碳化硅赋能AI产业：从芯片封装到数据中心的核心材料变革

碳化硅赋能AI产业-从芯片封装到数据中心的核心材料变革 摘要 •随着单机柜功率从几十千瓦提升到数百千瓦乃至更高，AI服务器供电系统的设计面临全新要求，其核心在于四个方面：提高电能转换效率、减少损耗；高功率密度和体积限制；固态变压器（SST）与电力系统集成。SiC在AC-DC和PFC级的应用在服务器电源（PSU）的前端AC-DC变换中，典型拓扑如无桥图腾柱功率因数校正（PFC）和有源三电平整流等，需要高耐压低损耗的开关器件。SiCMOSFET因具备1200 V乃至更高耐压且高频特性优秀，成为首选器件。 •2025年数据中心PSU市场规模或达75亿美元，预计2030年，数据中心PSU市场规模将攀升至141亿美元，年复合增长率约15.5%。考虑到AI服务器的功率远高于标准服务器，高于3kW的高功率PSU的市场占有率将提升至80%，至2030年达到115亿美元。台达、光宝、华为合计占据50%的PSU市场。宽禁带模块渗透率方面，基于SiC、GaN的高功率PSU将从2025年10%提升至约24%，市场规模约33.84亿美元。其中台达、光宝、华为以及康舒、村田、TDK、联想均已配有SiC、GaN相关PSU产品。 •AI服务器不仅对电源提出要求，计算加速芯片本身的封装和供电也面临巨大挑战。如今一颗高端GPU/AI芯片模块功耗上千瓦，其封装需同时解决高电流供电和高热流密度散热的问题。当前2.5D/先进封装中常用的中介层或封装基板材料包括硅、玻璃和有机材料（如改性树脂基板），各有优缺点。在AI芯片功耗密度不断攀升的背景下，这些材料在散热、电气绝缘和机械强度方面暴露出一些瓶颈。近年来高端GPU功耗已从百W提高至千W，封装中集成多个芯片（GPU+多颗HBM）使热流密度骤增，使得高端GPU市场考虑将碳化硅用于封装市场。 •2025年全球CoWoS及类CoWoS封装总体产能预计将达到88.5万片，相较于2024年的42.6万片，年增长率高达108%。从当前2.5D封装结构及材料上来看，碳化硅材料或主要用于两个领域。一是用于chip上方与热沉之间的热界面材料（TIM2）；其次是用于硅中介层替换。若实现完全替代，碳化硅衬底及外延需求将是CoWoS产能的2倍（TIM+中介层，以12英寸计） •碳化硅功率器件的成本结构中，衬底+外延的成本占比远高于硅衬底，其中导电N型衬底使用量最大。2024年，8英寸碳化硅晶圆主要被WolfSpeed用于器件制造，以及IDM厂商用于研发活动。随着主要IDM厂商开始在8英寸平台上推进规模化量产，预计8英寸N型衬底销量由2024年的4.61万片提升至2030年的70.4万片，年复合增长率达58%。国内公司在8英寸、12英寸碳化硅衬底研发领先。2023年天岳先进成功研制8英寸碳化硅衬底，并于2024年天岳先进已成功研制12英寸碳化硅衬底，在半绝缘型、导电N型及导电P型产品上均有布局。 •碳化硅制造设备方面，外延、离子注入、国产替代趋势正在加速。PVT设备呈现一定的内部封闭特征，碳化硅衬底及器件龙头倾向于自建PVT设备来严格控制品质，多数领先的碳化硅芯片制造商通过收购或自主开发方式布局内部设备研发。除此之外，PVT设备市场主要由国内企业占据主导位置,其中北方华创市场占有率高达61%。衬底制备及外延后碳化硅器件及模组涉及前后道工艺与硅基器件类似，但高温工艺及硬度决定部分工艺仍需购置新设备。其中外延设备、离子注入、退火与热氧化、减薄与抛光（CMP)、背面激光退火以及量检设备不同于Si设备，需重新购置。2024年碳化硅器件生产设备规模达35.07亿美元，预计2026年将达到峰值为51.29亿美元。分类型看，碳化硅生产设备中，量测及检测、外延设备、离子注入设备占比较高。其中，量检设备占比最高，2024年市场规模约7.25亿美元，2026年有望达12.05亿美元。主要原因在于碳化硅材料缺陷先天较多、外延与掺杂均匀性难，高能注入、超高温活化带来更多变数以及几何与表面质量要求十分苛刻。 •全球碳化硅器件（二极管、晶体管、混合模块内器件及半绝缘型碳化硅基射频器件）市场规模约43.6亿美元（2024），至2030年有望达229.45亿美元，2025-2030年复合增长率约32%。考虑到当前碳化硅器件主要应用在新能源领域，中国作为新能源产业链第一大国，当前相对于衬底的高市占率，国内碳化硅器件市占率整体偏低，国产替代空间广阔。2024年，意法半导体、安森美、英飞凌、Wolfspeed、罗姆在碳化硅器件市占率合计市占率高达83%。2024年，国内碳化硅器件市占率大幅提升，碳化硅器件销售额同比远高于海外企业，但可替代空间仍然较高。 •全球碳化硅产业链投资规模持续扩大，国内碳化硅企业及在“ChinaForChina”背景下寻求在国内建厂，投资额约80亿美元，国内碳化硅设备公司或依托于国产替代，在碳化硅产业链产能扩张中受益。 •相关公司：1）碳化硅器件厂商：扬杰科技(300373.SZ)、芯联集成-U(688469.SH)、斯达半导(603290.SH)、三安光电(600703.SH)、捷捷微电(300623.SZ)等；2）碳化硅设备及衬底公司：天岳先进(688234.SH)、露笑科技(002617.SZ)等；北方华创(002371.SZ)、晶盛机电(300316.SZ)、中科飞测（688361.SH）等 •风险提示：国内厂商渗透率不及预期：车用功率器件验证周期较长，或导致国内厂商渗透率不及预期；产能扩张导致的价格风险：多数厂家开始扩产，产能扩张背景下或导致价格压力较大；技术风险：当前碳化硅晶体管技术路线较多，如平面及沟槽型MosFET，新技术的应用或导致其他产品销量不及预期。 目录 风险提示： 一、数据中心供电架构概览 国内厂商渗透率不及预期：车用功率器件验证周期较长，或导致国内厂商渗透率不及预期； 二、碳化硅渗透至数据中心供电系统 三、碳化硅渗透至芯片封装领域 产能扩张导致的价格风险：多数厂家开始扩产，产能扩张背景下或导致价格压力较大； 四、碳化硅制造工艺 技术风险：当前碳化硅晶体管技术路线较多，如平面及沟槽型MOSFET，新技术的应用或导致其他产品销量不及预期。 五、碳化硅国内市场 六：相关公司 数据中心供电架构概览 •数据中心是一个集中化的设施，用于容纳众多计算机服务器、网络设备、存储系统及IT组件。所有上述设备都需要特殊的电源装置，以便为每个设备提供适当的输入电压。 •AI驱动下，数据中心已成为现代计算的骨干，旨在为各类应用（尤其是云计算、人工智能和其他数字服务）存储、处理和管理海量数据及信息。数据中心可以分为企业级数据中心（Enterprise Data Center）、高性能计算中心（HPC）、超大规模数据中心（hyperscale）。基于服务器性能及规模不同，其功率需求及消耗差异较大。超大规模数据中心的功耗平均在1MW至150MW，AI超大规模园区可达2GW 数据中心供电架构概览 •一般数据中心电力供应架构包括： •交流电部分：MV/LVTransformer（中压/低压变压器）将中压电压降压至适用于设施配电的低压交流电；UPS(UninterruptiblePowerSupply)（不间断电源）提供备用电源和电压调节，确保在电网中断期间仍能持续运行；PDU(Power DistributionUnit)（电源分配单元）将三相电分配为单相电，并监控来自UPS的电力，将其配送至数据大厅内的IT机柜。 •PSU(PowerSupplyUnit)（电源供应单元）将交流电（AC）转换为稳压的低压直流电（DC）（通常为48V或12V），为服务器或机柜级设备供电；IBC(Intermediate BusConverter)（中间总线转换器）将48V电压降压至中间电压（例如12V,6V），以便为靠近处理单元的负载供电；POL(Point-of-LoadRegulator)（负载点稳压器）最终转换阶段，直接为CPU、GPU或内存等器件提供精确的所需电压（例如0.8V–2V）。 碳化硅渗透至数据中心供电系统 •超大规模数据中心内的电源供应单元（PSUs）对于确保持续稳定的电力输送至关键设备发挥着至关重要的作用。这些数据中心需要不同断的电力来支持其关键应用与服务。PSU负责将输入电能转换并分配给基础设施，确保服务器及网络硬件在内的所有系统保持最佳运行状态。PSU通常采用模块化、可扩展的设计，以适配数据中心扩展过程中日益增长的电力需求。 •电源供应单元在数据中心机架配电单元（rPDUs）市场中的应用，对维持超大规模运营的性能与正常运行时间不可或缺。rPDU在服务器机架内部分配电能，而PSU则确保为所有连接系统转换并输送稳定电力。这种协同工作机制使超大规模数据中心能够实现高可靠性、运营效率及冗余备份，这些特性对于管理大规模、关键型、数据驱动的服务至关重要。 •传统的数据中心工作负载在计算基础架构中异步运行。AI训练工作负载热图显示GPU如何同步运行，导致GPU集群消耗的总功率镜像并放大单个节点的功率模式。数千个GPU同步运行，对不同的数据执行相同的计算，这种同步会导致电网级别的功率波动。与传统数据中心工作负载不同，在传统数据中心工作负载中，不相关的任务“平滑”负载，人工智能工作负载会导致空闲状态和高功耗状态之间的突然转换 碳化硅渗透至数据中心供电系统 •随着单机柜功率从几十千瓦提升到数百千瓦乃至更高，AI服务器供电系统（包括服务器电源PSU和固态变压器SST）的设计面临全新要求，其核心在于四个方面：提高电能转换效率、减少损耗；高功率密度和体积限制；固态变压器（SST）与电力系统集成。 •尽可能提高电能转换效率，减少损耗。传统数据中心采用“80 PLUS”标准规范电源效率，其中最高要求在典型负载时达到96%的效率。而AI服务器由于功率巨大，即使1%的损耗也会转化为数千瓦的热量，需要额外的制冷功率来进行散热。因此，新一代PSU的效率目标被推向98%乃至99%以上。Infineon的8kWAI电源即实现了98%的整机效率，显著减少了发热和冷却负担，其新一代12 kW参考设计的PFC级效率超过99%、DC/DC级超过98.5%，总效率逼近极限。高效的电源每提供100 kW负载仅损耗不到2kW，比传统方案（例如94%效率时损耗6kW）将损耗降低了三分之二，大幅缓解了数据中心的散热和运营成本压力。 碳化硅渗透至数据中心供电系统 •高功率密度和体积限制：在宝贵的机架空间内，电源所占据的体积必须尽量缩小，否则会侵占IT设备空间，降低计算部署密度。传统54V配电的系统中，一个机架往往需要安装多个电源盘（powershelf）叠加提供足够功率。 •例如NVIDIA的GB300系统为满足约130kW负载，使用了8U电源盘。如果进一步扩展到1MW等级，按54V体系将需要约64U（1U高度1.7inches）高度的电源，也就是整个机架都被电源占满，几乎无法安装服务器设备，因此，提高每个PSU模块的功率等级和功率密度至关重要。近年服务器单体电源容量已从传统的800W级跃升至3–5 kW级，新一代PSU提升到8kW和12kW，以更少模块满足更高功率需求。与此同时，功率密度也在不断刷新，从早期约30W/立方英寸提高到100W/立方英寸以上 碳化硅渗透至数据中心供电系统 •更高配电电压和更低输电损耗：为输送如此巨大的功率，服务器配电架构正从传统的低压直流（12V或48V）转向中高压直流。 •12VDC机柜级PSU架构：12V直流机架级电源架构在传统企业数据中心和托管数据中心中仍被广泛使用。然而，在支持人工智能和高性能计算工作负载日益增长的功耗需求时，该架构显露出明显局限性，工作负载需要比12V系统所能提供的更高效电力传输和更高功率密度。12V系统需使用更粗的线缆和更宽的总线槽，不仅占用机架空间，还增加了散热需求。 •48VDC机柜级PSU架构：48V直流电源架构已成为现代高密度数据中心的首选解决方案。相比