從襯底到模塊，SiC產值或超過60億美元，功率器件到底藏著多少機會？
根據Yole的預測，SiC功率器件將很快占據整個功率器件市場的30%，到2027年，SiC行業（從襯底到模塊，包括器件）的產值有望超過60億美元。
各大半導體廠商試圖以不同角度切入這個市場，但是幾年內的市場表現證明，只有完全掌握供應鏈才能獲得高額附加值，因此IDM模式正變成產業發展的最重要趨勢。
IDM模式一枝獨秀
車規級SiC出貨量突破一億的意法半導體（ST），2022年的SiC產能比2020年增長了2.5倍以上，就是得益于其堅定執行的垂直整合戰略。并且，ST希望在2024年實現40%以上SiC襯底的內部供應目標。
ST圍繞這個戰略制定非常詳細的計劃，具體分為四步走：首先，2019年第四季度完成對Norstel AB 公司（現更名為ST SiC AB）的收購；第二，在2020年第一季度首次內部供應6英寸襯底；第三，2021年第三季度推出首批8英寸晶圓樣品，預計2024年前量產；第四，規劃建設新廠，目標到2024年實現內部采購比例超40%。
意法半導體執行副總裁、中國區總裁曹志平認為，對于像SiC這樣的新技術，盡可能多地控制整個制造鏈非常重要，包括SiC襯底、前工序晶圓制造、后工序封測和定制SiC功率模塊。
與邏輯芯片廠商不同，功率半導體行業一直是以IDM為主。IDM 模式使得設計與制造環節協同優化，縮短產品開發時間，并有利于有利于積累制造經驗，形成技術優勢。
以SiC制造為例，若IDM廠商在元件端面臨問題，可依循路徑找出上游襯底或磊晶環節出了錯，加快制程品質的改善，也能有效控制整體成本；若是只做SiC襯底或磊晶的廠商，則需要客戶愿意提供回饋，補足晶圓制造的信息缺口，才能加速推進材料端發展。
曹志平指出，ST將襯底整合到制造鏈，不僅是為了控制成本和產量，還是為了獲得更好的良率，使得制造業務具有更大的靈活性，能更好地跟隨市場需求。
對襯底和外延片廠商Norstel AB的收購是ST進入了SiC供應鏈最上游的關鍵，真正擁有了完整的SiC制造鏈。其他在SiC市場排名靠前的廠商，也都以相似的路徑來進行制造能力的補全。比如，安森美在2021年以4.15億美元收購襯底廠商GT Advanced Technologies，該廠商曾于2019年推出CrystX SiC材料，隨后便與環球晶、安森美和英飛凌達成長期供應協定。很早就在SiC領域進行研究的羅姆，也是在2009年就收購了SiC襯底供應商SiCrystal，使其在全球SiC襯底供應榜上位列前三。
擁有襯底制造能力將是走向IDM模式的關鍵一環，因為SiC襯底在最終的器件中成本占比最高，且為關乎產品品質的關鍵。據統計，在SiC器件的平均成本中，SiC襯底的占比為46%。
而且，SiC襯底也是整個產業鏈中技術壁壘最高的環節。SiC襯底生產需要高度專業化和技術復雜的生產流程，涉及到多個步驟，包括材料制備、襯底切割和拋光等。整個生產流程需要嚴格控制各個環節的參數和工藝，確保襯底質量的穩定性和一致性。同時，襯底生產的技術難度和成本也很高，這也使得襯底生產在整個SiC價值鏈中具有相當高的附加值。掌握襯底制造能力，就在產業中擁有了更大的話語權。
其他行業往往是下游利潤更高，但是SiC襯底是整個產業鏈中技術門檻較高的一環，即使良率在未來有提升，超額利潤也多半給襯底廠商賺走，再加上襯底對整個供應鏈安全至關重要，因此才使得各大廠商紛紛在此押注。
電動汽車加速滲透，SiC 需求超百萬片
新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括：電機驅動系統、車載充電 系統（OBC）、電源轉換系統（車載 DC/DC）和非車載充電樁。碳化硅器件應用于電機 驅動系統中的主逆變器、車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極 限工作溫度、提升系統效率。2020 年，特斯拉 Model3 以及比亞迪漢已經采用碳化硅功率 模塊，特斯拉 Model 3 是第一個集成全 SiC 功率模塊的車企，主要采購意法半導體的 650V 碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由 24 個 1-in-1 功率模塊組成。預計隨著成本下降，未來 越來越多的電動汽車將采用碳化硅模塊。
對比 Si IGBT 和 SiC MOSFET 在電動車領域的應用，相同規格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的功率損耗降低了 70%以上，效率提升了 1-3%。此外，SiC 器件的工作結 溫在 200℃以上，工作頻率在 100kHz 以上，耐壓可達 20kV，這些性能都優于傳統硅器件； 碳化硅器件體積可減小到 IGBT 整機的 1/3-1/5，重量可減小到 40-60%。隨著新能源汽車 的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。
制約碳化硅器件替代速度的主要原因是成本，然而碳化硅器件與傳統硅基器件差價正 在持續縮小。SiC SBD 產品價格由 2017 年的 4.1 元/A 下降到了 2020 年的 1.58 元/A，與 硅基器件的差價在 3.8 倍左右。從 2019 年到 2020 年，1200V 和 1700V 的 SiC MOSFET 的平均價格跌幅達到 30%-40%，有助于加速碳化硅 MOS 器件的市場滲透。
碳化硅器件的優良性能加速碳化硅在電動車功率模塊領域的滲透。碳化硅功率器件應 用于電機驅動系統中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提高 功率密度。相比 Si 基 IGBT 器件，主逆變器搭載 SiC 基 MOSFET 之后，提升系統的效率， 節電 5%-10%，至少 5000 元的節省空間。特斯拉的 Model3 的主逆變器采用了共 48 顆SiC MOSFET，總成本約為 5000 元，相較于 Si IGBT 單車功率半導體價值為 3000 元對 比，僅節電角度考慮，碳化硅功率器件帶來至少 2000 元的節省空間。 此外，Wolfspeed 測算，在 11kW OBC 系統中，相較于硅基功率半導體方案，碳化 硅基 OBC 的成本更低，可帶來約 435 美元的節約。2018 年全球已有超過 20 家的汽車廠 商在 OBC 中使用了 SiC 肖特基二極管或 SiC MOSFET。
SiC 在新能源車領域滲透率及用量持續提升，預計 2025 年國內新能源車需要的 SiC 晶圓片數量將達 118 萬片左右。新能源汽車領域，2021 年使用碳化硅 MOSFET 的車型主 要為特斯拉 Model 3 和比亞迪漢，根據電動汽車銷量跟蹤機構 CleanTechnica 數據，2021 年 Model 3 和比亞迪漢市場份額占比約 9%，即 2021 年電動車的碳化硅 MOSFET 滲透率 約 9%，我們預計滲透率未來以每年 3%的速度增長，到 2025 年約為 21%。Model 3 主逆 變器電力模塊使用共 48 顆 SiC MOSFET，加上車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車 載 DC/DC），我們估算一輛車所用 SiC 芯片數量在 60 顆以上，一片 6 寸 SiC 對應 4-5 臺 電動汽車所需的 MOSFET，即 2021 年每輛電動車所需要的 SiC 晶片數量約 0.24 片。未 來，一方面隨著雙電機電動車占比增加，對 SiC 需求量仍有提升空間；一方面，特斯拉提 出在新一代產品上減少 SiC 器件用量，可能在遠期對新車型上 SiC 用量有影響，現有車型 影響不大。以三年維度看，我們假設該數字將以每年 0.03 的數額緩慢增加。我們預測，到 2025 年國內新能源車需要的 SiC 晶圓片數量將達 117.94 萬片。
功率半導體的機會
功率半導體包括功率半導體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導體分立器件，按照器件結構劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。
據中商產業研究院數據，功率半導體分立器件中，以 MOSFET和IGBT為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。
據 Yole 數據預測，至 2025 年，全球功率半導體分立器件和模塊的市場規模將分別達到76億美元和113億美元。據中國產業信息網數據，2023年中國大陸地區IGBT市場規模預計達到290.8億元，同比增長11.6%。據中國半導體器件行業現狀深度分析與未來投資預測報告數據，2023年中國大陸地區 MOSFET市場規模將達到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計算），同比增長4.8%。
以MOSFET為例，據Yole預測，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規模預計將達到 94.8 億美元，復合增長率達 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車應用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達 33%，其中電動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應用在 220V 系統中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場滲透率在逐步提高。
2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導體增長的三駕馬車。
電動汽車：電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據貝殼投研數據，2021年中國車規級 IGBT 市場規模為47.8億元，預計到2025年，其將達到151.6億元。據芯謀研究數據，2021年和2025年中國車規MOSFET的市場規模分別為73.5億元（10.5億美元，匯率按7計算）和122.5億元（預測數據，17.5億美元，匯率按7計算）。
充電樁：受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現快速發展態勢。據億渡數據預測，至2026年，中國充電設施市場規模將達2870.2億元，2022 年到2026年復合增長率高達37.83%。從直流充電樁相關零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。
光伏：據中國光伏行業協會數據，至2025年，中國新增光伏裝機保守預測為90GW，同比增長10%。據未來智庫數據預測，2025年中國光伏逆變器市場規模達196億元。
逆變器是光伏系統的心臟，中高壓MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系統的穩定性、發電效率以及使用壽命。據中商產業研究院數據，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導體器件構成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。
綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅動下，功率器件有望穩健增長，為千億賽道奠定堅實路基。
