摘要：随着英伟达、台积电等科技巨头探索将碳化硅（SiC）用于下一代AI GPU的可能性，以替代传统硅中介层来解决散热瓶颈，SiC作为第三代半导体的战略价值正迈向新高度。凭借其宽禁带、超高热导率与高击穿电场等卓越物理特性，SiC材料使其功率器件在能源转换效率与功率密度
随着英伟达、台积电等科技巨头探索将碳化硅（SiC）用于下一代AI GPU的可能性，以替代传统硅中介层来解决散热瓶颈，SiC作为第三代半导体的战略价值正迈向新高度。凭借其宽禁带、超高热导率与高击穿电场等卓越物理特性，SiC材料使其功率器件在能源转换效率与功率密度方面展现出突破性的性能表现。在应用领域，SiC功率器件已成为电动汽车800V高压平台主逆变器的关键技术解决方案，显著提升了整车系统的能量利用效率与快速充电性能。同时，该技术正在光伏储能系统及AI数据中心电源管理等新兴领域实现快速的技术渗透与产业化应用。
摘要
本文介绍了SiC材料的特性与发展历程，深入剖析其衬底制造的核心工艺与技术壁垒，梳理全球产业链构成与竞争格局。在此基础上，报告将重点分析SiC在电动汽车、光伏等主流市场的应用现状与发展趋势，并前瞻性地探讨其在AI算力时代下，于服务器电源及AI芯片先进封装中的潜力。
性能卓越的宽禁带半导体
碳化硅材料特性与优势
碳化硅（SiliconCarbide）是由Si和C元素以强共价键结合形成的化合物半导体材料。与以Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体相比，SiC在多项关键物理性能上表现出压倒性优势，使其成为高压、高温、高频应用的理想选择，其核心优势主要体现在以下几个方面：
宽禁带宽度：SiC的禁带宽度约为3.26eV，是硅（1.12eV）的近3倍。这使得SiC器件能够承受更高的工作电压和工作温度（理论工作温度可达600℃），在高压应用中具有更低的导通电阻，同时简化了散热系统设计。高击穿电场强度：SiC的击穿电场强度是硅的8-10倍。这意味着在承受相同电压时，SiC器件的漂移层厚度可以做得更薄，尺寸更小，从而显著降低器件的导通电阻，减少能量损耗。
高热导率：SiC的热导率高达370-490 W/(m·K)，是硅（~150 W/(m·K)）的3倍以上，甚至优于铜。这赋予了SiC器件极佳的散热能力，能够快速将芯片产生的热量导出，保证器件在高温、大功率密度下的稳定性和可靠性。
高电子饱和速率：SiC的电子饱和速率是硅的2倍，这使其能够支持更高的开关频率。高频化是电力电子系统小型化、轻量化和高效化的关键，可以减小电感、电容等无源元件的体积。
Si vs SiC材料特性
发展历程与应用阶段
半导体产业的进步始终伴随着基础材料的革新，碳化硅作为第三代半导体的核心代表，其发展历程是技术创新与市场需求相互驱动的典范。它从最初的理论构想到商业化，经历了以下几个关键阶段：
第一阶段：材料探索与早期应用
早在1907年，人类便发现了碳化硅的电致发光现象，但其半导体特性在很长一段时间内未被充分认识和利用。直至20世纪70-80年代，随着半导体理论的成熟，科学家们开始预言SiC等宽禁带材料在功率电子领域的巨大潜力。受限于单晶生长技术不成熟和成本高昂，早期的SiC主要作为磨料或耐火材料，在半导体领域的应用非常有限，集中于高频雷达和航天器中的传感器等特殊领域。
第二阶段：技术突破与商业化启动
21世纪初是SiC发展的转折点。美国Cree公司（Wolfspeed前身）在SiC单晶衬底生长技术上取得关键突破，成功实现了大尺寸（初期为2英寸）高质量SiC衬底的商业化生产，显著降低了材料成本。这一基础性的技术进步为SiC器件的研发和产业化铺平了道路。随后，2001年，首个商用SiC器件SiC肖特基势垒二极管问世。该器件凭借零反向恢复电流的特性，率先应用于服务器和通信电源的功率因数校正电路中，大幅提升了电源转换效率和开关频率，标志着SiC进入电力电子主流市场。
第三阶段：市场加速渗透与应用拓展
SiC MOSFET的成熟是SiC应用领域扩大的又一里程碑，使SiC器件开始全面替代传统硅基IGBT和MOSFET。在新能源汽车领域，2018年特斯拉Model 3主逆变器大规模采用意法半导体生产的SiC MOSFET模块，彻底引爆了SiC在该市场的应用。SiC器件通过显著降低能量损耗、提升续航里程、简化冷却系统及减轻车身重量，成为高性能新能源车的标配，尤其是在800V高压平台车型中普及。同时，在光伏领域，SiC逆变器凭借更高的转换效率（可达99%以上）、更高的功率密度和更长的使用寿命，成为集中式和组串式光伏电站的主流选择；在储能领域，SiC器件也被用于储能变流器，以提升充放电效率。
Model 3逆变器中的碳化硅MOSFET 资料来源：远川科技
800V碳化硅高压平台 资料来源：小米发布会
第四阶段：全场景应用与未来展望
当前及未来，SiC的应用正走向更广阔的全场景阶段。随着AI大模型和数据中心功耗的急剧攀升，SiC器件以其高效率、高功率密度的优势，正成为服务器电源、固态变压器以及800V高压直流（HVDC）供电架构的理想选择，为解决AI算力带来的能源挑战提供关键方案。此外，SiC在轨道交通（牵引变流器）、智能电网（固态变压器）、工业电源、消费电子（如AR/VR设备的光波导）等多个领域也展现出巨大的应用潜力。目前，随着12英寸衬底技术的突破和成本的持续下降，SiC正站在一个全面爆发的临界点，引领着半导体产业进入一个更高能效、更高密度的全新时代。
半导体材料演进历程与应用 资料来源：艾瑞咨询
碳化硅衬底工艺、壁垒与产业链
碳化硅衬底是SiC功率和射频器件制造的基础，其质量直接影响下游芯片的性能、可靠性和良率。作为整个SiC产业链中技术壁垒最高、价值量最大的环节，衬底约占器件成本的47%，外延约占23%。
碳化硅器件成本构成 资料来源：中商情报网
碳化硅衬底的主要工艺流程
目前，商业化生产SiC单晶衬底的主流且唯一成熟的工艺是PVT物理气相传输法（Physical Vapor Transport）。其基本原理是在2300-2500℃的超高温真空环境中，使高纯SiC粉料升华，并在温差驱动下，在顶部的籽晶上重新结晶，生长成一个大的SiC单晶锭。随后，晶锭经过定向、切割、研磨、抛光等一系列精密加工，最终形成晶圆片。最后在衬底之上通过化学气相沉积（CVD）生长外延层，制成用于器件制造的外延片。尽管有其他技术路线在研究中，但PVT法凭借其技术成熟度和成本效益，在可预见的未来仍将是绝对主流。
核心技术壁垒
碳化硅衬底制造之所以长期被少数国际巨头垄断，核心在于其极高的技术壁垒。这些壁垒不仅限制了新进入者，也直接影响着产品的良率和成本。
晶体生长控制：这是SiC制造的“黑匣子”。首先，2500℃的超高温对设备、温场控制提出了极致要求。其次，SiC晶体生长速度极慢，通常需要7-10天才能长成一个晶锭，这使得研发周期漫长，工艺know-how积累极为困难。最关键的是对微管、位错等晶体缺陷的控制，这些缺陷会直接导致最终器件失效，因此降低缺陷密度是衡量衬底质量的核心指标，也是各家厂商的核心机密。大尺寸化挑战：与硅可以轻松做到12英寸不同，SiC衬底目前的主流尺寸是6英寸，正在艰难地向8英寸过渡。尺寸越大，温场均匀性、应力控制的难度呈指数级增长，良率控制极为困难。而大尺寸是降低单颗芯片成本的关键路径。
加工难度大：SiC的莫氏硬度高达9.2-9.5，仅次于金刚石，是一种极硬脆的材料。这使得切割、研磨、抛光等工序异常困难，不仅耗时长，而且对设备和金刚石线、抛光液等耗材的要求极高，导致加工成本高昂。
产业链构成与各环节主要公司
产业链上游：衬底与外延
在SiC单晶衬底制造方面，国际主要公司由全球绝对领导者Wolfspeed和全球第二大供应商Coherent形成双寡头格局。日本的罗姆通过收购SiCrystal公司，也成为重要衬底供应商，并实现垂直一体化。中国主要公司则以天岳先进、天科合达、烁科晶体和同光晶体为代表，技术进步迅速，产能持续扩张。外延即在SiC衬底上生长一层或多层具有特定电学特性的SiC单晶薄膜，这是制造器件的基础。国际上许多衬底厂和器件厂如Wolfspeed、英飞凌等拥有自有外延能力。国内主要的外延片生产商有瀚天天成，东莞天域。此外，三安光电、华润微等衬底和IDM厂商也在大力布局自有外延产能。
2020年碳化硅衬底竞争格局 资料来源：Yole
2023年碳化硅外延竞争格局 资料来源：Yole
产业链中游：器件设计、制造与模组封装
该环节负责将外延片加工成最终的芯片和模块产品。器件设计与制造主要分为IDM模式和Fabless + Foundry模式。国际主要的IDM厂商包括全球SiC功率器件领导者意法半导体、传统功率半导体巨头英飞凌、以及在车规SiC领域表现强劲的安森美。Wolfspeed和罗姆也是重要的IDM厂商。中国方面，华润微、士兰微、比亚迪半导体、闻泰科技、三安光电等企业正在积极布局SiC IDM。Fabless厂商如基本半导体、泰科天润、芯聚能则在SiC二极管、MOSFET等产品的设计上有布局。代工方面，芯联集成、中芯集成等产线正快速建设。模组封装环节，国际主要厂商为英飞凌、三菱电机、富士电机等传统功率模块巨头，而中国斯达半导、时代电气、宏微科技、比亚迪半导体等也具有深厚积累，并积极推出SiC模块产品。
2023年全球碳化硅功率元件营收市占率 资料来源：Trend Force
产业链下游：应用领域
新能源汽车是SiC最主要且增长最快的应用市场，涵盖主驱动逆变器、车载充电器、DC-DC转换器和高压充电桩，主要参与者有特斯拉、比亚迪等车企和博世等Tier 1供应商。光伏与储能领域中，SiC用于光伏逆变器和储能变流器，主要厂商如阳光电源、华为。此外，SiC还广泛应用于数据中心与通信电源（服务器电源、UPS、5G基站电源）、轨道交通（牵引变流器）、智能电网（固态变压器）以及其他高端工业应用等。
总体来看，国际巨头在上游衬底和中游高端器件制造领域仍占主导，但中国企业在国家政策和市场需求的双重驱动下正奋起直追，从下游应用市场向上游材料和中游制造快速渗透，产业链的国产化进程正全面加速，形成百花齐放、充满活力的竞争格局。
SiC半导体器件产业链 资料来源：天岳先进招股书
碳化硅当前主要应用市场与发展趋势
主要应用市场
新能源汽车：这是SiC市场绝对的核心驱动力，占据SiC市场超过70%的份额。SiC主要应用于主逆变器、车载充电器和DC-DC转换器中，其核心价值在于提升电驱系统效率以增加续航、支持800V高压平台实现快充，并使系统小型化。根据Yole数据，预计到2028年全球SiC功率器件市场规模将增长至近90亿美元，年复合增长率高达31.6%，其中汽车市场是增长的主要贡献者。光伏与储能系统：在光伏逆变器和储能变流器中，SiC能够大幅提升转换效率，并因其高频特性减小设备体积和重量，提高功率密度。随着全球能源转型，光伏与储能市场持续高景气度，为SiC提供了稳定的增长需求。
工业及其他领域：在不间断电源（UPS）、服务器电源、轨道交通、智能电网等领域，SiC主要用于提升能效、降低运营成本和实现设备小型化，是实现“双碳”目标的重要技术支撑。
行业未来发展呈现四大趋势
IDM模式与垂直整合成为主流：为确保供应链安全、控制成本和加速技术迭代，SiC产业链的垂直整合趋势愈发明显。国际IDM巨头持续加强对上游衬底资源的控制，而国内厂商也在积极向上游延伸或与上游企业建立战略合作。大尺寸化与成本下降是永恒主题：从6英寸向8英寸甚至12英寸晶圆的过渡，是降低SiC器件成本的关键路径。随着良率提升和规模效应显现，SiC器件价格正在逐步下降，未来有望与高端硅基IGBT达到平价，从而在更广泛的市场中实现替代。
产能竞赛与全球供应链重构：为应对未来爆发式的市场需求，全球主要厂商都在进行大规模产能扩张。中美、中欧的产业政策也正影响全球供应链布局，国产替代成为中国SiC产业发展的核心逻辑。
技术创新持续深化：沟槽栅SiC MOSFET、更先进的封装技术（如铜夹片键合、银烧结）、更高电压等级（1700V及以上）器件的开发等技术创新仍在继续，将进一步提升SiC器件性能，拓宽其应用边界。
AI发展驱动下的SiC新机遇
随着以大语言模型为代表的AI技术的爆发式增长，全球算力需求呈指数级攀升。这一趋势不仅推动了AI芯片自身的迭代，也对其运行所需的基础设施，特别是能源供给和散热系统，提出了前所未有的严峻挑战。AI数据中心正朝着单机柜功率密度从几十千瓦飙升至数百千瓦甚至兆瓦级的方向发展，传统的供电和散热技术已逐渐逼近其物理极限。在这一背景下，SiC凭借其在高压、高频、高温和高导热方面的独特优势，正从幕后走向台前，开辟出两大极具爆发潜力的新兴应用市场：AI服务器电源系统和AI芯片的散热基板/中介层。
高压直流（HVDC）供电架构的核心应用
AI服务器，特别是用于训练大模型的GPU集群，是名副其实的“电老虎”。英伟达最新的GB200超级芯片，单颗功耗已超千瓦。一个包含数万颗GPU的算力集群，其总功耗可达兆瓦级。为解决大电流传输带来的损耗和线缆臃肿问题，数据中心供电架构正从传统的12V/48V向800V甚至更高电压的直流演进。英伟达等头部厂商已明确推动数据中心向800V HVDC过渡，需要高效地将来自电网的高压交流电转换为数据中心使用的高压直流电。
在这种新架构中，SiC器件作为核心，可以赋能固态变压器SST和高效的AC/DC整流与DC/DC转换。SST是替代传统工频变压器的核心，基于SiC MOSFET的SST能在高频下工作，实现体积和重量大幅减小，转换效率更高，并具备微秒级快速故障隔离能力，极大提升供电可靠性。尤其10kV以上等级的SiC MOSFET模块相比硅基IGBT，开关损耗可降低20倍以上。在数据中心的各级电源转换中，650V/1200V的SiC MOSFET全面取代传统硅基器件，可将电源转换效率从96%提升至98%甚至更高，同时大幅提升功率密度。
英伟达下一代直流架构中电网到GPU供电方案 资料来源：Navitas
Si Interposer的替代潜力
在台积电的CoWoS等主流2.5D封装技术中，GPU和HBM等多个小芯片并列贴装在一块Si Interposer上。硅作为半导体材料，其导热能力有限（热导率约150 W/m·K）。当GPU全速工作时，巨大热量难以高效从芯片核心传导出去，导致局部热点，限制了芯片性能和可靠性。使用碳化硅替代硅作为中介层或散热基板，热导率高达300-490 W/m·K，是硅的2-3倍，接近铜。同时，SiC的热膨胀系数与硅更为匹配，机械强度高，非常适合作为结构支撑材料。
硅中介层实现片间互联 资料来源：CTIMES
此外，光电共封装（CPO）技术被视为解决数据在芯片之间、服务器之间的传输带宽和延迟瓶颈的终极方案。然而，CPO技术面临的重大难题之一，是将功耗高达数百瓦的计算芯片与对温度极其敏感的光学引擎（尤其是激光器）紧密封装在一起。算力芯片和HBM产生的巨大热量会严重干扰光学器件的波长和性能稳定性，导致通信失效。SiC的超高热导率可以在此扮演“热量隔离带”的关键角色。它能迅速将ASIC的热量引流，有效防止热量污染到旁边的光学模块，从而为光学引擎创造一个稳定、可控的工作环境。
据报道，英伟达正与台积电合作，积极探索和推进使用12英寸碳化硅衬底作为其下一代AI GPU（如Rubin平台）的散热载板和中介层。
结论与展望
碳化硅作为第三代半导体的核心材料，已从早期的实验室研究走向大规模产业化应用。在新能源汽车、光伏等传统应用持续增长的同时，AI与数据中心的发展为SiC开辟了新的市场空间。特别是在高功率AI芯片互连领域，SiC interposer有望解决当前硅基方案的散热瓶颈，同时促进CPO技术发展。
未来5年将是SiC技术升级与应用拓展的关键期：衬底尺寸从6英寸向8英寸甚至12英寸过渡，成本有望大幅下降；器件设计从分立向模块化、集成化发展；新兴应用如AI服务器电源、芯片互连等将逐步放量。中国企业在SiC产业链已实现从衬底到器件的全面布局，但在高端衬底、车规级器件等环节仍与国际领先水平存在差距。抓住AI算力基础设施升级的机遇，加强核心技术攻关与产业链协同，我国有望在SiC半导体领域实现弯道超车。
来源：疆亘资本GageCapital