碳化硅的“野心”：遠不止電動汽車！

作為第三代半導體材料的代表，碳化硅因其出色的高功率密度、耐高壓高溫、低能耗及抗輻射性能，在新能源汽車、5G通信、光伏儲能、智能電網等領域展現出巨大的市場潛力。

來源：天岳先進

新能源汽車：電動車性能升級核心

新能源汽車是目前碳化硅器件的最大應用陣地，其技術應用已成為提升電動汽車與混合動力汽車性能的核心突破口。依托高熱導率、高擊穿電場強度及優異機械性能，碳化硅器件顯著優化了車輛電力驅動系統、充電系統與能源管理系統的效率與可靠性。

在驅動系統中，碳化硅器件的應用極為顯著，特別是在電機控制器中。這些器件，如MOSFET和IGBT，極大提升了功率密度和轉換效率。這意味著在相同的能量輸入下，車輪能夠獲得更多的動力，從而提高了車輛的加速性能和續航能力。此外，高效的電機控制器還能減少能量在轉換過程中的損失，降低車輛的能耗，這對于延長續航里程、減少充電次數至關重要。

來源：pixabay

在充電系統中，DC/DC電源變換器在新能源汽車中負責將高壓電池組的直流電轉化為低壓直流電，以供車內各種電子設備使用。碳化硅器件可以使DC/DC電源變換器的效率更高，損耗更低。這不僅有助于延長電池壽命，還能確保車輛在各種情況下都能穩定地為電子設備供電。

不過，隨著新能源汽車產業的快速發展，碳化硅芯片雖長期處于高速增長區間，即便在汽車芯片市場整體承壓時仍保持相對堅挺，但也吸引了大量廠商入局。近兩年，全球6英寸SiC片產能快速釋放，疊加電動汽車市場需求階段性放緩，市場出現供過于求現象，直接對SiC晶圓價格形成下行壓力。此外，海外碳化硅芯片巨頭積極與中國廠商合作布局本土市場，進一步加劇了行業競爭態勢。

光伏新能源：逆變器提效關鍵推手

光伏逆變器作為太陽能光伏發電系統的核心部件，承擔著將光伏面板產生的直流電轉化為交流電的關鍵任務，其轉換效率直接決定整個光伏系統的發電效益。相較于傳統硅基逆變器，碳化硅逆變器憑借更高的開關頻率，能更快速、精準地控制電流轉換，大幅減少能量損耗，顯著提升電能轉換效率；同時，更低的運行損耗進一步優化了光伏發電系統的整體發電表現。

來源：pexels

隨著全球新能源裝機量的快速增長，光伏+儲能領域對SiC的需求持續攀升。據統計，2024年光伏儲能相關應用已占據SiC功率器件市場的兩位數份額，未來有望進一步提升。Yole研報預測，到2025年，碳化硅在光伏發電及儲能領域的應用市場規模將達3.14億美元，復合增長率高達17%，成為拉動SiC市場增長的重要引擎。

軌道交通：列車節能減重助力者

軌道交通車輛對功率半導體器件需求旺盛，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。其中，牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，將碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器，能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應用需求，提升系統的整體效能。

來源：pixabay

目前，我國新一代高速列車的牽引系統已在測試碳化硅模塊方案，期望通過效率提升降低列車能耗，并借助減輕冷卻系統重量增加載客量。此外，在激光器電源、半導體制造設備電源等高端制造裝備中，SiC器件也開始投入應用，以滿足這些裝備對潔凈電源與緊湊體積的嚴苛要求。整體來看，工業與交通電氣化趨勢為碳化硅在工控和運載領域開辟了廣闊空間。

智能電網：電力系統變革核心

相比其他電力電子裝置，電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。

5G 通信：信號傳輸提速關鍵

在5G技術體系中，無線通信是核心應用方向，碳化硅材料為實現高速、穩定、遠距離的無線通信提供了關鍵支撐。其可用于制造高性能微波和毫米波器件（如功率放大器、頻率轉換器），依托高飽和漂移速度與高電子遷移率的特性，實現高功率放大與高頻率轉換，大幅提升信號傳輸能力與數據傳輸速率。

來源：pixabay

同時，射頻器件作為5G通信系統的重要組成部分，碳化硅材料在該領域的應用正迎來廣泛研究與開發。憑借優異的電學性能，碳化硅成為高頻率、高功率射頻應用的理想選擇。無論是宏基站還是小基站，碳化硅器件都能發揮獨特優勢：宏基站可延長信號覆蓋距離，小基站則能實現更高功率密度與更低功耗。據預測，到2025年，碳化硅在5G通信領域的市場規模將達數億美元，年復合增長率超25%。

數據中心：能耗降低核心力量

超大規模數據中心、云計算的興起，使得電能消耗成為關鍵挑戰。數據中心含有大量服務器和通信設備，需要將市電轉換為服務器所用的低壓直流電，多重變換環節造成相當的能量損耗和發熱。碳化硅器件因其低損耗特性，被越來越多地采用在數據中心電源系統中。例如高效PFC（功率因數校正）電路、服務器電源模塊、不間斷電源(UPS)等，都開始用SiCMOSFET和SiC二極管來替代硅器件，從而顯著提高電源轉換效率、減少發熱。

據估計，到2025年數據中心及通信電源相關應用將占SiC器件市場的約10%，成為繼新能源汽車、光伏之后又一重要板塊。

AR 眼鏡：輕量化突破關鍵材料

目前的AR技術主要采用波導材料來實現圖像增強和虛擬信息疊加，而碳化硅正是制造波導鏡片的理想材料之一。

當前，AR眼鏡逐漸受到資本市場的青睞，輕量化、高性能已成為行業明確的發展方向。而碳化硅憑借高折射率、高熱導率、高透光性、低損耗、高硬度等核心優勢，能有效破解傳統材料的性能瓶頸，為AR眼鏡的技術升級與消費級普及提供關鍵支撐。

來源：雷鳥創新

隨著人工智能技術的爆發式增長，碳化硅的應用邊界持續拓展，如今正式踏入全新賽道——成為下一代人機交互入口“AI+AR”眼鏡的核心材料，正加速推動AR眼鏡向消費級市場邁進，開啟人機交互的全新篇章。從市場層面看，SiC成本約占AR眼鏡總成本的20%以上，是規模化普及的核心受益環節。業內預測，若單副SiC鏡片成本下降至約1000元，并實現2000萬副銷量，將撬動一個200億元級別的市場。

人工智能：芯片散熱難題解法

隨著人工智能技術的發展，AI服務器用GPU芯片等的性能持續提升，芯片功率不斷提高。與此同時，為了減少芯片體積、面積，先進封裝選擇了將多個芯片高密度堆疊的方式，帶來的結果就是芯片封裝的散熱問題愈發嚴峻。傳統的陶瓷基板熱導率約在200—230W/mK，已難以滿足日益增長的散熱需求。

來源：pixabay

碳化硅材料恰好具有優異的導熱性能。公開資料顯示，碳化硅的熱導率僅次于鉆石，可達400W/mK，甚至接近500W/mK，幾乎是陶瓷基板的兩倍，是數據中心與AI高算力芯片的良好封裝材料。

近期行業動態顯示，英偉達計劃在新一代GPU芯片的先進封裝環節采用碳化硅襯底作為中介層材料；臺積電也在規劃將12英寸單晶碳化硅應用于散熱載板，替代傳統的氧化鋁、藍寶石基板及陶瓷基板。碳化硅正成為突破AI算力瓶頸的關鍵材料，有望為半導體產業鏈帶來顛覆性變革。

隨著8英寸碳化硅技術逐步成熟、成本持續下降，碳化硅正從“高端可選”材料向“主流必選”材料轉變。從新能源汽車的性能升級到光伏儲能的效率提升，從5G通信的高速傳輸到AI芯片的散熱突破，碳化硅在多個關鍵領域的應用不斷深化，未來將持續作為支撐科技發展的核心材料，在全球產業變革中占據重要地位。

參考來源：

宋也男.構建虛擬“實鏡”的超級材料碳化硅

耿志剛.汽車電子行業的碳化硅市場分析

中國電子報.碳化硅“備戰”光伏市場

張冬云.碳化硅材料在5G通信中的應用展望

黃凌云.碳化硅材料在高頻半導體器件中的應用與性能優化分析

韋仕貢.碳化硅功率器件的應用與發展趨勢

天岳先進、天科合達招股說明書、經濟日報、21世紀經濟報道、證券日報