乎独霸市场。除此之外，还有罗姆、英飞凌、ST等企业掌握的衬底产能市占率也排在前列。

国内出货量较大比较知名的晶片衬底企业如天科合达、山东天岳、泰科天润、国基南方等企业尚不能与国外大厂相比。

国内 SiC 各环节与国际领先水平比较

总的来说，虽然国内外尚有比较大的差距，但国内半导体产业正在奋力追赶中，如果国内企业产能全部落实，加上国外的衬底供应，碳化硅市场可能会出现供大于求的现象。

喜忧并存的是，目前成本是限制碳化硅应用的主要原因。在可以预期的5G和新能源汽车的强力拉动下，市场会进一步扩大。同时，适度的供大于求会导致价格下降，反过来刺激下游需求的进一步释放。

电动汽功率器件碳化硅方案与硅方案成本预测

随着产业成熟，预计衬底价格未来五年以每年 10%-15%左右的幅度下降。碳化硅分立器件成本每年能以 10%左右价格下降。

国内碳化硅衬底价格及趋势

假设未来五年碳化硅模块价格 每年下降 10%，IGBT 价格每年下降 5%，电池成本每年下降 10%，中性预 计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗 8%，加上考虑相同续航条件下节 省的电池成本，散热系统成本的缩 减、无源器件 成本缩减，及更好能效节省的使用成本，预期从 2025 年开始，全碳化硅方案相比硅方案就具有综合物料成本优势，市场将快速增长！