SiC，需求如何？

2024-08-10 03:08

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自 mckinsey，谢谢。

为了帮助理解碳化硅晶圆市场供需前景的复杂性，通过研究多种情景，可以找出最重要的驱动因素。

过去几年，碳化硅 (SiC) 已成为一种颇具吸引力的半导体基础材料，因为它具有更佳的性能，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) 动力系统中的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 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普及率有所放缓，这主要是由于监管变化和消费者偏好的转变。这一发展引发了一些有关未来 SiC 晶圆市场的问题。当前的 SiC 晶圆需求预测是否应该下调？所有已公布的晶圆产能都会上线吗？以及在多大程度上，任何转变都可能使供应满足或超过短期或长期需求？

为了更深入地了解 SiC 晶圆市场趋势，我们评估了可能影响供需的关键因素。与其他预测方法相比，我们的方法有一个显著的不同，那就是我们对晶圆产量进行了细致的检查良率（生产出的符合可接受质量标准的晶圆数量）。良率通常是整个行业中保密程度最高的，可能难以在各公司之间进行比较。因此，大多数预测都是根据铭牌产能来估计供应量的，铭牌产能是晶圆制造厂的最大理论产量。

铭牌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，基于铭牌产能的产量估算将高估某些对产量最敏感的细分市场的供应量。汽车级 MOSFET 晶圆（尤其是电动汽车用 MOSFET 晶圆）的产量最低，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。

鉴于产量和其他因素的不确定性，我们为 2027 年创建了多种市场情景，其中包含不同的供需输入。这些情景预测差异很大，从 SiC 供过于求到平衡再到供不应求。虽然现在判断哪种情景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 SiC 市场最重要的力量，尤其是晶圆产量。

SiC 的优势与挑战

在深入了解市场力量之前，了解 SiC 的固有属性至关重要，这些属性使其比硅具有多种优势，特别是在对功率要求较高的用例中，例如电动汽车逆变器：

效率更高。能量损失更低，而且由于涉及外围元件，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工作并承受更高的应力水平，从而延长使用寿命。
尺寸更小。SiC可以在更小的封装中以更少的半导体材料提供与硅相同的功能，从而减少高功率设备中的半导体数量。
设计更简单。更高的功率范围允许在系统层面上采用新设计，减少无源元件，有助于长期降低成本和浪费。

SiC晶片以及用这些晶片制造的相应芯片具有多种应用，有三个基本等级。3二极管是建立在质量最低的 SiC 晶圆上的，功能最简单，允许电流单向流动。MOSFET 是一种对 SiC 晶圆质量要求更高的晶体管，更为复杂，允许电流切换方向。汽车级 MOSFET 需要晶圆质量和符合严格规格的晶体管，因此必须将缺陷率降至非常低。

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 晶圆是最难制造且需求量最大的晶圆，因此很可能特别稀缺。更糟糕的是，各公司并未披露汽车级 MOSFET 晶圆的产量份额，因此无法准确估计未来的供应量。唯一可以确定的是，汽车级 MOSFET 晶圆的数量将大大低于制造商公布的产能。

电动汽车市场放缓，SiC 需求呈现新趋势

SiC 对电池电动汽车 (BEV) 行业尤为重要，因为它通过延长车辆行驶里程、缩短充电时间以及减少车辆中的半导体数量，比硅更大程度地提高了性能。

尽管大多数纯电动汽车的动力系统仍在使用硅解决方案，但 OEM 正在向第二代和第三代汽车中的专用 SiC 设备过渡，其中一些汽车具有 800 伏系统。由于这些纯电动汽车对功率要求高，因此 SiC 比硅更能带来好处。到 2027 年，超过 50% 的纯电动汽车可以依赖 SiC 动力系统，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加，将增加 SiC 的需求。

到 2027 年，超过 50% 的纯电动汽车 (BEV) 可能会依赖碳化硅 (SiC) 动力系统，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加，将增加对 SiC 的需求。

纯电动汽车生产的变化

尽管现在对电动汽车的需求增长速度有所放缓，但确切的影响很难预测，因为影响 OEM 制造决策的因素太多。麦肯锡未来移动中心 (MCFM) 承认这种不确定性，根据对法规、技术、原材料可用性和消费者行为的不同假设，创建了不同的电动汽车增长情景。我们在分析中考虑的三个 MCFM 情景如下：

势头减弱。在这种情况下，电动汽车成本下降幅度低于预期，消费者需求下降，车辆行驶里程有限，法规也没有大力推动内燃机 (ICE) 汽车的转型。
当前轨迹。该情景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。由于政策优惠、价格下降、原材料供应增加、汽车产量增加以及消费者兴趣增加，这种情况下的需求将远远超过当前轨迹。

最乐观的进一步加速情景假设需求将超过当前轨迹。如果实现，到 2027 年，将有 2900 万辆纯电动汽车上路（图 1）。这远远高于当前轨迹情景（2300 万辆）和动量减弱情景（1700 万辆）的预测。

对于乘用车，MCFM 对所有主要市场 2024 年 BEV 产量的估计均低于 2023 年的估计，这主要是因为消费者兴趣可能会下降、汽车价格高企以及欧盟和美国对购买电动汽车的激励措施减少。中国是世界上最大的电动汽车市场，预计乘用车 BEV 产量将略有减少。图 2 显示了当前轨迹和动量减弱情景下的预期产量。

总体而言，如果目前的增长轨迹持续下去，到 2027 年，纯电动汽车预计将占全球乘用车产量的 27% 左右。不过，地区差异将非常显著。例如，纯电动汽车可能占中国生产的乘用车的 42%，而美国的比例可能为 24%。这一模式与过去几年的情况一致，当时中国也是最大的电动汽车生产国。

对 SiC 总需求的不同预测

在我们的分析中，我们保持未来非汽车 SiC 需求不变，但根据 MCFM 对 2027 年 BEV 产量的估计，考虑了汽车 SiC 需求的不同可能性。

在 MCFM 的衰退动量情景下，预计 2027 年对 150 毫米 (mm) 当量 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。

高缺陷率和较低产量使供应估计变得复杂

过去几年，人们对电动汽车的热情如此高涨，以至于新的和现有的 SiC 晶圆供应商纷纷宣布，他们计划将 150 毫米 SiC 晶圆当量的产能从 2023 年的 280 万片提高到 2027 年的 1090 万片，增幅超过三倍。但值得注意的是，这一供应量估计并未考虑产量损失。

当我们分析未来供应公告时，我们分别研究了现有供应商和新兴供应商（图 3）。领先的现有公司通常具有良好的开端——大约额外五到十年参与 SiC 学习周期——因此更有可能获得更高的产量表现。现有公司在 2023 年生产了约 190 万片 150 毫米 SiC 晶圆当量，并已宣布计划到 2027 年上线约 540 万片额外产能。

新兴供应商没有像现有供应商那样经历那么多的学习周期，他们已宣布打算将产能从 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，由于这些公司的经验较少，因此产量可能低于现有供应商。

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变化，以及公司是否达到或达不到其宣布的目标。因此，我们制定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，到 2027 年平均良率将达到 60%。这将与行业顶尖企业的历史水平保持一致，并将供应 550 万片晶圆。
宣布产能提升。此情景假设现有和新兴制造商均实现其宣布的生产目标，且良率保持与当前约 48% 的水平一致。晶圆供应量将为 470 万片。
技术延迟。此情景假设老牌制造商实现宣布的生产目标，而新兴制造商则难以大幅提高产量。晶圆供应量仅为 370 万片。

可能影响 SiC 供应的其他考虑因素

我们的分析并未考虑该行业可能面临的所有不利因素。例如，制造商宣布的产能增加可能不会在计划的时间内实现。此外，我们对 SiC 晶圆可用供应量的估计假设为 150 毫米，但预计所有公司都将尝试 200 毫米产能，并且至少 10% 的已公布供应量将以 200 毫米晶圆的形式出现。这些晶圆的制造过程要困难得多，这可能会带来额外的复杂性。如果我们在分析中考虑 200 毫米晶圆，则良率会更低。

但最终，向 200 毫米晶圆的转变可能会成为一种顺风。成功掌握 200 毫米晶圆演进的制造商将实现每平方毫米晶圆生产成本的大幅降低，从理论上讲，从长远来看，产量将更高。这反过来又会让他们相对于继续依赖 150 毫米工艺的制造商具有成本优势。由于 200 毫米晶圆每平方毫米包含更多的芯片，因此满足需求所需的芯片数量将更少。

同样重要的是，对于必须满足最严格质量等级的晶圆（例如汽车 MOSFET），成品率低于其他等级（例如二极管）。我们目前的情景并没有按等级区分晶圆；相反，它们假设现有和新兴公司的所有生产成品率都将满足汽车行业的严格质量标准。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符合这一标准的可能性极小。

侧栏“工程晶圆引入的进一步不确定性”中讨论了可能影响晶圆供应的其他问题。

监测影响 SiC 市场的供需趋势

行业利益相关者对 SiC 供需交汇点的看法不一。我们的分析旨在帮助阐明 SiC 行业面临的关键因素，并提供关于所有可能结果范围的视角（图 4）。

我们的情景表明，供需结果会有所不同。考虑已宣布的供应增加情景，其中现有企业和新兴企业均达到目标，收益率保持在当前水平。在这种情况下，如果需求保持当前轨迹，供需将匹配。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% 的过剩。

如前所述，我们没有分别分析 150 毫米和 200 毫米晶圆的供需平衡。（由于向 200 毫米制造的持续转变本身就存在挑战，预计 200 毫米晶圆的供应将比 150 毫米晶圆更紧张。）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，除非制造商比预期更快地掌握 200 毫米转型，否则我们可能会在我们的情景中高估供应量。此外，我们没有考虑与非电动汽车相关的 SiC 晶圆需求的影响。我们将它们排除在外，因为预计此类车辆动力系统中 SiC 的渗透率将低于电动汽车。

综合起来，这些情况表明，仅凭需求水平无法决定 SiC 晶圆是否过剩或短缺，晶圆供应也是一个关键因素。此外，不同晶圆等级的供需不平衡可能会有所不同。由于汽车 MOSFET 需求量最大，但制造难度也最大，因此这一类别最有可能出现短缺，尤其是如果半导体公司无法克服当前的质量问题。

如果真的出现供应过剩的情况，生产 200 毫米晶圆当量的制造商可能处于最有利的地位，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屈居第二。

现在判断哪种情况更有可能出现还为时过早。关键是，行业领导者在考虑 SiC 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。

尽管对于未来发展方向仍存在很多不确定性，但 SiC 行业正在积极应对电动汽车增长带来的新需求。无论出现哪种情况，对 SiC 晶圆的需求都将继续增长并保持强劲。同时，随着晶圆供应商继续在改进方面投入大量资金，技术、质量和价格领先地位的竞争将加剧。现有企业面临来自新兴公司的竞争，并将受益于确保向 200 毫米技术的转变能够带来预期的成本优势，以保持其技术领先地位。同时，新兴供应商必须专注于迭代学习，以缩小与现有企业的技术领先差距。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令人兴奋的机遇期。

参考链接

https://www.mckinsey.com/industries/semiconductors/our-insights/managing-uncertainty-in-the-silicon-carbide-wafer-market

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