第三代半导体争夺战开启，国内外供应商竞争正烈

来自第三代半导体产业技术创新战略联盟的数据显示，2023年，全球SiC/GaN功率电子市场规模约30.7亿美元，纯电动和混合动力汽车(EV/HEV)市场占比约70%，是核心市场驱动力。Yole预计，在消费电子、数据中心和新能源汽车的带动下，2029年全球GaN市场容量将达到22亿美元，未来5年复合增长率为29%；而受到工业和汽车应用的推动，SiC的市场规模将在2029年达到100亿美元。W7jesmc

芯片和器件制造环节上，国际龙头企业业绩均实现高速增长。意法半导体(ST)、英飞凌(Infineon)、Wolfspeed、安森美(onsemi)、罗姆(ROHM)的SiC器件业绩较上年同期分别增长了50%以上。5家企业保持高速扩张，设定的业绩目标均为在2030年实现SiC功率电子市占率30%-40%。根据2023年企业财报测算，5大龙头的总体市占率达到82%，产业环节呈现高度集中状态。W7jesmc

中国市场方面，据CASA Research(第三代半导体产业技术创新战略联盟第三代半导体产业研究院)统计，2023年中国SiC/GaN功率器件模组市场规模约为153.2亿元人民币，同比增长45%。第三代半导体在功率电子领域渗透率超过12%，开始进入高速增长阶段。这其中，新能源汽车(包括充电基础设施)是第三代半导体功率电子最大的应用领域，整体市场占比70.67%，其次是消费类电源和PFC(功率因数校正)，分别占比是 11.16%和5.78%。W7jesmc

SiC产能一升再升

碳化硅(SiC)作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。但SiC在天然环境下非常罕见，最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中发现了少量这种物质，所以其又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。W7jesmc

SiC最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源(不间断电源)和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但人们很快发现，碳化硅的电气、机械和热性质也非常适合制造很多大功率汽车电子器件，例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。W7jesmc

在特斯拉(Tesla)为其Model 3/Model Y主驱逆变器采用SiC器件之后，SiC的示范效应被迅速放大，xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉。2020年，比亚迪高端车型“汉”也搭载了SiC器件，预计2024年，比亚迪将在旗下的电动车中实现SiC器件对硅基IGBT器件的全面替代，使整车性能在现有基础上提升10%。W7jesmc

但在过去的两三年里，晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求，包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资，以支持供应链建设。 W7jesmc

以安森美为例，早在2021年11月，安森美就宣布收购SiC晶圆衬底供应商GTAT，旨在增强自身SiC的供应能力。而在更早之前的2019年，安森美还与科锐(CREE)签署了SiC晶圆多年期供应协议。此外，在投资扩产政策的支持下，2022年8月，安森美位于美国新罕布什尔州哈德逊(Hudson, New Hampshire)的SiC工厂落成，该基地将使安森美到2022年底的SiC晶圆产能同比增加五倍；9月，安森美宣布扩建位于捷克共和国Roznov的SiC工厂，预计在未来两年内，这一扩建将使该基地的SiC产能提高16倍。W7jesmc

得益于此，过去两年里，安森美在SiC衬底产能、裸芯片产能、封装产能、以及新产品发布四大关键领域，分别实现了10倍、12倍、4倍和3倍的增长。W7jesmc

来自英飞凌方面的消息则显示，继2021年9月，英飞凌宣布位于奥地利菲拉赫的300毫米薄晶圆功率半导体芯片工厂正式启动运营；2022年2月，宣布斥资逾20亿欧元，在马来西亚居林工厂建造第三个厂区用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品之后，2023年2月，又与Resonac Corporation(原昭和电工)签署了全新的SiC多年期供应和合作协议。协议显示，英飞凌未来十年用于生产SiC半导体的SiC材料中，约占两位数份额将由Resonac供给。W7jesmc

今年6月，意法半导体宣布将在意大利卡塔尼亚打造一座集8英寸SiC功率器件和模块制造、封装、测试于一体的综合性大型制造基地。该项目总投资额约为50亿欧元，预计2026年运营投产，在2033年前达到全部产能，全面落成后，晶圆产量可达1.5万片/周。W7jesmc

罗姆也制定了积极的产能扩张计划，准备在2021-2025年为SiC业务投入1,700-2,200亿日元，这一计划的实现将依托于罗姆位于宫崎的两个基地和筑后工厂新厂房的投入使用。相比2021年，预计到2025年罗姆的SiC产能将提升6倍，到2030年提升25倍。W7jesmc

以上只是全球SiC行业投资扩产热情的一个缩影，据不完全统计，2023年全球公开披露的SiC相关扩产项目就有121起，总投资金额高达260亿美元。其中，来自中国的扩产项目就有97起，包括：天岳先进将上海临港工厂6英寸SiC 衬底生产规模扩大至每年96万片；三安光电除了与ST合资，在重庆投资32亿美元(约合220亿元人民币)建设8英寸SiC外延与芯片代工厂外，还将单独投资70亿元人民币在重庆建设8英寸SiC衬底工厂。W7jesmc

全面转向8英寸

SiC功率器件价格目前是同规格Si功率器件价格的4倍左右，且器件成本中衬底占总成本约40%左右。考虑到具有竞争力的成本和稳定的供应量，是SiC功率电子大规模应用的关键，为此业界将8英寸作为主要实现手段并不令人感到意外。从Yole数据来看，尽管2023年全球有超过11家企业宣布了8英寸SiC材料扩产计划，但从实际出货量来看，8英寸SiC衬底仅占2%，规模量产仍在缓慢推进中，产业化是不及预期的。W7jesmc

行业生产目前仍以6英寸主，SiC从6英寸向8英寸过渡的难点，主要来自工艺层面，包括扩径生长、温场控制、晶体切磨抛，以及晶圆加工的一致性、稳定性、良率等挑战。但随着上述问题的逐步突破，8英寸规模量产将助力SiC功率电子器件成本快速降低，对应用市场拓展形成有力推动。W7jesmc

集邦咨询旗下化合物半导体市场此前对中国主流SiC企业的8英寸衬底进度进行了统计，目前中国有10家企业和机构在研发8英寸衬底，包含烁科晶体、晶盛机电、天岳先进、南砂晶圆、同光股份、中科院物理所、山东大学、天科合达、科友半导体、乾晶半导体等。而从其他国家的情况看，Wolfspeed、ROHM、英飞凌、ST等国际碳化硅大厂已经纷纷迈入8英寸，这些厂商的量产节点也纷纷提前到今年。W7jesmc

SiC转向8英寸的市场动力还源于越来越激烈的市场竞争，以及全球各大公司一直在扩大碳化硅衬底外延方面的产能，导致行业对于产能过剩的担忧。根据CASA Research预测，到2027年，中国宣布的SiC衬底产能将占全球产能40%以上。以往，中国6英寸碳化硅衬底通常只比国际供应商的报价低5%左右，而最近价格差异已经扩大至30%。W7jesmc

另一方面，随着全球电动汽车市场需求的疲软，碳化硅需求有所缩减，供应厂商们为了抢夺订单，也在不断降低价格。在意法半导体、英飞凌、罗姆、Wolfspeed、安森美和X-fab等多家头部企业发布的财报中我们也看到，部分企业调低了碳化硅的营收增长目标。W7jesmc

车用功率器件仍是主”战场“

从物理特性来看，SiC与硅材料的电子迁移率相差不大，但其禁带宽度、击穿电压、热导率和电子迁移速度分别是硅材料的3倍、8倍、4倍和2倍。同时，高达9.5的莫氏硬度也高出硅材料50%。这意味着基于碳化硅材料的功率半导体具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性，非常适合制造很多大功率汽车电子器件，例如车载充电器(OBC)、降压转换器和主驱逆变器。W7jesmc

事实也的确如此。无论是在低压400V平台，还是在高压800V平台，碳化硅器件都能为电动汽车带来显著的效率提升。不过，尽管碳化硅器件可以工作在更高的结温，具有更快的开关速度和耐压能力，但这些特性对芯片设计、驱动优化、电路保护、模块封装以及系统集成都提出了特别的挑战。此外，应用碳化硅材料的终端产品在长期可靠性方面的评估和认证仍然具有相当的技术难点。W7jesmc

目前看到的一个明显趋势，是随着汽车制造商对更高能效和续航能力的追求，整车厂在接下来的两三年里会发布更多搭载800V平台的车型，对SiC功率器件的需求会进一步增加。据不完全统计，2023年全球近35家车企共推出了50多款支持800V高压平台的车型，主流价位在20万至30万元/辆，且“800V+SiC”基本成为高端电动汽车标配。W7jesmc

与新能源汽车市场同步高速发展的还有充电基础设施，尤其是在中国市场，新能源汽车与充电桩的配比达到了2.5:1，远高于欧美8:1的比例。根据中国充电联盟数据，2023 年，中国用于充电基础设施的第三代功率电子市场约4.2亿元人民币，预计到2027年将达 21.8亿元人民币。这其中，高压直流快充为SiC功率电子创造的市场机会最大。毕竟，随着高端电动车型从400V电压平台升级至800V，直流快充桩电压也需提升到800V-1,000V，所用功率器件耐压则需提高到1,200V。W7jesmc

有意思的是，2020年以来，越来越多的整车企业开始布局第三代半导体功率电子业务。国际上整车企业与半导体供应商基本以战略合作为主，中国车企则是结合各家芯片研发需求及战略需求，分别采取车企自研、建立合资公司或联合研发，以及战略投资功率半导体企业的三种模式。W7jesmc

为GaN打开新机遇的大门

作为宽禁带半导体家族中的一员，氮化镓(GaN)功率器件近两年获得了比之前更高的关注度，正逐渐成为第三代半导体材料中最耀眼的一颗新星。W7jesmc

根据Yole预测，到2028年，GaN功率器件市场的价值将从2021年的1.26亿美元增长到20.4亿美元，年复合增长率高达49%，消费电子、汽车、电信、数据通信等应用对其青睐有加。与此同时，大批厂商也力图在GaN上实现技术和产能突破以抢占市场先机，激烈的竞争正快速推动氮化镓成为降本增效和可持续绿色发展的关键技术之一。W7jesmc

氮化镓的优势主要在于开关速度快、高频和高功率密度，因此在充电头、服务器电源、光伏微逆等领域优势很大。客户在应用氮化镓时，往往会从系统考虑高频运行，减小变压器、电感以及系统的体积，从而最大程度发挥氮化镓的优势。W7jesmc

在最具代表性的快速充电市场，借助GaN，智能手机制造商可以制造外壳尺寸更小且性价比更高的充电器。尽管基于GaN的器件的单价比硅贵，但更高的频率和更高的功率密度值使得每瓦美元更低。据Yole预测，预计到2028 年，功率GaN市场将占电力电子市场的6%以上。其中，消费类快速充电器和适配器仍然是Power GaN的主要驱动力，新趋势包括更高功率(高达300W)和“全GaN”充电器，从而导致每个充电器的GaN含量更高。W7jesmc

对于太阳能和风能等可再生能源发电系统而言，基于GaN的逆变器可以同时应用在低压侧和高压侧，以及更高的频率下运行，从而实现更小、更轻的系统。数据显示，由于开关损耗小，GaN方案可以比硅器件方案效率高0.5%-1%，从而带来两个优势：一是发电量更高；二是在同样的体积下，GaN方案有机会实现一倍以上的功率，从而降低系统的成本。 W7jesmc

随着电池系统向800V演进，支持高压快充、更大的主驱功率提升和高功率密度设计成为了新的目标，要求车载电源必须要在功率密度、生产制造性、高可靠性与低成本之间找到平衡，但这不是一件轻松的事情。而主机厂之所以越来越倾向于看重GaN器件，无外乎是因为氮化镓在高频应用上具备优势，可以在确保产品性能的同时实现产品的轻量化、小型化，这是整车厂最为关心的。W7jesmc

数据中心电源功率密度和转换效率越来越高，是第三代半导体受到青睐的根本原因。目前，服务器电源的功率等级已从800W提升到1.3kW，甚至4kW，因此对功率密度以及效率提出了非常高的要求。氮化镓的开通与关断损耗与碳化硅、硅器件相比下降了50%以上，并且没有反向恢复损耗，可以轻松满足钛金级效率需求，因此在数据中心服务器电源中应用越来越多。W7jesmc

从产能布局来看，按照CASA Research的说法，2023年GaN功率电子市场拓展较慢，企业扩产动力不足，2023年新增投资不足百亿元人民币。已公开披露的22起GaN功率电子扩产项目中，中国拟新建项目11起，披露投资金额为53.8 亿元人民币。新增项目中，器件模块项目占比较多，金额占比达到58.7%。W7jesmc

头部企业中，来自中国的英诺赛科占据了全球53%以上，中国90%以上的产能，2022年就凭借销售额与出货量成为全球最大的氮化镓企业。根据规划，英诺赛科在2026年将达到每月7万片8英寸氮化镓的产能，基本可以满足未来市场应用的需求。W7jesmc

建立“SiC+GaN”双业务引擎

采用这种双业务引擎的目前主要还是国际头部企业，目的也很简单，主要是为抢占市场先机，同时保障供应链安全。例如2022年8月，纳微半导体(Navitas Semiconductor)正式并购GeneSiC公司，构建起了以GaNFast+GeneSiC为代表的第三代功率半导体“双引擎”战略；2023年3月，英飞凌宣布斥资8.亿美元收购氮化镓系统(GaN Systems)公司等；此外还有ST并购Exagan，瑞萨收购Transphorm，Qorvo并购UnitedSiC等等。W7jesmc

拓展产品组合，覆盖更广泛的应用场景，是该业务模式带来的显而易见的优势。他们可以根据市场需要灵活部署氮化镓、碳化硅或硅；可以借助在一种技术上的积累沉淀助力另一种技术的开发；也可以通过采用系统级方法，结合适用于具体应用的正确技术，创建性能一流的解决方案，同时降低系统成本，为客户带来双重优势，使自身的最终产品与众不同。W7jesmc

相比之下，中国第三代半导体功率电子产业尚处于成长期，企业规模整体较小，尚未进入整合并购阶段。他们的重要战略举措主要体现在三个方面：一是加快产能扩充，不断投资新项目，以期在即将爆发的市场中占领一席之地；二是融资和IPO热情高涨，资本市场相对活跃；三是积极推动国际战略合作。W7jesmc

如何打造差异化竞争优势

如果将中国企业和国际大厂放在一起对比，会发现前者目前仍以Fabless模式为主，更强调应用创新；而后者普遍采用IDM模式，意在从技术、成本、出货量，到制造、封装、应用，构建起全方位的战略竞争优势。W7jesmc

有行业人士此前曾对《国际电子商情》表示，要想尽快追赶上国际大厂，并最终打赢这场仗，中国企业至少要做到以下三点：第一，要比欧美企业更加勤奋；第二，集中资源打磨更有竞争力的产品，缩短流片时间，加速产品迭代；第三，应用端多给企业一些机会，这是双赢的结局，所以产业链要抱团取暖，分散的小公司很难形成有效的研发实力，更没有和国际头部大厂直接竞争的能力。W7jesmc

从供应链的角度来看，目前，国际芯片大厂更愿意通过强强合作的方式，通过质量和成本锁定客户。而且越来越多的整车厂也非常关注供应链企业的供应能力、研发能力和财务状况，如果不达标，就会遭到淘汰。对中国企业来说，逐渐趋向头部效应，通过锁定上下游合作带来更强的成本优势和供应能力，也将成为一条必经之路。W7jesmc

至于是否也一定要走IDM这条路，目前产业还存在不同意见。支持者认为一家功率半导体企业做到一定阶段之后，如果想要继续做大做强，形成自己的专利壁垒，IDM这条路是一定要走的。毕竟功率半导体专利跟设备、工厂、流程是紧密联系在一起的，很难靠别家工厂长期做下去，尽管这条路走起来比较艰辛。W7jesmc

目前来看，虽然中国宽禁带功率半导体器件从工艺水平来看仍然与国际领先水平相差至少一代，但其产品的封装水平完全没有问题，服务响应速度也比国际大厂快。有专家指出，中国企业在积极发展过程中要努力提升差异化优势，同实际市场需求相结合，避免在中低端领域进行产能的盲目扩张，导致产能过剩。W7jesmc

考虑到2024年是对宽禁带半导体供应链的压力测试之年，对中国设计公司来说，不仅仅要设计出电学性能出色的产品，更要强化从质量管理体系到供应链管理体系的建设，这是一个系统性的工程，必须要花大力气。只有如此，产品才能以更好的性能和可靠性，更稳定的生命周期供货，赢得用户的信心。W7jesmc