華林科納行業(yè)觀察-碳化硅市場
市場概要
2021 年，全球碳化硅 (SiC) 市場規(guī)模為 29.8 億美元，華林科納預(yù)計在預(yù)測期內(nèi)的收入復(fù)合年增長率為 11.4%。由于零排放技術(shù)的迅速采用，全球?qū)﹄妱悠?(EV) 的需求不斷增加，由于對消費電子產(chǎn)品的需求不斷增加，電子行業(yè)的快速增長，以及由于其高實用性和獨特特性，各個行業(yè)對 SiC 的需求不斷增長.
由于零排放技術(shù)的迅速采用，全球?qū)﹄妱悠嚨男枨蟛粩嘣黾?，預(yù)計將推動對碳化硅的需求。根據(jù)國際能源署 (IEA) 的《2021 年全球電動汽車展望》，2020 年電動汽車的注冊量增加了 41%，全球售出約 300 萬輛電動汽車。電動汽車比燃料汽車的快速普及可以在實現(xiàn)將全球溫度上升限制在 1.5°C 的目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用，這一目標(biāo)是聯(lián)合國 (UN) 在《巴黎協(xié)定》中決定的高于工業(yè)化前的時間。然而，電動汽車的采用必須輔之以增加對電動汽車充電站建設(shè)的投資。2020年電動汽車銷量約30萬輛，約占美國新車市場的2%，預(yù)計將快速增長。美國政府已撥款 150 億美元建設(shè) 50 萬個電動汽車充電站。同樣，2020 年 4 月 10 日，中國政府投資 14.2 億美元（100 億人民幣）將國內(nèi)電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)擴大 50%。預(yù)計到 2020 年將建立約 600,000 個充電點。與基于硅的充電基礎(chǔ)設(shè)施相比，碳化硅用于電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，以提供更高的電壓和更高的功率水平。碳化硅快速直流充電解決方案可在 25% 的區(qū)域內(nèi)多提供 33% 的功率，并降低 50% 的損耗。由于更強大的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，碳化硅 MOSFET 用于電池電動汽車 (BEV)，而不是硅 IGBT，從而為車輛提供更大的續(xù)航里程。
由于對消費電子產(chǎn)品的需求增加，電子行業(yè)的快速增長預(yù)計將推動市場的收入增長。消費電子產(chǎn)品銷量增長的推動力來自信息技術(shù)（IT）和家電領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，線上渠道銷量激增，電子產(chǎn)品高端化趨勢明顯，下層經(jīng)濟快速增長城市。此外，對智能設(shè)備的不斷增長的需求和物聯(lián)網(wǎng)的快速采用預(yù)計將進一步促進市場的收入增長。據(jù)報道，到 2023 年，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的數(shù)量預(yù)計將達到 35 億，據(jù)估計，2020 年，醫(yī)院、診所和醫(yī)療辦公室使用了 6.46 億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
由于第三代半導(dǎo)體材料的高實用性和獨特特性，各行業(yè)對第三代半導(dǎo)體材料的需求不斷增長，預(yù)計將顯著推動市場收入增長。SiC是一種半導(dǎo)體化合物，具有高導(dǎo)熱性、高能效和工作頻率，以及低熱膨脹。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性使 SiC 器件能夠在高于硅的結(jié)溫下使用，甚至超過 200°C。此外，其低漂移區(qū)電阻導(dǎo)致 SiC 在功率應(yīng)用中得到采用。與傳統(tǒng)硅相比，SiC 中更寬的帶隙使其具有更高的熱和電子特性。這一特性使功率器件能夠在更高的頻率、溫度和電壓下高效運行。此外，碳化硅可以以許多不同的形式使用，例如可以裝配在一起形成耐用陶瓷的 SiC 顆粒，可以將 SiC 纖維添加到聚合物基體中以形成復(fù)合材料。美國國家航空航天局 (NASA) 的格倫研究中心開發(fā)了一種快速處理強度更高的碳化硅的方法。預(yù)計該工藝將增加輕質(zhì)、高性能 SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 材料和 SiC 纖維在航空、汽車、發(fā)電等各個行業(yè)的應(yīng)用。與其他商用 SiC 纖維相比，NASA 使用的加工過的 SiC 纖維具有較高的抗拉強度和最佳的抗蠕變斷裂性能。可以將 SiC 纖維添加到聚合物基體中以形成復(fù)合材料。美國國家航空航天局 (NASA) 的格倫研究中心開發(fā)了一種快速處理強度更高的碳化硅的方法。預(yù)計該工藝將增加輕質(zhì)、高性能 SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 材料和 SiC 纖維在航空、汽車、發(fā)電等各個行業(yè)的應(yīng)用。與其他商用 SiC 纖維相比，NASA 使用的加工過的 SiC 纖維具有較高的抗拉強度和最佳的抗蠕變斷裂性能。可以將 SiC 纖維添加到聚合物基體中以形成復(fù)合材料。美國國家航空航天局 (NASA) 的格倫研究中心開發(fā)了一種快速處理強度更高的碳化硅的方法。預(yù)計該工藝將增加輕質(zhì)、高性能 SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 材料和 SiC 纖維在航空、汽車、發(fā)電等各個行業(yè)的應(yīng)用。與其他商用 SiC 纖維相比，NASA 使用的加工過的 SiC 纖維具有較高的抗拉強度和最佳的抗蠕變斷裂性能。預(yù)計該工藝將增加輕質(zhì)、高性能 SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 材料和 SiC 纖維在航空、汽車、發(fā)電等各個行業(yè)的應(yīng)用。與其他商用 SiC 纖維相比，NASA 使用的加工過的 SiC 纖維具有較高的抗拉強度和最佳的抗蠕變斷裂性能。預(yù)計該工藝將增加輕質(zhì)、高性能 SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料 (CMC) 材料和 SiC 纖維在航空、汽車、發(fā)電等各個行業(yè)的應(yīng)用。與其他商用 SiC 纖維相比，NASA 使用的加工過的 SiC 纖維具有較高的抗拉強度和最佳的抗蠕變斷裂性能。
市場動態(tài)：
由于零排放技術(shù)的迅速采用，全球?qū)﹄妱悠嚨男枨蟛粩嘣黾?/strong>
溫室氣體的快速增加和政府減少石油進口的各種舉措導(dǎo)致對電動汽車和電動汽車充電站的需求快速增長。歐洲能源署 (EEA) 的研究發(fā)現(xiàn)，電動汽車的碳排放量比汽油或柴油汽車低 17-30% 左右。這導(dǎo)致電動汽車的迅速普及和全球銷量的增長。2021年全球電動汽車銷量達到675萬輛，比2020年增長108%，純電動汽車占電動汽車總銷量的71%。隨著電動汽車市場的增長，汽車制造商需要更高電壓的驅(qū)動系統(tǒng)，以減少電動汽車的充電時間和整體重量，從而實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。STMicroelectronics 等公司推出了第三代 STPOWER 碳化硅 (SiC) MOSFET，用于針對高級電源應(yīng)用，例如 EV 動力總成和其他對能效、功率密度和可靠性發(fā)揮重要作用的應(yīng)用。電動汽車和電動汽車充電站中使用的功率器件必須滿足與功率損耗、擊穿電壓、開關(guān)頻率、最高工作溫度和熱導(dǎo)率相關(guān)的特定要求。STMicroelectronics 的第三代 STPOWER SiC MOSFET 專為滿足高端汽車應(yīng)用的要求而設(shè)計，包括 EV 牽引逆變器、車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。預(yù)計此類舉措將有助于市場的收入增長。電動汽車和電動汽車充電站中使用的功率器件必須滿足與功率損耗、擊穿電壓、開關(guān)頻率、最高工作溫度和熱導(dǎo)率相關(guān)的特定要求。STMicroelectronics 的第三代 STPOWER SiC MOSFET 專為滿足高端汽車應(yīng)用的要求而設(shè)計，包括 EV 牽引逆變器、車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。預(yù)計此類舉措將有助于市場的收入增長。電動汽車和電動汽車充電站中使用的功率器件必須滿足與功率損耗、擊穿電壓、開關(guān)頻率、最高工作溫度和熱導(dǎo)率相關(guān)的特定要求。
制造缺陷最少的大型 SiC 晶圓的制造和加工成本高
碳化硅不能作為天然礦物獲得，因此它是通過使用熔爐技術(shù)制造的。碳化硅材料在高溫條件下進行商業(yè)制造，比硅更昂貴。有幾個因素導(dǎo)致代工廠的器件制造成本較高，例如制造設(shè)施數(shù)量較少。此外，化學(xué)惰性和低擴散系數(shù)使 SiC 制造中的摻雜變得困難。目前的制造工藝會在 SiC 襯底中產(chǎn)生不同類型的材料缺陷。此外，氮化鎵等替代品的可用性，它具有相似的特性，例如維持高壓、高頻、相似帶寬和擊穿場的能力，可以抑制對碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料不斷增長的需求。氮化鎵中比 SiC 更高的電子遷移率使其更適合高頻應(yīng)用。預(yù)計這些因素將阻礙市場的收入增長。
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關(guān)鍵要點
設(shè)備展望： ??????????????????????????????????????????????????????????????????????
基于該器件，全球碳化硅市場已細分為 SiC Discrete、SiC Bare Die 和 SiC Module。SiC 分立部分在 2021 年占據(jù)最大的市場份額。SiC 分立部分進一步細分為 SiC MOSFET 和 SiC 二極管。SiC MOSFET分立封裝主要用于小功率應(yīng)用，例如工業(yè)電源和大功率LED的電源。離散封裝具有更大的冷卻面積，這有助于離散封裝很好地適應(yīng)有限的冷卻條件。碳化硅 (SiC) 肖特基二極管提供更高的開關(guān)性能、更高的功率密度、更高的效率和更低的系統(tǒng)成本。這些二極管提供零反向恢復(fù)、低正向壓降、電流穩(wěn)定性、高浪涌電壓能力、和正溫度系數(shù)，可以達到更高的擊穿電壓。STMicroelectronics NV 的碳化硅二極管產(chǎn)品等市場參與者的電壓范圍為 600 至 1,200 V，并具有零反向恢復(fù)和改進的正向電壓等特性。此外，這些二極管顯著降低了功率損耗，通常用于硬開關(guān)應(yīng)用，例如電信電源、高端服務(wù)器、太陽能逆變器、電機驅(qū)動器等。預(yù)計這將增加對 SiC MOSFET 和 SiC 分立器件的需求，并推動市場收入增長。這些二極管顯著降低了功率損耗，通常用于硬開關(guān)應(yīng)用，例如電信電源、高端服務(wù)器、太陽能逆變器、電機驅(qū)動器等。預(yù)計這將增加對 SiC MOSFET 和 SiC 分立器件的需求，并推動市場收入增長。這些二極管顯著降低了功率損耗，通常用于硬開關(guān)應(yīng)用，例如電信電源、高端服務(wù)器、太陽能逆變器、電機驅(qū)動器等。預(yù)計這將增加對 SiC MOSFET 和 SiC 分立器件的需求，并推動市場收入增長。
應(yīng)用前景： ???????
根據(jù)應(yīng)用，全球碳化硅市場已細分為電網(wǎng)設(shè)備、柔性交流輸電系統(tǒng)、高壓直流系統(tǒng)、電源和逆變器、電動汽車電機驅(qū)動和充電站等。預(yù)計 EV 電機驅(qū)動器和充電站將在預(yù)測期內(nèi)以快速的復(fù)合年增長率增長。SiC 在電動汽車和其他電力電子設(shè)備中的功效是由于材料的固有特性。與硅相比，SiC 的介電擊穿場強和能帶隙高 10 倍，熱導(dǎo)率是硅的 3 倍。這些特性推動了 SiC 功率開關(guān)器件的徹底變革，從而提高了 EV 和 EV 充電基礎(chǔ)設(shè)施中系統(tǒng)的效率。這導(dǎo)致全球原始設(shè)備制造商 (OEM) 和一級汽車制造商對 SiC 的需求不斷增長。例如，特斯拉成為第一家在其 Model 3 中添加 SiC MOSFET 的公司。第一代電動汽車由特斯拉公司制造，該公司使用硅基 IGBT；但是，在制造標(biāo)準(zhǔn)轎車時，特斯拉 Model 3 使用了 SiC MOSFET。此外，日本等國家的政府正在采取許多舉措來促進電動汽車的大規(guī)模制造和快速普及，從而導(dǎo)致銷量增加。根據(jù)日本汽車經(jīng)銷商協(xié)會 (JADA) 的數(shù)據(jù)，2020 年電動汽車銷量接近 140 萬輛，新電動汽車占新車總銷量的 36.2%，高于 2019 年的 35.2%。自 1997 年豐田普銳斯推出以來，日本市場對 HEV 的需求明顯增加。事實上，2020 年銷售的新電動汽車中有 97.8% 是混合動力電動汽車 (HEV)，其次是插電式混合動力電動汽車(PHEV)、BEV 和燃料電池電動汽車 (FECV)。預(yù)計這將增加對 SiC MOSFET 的需求并推動該領(lǐng)域的收入增長
晶圓尺寸展望： ???????????????????????????????????????????????????????????????
根據(jù)晶圓尺寸，全球碳化硅市場已細分為 2 英寸、4 英寸和 6 英寸。預(yù)計 6 英寸細分市場將在預(yù)測期內(nèi)占最大的收入份額，這可歸因于對電動汽車的需求不斷增長，以及 OEM 和汽車制造商對碳化硅的偏好日益增加。與 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 可提供更好的性能、更高的開關(guān)頻率和更高的效率。較高的臨界擊穿場允許維持額定電壓，同時減小器件的厚度。此外，由于更寬的帶隙，它具有更低的電流泄漏。這導(dǎo)致市場參與者擴大了基于 SiC 的晶圓的制造規(guī)模，以用于廣泛的應(yīng)用。例如，2022 年 3 月 28 日，日本公司 Showa Denko KK，開始量產(chǎn)直徑6英寸的碳化硅單晶晶片（SiC晶片），并用作SiC外延晶片的材料，進一步安裝到SiC基功率半導(dǎo)體中。與硅基功率半導(dǎo)體相比，這些 SiC 功率半導(dǎo)體具有優(yōu)異的耐熱性能和高耐壓。進一步提高了電源模塊的能效。這導(dǎo)致電子、汽車等各個領(lǐng)域?qū)?SiC 功率半導(dǎo)體的需求不斷增長。由于 SDK 的 SiC 外延片的迅速采用，該公司已決定內(nèi)部量產(chǎn) 6 英寸 SiC 晶圓。
垂直展望： ?????????????????????????????????????????????????????????????????????
基于垂直，全球碳化硅市場已細分為能源與電力、汽車、國防、電子和電信。預(yù)計電子部門將在預(yù)測期內(nèi)占最大的收入份額。與擊穿電壓約為 600 V 的硅相比，碳化硅襯底材料具有更高的閾值電壓，這使得 SiC 更有利于大功率應(yīng)用。電動汽車用于為發(fā)動機、車載電池充電器和感應(yīng)充電器提供動力的新組件和變頻器，以及用于助力轉(zhuǎn)向等輔助負載的逆變器都需要高壓電池。使用 SiC，可以減小 EV 電池的尺寸，同時顯著降低 EV 的成本。此外，
區(qū)域展望：
根據(jù)區(qū)域分析，預(yù)計亞太市場將在預(yù)測期內(nèi)占據(jù)最大的收入份額，因為該地區(qū)的政府舉措和私人投資增加，以促進制造業(yè)和促進電動汽車的快速采用。例如，印度政府推出了三項計劃來促進國內(nèi)電子元件制造，例如生產(chǎn)關(guān)聯(lián)激勵計劃（PLI）、電子元件和半導(dǎo)體制造促進計劃（SPECS）和改進的電子制造集群計劃（EMC 2.0）。2021 年 2 月 25 日，Silicon Power Corporation 在印度古吉拉特邦開設(shè)了首個此類碳化硅制造單元。
同樣，臺灣和韓國共同占全球晶圓代工市場的 81% 左右，預(yù)計這將支持對 SiC 半導(dǎo)體不斷增長的需求。臺灣半導(dǎo)體制造有限公司和韓國三星電子有限公司等知名市場參與者在半導(dǎo)體制造業(yè)中的存在，預(yù)計將推動該地區(qū)的半導(dǎo)體制造活動。
中華人民共和國政府采取了許多舉措來維持該國對電動汽車不斷增長的需求。政府已投資 14.2 億美元（100 億人民幣）將國內(nèi)電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)擴大 50%。此外，中國工業(yè)和信息化部已決定將重要的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料SiC納入“十四五”規(guī)劃（2021-25），以促進各行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。第三代半導(dǎo)體技術(shù)（如 SiC MOSFET）在電子產(chǎn)品和電動汽車中的迅速采用有望支持該地區(qū)的收入增長。
預(yù)計北美市場在預(yù)測期內(nèi)將實現(xiàn)快速的收入復(fù)合年增長率，這可歸因于半導(dǎo)體資本設(shè)備的知名供應(yīng)商的存在，這些供應(yīng)商在全球供應(yīng)鏈中發(fā)揮著不可或缺的作用。美國政府最近簽署了一項行政命令，其中包括對與半導(dǎo)體供應(yīng)鏈相關(guān)的各種風(fēng)險的詳細審查。此外，作為經(jīng)濟刺激計劃的一部分，500 億美元專門用于半導(dǎo)體制造和研究。英特爾公司等市場參與者宣布投資 200 億美元在亞利桑那州建立兩個新的芯片工廠。英特爾已準(zhǔn)備好充當(dāng)制造合作伙伴，并正在為其他專注于半導(dǎo)體設(shè)計和將制造外包給代工廠的芯片公司提供英特爾代工服務(wù)。此外，Qorvo, Inc 和 SemiQ Inc 等私營公司擁有廣泛的產(chǎn)品組合，包括第三代半導(dǎo)體技術(shù)。2021 年 6 月 4 日，GeneSiC Semiconductor Inc. 宣布推出 750V G3R SiC MOSFET，它提供了高水平的性能、更快的開關(guān)速度和更高的功率密度。預(yù)計這將推動市場的收入增長。
預(yù)計歐洲市場在預(yù)測期內(nèi)將錄得穩(wěn)定的收入復(fù)合年增長率，這可歸因于投資的增加，以促進使用 SiC 的產(chǎn)品研發(fā)，該產(chǎn)品可用于電子產(chǎn)品，因為它具有優(yōu)于硅的優(yōu)勢。例如，歐洲投資銀行 (EIB) 向 STMicroelectronics NV 提供了 6 億歐元（6.4377 億美元）的資金支持，用于在歐洲研發(fā)半導(dǎo)體和工業(yè)應(yīng)用。同樣，KDT JU（早期稱為 ECSEL JU）是歐盟驅(qū)動的公私合作伙伴關(guān)系，負責(zé)資助電子元件和系統(tǒng)的創(chuàng)新，已啟動 Reaction 項目，目標(biāo)是建立全球和歐洲第一條 SiC 8 英寸試驗線電力技術(shù)設(shè)施。預(yù)計這將增加智能能源和智能移動以及工業(yè)發(fā)展等市場應(yīng)用對 SiC 的需求。挪威、俄羅斯、荷蘭和德國等國家是碳化硅的主要出口國。同樣，德國的私營公司如 BJS Ceramics GmbH 也在致力于開發(fā)可用于 SiC 纖維增強復(fù)合材料的 SiC 纖維。纖維增強復(fù)合材料是一種高性能材料，可用作航空、汽車等各個行業(yè)的原材料。預(yù)計這將推動該地區(qū)的收入增長。同樣，德國的私營公司如 BJS Ceramics GmbH 也在致力于開發(fā)可用于 SiC 纖維增強復(fù)合材料的 SiC 纖維。纖維增強復(fù)合材料是一種高性能材料，可用作航空、汽車等各個行業(yè)的原材料。預(yù)計這將推動該地區(qū)的收入增長。同樣，德國的私營公司如 BJS Ceramics GmbH 也在致力于開發(fā)可用于 SiC 纖維增強復(fù)合材料的 SiC 纖維。纖維增強復(fù)合材料是一種高性能材料，可用作航空、汽車等各個行業(yè)的原材料。預(yù)計這將推動該地區(qū)的收入增長。
競爭格局：
全球碳化硅市場的競爭格局適度分散，少數(shù)主要市場參與者在全球和區(qū)域?qū)用骈_展業(yè)務(wù)。主要參與者參與戰(zhàn)略聯(lián)盟，以擴大各自的投資組合并在全球市場上站穩(wěn)腳跟。市場上的主要參與者包括 STMicroelectronics NV、Infineon Technologies AG、Rohm Co. Ltd.、Wolfspeed, Inc.、ON Semiconductor Corporation、Fuji Electric Co., Ltd.、Renesas Electronics Corporation、Microchip Technology Inc.、Toshiba Corporation、General Electric Company、GeneSiC Semiconductor Inc.、ESD-SIC BV、Entegris, Inc.、Powerex Inc. 和 Qorvo, Inc.
·?2022 年 3 月 21 日，Microchip Technology 宣布推出 3.3 kV 碳化硅 (SiC) 功率器件，該器件提供高效率、高可靠性和最低電阻，幫助客戶快速輕松地轉(zhuǎn)向高壓 SiC。這些設(shè)備體積小、重量輕，可提供更高效的電源解決方案，并有助于電氣化交通、可再生能源、航空航天和其他工業(yè)應(yīng)用。
·?2021 年 12 月 9 日，STMicroelectronics NV 宣布推出第三代 STPOWER SiC MOSFET，用于電動汽車、動力系統(tǒng)和其他以功率密度、能效和可靠性為基本標(biāo)準(zhǔn)的平臺。這種新的先進設(shè)計有助于制造商在電動汽車的情況下實現(xiàn)快速充電和減輕重量。此外，它們還通過提高電機驅(qū)動、可再生能源轉(zhuǎn)換器和其他應(yīng)用的效率而用于工業(yè)應(yīng)用。
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