半导体实践新碳化硅前景出现为 ma rket适应 EV 扩展电动汽车的采用正在增加对关键碳化硅的需求电力电子元件。半导体播放器 ， 汽车如何原始设备制造商和其他人在颠覆中创造价值 ？这篇文章是由 Albert Brothers ， Ondrej Burkacky ， Julia Dragon ， Jo Kakarwada ，Abhijit Mahindroo ， Jwalit Patel 和 Anupama Suryanarayanan ， 代表麦肯锡的观点半导体实践。2023 年 10 月 预计将有广泛的市场增长2030 年电动汽车和 SiC电动汽车 (EV) 市场估计为到 2030 年 ， 复合年增长率为 20% ， 届时xEV 的销量估计达到 6400 万辆 -2022 年预计电动汽车销量的四倍。1确保 EV 部件的供应足以满足估计需求的快速增长是至关重要的 ，和碳化硅 （ SiC ） 的供应特别的优点考虑。我们的分析表明 ， 与他们的硅基同行 ，2SiC 金属氧化物 -半导体场效应晶体管 (MOSFET)3用于电动汽车动力系统 (主要是逆变器 ， 但也DC - DC 转换器和车载充电器)4提供更高的开关频率、热阻和击穿电压。这些差异有助于更高的效率 (延长车辆范围) 和降低总系统成本 (降低电池容量和热管理要求)动力总成。这些好处在电池电动汽车需要更高的电压(BEV) ， 预计将占大多数电动汽车2030 年生产。2018 年至 2022 年 ， 电动汽车份额预测2030 年全球轻型汽车市场的增长3.8 倍 ， 从 1700 万到 6400 万套(图表 1) 。这种增长是由预计电动汽车将达到总车主成本 -船舶 (TCO) 与内燃机车辆的平价到 2024 年或 2025 年 ， 许多国家的 (ICE) ，5以及如采取的监管行动和投资作为电动汽车和充电基础设施的一部分推动实现净零目标。SiC 器件市场 ， 价值约 20 亿美元今天 ， 预计将达到 110 亿至 140 亿美元到 2030 年 ， 复合年增长率估计为 26%(图表 2) 。鉴于电动汽车销售和 SiC 的飙升令人信服的逆变器适用性 ， 70% 的 SiC需求预计将来自电动汽车。中国 ， 那里预计电动汽车需求最高 ， 预计为带动约 40% 的总需求电动汽车生产中的 SiC 。在本文中 ， 我们将研究 SiC 制造商如何 ，汽车原始设备制造商和其他人可以抓住机会 -电动汽车市场增长预期所固有的渴望创造价值并获得竞争优势。在电动汽车中 ， 动力总成的类型 - BEV ， 混合动力电动汽车 （ HEV ） ， 插电式混合动力汽车(PHEV) 、 400 伏或 800 伏 - 确定确保 EV 组件供应有足够的能力来应对这种快速增长估计的需求是至关重要的 ， 而供应碳化硅优点特别 ：考虑。1基于麦肯锡未来移动中心的数据。2345即, 硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 。MOSFET 是电子控制开关。逆变器是将来自 EV 电池的直流电力转换为 EV 电动机的交流电源的装置。不包括补贴。有了补贴 ， 电动汽车和内燃机汽车的总拥有成本已经相当。2随着市场适应 EV 扩张 ， 新的碳化硅前景出现 附件 1推动实现净零目标加快了电动汽车的采用。全球轻型汽车销售 ，百万单位 (% 份额)先前的 xEV1市场预测,百万单位xEV1ICE29564当前投影92822022 年预测32(35%)(~ 5800 万台)16(19%)64(67%)2021 年预测（ 约 4200 万个单位 ）2020 年预测（ 约 3000 万台 ）2019 年预测（ 约 20 万台 ）66(81%)60(65%)2018 年预测（ 约 1700 万台 ）32(33%)2022202520302030注意 ： 由于四舍五入 ， 数字可能不会求和。1xEV 包括电池电动车辆 (BEV) 、混合动力电动车辆 (HEV) 、插电式混合动力电动车辆 (PHEV) 和燃料电池电动车辆 (FCEV) 。2内燃机。来源 ： 麦肯锡未来移动中心麦肯锡公司SiC 器件市场 ， 估值在今天 20 亿美元 ， 预计将达到 11 美元到 2030 年达到 140 亿美元 ， 增长到估计复合年增长率为 26% 。随着市场适应 EV 扩张 ， 新的碳化硅前景出现3 附件 2碳化硅器件市场预计将以 26% 的复合年增长率增长2022 年至 2030 年。碳化硅功率器件年收入 ，$billion复合年增长率 ， 2022 - 3011.4’14.4工业和能源xEV122.83.9+ 18% p. a.3+ 26% p. a.36.4’7.41.82.24.1’5.08.610.5+ 31% p. a.31.31.61.7’2.24.65.20.81.12.83.40.91.12022202520272030注 ： 数据截至 2022 年 11 月。1占工业和能源份额的其他应用包括电源 （ 23 ％ ） ， 工业应用 （ 14 ％ ） ， 商用车 （ 12 ％ ） ， 不间断电力供应 （ 12% ） ， 以及军事和航空航天 （ 12% ） 。2xEV 包括电池电动车辆 (BEV) 、混合动力电动车辆 (HEV) 、插电式混合动力电动车辆 (PHEV) 和燃料电池电动车辆 (FCEV) 。每年。来源 ： 麦肯锡未来移动中心 ， 当前轨迹情景3麦肯锡公司垂直整合 ： 引人注目的SiC 市场的商业模式SiC 的益处和相对吸收。因为它们更高的效率需求 ， 800 伏 BEV 动力总成最有可能使用基于 SiC 的逆变器。6据目前 SiC 市场高度集中 ， 有根据我们的分析 ， 到 2030 年 ， BEV 预计将占电动汽车产量的 75% (高于 50%2022 年的百分比) ， 而 HEV 和 PHEV 将上升了另外 25% 。此外 ， 我们预计超过 50% 的市场渗透率为 800 -到 2030 年 ， 伏特动力总成 (从不到 5%在 2022 年) 。因此 ， 我们预计未来十年 SiC 器件的顺风。只有少数端到端领导人。事实上 ， 前两名SiC 晶圆和器件市场的公司控制约 60 ％ 至 65 ％ 的 SiC 市场份额(附件 3) 。事实证明 ， 市场奖励垂直一体化由大多数综合领导的主导地位玩家。根据我们的分析 ， 垂直整合6基于麦肯锡未来移动中心的数据。4随着市场适应 EV 扩张 ， 新的碳化硅前景出现 附件 3排名前两位的玩家服务了大约 55 ％ 至 75 ％ 的设备和晶圆2022 年市场。碳化硅 (SiC) 晶圆1： 2022 年收入和SiC 器件3： 2022 年收入和市场份额4市场份额2生产晶圆和器件5.54 亿美元$1, 947 millionOthers3%Others2%三菱电机77%7%TankeBlueSK Siltron.09%.04%10%Onsemi.02%Rohm半导体12%14%15%Rohm半导体OnsemiSTMicroelectronics5620%相干Wolfspeed18%36%在霓虹灯53%WolfspeedSTMicroelectronics注 ： 由于四舍五入 ， 数字不等于 100% 。仅包括原始 SiC 晶圆。12345罗门半导体 ， SK Siltron ， TankeBlue ， STMicroelectronics 和 Onsemi 的收入和市场份额根据 2021 年的市场份额作为代理进行估算。离散和模块。三菱电机的收入和市场份额根据 2021 年的市场份额作为代理进行估计。GT Advanced Technologies 的近似收入。6Norstel 的市场份额。7完全集成的端到端 ， 但俘虏。资料来源:Power SiC 2023， Yole 集团 ， 2023 年 8 月 ； 麦肯锡分析麦肯锡公司在 SiC 晶圆和器件制造中可以提高收益率为 5 到 10 个百分点 ， 利润率为10 到 15 个百分点 ，7部分来自较低的产量损失 ， 部分原因是消除了在过程中的每一步 (图表 4) 。更高的产量是通过更好地控制设计和更快地实现具有闭环反馈的产量斜坡晶圆和器件制造。鉴于最近的供应链挑战 ， 值得注意的是。同样 ， 垂直整合也为晶圆厂提供了对冲商品化 ， 如拥有发生在硅市场。毫不奇怪 ， 几家领先的制造商已经通过以下方式向垂直一体化发展并购和伙伴关系。特别是半导体设备制造商增加了上游产能在晶圆材料制造中。这包括STMicroelectronics 收购 Norstel,Onsemi 收购 GT Advanced Technologies从战略上讲 ， 垂直整合的制造商可以还为汽车提供了更强的价值主张OEM 因为更高的供应保证 ， 这是7与价值链中这些环节的纯提供商的组合相比。随着市场适应 EV 扩张 ， 新的碳化硅前景出现5 附件 4碳化硅器件制造中的垂直集成可以帮助实现幅度和产量显著增加。6 英寸碳化硅 MOSFET ： 按价值链步骤划分的相对成本比较 （ 每片 $） ， 2022 年1边距产量损失过程成本非集成设备制造商完全集成的设备制造商基板外延2器件制造3边际扩张从消除边距堆叠和产量提高模块包装Cost设备余量ASP （ 分销商 ）41金属氧化物半导体场效应晶体管。2外延产量代表外延供应商和集成器件制造商。领先的外延供应商比内部产量有所提高外延 ， 即使是集成制造商。3器件制造包括切割和探针测试。平均售价。4资料来源:SiC 晶体管比较 2021， Yole Group ， 2021 年 12 月 ； 麦肯锡分析麦肯锡公司（ GTAT ） ， 以及罗门半导体收购SiCrystal.8这些和其他收购证明对业务、财务和战略的信心纵向一体化的好处。到 2030 年达到市场渗透率。一旦技术挑战被克服 ， 八 -英寸晶圆报价厂家毛利率 ：从减少的边缘损失中获益 ， 更高的自动化水平 ， 以及利用能力来自硅制造的折旧资产。我们的分析项目的毛利率收益过渡到大约五到十个百分点 ，取决于垂直整合的水平。过渡到 8 英寸晶圆可以报价、保证金和市场优势根据我们的分析 ， 从六英寸晶圆的生产和使用到八 -预计英寸晶圆 ， 材料吸收从 2024 年或 2025 年左右开始 ， 50%8 英寸晶圆的批量生产美国预计将于 2024 年开始2025 年 ， 当行业领先的制造商8有关 STMicroelectronics 的更多信息–Norstel 收购 ， 请参阅 “STMicroelectronics 关闭对碳化硅晶圆专家的收购Norstel AB ， “STMicroelectronics ， 2019 年 12 月 2 日 ； 有关 Onsemi 的更多信息–GTAT 收购 ， 请参阅 “Onsemi 完成对 GT 的收购先进技术 “， Onsemi ， 2021 年 11 月 1 日 ； 有关罗门半导体的更多信息–收购 SiCrystal ， 参见 “SiCrystal 的历史 ”SiCrystal ， 2023 年 9 月 5 日访问。6随着市场适应 EV 扩张 ， 新的碳化硅前景出现 更多参与 SiC 价值链为计划将容量联机。9生产八 -英寸晶圆预计将在此后迅速上升 ，主要是为了应对需求和价格压力(特别是来自中型电动汽车 OEM) ， 以及至于通过转换为 8 来实现的成本节约 -英寸 SiC 晶圆制造。汽车 OEM严峻的供应链挑战 ， 地缘政治考虑 -埃里斯 ， 向 800 伏车辆的过渡 ， 以及导致对 SiC MOSFET 的需求增加所有这些都促使最近扩大了 OEM 的参与在半导体和 SiC 采购方面。鉴于最近供应链中断和 SiC 的发展景观 ， 具有预期的主要技术创新 ， 汽车原始设备制造商参与多个两种基于 SiC 的 EV 逆变器的采购模型和底层 SiC 芯片 (图表 5) 。我们的分析表明 ， 随着行业的成熟 ， 偏好可能会转向更大的 OEM 参与采购