在过去几年中，碳化硅 （SiC） 已成为硅作为半导体基材的有吸引力的替代品，因为它提供了更高的性能，尤其是在需要高功率的应用中。尽管现在各种工业设备都采用了 SiC，但大部分新兴需求将来自电动汽车 （EV） 动力总成中的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 形式的应用。麦肯锡在 2023 年 10 月的一篇文章中估计，到 2030 年，SiC 器件市场将以 26% 的复合年增长率增长。然而，最近，许多地区的电动汽车采用率有所放缓，这主要是由于监管变化和消费者偏好的变化。这一发展引发了对未来SiC晶圆市场的一些疑问。目前的SiC片需求预测是否应该下调？公布的碳化硅片产能会全部上线吗？任何变化在多大程度上允许供应满足或超过短期或长期需求？为了更深入地了解碳化硅晶圆市场趋势，我们评估了可能影响供需的关键因素。与其他预测中使用的方法相比，我们方法的一个显着区别是，我们包括了对SiC片产量的细致检查率（生产出符合可接受质量标准的晶圆数量）。在整个行业中，良率通常处于最高可信度之下，并且可能难以在公司之间进行比较。因此，大多数预测根据铭牌容量来估计供应，声称产能是晶圆制造基地的最大理论产量。声称产能不考虑产量损失，也不考虑晶圆是否符合特定的质量等级。因此，基于声称产能的产量估计将高估一些对产量最敏感的细分市场的供应。汽车级MOSFET晶圆，尤其是用于电动汽车的MOSFET晶圆，其产量最低，因为它们必须经过复杂的生产过程并满足最严格的质量准则。鉴于收益率和其他因素的严重不确定性，我们为 2027 年创建了多种市场情景，其中包含不同的供需投入。情景预测差异很大，从碳化硅供应过剩到平衡再到供应不足。虽然现在确定哪种情况最有可能实现还为时过早，但我们的分析可能有助于行业领导者了解影响碳化硅市场的最重要力量，尤其是晶圆产量。碳化硅的优势和挑战
在深入研究市场力量之前，了解 SiC 的固有属性至关重要，这些属性使其比硅具有多项优势，尤其是在功率要求高的用例中，例如电动汽车逆变器：- 效率更高。 由于涉及外围组件，能量损失更低，热管理成本更低。
- 使用寿命更长。更好的导热性使 SiC 芯片能够在更高的温度范围内运行并承受更高的应力水平，从而延长使用寿命。
- 更小的外形尺寸。碳化硅可以在更小的封装中提供与硅相同的功能，使用较少的半导体材料，从而减少高功率器件中的半导体数量。
- 更简单的设计。 更高的功率范围允许在系统级进行新设计和更少的无源元件，从长远来看有助于降低成本和浪费。
碳化硅晶圆以及使用这些晶圆制造的相应芯片可实现多种应用，并分为三个基本等级。二极管建立在质量最低的碳化硅晶圆上，功能最简单，允许电流沿一个方向流动。MOSFET是一种需要更高SiC晶圆质量的晶体管，它更复杂，并允许电流切换方向。汽车级MOSFET要求晶圆质量和晶体管满足严格的规格要求，因此需要非常低的缺陷率。虽然根据全行业的产能扩张公告，预计未来五年SiC晶圆产能将大幅增加，但SiC产能的确切组合和功能尚不清楚，可能不足以满足电动汽车应用日益增长的需求。汽车级MOSFET晶圆是最难制造的，需求量最大，可能特别稀缺。使问题更加复杂的是，公司没有披露正在生产的汽车级MOSFET晶圆的份额，因此无法准确估计未来的供应。唯一可以肯定的是，汽车级MOSFET晶圆的数量将大大低于制造商宣布的铭牌产能。电池电动汽车放缓背景下的碳化硅新需求趋势
碳化硅对电池电动汽车 （BEV） 行业尤为重要，因为它通过延长车辆续航里程、缩短充电时间和减少车辆中的半导体数量，在更大程度上提高了性能。尽管大多数纯电动汽车在其动力总成中仍然使用硅解决方案，但原始设备制造商正在第二代和第三代车辆中过渡到专用的碳化硅设备，其中一些具有 800 伏系统。由于功率要求高，这些 BEV 从 SiC 中受益比从硅中受益更多。到 2027 年，超过 50% 的纯电动汽车可以依赖 SiC 动力总成，而目前这一比例约为 30%。这种转变，加上电动汽车买家对纯电动汽车的偏好日益增长，将增加对碳化硅的需求。BEV生产的变化
尽管现在对BEV的需求增长较慢，但确切的影响很难预测，因为影响OEM制造决策的因素太多了。麦肯锡未来移动中心（MCFM）认识到这种不确定性，根据对法规、技术、原材料可用性和消费者行为的不同假设，制定了不同的电动汽车增长情景。我们的分析中考虑的三种MCFM情景如下：- 势头减弱。在这种情况下，电动汽车成本的下降幅度低于预期，消费者需求下降，车辆续航里程有限，而且法规并未有力推动内燃机（ICE）车辆的过渡。
- 当前轨迹。这种情况假设最新的需求曲线、生产能力和电动汽车法规将持续存在。
- 进一步加速。在这种情况下，由于有利的政策、更低的价格、更多的原材料供应、更高的汽车产量以及消费者的兴趣增加，需求飙升至当前轨迹之上
最乐观的进一步加速情景假设需求飙升超过当前轨迹。如果实现，到 2027 年将有 2900 万辆 BEV 上路（图 1）。这远远高于当前轨迹情景（2300万）和减弱动量情景（1700万）的预测。![]()
乘用车方面，MCFM对2024年所有主要市场BEV产量的估计低于2023年的估计，主要是由于欧盟和美国的消费者兴趣可能下降、汽车价格高企以及电动汽车购买的激励措施减少。作为全球最大的电动汽车市场，预计中国乘用车的纯电动汽车产量将出现适度的降幅。图表 2 显示了在当前轨迹和减弱动量情景下的预期产量。![]()
总体而言，如果目前的增长轨迹继续下去，预计到2027年，纯电动汽车将占全球乘用车产量的27%左右。然而，将存在显着的区域差异。例如，纯电动汽车可能占中国生产的乘用车的42%，而美国的水平可能为24%。这种模式与过去几年一致，当时中国也是最大的电动汽车生产国。对碳化硅总需求的不同预测
在我们的分析中，我们保持了未来的非汽车 SiC 需求不变，但根据 MCFM 对 2027 年纯电动汽车产量的估计，考虑了汽车 SiC 需求的不同可能性。在 MCFM 的减弱势头情景下，预计 2027 年对等效 150 毫米 （mm） 的 SiC 晶圆的需求将达到 370 万片。这远低于当前轨迹情景（470万片）和进一步加速情景（570万片）的SiC晶圆需求估计。高缺陷率和低产量使供应估算复杂化
在过去几年中，人们对纯电动汽车的热情如此之高，以至于新老的碳化硅晶圆供应商集体宣布，他们计划将 150 毫米碳化硅晶圆当量的产能从 2023 年的 280 万片提高到 2027 年的 1090 万片，增幅是原来的三倍多。然而，需要注意的是，这一供应估计并未将产量损失考虑在内。当我们分析未来的供应公告时，我们分别研究了现有供应商和新兴供应商（图表 3）。领先的现有公司通常拥有强大的领先优势——大约需要再花五到十年的时间参与 SiC 学习周期——因此更有可能看到更高的收益率表现。现有企业在 2023 年生产了约 190 万片 150 毫米 SiC 晶圆当量，并宣布他们计划到 2027 年新增约 540 万片产能。![]()
没有像现有供应商那样经历过那么多学习周期的新兴供应商宣布，他们打算将产能从 2023 年的 90 万片 150 毫米晶圆当量扩大到 2027 年的约 360 万片 150 毫米晶圆当量。然而，这些公司的收益率可能低于现有公司，因为它们的经验较少。确定实际供应量
与需求一样，有几个因素可能会影响供应的实际演变，以及公司是否达到或低于其宣布的目标。因此，我们开发了三种不同的情景来估计 2027 年的实际供应量：- 商品化。在这种情况下，SiC供应商将显著提高晶圆良率水平，到2027年将平均产量提高到60%。这将与该行业表现最好的公司所达到的历史水平一致，并将导致550万片晶圆的供应。
- 宣布增加产能。这种情况假设现有制造商和新兴制造商都实现了他们宣布的生产目标，产量保持在目前约48%的水平上。碳化硅片供应量为470万片。
- 技术延迟。这种情况假设成熟的制造商实现了宣布的生产目标，而新兴制造商则难以有意义地提高产量。硅片供应量仅为370万片。
可能影响碳化硅供应的其他考虑因素
我们的分析并未考虑到该行业面临的所有可能的不利因素。例如，制造商宣布的产能增加可能无法在计划的时间范围内实现。此外，我们对SiC晶圆可用供应量的估计假设它们将为150毫米，但预计所有公司都将试验200毫米的能力，并且至少10%的宣布供应量将以200毫米晶圆的形式出现。这些晶圆的制造过程要困难得多，这可能会产生额外的复杂性。如果我们在分析中考虑 200 毫米的晶圆，良率会更低。然而，最终，向 200 毫米晶圆的转变可能是一个顺风。成功掌握 200 毫米演变的制造商将实现每平方毫米生产的晶圆成本低得多，从长远来看，理论上产量更高。反过来，相对于继续依赖 150 毫米工艺的制造商，这将使他们具有成本优势。由于 200 毫米晶圆每毫米包含更多的芯片，因此需要更少的芯片来满足需求。同样重要的是，对于必须满足最严格质量等级的晶圆（如汽车MOSFET），良率低于其他等级（如二极管）的良率。我们目前的方案没有按等级区分晶圆;相反，他们认为现有公司和新兴公司的所有产量都将满足汽车行业严格的质量标准。这种情况不太可能发生，因为目前的大部分供应都不符合汽车标准，而且所有上线的供应都不太可能达到这一标准。其他可能影响晶圆供应的问题在侧边栏中进行了讨论，“工程晶圆带来的进一步不确定性”。监测影响碳化硅市场的供需趋势
行业利益相关者对碳化硅的供应和需求将在哪里满足有不同的看法。我们的分析旨在帮助阐明碳化硅行业面临的关键因素，并提供有关所有可能结果范围的观点（图表 4）。![]()
我们的情景表明了不同的供需结果。考虑一下已宣布的供应增加情景，其中现有企业和新兴公司实现了目标，收益率保持在当前水平。在这种情况下，如果需求保持在目前的轨迹，供应和需求将匹配。如果需求加速，将出现约20%的短缺，如果需求失去动力，将出现约30%的盈余。如前所述，我们没有单独分析 150 毫米和 200 毫米晶圆的供需平衡。（预计 200 毫米晶圆的供应将比 150 毫米晶圆更紧张，因为向 200 毫米制造的持续转变存在固有的挑战。我们也没有考虑有多少百分比的晶圆能够满足汽车MOSFET的高标准。因此，除非制造商以比预期快得多的速度掌握 200 毫米过渡，否则我们可能会高估我们情景下的供应。此外，我们没有考虑与非BEV相关的SiC晶圆需求的影响。我们之所以排除它们，是因为预计SiC在此类车辆动力总成中的渗透率将低于BEV。综上所述，这些情景表明，仅凭需求水平并不能决定SiC硅片过剩还是短缺，碳化硅片供应也是一个关键因素。此外，不同晶圆等级的供需失衡可能会有所不同。由于汽车MOSFET的需求量最大，但也最难制造，因此这一类别最有可能出现短缺，尤其是在半导体公司无法克服当前质量问题的情况下。如果确实出现供应过剩，生产 200 毫米晶圆当量的制造商可能处于最强的位置，因为他们的产品具有最大的成本效益。那些只生产 150 毫米晶圆当量的供应商可能会被排在第二位。![]()
现在确定其中一种情况是否比另一种情况更有可能出现还为时过早。主要观点是，行业领导者在考虑碳化硅市场的未来时，应考虑所有可能性，并注意供需趋势，尤其是与晶圆产量相关的趋势。仅仅监控铭牌公告并不是衡量未来供应的可靠方法。
碳化硅行业正在积极应对电动汽车增长带来的新需求，尽管其发展方式存在不确定性。无论出现什么情况，对碳化硅晶圆的需求都将继续增长并保持强劲。与此同时，对技术、质量和价格领先地位的竞争将加剧，晶圆供应商将继续在改进方面进行大量投资。现有企业面临着来自新兴公司的竞争，他们将从确保向 200 毫米技术的转变提供预期的成本优势以保持其技术领先地位中受益。与此同时，新兴供应商必须专注于迭代学习，以缩小与现有供应商的技术领导力差距。对于所有行业利益相关者来说，未来几年将是一个充满挑战但又令人兴奋的抓住机遇的时刻。![]()
