电子行业深度分析:乘AI东风,碳化硅行业迎新催化

碳化硅材料具备卓越的物理特性，是高温、高频、高压场景下的理 想选择

碳化硅（SiC）属于宽禁带半导体材料，核心优势体现在更高耐压、更低损耗与更强热管理能 力，使其在高压、高频、高温场景下具备系统级效率优势。

高禁带宽度：SiC 接近 Si 的三倍，高禁带宽度特性降低了本征载流子浓度，使器件高温漏电 流更小，可允许器件在更高温度下稳定工作，有望实现 200℃以上的工作温度。 高饱和电子漂移速率：SiC 载流子可更快漂移，有利于提高器件开关速度。此外，SiC 对 P 型 /N 型掺杂的控制范围广，与硅相当，可满足器件制造的各种工艺要求。 高热导率：SiC 的热导率约为 Si 的三倍，使得 SiC 具备优异的散热能力，在高功率密度应用 中可降低结温、缩减冷却系统规模。同时，SiC 晶格结合力强，化学/机械稳定性高，不易因 热应力开裂，在极端环境下保持可靠。 高击穿场强：SiC 的临界击穿场强约为 3MV/cm，为 Si 的 10 倍，意味 SiC 器件可以承受更高 电压而不击穿。得益于此，SiC 高压器件所需的漂移区可以做得更薄、掺杂更高，从而显著 降低导通电阻。在相同耐压下，SiC 器件单位面积漂移层电阻理论上可降低至硅的 1/300。这 使 SiC 器件能轻松实现 600V 至数千伏的耐压，同时保持极低导通损耗。 得益于以上特性， SiC 成为车用电驱、光伏逆变、电网变换等领域的首选新型功率半导体材 料。随着产业发展晶圆尺寸由 2 英寸、4 英寸逐步扩大到 6 英寸、8 英寸乃至 12 英寸，晶体 缺陷密度大幅降低，材料供应和良率持续改善，碳化硅正从小众逐步走向大规模产业化。 光学领域，碳化硅的高折射率可有效提升光波导的视场角和成像清晰度。在光电子与近眼显 示应用中，碳化硅的光学性能可展现出独特价值。智能眼镜中使用的多为半绝缘型 SiC 衬底， 具备高折射率（约 2.6+），可有效提升光波导的视场角（FOV）与成像清晰度，显著弱化彩 虹纹、雾度与杂散光问题。同时作为氮化镓（GaN）外延生长平台，可支撑高亮度 Micro-LED 显示芯片制造。

AI 数据中心电源方案往 800V HVDC 架升级，碳化硅器件迎新需求

2.1.800V HVDC 规模化验证提速，2027 年成放量拐点

AI 机柜功率密度持续飙升，传统低压供电已达物理极限，800V HVDC 高压直流架构是下一 代 AI 数据中心的必然选择。 随着 GPU 密度提升与高带宽内存集成，AI 机柜正在向更高功 率密度演进，传统供电方案在高功率场景下面临电流上行、母排/线缆铜耗与连接器发热压力 增大的系统性问题，行业开始评估并推进更高电压等级的直流配电方案，以降低电流、降低 配电损耗并提升功率密度，以 800V HVDC 为代表的高压直流母线方案开始进入工程阶段。

800V HVDC 方案是通过减少转换级数+提升配电电压，以提高端到端效率并降低系统复杂度。 以直流母线贯穿数据中心配电，并在机架侧采用 DC-DC 完成电压变换，从而减少部分 AC/DC 与多级变换环节带来的累计损耗。相比传统方案，该路径在工程上更关注三类指标：端到端 效率、功率密度（体积/重量）以及在负载波动下的动态响应与可靠性。 800V HVDC 的功率承载能力，完美匹配 AI 集群的规模化扩张需求。800V HVDC 的核心收益 来自“高压降流”带来的配电损耗下降与线缆/母排规格优化。在功率不变的情况下，电压提 升将带来电流下降，配电损耗随之下降。当前行业处于从试点验证走向规模化的过渡期，随 着产业链环节的电源与保护器件成熟度、供配电标准化，以及与机架级系统的协同推进。

英伟达 2025 年 5 月官方宣布，数据中心正从当前的 54V 机架供电向 800V HVDC 高压直流 架构过渡，目标是 2027 年实现该架构的规模化商用，以支撑 1MW 及以上超高功率密度 IT 机架的电力需求。

2.2.碳化硅以其卓越的物理特性，在 800V HVDC 中获得应用

SiC 高击穿电场强度特性可解决 800V 耐压难题。SiC 器件的核心优势在于其超高的击穿电 场强度，SiC 的击穿电场强度达到 2.8-3.5MV/cm，是硅基材料（0.3MV/cm）的 10 倍。这一 物理特性的差异直接决定了 SiC 在 800V 系统中的不可替代性。 高耐压是 800V HVDC 的第一门槛，SiC 更容易在高压等级下兼顾低损耗与小体积。 高压直流 母线对功率器件的耐压等级、浪涌与过压保护提出更高要求；在同等耐压等级下，SiC 凭借 更高击穿电场强度，器件设计可在导通电阻与芯片面积之间取得更优折中，从而更有利于高 功率密度与高效率实现。

从技术原理来看，SiC 的高击穿电场强度允许器件设计得更薄、更小。在相同耐压等级下， SiC 器件的芯片面积仅为硅基器件的 1/10。这种小型化特性带来了多重优势：首先是材料 成本的降低，相同功率等级下 SiC 芯片用量可减少三分之一；其次是系统集成度的提升，基 于英伟达 800V HVDC 架构公开参数测算，800V 架构较传统 54V/480V 方案可显著降低电流、 铜用量及电缆体积。

SiC 器件的低开关损耗和高开关频率，解决了 AIDC 供电系统效率低、空间紧张的痛点。低 开关损耗与更高开关频率使 SiC 更适配高功率密度电源：效率提升与无源器件小型化可同时 实现。在高压电源拓扑中，开关器件的损耗与开关频率决定了效率上限与磁性元件体积。相 较传统硅基方案，SiC 通常可在更高频率下维持更低损耗，从而推动电感、电容等无源器件 小型化并提升系统功率密度。

SiC 器件开关频率（100-1MHz）是硅基 IGBT（10-50kHz） 的 5-20 倍，可在维持高效率的 同时显著减小电感、电容等无源元件尺寸，提升电源模块功率密度。碳化硅器件的低开关损耗特性使其在轻载条件下仍能保持较高效率，在 AI 训练负载波动较大的场景下具有显著的 能效优势。

在高温条件下，SiC MOSFET 的导通特性随温度变化更为稳定，明显优于硅基 MOSFET 与 IGBT， 有利于系统热设计与长期可靠运行。如图所示，当环境温度由 25℃升高至 150℃时，硅基 MOSFET与IGBT的导通曲线整体明显上移，在相同漏极电流条件下所需的导通电压显著增加， 表明其导通电阻随温度升高快速上升，导通损耗与热负担同步放大。 相比之下，SiC MOSFET 在高温条件下的导通曲线变化幅度明显较小，在整个电流区间内仍能 保持相对较低且稳定的导通电压。 这一特性表明，SiC MOSFET 的导通电阻对温度变化不敏感，即便在 150℃乃至更高结温条件 下，其导通损耗仍保持可控，从而更适合高功率密度、高环境温度及长时间连续运行的电力 电子应用场景。

AIDC 单机柜功率飙升导致散热压力剧增，SiC 器件的高热导率成为核心解决方案。SiC 的 热导率达 4.9W/cm・K，是硅的 3 倍，高纯度单晶 SiC 热导率甚至超过铜，能快速传导热量。 AIDC 高功率密度使散热从“成本项”变成“约束项”，SiC 的热管理优势更多体现在器件与 模块层面的结温控制与封装可靠性。在高压高功率密度电源中，器件结温与热循环可靠性直 接影响系统稳定性；SiC 较高的热导率与更高允许结温，为模块热设计与功率密度提升提供 更大余量（例如更紧凑封装、更高功率密度布局）。 英伟达已联合英飞凌、MPS、Navitas、ROHM、意法半导体、德州仪器等半导体供应商，以及 台达、维谛、伊顿、施耐德电气等电力系统企业，构建 800V HVDC 生态系统。维谛计划于 2026 年下半年正式推出 800V DC 电源产品系列，包括集中式整流器、高效直流母线槽、机 架级 DC-DC 转换器以及直流备电系统。

碳化硅的高导热特性，在超高功率密度的封装场景中具备优势

AI 芯片在 HBM 高带宽内存的堆叠与大芯片集成下，传统封装难以满足带宽与互连密度，TSMC 的 CoWoS（
Chip-on-Wafer-on-Substrate）、三星的 I-Cube 等成为高端 AI 器件的主流路径。 CoWoS 通过硅中介层（Silicon Interposer）实现数万至数十万条微凸点互连（μ-bump）， 把 GPU 与多颗 HBM 封装在同一基板上，提供数 TB/s 级内存带宽与宽 I/O。随着 NVIDIA Hopper/Blackwell 等平台的放量，CoWoS 产能成为行业瓶颈。

当前主流方案采用硅中介层（带 TSV 与 RDL）承担超大规模互连，下方为有机 ABF 载板，上 方以铜热盖/均热板与导热界面材料（TIM）连接系统散热，机房端多采用液冷或浸没式冷却 系统提升换热效率。 大面积硅中介层（跨越两倍以上光罩尺寸）承载多颗 HBM 与一到两颗大型计算芯片，封装整 体热密度显著提高。硅中介层的热导率与机械刚性、以及与有机 ABF 基板的热膨胀系数（CTE） 差异，容易引发翘曲与可靠性挑战： 热路径：硅的热导率在超高热流密度下成为瓶颈，热点处结温抬升，影响加速器的频率 与可靠性。 翘曲与 CTE：有机载板 CTE 与硅差异较大，随温度循环产生应力，影响焊点与互连可靠 性。 成本与良率：大尺寸硅中介层制造复杂、成本高，良率管理与再构工艺（reconstruction） 对整体交付周期形成压力。

SiC 的“高热导率+高刚性+高耐温”特性，在超高功率密度的封装场景中有明显优势。在 SiC 中介层路径中，因 SiC 热导率显著高于硅，且具有高硬度与低热膨胀系数，有助于降低热点 温度、抑制翘曲。作为散热基座时，SiC 可缩短热扩散路径，提升整体散热与机械稳定性。

SiC 中介层正在探索验证和试点阶段。目前 COWOS 量产方案以硅中介层为主，SiC 更高的热 导率可使热点温升下降与温度分布更均匀，能有效提升性能稳定性，SiC 更高的刚性与更低 CTE 改善热循环下的结构稳定性与焊点可靠性，有望承载更大面积与更高 I/O 密度的中介层 设计。 SiC 仍面临工艺难度高、成本高的挑战。SiC 存在材料与加工成本高、TSV/RDL 工艺链成熟度 不足等问题，另外产业链相关的设计工具、标准与供应链配套也需配套建立。

但在 AI 算力“千瓦级模块、TB/s 级带宽”的封装代际中，SiC 从散热基座到中介层的应用有 望在高端芯片封装领域中开始渗透。

碳化硅+光波导有望成为下一代智能眼镜光学系统主要方案之一

智能眼镜是继智能手机之后的下一代消费级计算平台，也是端侧 AI 大模型落地的核心硬件 载体。随端侧 AI 算力迭代，智能眼镜的核心诉求为“≤50g 全天候轻薄佩戴、≥70°大视 场角沉浸体验、全场景宽温域适配”，光学系统成为终端用户体验、制约行业规模化渗透的 核心瓶颈。 传统玻璃与树脂基材已逼近物理性能极限，难以满足下一代智能眼镜的核心体验要求。相比 之下，碳化硅凭借其超高折射率、高热导率与高硬度的独特材料特性，在衍射光波导技术路 线上实现了代际突破，有望成为智能眼镜光学系统升级的核心主流方向。

当前消费级智能眼镜的光波导方案，按技术路线分为几何（阵列）光波导与衍射光波导，基 材以光学树脂与光学玻璃为主。 树脂基光波导的成本与轻量优势显著，但折射率较低，难以满足显示要求。树脂基方案以 PMMA、COP 为主，具备低密度与可注塑量产优势，是入门级产品主流选择。但其折射率普遍 在 1.49–1.59 区间，限制全反射光路设计，主流产品 FOV 通常低于 40°，同时材料热变形 温度较低（约 100–140°C），叠加衍射结构后易引入彩虹纹与杂散光，难以满足高亮度、 高分辨率显示需求，树脂基光波导更多适用于轻量化与低成本场景，难支撑高端智能眼镜性 能指标。

玻璃基平面光波导性能优，但重量较重，结构设计相对复杂。光学玻璃（如 BK7/K9、ZF 系 列）折射率约 1.52–1.80，透光率与热稳定性显著优于树脂，是当前中高端主流方案。但单 层波导 FOV 通常在 40°–50°，需通过多层堆叠实现更大视场角，直接带来厚度与重量上 升。当前消费级 AR 眼镜重量普遍低于 70g，距离全天候佩戴（<50g）仍有差距。玻璃基平面 光波导性能均衡但存在“视场角扩大 — 重量攀升量”结构性矛盾。 衍射光波导是下一代 AR 光学的核心技术路线之一，而基材的折射率是决定衍射光波导性 能的核心指标——折射率越高，视场角越大、波导厚度越薄、光耦合效率越高。碳化硅凭 借其超高折射率、高稳定性、高硬度的特性，完美匹配衍射光波导的技术需求，成为行业 前沿布局的方向之一。

在 550nm 可见光波段，碳化硅折射率达 2.6，远高于光学玻璃、蓝宝石、光学树脂，这一核 心特性带来了三大技术优势，可匹配智能眼镜的核心诉求： 极致轻薄化，突破全天候佩戴的重量瓶颈。高折射率特性可使衍射波导厚度从传统玻璃 方案的 0.8mm 降至 0.3mm，微透镜阵列体积缩小 50%，单目波导镜片重量可控制在 3g 以 内，从光学核心环节为 AI 眼镜实现≤50g 的轻量化目标提供了核心支撑，彻底解决传统 方案多层堆叠导致的重量超标问题。 大视场角与高成像质量，实现视网膜级沉浸体验。单层碳化硅衍射波导理论上可支持超 过 80°的全彩视场角，远超传统玻璃方案 40°的物理极限；同时可显著弱化彩虹纹、 雾度与杂散光问题，光耦合效率达 80%，较传统玻璃波导提升 33%，完美适配 AI 眼镜对 高清全彩显示的核心要求。 高耐用性，简化生产工序。碳化硅莫氏硬度达 9.5，仅次于金刚石，具备优异的抗刮擦 性能，无需额外镀硬化膜，可简化生产工序；同时其化学和机械稳定性优异，热膨胀系 数与硅基芯片高度匹配，在-40℃~120℃宽温域内可保持光学性能稳定，完美适配消费 电子产品的全场景使用需求，大幅降低终端产品的环境适配门槛。 碳化硅衍射光波导已完成从 0 到 1 的技术验证，正式从实验室研发阶段迈入消费级终端，进 入供应链小批量试点、客户认证的关键窗口期，产业落地节奏显著加速。 技术上，国内科研团队与产业端已实现碳化硅衍射光波导“材料 - 设计 - 加工 - 封装” 全流程技术闭环，核心性能指标达到消费级终端应用要求，突破量产工艺瓶颈。

全球头部品牌完成标杆产品试点，确立技术路线可行性。全球 AR/AI 眼镜龙头厂商已完成碳 化硅光波导方案的终端原型机验证，为行业技术路线选型树立明确标杆。Meta 在其 Orion AI 眼镜旗舰原型机中，正式采用碳化硅基波导架构，实现了约 70°的视场角，单目光学模组厚 度较前代玻璃波导方案大幅缩减，同时将杂散光现象降至最低，完成了轻薄化、功耗控制、 户外强光可视性的全场景测试，验证了碳化硅方案在消费级终端的规模化应用可行性，相关 技术已纳入其下一代量产产品技术储备路线。此外，国内头部终端厂商已同步启动碳化硅光 波导方案的联合研发与样品测试，聚焦轻量化智能眼镜的量产落地。

国产厂商全链条布局率先突破，锁定下游核心需求。

衬底环节：天岳先进已完成光学级碳化硅衬底的全流程工艺开发，与舜宇光学达成战略 合作，联合开发面向 AR/AI 眼镜的高端碳化硅光学组件；天科合达 12 英寸光学级碳 化硅衬底研发取得关键突破，同时与慕德微纳等企业合作推进 AR 衍射光波导镜片技术 研发与市场推广。三安光电已构建起覆盖碳化硅衬底、外延及芯片制造的完整产业链条， 向国内多家 AR 终端厂商、光学模组厂商小批量交付。

光学加工与模组环节：舜宇光学已全面掌握 SiC 刻蚀工艺，具备制造高性能 AR 眼镜光 波导的技术实力，其临港 12 英寸微纳光学产品项目已完成关键配套工程并网投运，建 成后将填补国内高端 AR 光学元件产能缺口；国内初创企业已推出搭载碳化硅全彩衍射 光波导的消费级 AR 眼镜，实现了碳化硅光学方案从原型机到消费级产品的落地突破。 碳化硅衬底还可更好的适配 Micro-LED 显示系统。Micro-LED 凭借高亮度、高对比度、低功 耗、长寿命的优势，成为实现沉浸体验的关键技术方向。

晶格匹配度是决定 GaN 基 Micro-LED 外延质量与发光效率的核心因素，蓝宝石衬底与 GaN 的 晶格失配率高达 4%，导致外延层缺陷密度偏高，引发芯片暗点率高、亮度均匀性差等问题。 碳化硅衬底（4H-SiC）与 GaN 的晶格失配率约 0.8%，可显著降低外延层缺陷密度，为 MicroLED 芯片提供更优质的生长基础，提高发光效率与显示均匀性。 碳化硅高热导率可解决 MircoLED 显示方案的散热难题，智能眼镜显示模组厚度通常≤2mm， 散热空间极度受限。而 Micro-LED 为实现高亮度需工作在 100—200A/cm²的高电流密度下，热量集中释放，若无法有效传导，将导致芯片结温过高、亮度加速衰减，严重影响显示稳定 性与使用寿命。 碳化硅的热导率是蓝宝石的 11 倍、硅的 3.3 倍，采用碳化硅衬底可有效降低芯片结温、减缓 亮度衰减，为高亮度 Micro-LED 在轻薄化设备中的应用提供散热基础。优异的散热性能还可 简化散热结构，与碳化硅光波导的轻薄化目标形成协同。 Meta 等企业在旗舰原型机中已开展碳化硅衬底与 Micro-LED 的方案相关测试，核心性能指标 达到预期，目前 Micro-LED 芯片巨量转移良率较低，芯片制造成本相对较高，且供应链协同 尚不成熟，规模化量产仍需要时间。