電子行業(yè)碳化硅賦能AI產(chǎn)業(yè)專題報(bào)告：從芯片封裝到數(shù)據(jù)中心的核心材料變革.pdf

電子行業(yè)碳化硅賦能AI產(chǎn)業(yè)專題報(bào)告：從芯片封裝到數(shù)據(jù)中心的核心材料變革。隨著單機(jī)柜功率從幾十千瓦提升到數(shù)百千瓦乃至更高，AI服務(wù)器供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨全新要求，其核心在于四個方面：提高電能轉(zhuǎn)換效率、減少損耗；高功率密度和體積限制；固態(tài)變壓器（SST）與電力系統(tǒng)集成。SiC在 AC-DC和PFC級的應(yīng)用在服務(wù)器電源（PSU）的前端AC-DC變換中，典型拓?fù)淙鐭o橋圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）和有源三電平整流等，需要高耐壓低損耗的開關(guān)器件。SiC MOSFET因具備1200 V乃至更高耐壓且高頻特性優(yōu)秀， 成為首選器件。

2025年數(shù)據(jù)中心PSU市場規(guī)模或達(dá)75億美元，預(yù)計(jì)2030年，數(shù)據(jù)中心PSU市場規(guī)模將攀升至141億美元，年復(fù)合增長率約15.5%。考慮到AI服務(wù)器的功率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，高于3kW的高功率PSU的市場占有率將提升至80%，至 2030年達(dá)到115億美元。臺達(dá)、光寶、華為合計(jì)占據(jù)50%的PSU市場。寬禁帶模塊滲透率方面，基于SiC、GaN的高功率PSU將從2025年10%提升至約24%，市場規(guī)模約33.84億美元。其中臺達(dá)、光寶、華為以及康舒、村田、TDK、聯(lián)想均已配有SiC、GaN相關(guān)PSU產(chǎn)品。

AI服務(wù)器不僅對電源提出要求，計(jì)算加速芯片本身的封裝和供電也面臨巨大挑戰(zhàn)。如今一顆高端GPU/AI芯片模塊功耗上千瓦，其封裝需同時(shí)解決高電流供電和高熱流密度散熱的問題。當(dāng)前2.5D/先進(jìn)封裝中常用的中介層或 封裝基板材料包括硅、玻璃和有機(jī)材料（如改性樹脂基板），各有優(yōu)缺點(diǎn)。在AI芯片功耗密度不斷攀升的背景下，這些材料在散熱、電氣絕緣和機(jī)械強(qiáng)度方面暴露出一些瓶頸。近年來高端GPU功耗已從百W提高至千W，封裝 中集成多個芯片（GPU+多顆HBM）使熱流密度驟增，使得高端GPU市場考慮將碳化硅用于封裝市場。

2025年全球CoWoS及類CoWoS封裝總體產(chǎn)能預(yù)計(jì)將達(dá)到88.5萬片，相較于2024年的42.6萬片，年增長率高達(dá)108%。從當(dāng)前2.5D封裝結(jié)構(gòu)及材料上來看，碳化硅材料或主要用于兩個領(lǐng)域。一是用于chip上方與熱沉之間的熱界 面材料（TIM2）；其次是用于硅中介層替換。若實(shí)現(xiàn)完全替代，碳化硅襯底及外延需求將是CoWoS產(chǎn)能的2倍（TIM+中介層，以12英寸計(jì)）。

碳化硅功率器件的成本結(jié)構(gòu)中，襯底+外延的成本占比遠(yuǎn)高于硅襯底，其中導(dǎo)電N型襯底使用量最大。2024年，8英寸碳化硅晶圓主要被WolfSpeed用于器件制造，以及IDM廠商用于研發(fā)活動。隨著主要IDM廠商開始在8英寸平 臺上推進(jìn)規(guī)模化量產(chǎn)，預(yù)計(jì)8英寸N型襯底銷量由2024年的4.61萬片提升至2030年的70.4萬片，年復(fù)合增長率達(dá)58%。國內(nèi)公司在8英寸、12英寸碳化硅襯底研發(fā)領(lǐng)先。2023年天岳先進(jìn)成功研制8英寸碳化硅襯底，并于2024年 天岳先進(jìn)已成功研制12英寸碳化硅襯底，在半絕緣型、導(dǎo)電N型及導(dǎo)電P型產(chǎn)品上均有布局。

碳化硅制造設(shè)備方面，外延、離子注入、國產(chǎn)替代趨勢正在加速。PVT設(shè)備呈現(xiàn)一定的內(nèi)部封閉特征，碳化硅襯底及器件龍頭傾向于自建PVT設(shè)備來嚴(yán)格控制品質(zhì)，多數(shù)領(lǐng)先的碳化硅芯片制造商通過收購或自主開發(fā)方式布 局內(nèi)部設(shè)備研發(fā)。除此之外，PVT設(shè)備市場主要由國內(nèi)企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)位置,其中北方華創(chuàng)市場占有率高達(dá)61%。襯底制備及外延后碳化硅器件及模組涉及前后道工藝與硅基器件類似，但高溫工藝及硬度決定部分工藝仍需購置 新設(shè)備。其中外延設(shè)備、離子注入、退火與熱氧化、減薄與拋光（CMP)、背面激光退火以及量檢設(shè)備不同于Si設(shè)備，需重新購置。2024年碳化硅器件生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模達(dá)35.07億美元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到峰值為51.29億美元。 分類型看， 碳化硅生產(chǎn)設(shè)備中，量測及檢測、外延設(shè)備、離子注入設(shè)備占比較高。其中，量檢設(shè)備占比最高，2024年市場規(guī)模約7.25億美元，2026年有望達(dá)12.05億美元。主要原因在于碳化硅材料缺陷先天較多、外延與 摻雜均勻性難，高能注入、超高溫活化帶來更多變數(shù)以及幾何與表面質(zhì)量要求十分苛刻。