2025年电子行业碳化硅赋能AI产业专题报告：从芯片封装到数据中心的核心材料变革

一、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 2 GW。

交流电部分：MV/LV Transformer（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 (Uninterruptible Power Supply)（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 Distribution Unit)（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 (Power Supply Unit)（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 Bus Converter)（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-Load Regulator)（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。

固态变压器（SST）与电力系统集成：传统数据中心从市电引入，要经过变压器将高压降为400–480 V交流，再由每台服务器电源整流为直流。多个级联转换增加了损耗和故障 点。为提高系统级效率，未来数据中心倾向于采用固态变压器（Solid State Transformer, SST）技术，从介质电压直接生成中压直流，把原本笨重低效的工频变压器和整流柜 功能合二为一。

所谓SST，本质是一种基于宽禁带功率器件的高频电能变换器。通常包含高压AC/DC功率级、高频隔离变压以及DC/DC变换等环节，可将例如10–35 kV的中压交流电直接转换 为数百伏直流输出。在NVIDIA提出的架构中，SST设计为独立的模块化柜安装在数据中心供电入口，将13.8 kV三相市电直接变换为800 V DC母线电压。Delta在2024年GTC 大会展示了其SST样机，利用多只SiC开关级的模块化串联，配合高频隔离变压器，将10–33 kV中压电直接转换为800 V直流，模块化设计便于冗余和扩展以适应不同国家的电 网电压。通过SST输出的800 V DC可直接通过母线送至机架，无需传统PDU变压和多重AC/DC转换，极大简化了配电链路 。

总的来看，SST和HVDC配电的结合，使得未来AI数据中心实现电网到机架的高效直流输电成为可能。这种系统集成方式下，市电、UPS电池及超级电容等储能单元都以直流形 式挂接在母线上，各环节更加高效协同。当然，高压直流配电也要求快速电流保护（如微秒级固态断路器）和绝缘监测等新技术，当前业界已在开发基于SiC MOSFET的固态直 流断路器，实现微秒级保护以保障系统安全。

碳化硅渗透至芯片封装领域

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%。由于市场需求持 续旺盛，2026年产能需求将进一步增长至131.3万片。台积电仍主导CoWoS供应，2024年台积电占全球类CoWoS产能的74%，2025年约 75%。

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）。

碳化硅制造工艺

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%。

价格方面，截至2025年，已有多家晶圆供应商能够向市场供应8英寸碳化硅晶圆。得益于产量提升，2024年间其价格已出现大幅下滑。至于6英寸晶圆，由于前几年 建设的产能持续释放，预计价格竞争态势仍将持续，碳化硅衬底占碳化硅器件比例将持续下降，但仍然高于硅。

碳化硅国内市场

2024年全球碳化硅器件（二极管、晶体管及混合模块内的器件，及半绝缘型碳化硅基射频器件）市场规模约43.6亿美元，至2030年有望达229.45亿美元，2025-2030年复合增长率约 32%。

当前功率碳化硅器件仍主要应用于新能源市场，包括新能源车、光伏及储能逆变器以及充电桩、风电等高压渗透率较高的领域。800V BEV出货量占全部BEV近10%，预计2030年将提升至 30%，高压系统将采用1200V SiC。汽车领域中超90%的SiC用于主牵引逆变器（main converter)，形态以全SiC功率模块为主。电源方面，600V SiC MosFET 用于AC/DC前端可带来高效 率与高功率密度。

国内上市公司技术方面，芯联集成、斯达半导专注于车规级高端全碳化硅模组，士兰微主要产品是混合模块。扬杰科技产品线布局较广，三安光电、华润微、中国 中车、长飞先进则集中于分立器件。海外龙头方面，英飞凌为AIDC首创400V分立晶体管，在超高压领域Navitas、Wolfspeed、英飞凌技术领先。

产业链垂直整合的公司或空间更大：以1200V SiC MOSFET晶圆为例，60%的成本主要来自外延片（衬底+外延工艺），其中，150mm（6英寸）硅衬底占34%， 外延工艺中，外延代工厂毛利占14%，良率损失及直接成本占据12%。若不考虑衬底的垂直整合，随着外延工艺良率及前端工艺良率的改善，剔除直接成本后，外 延+前端+后端的毛利空间为53%。前后道工艺方面，直接成本（包括前端+后端）占总成本9%。工艺良率是关键，其损失占总成本的22%。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）