電動(dòng)汽車采用率的不斷提高正在推動(dòng)對(duì)關(guān)鍵碳化硅電力電子元件的需求。半導(dǎo)體企業(yè)、汽車原始設(shè)備制造商和其他企業(yè)要如何在混亂中創(chuàng)造價(jià)值？

電動(dòng)汽車（EV）市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2030年將以20%的復(fù)合年增長率增長，屆時(shí)xEV的銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到6400萬輛，是2022年電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)銷量的四倍。確保電動(dòng)汽車元件供應(yīng)足以滿足這一快速增長的預(yù)計(jì)需求至關(guān)重要，碳化硅（SiC）的供應(yīng)值得特別考慮。最近麥肯錫發(fā)布相關(guān)報(bào)告做了分析說明。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)（主要是逆變器，也包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器）中使用的碳化硅MOSFET與硅基器件相比，具有更高的開關(guān)頻率、熱阻和擊穿電壓。這些差異有助于提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率（延長車輛行駛里程）和降低系統(tǒng)總成本（減少電池容量和熱管理要求）。這些優(yōu)勢(shì)在電池電動(dòng)汽車（BEV）所需的更高電壓下得到放大，預(yù)計(jì)到2030年，大多數(shù)電動(dòng)汽車都將采用這種電壓。

在本文中，麥肯錫探討了SiC制造商、汽車原始設(shè)備制造商和其他企業(yè)應(yīng)如何抓住電動(dòng)汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)增長激增的內(nèi)在機(jī)遇，創(chuàng)造價(jià)值并獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

預(yù)計(jì)到2030年電動(dòng)汽車和碳化硅市場(chǎng)將大幅增長

從2018年到2022年的預(yù)計(jì)，2030年電動(dòng)汽車在全球輕型汽車市場(chǎng)的份額將增長3.8倍，從約1700萬輛增至6400萬輛（見圖1）。在許多國家，電動(dòng)汽車的總擁有成本（TCO）預(yù)計(jì)將在2024年或2025年達(dá)到與內(nèi)燃汽車（ICE）持平的水平，同時(shí)，作為實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的一部分，對(duì)電動(dòng)汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施采取了監(jiān)管措施并進(jìn)行了投資，這些都推動(dòng)了這一增長。

目前，SiC器件市場(chǎng)價(jià)值約為20億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到110億至140億美元，年復(fù)合增長率約為26%（見圖2）。鑒于電動(dòng)汽車銷量的激增以及碳化硅對(duì)逆變器的極高適用性，預(yù)計(jì)70%的碳化硅需求將來自電動(dòng)汽車。中國是預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車需求量最大的國家，預(yù)計(jì)將占電動(dòng)汽車生產(chǎn)對(duì)碳化硅總體需求量的40%左右。

圖2

在所有電動(dòng)汽車中，BEV、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）、400伏或800伏的動(dòng)力系統(tǒng)類型決定了SiC的效益和相對(duì)使用率。根據(jù)麥肯錫的分析，到2030年，BEV預(yù)計(jì)將占電動(dòng)汽車產(chǎn)量的75%（高于2022年的50%），而HEV和PHEV將占另外的25%。此外，麥肯錫預(yù)計(jì)到2030年，800伏動(dòng)力系統(tǒng)的市場(chǎng)滲透率將超過50%（而2022年還不到5%）。因此，麥肯錫預(yù)計(jì)碳化硅器件在未來十年將迎來重大發(fā)展機(jī)遇。

垂直整合：碳化硅市場(chǎng)上引人注目的商業(yè)模式

目前的碳化硅市場(chǎng)高度集中，只有少數(shù)幾家端到端的領(lǐng)先企業(yè)。事實(shí)上，SiC晶圓和器件市場(chǎng)的頭部兩大公司控制了大約60%至65%的SiC市場(chǎng)份額（見圖3）。

圖3

市場(chǎng)鼓勵(lì)垂直整合，這一點(diǎn)從大多數(shù)整合型龍頭企業(yè)的主導(dǎo)地位中可見一斑。根據(jù)麥肯錫的分析，SiC晶圓和器件制造的垂直整合可將產(chǎn)量提高5到10個(gè)百分點(diǎn)，利潤率提高10到15個(gè)百分點(diǎn)，部分原因是產(chǎn)量損失較低，部分原因是消除了流程中每一步的利潤堆疊（見圖4）。通過更好地控制設(shè)計(jì)，以及晶圓和器件制造之間的閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)更快的良率提升，從而實(shí)現(xiàn)更高的良率。

圖4

從戰(zhàn)略上講，垂直整合的制造商還能為汽車原始設(shè)備制造商提供更強(qiáng)的價(jià)值主張，因?yàn)樗麄冇懈叩墓?yīng)保證，這在近期供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)的情況下值得注意。同樣，垂直整合還能為晶圓生產(chǎn)商提供對(duì)沖商品化風(fēng)險(xiǎn)的手段，如硅市場(chǎng)上出現(xiàn)的商品化。

毫不奇怪，一些領(lǐng)先的制造商已經(jīng)通過并購和合作向縱向一體化發(fā)展。特別是，半導(dǎo)體設(shè)備制造商已經(jīng)增加了晶圓材料制造的上游能力。這包括意法半導(dǎo)體收購Norstel、Onsmi收購GT Advanced Technologies，以及羅姆半導(dǎo)體收購SiCrystal。

向8英寸晶圓過渡可帶來價(jià)格、利潤和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)麥肯錫的分析，預(yù)計(jì)將從生產(chǎn)和使用六英寸晶圓過渡到八英寸晶圓，大約在2024年或2025年開始材料普及，到2030年達(dá)到50%的市場(chǎng)滲透率。一旦克服了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，八英寸晶圓將為制造商帶來毛利率方面的優(yōu)勢(shì)，包括減少邊緣損耗、提高自動(dòng)化水平，以及充分利用硅生產(chǎn)過程中的折舊資產(chǎn)。根據(jù)麥肯錫的分析預(yù)測(cè)，這一轉(zhuǎn)變的毛利率效益約為五到十個(gè)百分點(diǎn)，具體取決于垂直整合的程度。

美國八英寸晶圓的批量生產(chǎn)預(yù)計(jì)將于2024年和2025年開始，屆時(shí)行業(yè)領(lǐng)先的制造商將陸續(xù)投產(chǎn)。此后，八英寸晶圓的產(chǎn)量預(yù)計(jì)將迅速攀升，這主要是為了應(yīng)對(duì)需求和價(jià)格壓力（尤其是來自中端電動(dòng)汽車原始設(shè)備制造商的需求和價(jià)格壓力），以及向八英寸碳化硅晶圓制造轉(zhuǎn)型所實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)約。

麥肯錫的分析表明，由于產(chǎn)量較低，八英寸晶圓襯底的每平方英寸成本仍比六英寸晶圓高。不過，由于工藝產(chǎn)量的提高和新型芯片技術(shù)的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)未來十年領(lǐng)先制造商的差距將縮小。例如，麥肯錫發(fā)現(xiàn)，與使用多線鋸的傳統(tǒng)晶片切割技術(shù)相比，激光切割技術(shù)有可能使一個(gè)單晶圓棒生產(chǎn)的晶片數(shù)量增加一倍以上。而氫分裂等先進(jìn)的晶片切割技術(shù)可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量。

更多地參與碳化硅價(jià)值鏈為汽車原始設(shè)備制造商創(chuàng)造了新的優(yōu)先事項(xiàng)。

嚴(yán)峻的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)、地緣政治因素、向800伏汽車的過渡，以及由此帶來的對(duì)SiC MOSFET需求的增加，都促使原始設(shè)備制造商最近擴(kuò)大了對(duì)半導(dǎo)體和SiC采購的參與。鑒于近期供應(yīng)鏈的混亂和碳化硅領(lǐng)域的發(fā)展，以及預(yù)期的重大技術(shù)創(chuàng)新，汽車原始設(shè)備制造商對(duì)基于碳化硅的電動(dòng)汽車逆變器和底層碳化硅芯片采用了多種采購模式（見圖5）。麥肯錫的分析表明，隨著行業(yè)的成熟，OEM可能會(huì)更多地參與碳化硅的采購和逆變器的設(shè)計(jì)。這種轉(zhuǎn)變還表現(xiàn)在SiC制造商與汽車OEM之間的合作日益增多。

圖5

原始設(shè)備制造商建立了大量合作關(guān)系，但很少達(dá)成排他性協(xié)議

碳化硅制造商與汽車OEM之間的合作關(guān)系包括長期供應(yīng)協(xié)議、戰(zhàn)略和開發(fā)合作關(guān)系，甚至包括生產(chǎn)設(shè)施的共同投資和合資協(xié)議。麥肯錫對(duì)占2030年BEV銷量75%以上的18家汽車OEM廠商的公告進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)12家OEM廠商（占2030年BEV銷量的60%以上）已經(jīng)宣布與SiC制造商建立兩個(gè)或兩個(gè)以上的合作伙伴關(guān)系。五家原始設(shè)備制造商（約占BEV銷量的15%）宣布了一項(xiàng)合作關(guān)系，只有一家原始設(shè)備制造商（約占BEV銷量的2%）尚未宣布與SiC制造商的合作關(guān)系。雖然本分析僅限于已宣布的合作關(guān)系，但汽車原始設(shè)備制造商通過非排他性合作關(guān)系實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈多樣化和安全的趨勢(shì)非常明顯（見圖6）。

圖6

原始設(shè)備制造商的高度參與表明，與原始設(shè)備制造商建立深厚關(guān)系并擁有汽車專用設(shè)備能力的現(xiàn)有和潛在碳化硅制造商將最有能力參與該行業(yè)的發(fā)展。考慮到在展示技術(shù)能力和確保獲得供應(yīng)方面存在的障礙，SiC制造商在尋求確保市場(chǎng)份額時(shí)，不妨盡早建立合作伙伴關(guān)系。鑒于許多供應(yīng)商與原始設(shè)備制造商之間的關(guān)系具有長期性，這一點(diǎn)尤為重要。此外，成立時(shí)間較短的碳化硅制造商可能需要盡早與原始設(shè)備制造商建立合作關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)概念驗(yàn)證并證明供應(yīng)保證，從而將其設(shè)計(jì)到汽車平臺(tái)中。麥肯錫的分析表明，原始設(shè)備制造商很可能愿意與歷史較短的制造商建立多種合作關(guān)系，以開辟確保供應(yīng)的新途徑。

中國原始設(shè)備制造商發(fā)出增加本地采購的信號(hào)，但領(lǐng)先者尚未出現(xiàn)

預(yù)計(jì)到2030年，中國仍將是最大的碳化硅市場(chǎng)（見圖7），增長動(dòng)力主要來自消費(fèi)者需求和大眾激勵(lì)措施，如電動(dòng)汽車不受車牌配額限制。根據(jù)麥肯錫的研究和分析，在中國，這一市場(chǎng)約有三分之一是OEM，三分之二是外國原始設(shè)備制造商。

圖7

目前，非中國碳化硅制造商供應(yīng)著中國80%的晶圓市場(chǎng)和95%以上的器件市場(chǎng)。然而，麥肯錫的分析表明，出于地緣政治和供應(yīng)保證的考慮，中國原始設(shè)備制造商正越來越多地尋求本地供應(yīng)來源。鑒于充足的產(chǎn)能和技術(shù)性能，預(yù)計(jì)到2030年，中國原始設(shè)備制造商將廣泛轉(zhuǎn)向本地供應(yīng)商采購，從目前的約15%提高到約60%（見圖8）。

圖8

在整個(gè)碳化硅價(jià)值鏈中，從設(shè)備供應(yīng)到晶圓和器件制造，再到系統(tǒng)集成，中國企業(yè)的崛起將推動(dòng)中國向本地采購的轉(zhuǎn)變。中國的設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)覆蓋了所有主要的碳化硅制造步驟，并已宣布投資提升產(chǎn)能至2027年。然而，在中國的生態(tài)系統(tǒng)中，尚未出現(xiàn)明確的供應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)者。

利益相關(guān)者如何充分利用碳化硅需求激增的機(jī)遇

電動(dòng)汽車的加速普及以及碳化硅在不斷增長的電動(dòng)汽車市場(chǎng)中日益重要的作用，對(duì)整個(gè)碳化硅價(jià)值鏈的參與者產(chǎn)生了根本性的影響。雖然沒有通過增加市場(chǎng)份額或創(chuàng)造價(jià)值來領(lǐng)先的首要戰(zhàn)略，但要在不斷變化的碳化硅市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，企業(yè)必須考慮一些因素。

汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商

定位準(zhǔn)確的汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商將制定與市場(chǎng)和同行保持一致的電動(dòng)汽車和碳化硅采用計(jì)劃和時(shí)間安排。由于原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商的合作關(guān)系是在開發(fā)過程的早期建立的，因此根據(jù)內(nèi)部能力和發(fā)展戰(zhàn)略制定SiC逆變器和半導(dǎo)體供應(yīng)鏈戰(zhàn)略——例如，與SiC器件制造商建立共同開發(fā)合作關(guān)系，而不是更直接的供應(yīng)協(xié)議——對(duì)于確保和維持合作關(guān)系非常有利。隨著晶體管溝槽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和碳化硅混合逆變器設(shè)計(jì)等技術(shù)的進(jìn)步，以及價(jià)值鏈的不斷變化，設(shè)計(jì)一個(gè)考慮到不確定性的整體采購戰(zhàn)略，同樣會(huì)為原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商提供良好的服務(wù)。

半導(dǎo)體元件制造商

制定碳化硅增長和投資戰(zhàn)略，與電動(dòng)汽車和其他市場(chǎng)日益增長的碳化硅機(jī)遇保持同步，對(duì)任何處于有利地位的半導(dǎo)體元件制造商的前景都至關(guān)重要。通過與汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商建立適當(dāng)?shù)暮献骰锇殛P(guān)系進(jìn)入市場(chǎng)同樣至關(guān)重要，在技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)能提升執(zhí)行和成本降低方面的持續(xù)投資也是如此——尤其是在向八英寸晶圓過渡的情況下。在整個(gè)制造價(jià)值鏈中，包括與襯底、外延和器件相關(guān)的決策，將繼續(xù)影響和左右參與者的“建設(shè)-購買-合作伙伴”決策。

碳化硅的潛在投資者

理想情況下，SiC投資理論應(yīng)包括對(duì)再投資和成熟時(shí)間的評(píng)估，并與市場(chǎng)、價(jià)值鏈和技術(shù)動(dòng)態(tài)保持一致。對(duì)于投資者來說，重要的是要考慮隨著市場(chǎng)的成熟，哪些企業(yè)有可能成為領(lǐng)導(dǎo)者，已宣布的產(chǎn)能是否有可能如期投產(chǎn)，以及是否有機(jī)會(huì)通過戰(zhàn)略性選擇的投資進(jìn)行顛覆并創(chuàng)造巨大價(jià)值。

政府

激勵(lì)措施或生態(tài)系統(tǒng)促進(jìn)因素可幫助政府支持當(dāng)?shù)貙?duì)用于電動(dòng)汽車和其他應(yīng)用的碳化硅的需求。支持價(jià)值鏈和維護(hù)國家利益的國際框架可幫助支持全球供應(yīng)鏈，同時(shí)滿足本地化和供應(yīng)彈性的需求。

電動(dòng)汽車的采用為碳化硅價(jià)值鏈中的參與者帶來了重大機(jī)遇。那些關(guān)注碳化硅生態(tài)系統(tǒng)中的趨勢(shì)和機(jī)遇，并迅速建立關(guān)鍵能力和合作伙伴關(guān)系以支持其增長雄心的公司將有可能獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。碳化硅價(jià)值鏈?zhǔn)莿?dòng)態(tài)的，具有高度的不確定性。需求環(huán)境發(fā)生了重大變化：逆變器設(shè)計(jì)和每個(gè)逆變器對(duì)MOSFET需求的變化；電動(dòng)汽車需求的持續(xù)加速；價(jià)值鏈，包括中國的新興企業(yè)和汽車原始設(shè)備制造商等非傳統(tǒng)企業(yè)對(duì)SiC價(jià)值鏈的投資；監(jiān)管態(tài)勢(shì)；以及技術(shù)，包括提高產(chǎn)量的新晶圓技術(shù)的興起。在這種環(huán)境下，所有市場(chǎng)參與者都可以通過持續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)展動(dòng)態(tài)并在計(jì)劃中增加靈活性來獲得戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。