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功率半導體:新能源需求引領,行業快速發展

作者:時間:2021-11-14來源:未來智庫收藏

:市場空間大,細分品類多

1.1. 簡介:能源轉換的核心器件,細分品類眾多

本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202111/429646.htm

是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心,主要指能夠耐 受高電壓或承受大電流的半導體分立器件,主要用于改變電子裝置中 電壓和頻率、直流交流轉換等。

主要起源于 1904 年第一個二極管的誕生,而 1957 年的美國 通用電氣公司發表的第一個晶閘管,標志著電子電力技術的誕生; 1970 年代,功率半導體進入快速發展時期,GTO、BJT 和 MOSFET 的 快速發展,標志著第二代電子電力器件的誕生。之后 1980 年后期, IGBT 開始出現,各種功率模組推動著功率半導體快速向前發展。進入 21 世紀,以全新寬禁帶材料為襯底的半導體器件開始出現,功率半導體的性能和市場需求進入一個全新的階段。

功率半導體目前主要可以分為功率 IC和功率器件兩大類。功率器件按 照外界條件控制器件的開通和關斷的分類標準可分為:不可控型、半 控型和全控型功率器件。其中,二極管單向導通,可以實現整流,屬 于不可控型;晶閘管只能觸發導通,不能觸發關斷,屬于半控型;晶 體管包括 IGBT 和 MOSFET 等,可以觸發導通,也可以觸發關斷,屬于 全控型器件。功率 IC 指功率類集成電路設計,屬于模擬 IC 的一種,主 要分為 AC/DC、DC/DC、電源管理 IC 和驅動 IC 等。

功率器件主要為二極管、三極管、晶閘管、MOSFET和 IGBT等,市 場主要被國外廠商壟斷。二極管是基礎性器件,主要用作整流,雖然 原理成熟,但受產品穩定性及客戶認證壁壘影響,國產化率仍然較低; 三極管主要適用于消費電子等產品,用于開關或功率放大,國外廠商 仍占據市場份額的前列,國內廠商在附加值較低的部分已完成了國產 替代;晶閘管主要用于工業領域,屬于電流控制型開關器件,市場整 體規模較小。

MOSFET 和IGBT 是最主要的功率器件,其中MOSFET 適 用于消費電子、網絡通信、工業控制、汽車電子等,相較于前三者, 適用頻率高,但一般用于功率不超過 10kw 的電力電子裝置,在中低壓 領域,國內廠商正逐步展開國產替代;IGBT 可用于電機節能、軌道交 通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子等高壓高頻領域,高 壓下,開關速度高,電流大,但開關速度低于 MOSFET,前五大企業 的市場份額超過 70%,國內企業與國外企業技術水平存在一定差距。


SiC與 GaN由于其性能的優越性,可以適用于更廣泛的范圍。SiC與 GaN 在 5G、電動汽車、光伏等各個領域均表現出更加優異的性能。其 中,特斯拉已經將電動汽車 model3 中的 IGBT 器件替換為多個 SiC MOSFET 模塊,取得了更優的性能。

在功率半導體的發展路徑中,功率半導體從結構、制程、技術、工藝、 集成化、材料等各方面進行了全面提升,其演進的主要方向為更高的 功率密度,更小的體積,更低的功耗及損耗。在結構更改方面,從晶 閘管到 IGBT,功率半導體的器件結構進行了顯著的升級和更改,IGBT 結構與 MOSFET 結構就有較大的變化;在制程縮小方面,功率半導體 的線寬制程從最初的 10 μm 縮小至如今的 0.15-0.35 μm;在技術變化和 工藝進步方面,超薄圓片結構、背面擴散技術、超級結技術等的優化 都使產品更加適應小功率市場,具備更出色的性能和易用性;在集成 調整方面,成功推出功率模塊,即將多個功率器件進行封裝,使其可 以在更高頻率工作的同時,能夠擁有更小的設備體積和重量;在材料迭代方面,從 Si材料逐漸向 GaN、SiC等寬禁帶材料升級,使得功率器 件體積和性能均有顯著提升。


1.2. 市場特征:廣闊應用下周期性減弱,市場規模呈上升 趨勢

從縱向角度看,看細分品類,根據 Omdia的數據,2019年功率半導體 全球市場規模為 463億美元。功率IC市場規模為244億美元,占52.7%, 功率器件市場規模為 210 億美元,占 47.3%。功率器件中的晶體管市場 規模為 144.4 億美元,占功率器件市場的 68.76%。晶體管市場主要由 MOSFET 和 IGBT 組成,其中 MOSFET 市場占 56.09%,約 81億美元, IGBT 市場占 43.91%,約 63.4億美元。其主要廠商包括英飛凌、意法半 導體、德州儀器、安森美、三菱等,其中功率半導體龍頭廠商為英飛 凌。


看下游應用,功率半導體下游需求主要以車載方向和電機驅動等為主。 根據 Yole 的 2019 年統計數據,功率半導體主要下游驅動應用方向分別 為車載方向(包括 EV、HEV,硅 MOSFET)、電機驅動(Motor Drive, IGBT 模組)、智能手機以及無線設備(硅 MOSFET)、計算機技術以及 存儲(硅 MOSFET)、工業方向(硅 MOSFET)和 EV、HEV 方向 (IGBT 模組)等。

從區域角度看,中國是全球最大的功率半導體消費國,且中國的功率 半導體的市場規模在全球的占比仍在逐步增加。根據IHS markit 的數據, 2018 年,中國功率半導體市場規模為138億美元,占全球需求比例高達 35%,14-18 年市場占比平均每年約增加 0.8 pct。未來中國的功率半導 體市場占比仍將加速增加,預計 2021 年中國市場規模達到 159 億美元, 18-21 年 CAGR 為 2.39%,在全球市場的占比增加到 36.1%,18-21年市 場占比平均每年約增加 0.37 pct。


從橫向角度看,回溯過去七年:

(1) 市場規模方面,功率半導體的市場規模在全球半導體行業的占比 在 8%-10%之間,結構占比基本保持穩定,功率半導體的周期性 相對較弱。這主要是因為功率半導體應用領域廣泛,下游客戶季 節性需求呈現此消彼長的動態均衡關系,致使行業的季節性特征 并不非常明顯;

(2) 增速方面,功率半導體 14-20 年 CAGR 為 3.41%,略小于半導體 行業 14-20 年 CAGR 的 4.33%。

展望未來,根據 Omdia的數據,2023年功率半導體市場規模預計達到504.66億美元,17-23年 CAGR為 4.93%。另外根據 SEMI的數據,從 17-23年,細分市場增速最快的是 IGBT與模塊產品和 IPM,CAGR分 別為 7.86%和 7.61%,隨著未來電動汽車、工業物聯網等新領域的不斷 拓展,高密度、能承受高電流和高電壓的IGBT、IPM以及相關模塊產 品的需求量將加速上升。


1.3. 細分品類:分立器件中MOSFET和IGBT占比最大,寬禁 帶進入快速發展期

MOSFET和 IGBT 是占比最大的分立器件。根據可控類型分類角度進 行細分領域分析,功率半導體除了功率 IC 以外,主要包括 IGBT、 MOSFET、晶閘管和二極管等分立器件,其中 IGBT 和 MOSFET 市場占 比最大,分別占 14.51%和 18.54%。在 IGBT 器件中,主要包括分立 IGBT、IGBT 模塊和 IPM 模塊,其中主要為 IGBT 模塊,占 52.21%。

① MOSFET是最為成熟的功率器件之一,MOSFET全球市場規模穩 定增長。根據 Yole 統計數據,全球 MOSFET 市場規模由 2020年的 75 億美元,預計增長至 2026 年的 94 億美元,20-26 年 CAGR 為 3.8%,其中汽車、工業等下游細分 MOSFET 需求增速較快。


② IGBT在 MOSFET基礎上升級,市場空間增速快。IGBT 作為半導 體功率器件中的全控器件,是由 BJT(雙極型三極管)和 MOSFET (絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器 件,有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優點。 IGBT 的開關特性可以實現直流電和交流電之間的轉化或者改變電 流的頻率,有逆變和變頻的作用,其應用領域極其廣泛。按電壓分 布來看,消費電子領域運用的 IGBT 產品為 600V以下;太陽能逆變 器、白色家電、電動汽車所需的 IGBT 在 600-1700V 之間;動車組 常用的 IGBT 模塊為 3300V 和 6500V,軌道交通所使用的 IGBT 電 壓在 1700V-6500V 之間。IGBT 在電動汽車中主要運用于電力驅動 系統、車載空調系統和充電樁。

根據 Yole的預測,IGBT全球市場規模預計由 2020年的 54億美元,增 長至 2026年的 84億美元,2020-2026年 CAGR為 7.5%,或將是市場 空間增速最快的分立器件。


③ 功率二極管和晶閘管作為傳統的功率器件之一,市場規模基本趨于 穩定。根據 IHS markit的統計數據,晶閘管 2019年全球市場規模為 4.93 億美元,預計 2024 年為 4.76 億美元,中國市場 2019 年為 2.05億美元,預計 2024 年為 1.91 億美元,基本保持不變。二極管 2019 年全球市場規模為 43.26 億美元,預計 2024 年為 46.62億美元,19- 24 年 CAGR為 1.51%;中國市場 2019年為 14.39 億美元,預計2024 年為 15.54 億美元,19-24 年 CAGR 為 1.55%。從變化增速可以看出, 兩者市場規模基本趨于穩定。

功率半導體從襯底材料角度的細分領域分析,Si仍舊占據市場主導位 置,SiC 和 GaN的市場占比加速增加。SiC 和 GaN由于成本和技術原 因,在功率器件中的占比仍較小,2019 年 SiC 占總份額的 3.3%,GaN 僅占 0.4%,但是占比在不斷增加。GaN的市場占比2017-2023年平均每 年增長 0.57pct,SiC 的市場占比 17-22 年平均每年增長 0.88pct


以 SiC和 GaN為首的第三代半導體,將進入快速發展時期。根據Omdia 的 SiC&GaN Power 數據,隨著市場規模達到臨界規模,這一轉變即將 到來,預計到 2021 年,收入將超過 10 億美元,這得益于混合動力和電 動汽車,電源和光伏(PV)逆變器的需求。另外,分立 SiC 功率器件 將占第三代半導體器件的主要份額。未來規模擴張速度將不斷加快, 預計從 2021 年到 2024 年將增加 10 億美元,年均增加 3.3 億美元,從 2024 年到 2029 年將增加 30 億美元,年均增加 6 億美元。


2.細說功率半導體三大行業特性

功率半導體行業有著三個獨有的行業特性,分別為:①非尺寸依賴型 工藝,專注于結構和技術改進以及材料迭代;②商業模式以IDM為主, 利于技術積累和迭代;③細分需求多樣化,依賴特色工藝平臺的全面 性和深度性。

從功率半導體產業鏈流程來看,設計、制造工藝和封裝集成均十分重 要。功率半導體以晶圓、光刻板、襯底材料等半導體材料為基礎,經 過設計、制造、封裝后形成細分終端產品。其中,除了設計之外,功 率半導體的制造工藝和封裝工藝亦十分關鍵:

① 在制造工藝中,需要涉及外延工藝、光刻工藝、減薄、背面金屬化 等制造工藝,制造工藝是影響器件性能的核心因素之一;


② 在封裝工藝中,裸片會進行器件封裝或模組封裝或集成封裝,裸片 若經過器件封裝會形成功率分立器件,若經過模組封裝會形成功率 模組。由于功率半導體工作環境極端,對可靠性和壽命等要求較高, 因此封裝技術同樣是影響器件性能的核心因素之一。

最后成型的功率器件會用于各類終端,功率分立器件主要用于消費電 子、家用電器等,功率 IC 多用于電源管理芯片,適用于工業控制、網 絡通信等,功率模組可承受更高壓環境,則主要用于軍工航天、軌道 交通等產業內的 DC/AC 逆變器、整流器、驅動控制電路方面。

2.1. 行業特性一:非尺寸依賴型工藝,專注結構與材料特 性

集成電路技術的發展主要分為三個技術方向:尺寸依賴的先進工藝, 非尺寸依賴的特色工藝以及先進封裝工藝。 在縱向的先進工藝中,業界追求特征線寬的縮小、工作電壓的降低、 開關頻率的提高等。它主要追趕摩爾定律,不斷實現更高密度的技術, 從 130 nm 到 3 nm 工藝,晶體管的集成度越來越高,成本大幅下降,芯 片的價格也不斷下降。

在橫向的特色工藝中,強調器件特征多樣化,專注于芯片如何在不同 場景下承受高電壓、輸出高電流,以及如何提高電路線性特征,降低 噪聲。特色工藝追求的不完全是器件的縮小,而是根據不同的物理特 性,做出不同的產品,比如射頻器件、模擬器件、無源器件、高壓功 率半導體、傳感器等。第三個方向為先進封裝工藝方向,利用特種的 封裝進行高密度的組裝做出更高價值產品。


功率半導體屬于特色工藝產品,非尺寸依賴型,在制程方面不追求極 致的線寬,不遵守摩爾定律。數字芯片更加注重制程的升級,目前處 理器等高端數字芯片的先進制程基本在 14 nm 以下,高端產品更是達到 了 5 nm 制程,算力發展速度較快。而對于功率半導體而言,性能發展 速度較慢,制程基本穩定在 90 nm-0.35 μm 之間,其發展關鍵點主要包 括制造工藝、封裝技術、基礎材料的升級。

發展關鍵點 1:制造工藝。功率半導體制造工藝的具體難點在于溝槽工 藝以及背面工藝(晶圓減薄、高劑量離子注入)等。以 IGBT 為例,自 上世紀 80 年代被推出后,每一次的性能升級都離不開表面結構及背面 工藝的進步。


(1)溝槽工藝:目前中高端的功率器件(MOSFET和IGBT)均使用 溝槽工藝。IGBT 的表面結構發展曾歷經平面柵工藝到溝槽柵工藝的演 變。第一代和第二代的 IGBT 采用平面柵工藝,由于 pbase 與擴散區形 成球面 PN 結,產生 JFET 效應,導致導通壓降較大。英飛凌在第三代 IGBT 中采用溝槽柵結構,使得 P 型發射區的反型溝道垂直于硅片表面, 有效消除 JFET 效應,增加了表面溝道密度,降低了器件導通損耗。另 外,最新的 IGBT 7 對溝槽工藝進一步升級,采用 MPT(Micro Pattern Technology)結構將微溝槽柵和 FS 組合并應用低壓 MOS 技術,進一步 大幅提高了溝道密度,從而實現更大的器件性能控制范圍。相比于平 面柵,溝槽柵結構性能得到了顯著的提升,所以對于 IGBT 器件而言, 表面結構升級也是產品高端化的必經之路。

制備溝槽型器件工藝壁壘高,設計-制造環節須歷經長期技術沉淀。溝槽柵 IGBT 的溝槽寬度僅有 1-2 μm,而溝槽深度要達到 4 μm 以上。因 此,通過酸腐蝕工藝制備溝槽時,須對溝槽的寬度和深度實現精確控 制。此外,溝槽壁亦要盡可能光滑以提升良率。同時,IGBT 溝槽底部 的倒角亦須圓潤、均一以免影響器件耐壓。而溝槽形貌與設備條件、 刻蝕工藝和后處理有著十分緊密的聯系,須大力協調三者之間關系才 可規模量產溝槽形貌良好的 IGBT 產品。因此,功率半導體的制造工藝 壁壘較高,需要晶圓廠與芯片設計部門長期合作,對器件的設計及制 造技術長期打磨及優化。


(2)背面工藝:對良率、成本影響顯著,減薄和背金是關鍵。同以 IGBT 為例,背面工藝主要包括正面貼膜、背面減薄、背面清洗、背面 P 注入、激光退火、背面 B注入、背面金屬化、烘烤等。IGBT 4相較于 3 進一步減薄了背面結構,使得開關損耗進一步降低,同時最高工作結 溫也從 125 ℃提升至 150 ℃,但相應的背面工藝復雜度也顯著提升,主 要體現在晶圓減薄、注入及金屬化等工藝中。

在背面工藝易產生碎片。在晶圓被減薄至100-200 μm后,后續的摻雜 以及背面金屬化的過程中,亦會因為工藝控制及搬運不慎帶來碎片的 風險。因此,在 wafer 尺寸超過 8 寸后,背面工藝難度提升,對 IGBT 良率影響也顯著放大,目前能夠規模量產 12英寸 IGBT 的晶圓廠較少。 此外,使用場截止技術時,亦對背面摻雜工藝提出更高要求,須綜合考量深度、濃度、分布以及與集電極的匹配等影響因素,涉及的變量 較多,優化難度大。

發展關鍵點 2:封裝工藝。由于功率半導體工作環境極端,對可靠性和 壽命等要求較高,因此封裝工藝同樣是功率半導體的主要關注點。封 裝工藝主要從三種途徑進行改進:①提高芯片面積與占用面積之比; ②將封裝的電阻和熱阻減至最小;③將寄生電阻和電感減至最小。 TOLL可以被應用于離散型功率器件封裝。

車規級 IGBT模塊封裝技術壁壘更高,封裝質量及散熱重要性突出。車 規級 IGBT 模塊是功率半導體封裝技術壁壘最高的產品之一。車規級封 裝是保障高溫運行、高功率密度、高可靠性的關鍵因素,不僅僅涉及 到芯片表面互連、貼片互連、端子引出、散熱等關鍵技術工藝。


直接液冷是目前車規 IGBT模塊的主流散熱方案。對于模塊散熱設計而 言,其結構設計難度大,需要廠商對熱力學及材料體系有較為深入的 理解。早期車規 IGBT 模塊采用基于銅基板的三明治結構,該設計散熱 性能差且結構笨重,限制模塊功率進一步提升。為提升散熱能力,針翅直接水冷散熱結構以及更為先進的雙面散熱被提出并廣泛采用,目 前日本電裝、日立以及英飛凌的雙面散熱模塊已實現商業化。

發展關鍵點 3:材料迭代。功率半導體還專注于材料的迭代,現有第三 代半導體材料可有效提升原有硅基材料的性能,突破原有器件性能天 花板。以 SiC、GaN 等第三代半導體材料為基礎的功率半導體可在更高 頻、更高壓的環境下工作,性能上超過原有 Si基 IGBT 和 Si基MOSFET, 且原有的成本問題也不斷得到了優化。(報告來源:未來智庫)


2.2. 行業特性二:IDM模式與委外代工共存,技術迭代與產 能供給齊飛

半導體行業內主要存在 IDM與垂直分工兩種經營模式。IDM模式即垂 直一體化模式,是指半導體企業除進行半導體設計外,業務范圍還包 括芯片制造、封裝和測試等所有環節。垂直分工模式則是將各個環節 劃分開來,各家公司只專注經營一個環節,例如 Fabless 模式則僅專注 于半導體的設計和銷售環節,而芯片制造和封裝測試則交給 Foundry 模 式的純代工企業。

對于半導體產品公司而言,采用 IDM模式對企業技術、資金和市場份 額要求較高,具有典型的重資產屬性。公司不僅自身需要擁有研發設 計團隊,還需自建芯片制造、封裝和測試生產線,在完成半導體的設 計、芯片制造、封裝測試等環節后銷售給下游客戶。自建芯片制造和 封裝測試生產線就需要巨額的資金投入,如投資建設一條 8 英寸芯片制 造產線的資金約 30 億元人民幣,因此采用 IDM 模式的企業往往除了擁 有較強的研發技術實力外,還必須擁有雄厚的資本實力。在垂直分工 經營模式下采用 Fabless 模式僅需專注于從事產業鏈中的芯片設計和銷 售環節,能夠相對有效控制投入和成本。垂直分工模式在數字邏輯集 成電路領域取得了快速的發展。


功率行業中公司既有 IDM模式,也有垂直分工模式。國外IDM模式公 司有英飛凌、ON Semi、TI、STMicro、東芝等;國內公司 IDM 模式公司有華微電子、士蘭微、華潤微等。垂直分工模式中的 Fabless 包括新 潔能、斯達等;Foundry 則包括華虹半導體、世界先進、中芯國際等。

功率半導體采用 IDM模式的主要優勢:

(1)IDM模式具有技術的內部整合優勢,有利于積累工藝經驗,形成 核心競爭力。其研發及生產是一項綜合性的技術活動,涉及到產品設 計與工藝研發等多個環節相結合,IDM 模式在研發與生產的綜合環節 長期的積累會更為深厚,有利于技術的積淀和產品群的形成,從而有 助于形成更強的市場競爭力。


(2)IDM模式具備資源的內部整合優勢,針對客戶定制化需求,IDM 模式能協同優化設計與制造環節,縮短產品開發時間。因為功率半導 體屬于對工藝特色化、定制化要求較高的半導體產品,對設計、制造 以及封裝工藝環節結合的要求更高。在 IDM 企業內部,公司可以通過 構建主要產品工藝技術平臺,衍生開發細分型號產品,并持續升級產 品工藝平臺,形成了“構建-衍生-升級”的良性發展模式,從而使得公司 細分型號產品能夠快速、“裂變式”產生,滿足下游多個領域的需求,最 終引致公司經營規模迅速增長。相比 Fabless 模式經營的競爭對手,公 司能夠有更快的產品迭代速度和更強的產線配合能力,同時也可以根 據客戶需求進行高效的特色工藝定制。

(3)制造環節重要性高,IDM模式享受更高產品附加值。功率半導體 屬于特色工藝產品,定制化要求較高,且細分產品出貨量較低。如果 將功率半導體交給晶圓廠進行代工,無法達到足夠的規模效應,成本 較高。更重要在于公司將制造環節全部囊入公司業務,賺取了本該屬 于晶圓廠的利潤,有利于提高公司產品原有的產品附加值。

但 IDM具有明顯的重資產屬性,在擴大營收,鞏固主要營收市場方面 具有較大的約束性。隨著全球新興產品的爆發以及以中國為代表的區 域性需求的快速擴張,純 IDM 公司產能供給無法有效跟上終端需求; 另外由于半導體行業的周期性,純 IDM 公司極容易受制于原有固定產 能,陷入被動局面。因此 IDM模式+委外代工共存是商業模式未來的發展方向,既能隨市場波動及時擴大或減少產能,也可以就近滿足區域 性市場需求。

2.3. 行業特性三:細分需求多樣化,依賴特色工藝平臺的 全面性和深度性

“平臺化多樣性”是特色工藝企業構筑競爭壁壘、打造競爭優勢的核 心武器,工藝平臺越強大的企業,其在技術經驗、服務能力和特殊化 開發能力方面具有深厚的優勢。

功率半導體行業細分需求多樣化,從大類產品平臺,到不同電壓、不 同面積、不同封裝外形,交叉組合可形成千余種細分產品。以新潔能 的產品布局為例,公司主要分為四大產品平臺:溝槽型功率 MOSFET、 超結功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET 和 IGBT;每個平臺下又根據 不同的電壓、不同的結構進行分類;之后為了滿足客戶的要求,需要 調整芯片面積、采用多達三十余種封裝外形以及進行單管、功率模塊 或者智能功率模塊的集成封裝,因此近二十個子工藝平臺疊加不同電 壓系列、不同面積系列以及不同封裝系列,交叉組合會得到 1000 余款 細分型號的產品。


功率半導體產品由于根據客戶定制要求所產生的的細分需求多樣化, 但各細分類型需求量相對 IC產品較小,因而公司要想在行業內獲得足 夠的市場競爭力,對于特色化工藝平臺的全面性和深度性要求極高。

3.趨勢一:電車及光伏是功率半導體需求增長主動力

汽車滲透及光伏加速建設是功率半導體市場快速增長的最主要 驅動力。 電動車:從 ICE(內燃車)到 MEV(輕度混合動力汽車),再從 MEV 到 BEV(電池電動汽車),單輛電動車內部的功率器件數量在不斷增加, 再加上配套設備充電樁所含有的功率器件數量,單車驅動的功率器件 規模大幅增長。 光伏:受益于“碳中和”成為大國共識疊加發電成本下降,全球光伏 裝機量亦將持續快速提升,功率半導體作為逆變器核心器件,亦將迎 來量價齊升。

3.1. 電車:汽車邁向純電動化,功率半導體量價齊升

3.1.1. 汽車持續放量,汽車電動化大勢所趨

電動汽車主要分為 MHEV、PHEV與 BEV三種大類。MHEV為輕度混 合動力汽車,只是在發動機上安裝小型電動機,幫助改善發動機的啟/ 停過程;PHEV 為插電式混合動力汽車,同時利用電動機與發動機進行 驅動,且可以利用外接電源進行充電;BEV 為純電動汽車,利用蓄電 池存儲動力,利用電動機進行電能驅動。


隨技術不斷完善及全球政府的大力推進,汽車未來有望保持較 高增速: 供給端來看。特斯拉等造車新勢力通過打造全新的用戶體驗及產品模 式,倒逼傳統廠商向新能源轉型,形成良性循環,大量優質新能源車 型被紛紛推向市場。 需求端來看:購車群體對新能源車逐步產生認識疊加政府的大力推進, 新能源汽車消費人群逐步起量。因此,新能源車未來有望逐步替代傳 統能源汽車,成為汽車市場增長的主要驅動力。

2021年全球新能源車出貨量快速增長。進入2021年后,全球出貨量快 速增長,截至 2021 年上半年,全球新能源車出貨量超過 250 萬輛,預 計全年增速將超過50%。從出貨結構看,純電動和插混動力占據全球約 99%份額,氫燃料電池汽車占比約為 1%。

分地區來看,中國是全球最大市場之一,2021增速較快。2020年,中 國占據全球新能源汽車出貨 41.27%,歐洲這一份額為 43.06%,二者是全球最大的新能源汽車市場。從銷售結構來看,國內純電動車占據新能 源汽車銷量比重為81.6%,混合動力車占比為18.60%,氫燃料電池汽車 占比僅為 0.07%。

銷量增長有望持續,拉動上游汽車電子需求。隨著技術的不斷成熟與 成本的顯著下降,新能源汽車的用戶體驗得到了顯著的提升,隨著消 費者需求不斷釋放,未來中國乃至全球新能源汽車銷量將維持長期高 速增長,行業進入高景氣周期,預計 2021-2026 年的 CAGR 將接近 30%。 隨著下游新能源汽車需求不斷釋放,汽車電子作為新能源車產業鏈的 上游有望充分受益。

3.1.2. 汽車電動化核心元件,功率半導體量價齊升

功率半導體在汽車中主要負責能量轉換,電動車功率半導體用量提升。 燃油車的功率半導體應用場景主要包括啟停模塊、車燈、引擎、車身、 音響控制、防盜以及動力傳輸系統等。而對于電動車而言,功率半導 體用量在燃油車的基礎上顯著提升,主要增量體現在車載充電系統 (OBC)、電池管理(BMS)、高壓負載、高壓轉低壓 DCDC、主驅動 等,用量相比于傳統燃油車顯著提升,將成為電動車核心元件之一。

相比燃油車,電動車功率半導體復雜度亦顯著提升。燃油車功率器件 電壓等級低,40 V的功率 MOSFET 即可滿足 EPS (電動助力轉向系統) 和 EPB (電子駐車制動系統) 等核心安全系統要求。此外,燃油車動力 總成電壓往往在 30 V左右,電助力制動器電壓 70 V左右,單車平均電 氣功率不超過 20 kW,因此高性能車規低壓 MOSFET 即可滿足車輛低 功耗需求。


而對于新能源汽車而言,相比于傳統能源車多出了主電機驅動、DCDC、 OBC、車載電動空調、電池管理(BMS)等部件,其中純電動主電機 驅動功率往往可超過 100 kW,發電機功率平均達到 30 kW,單車平均 功率要遠超出傳統燃油汽車。此外,與傳統汽車不同的是,由于較高 的驅動功率、電壓以及高能耗敏感度,電動車廠往往會采用導通壓降 小、工作電壓高的 IGBT 模塊,而非在傳統燃油車中采用的 MOSFET,單車功率半導體復雜度亦將呈現顯著提升。

隨著電動車加速滲透,功率半導體單車價值量上升趨勢明顯。根據英 飛凌、strategy analytics 和 IHS Markit 的統計數據,ICE(內燃車)內功 率半導體價值 71 美元,總成本占比不足 10%;而 PHEV和 BEV 二者平 均功率半導體價值量為 330 美元,占總成本的 39.56%,相比 ICE 的功 率半導體價值量增加了約 240 美元。


3.1.3. 車規級功率空間廣闊,IGBT和 MOSFET增速快

IGBT及 MOSFET是汽車功率半導體價值量提升的主要推力。傳統汽 車中蓄電池電壓主要為 12 V或 24 V,分立功率器件主要被應用于調節 各低壓工作單元的通斷,因此最常用的分立器件是 MOSFET,用以控 制車燈、天窗、雨刷等模塊。而對于電動車來說,動力電池電壓往往 要大于 300 V,且平均功率亦顯著提升(這意味著流經功率模塊電流顯 著提升),因而往往在關鍵環節會使用能夠適應高電壓、大電流的 IGBT 模塊,同時 MOSFET 的用量及價值量亦顯著上升。在下文中,我們主 要對新能源汽車的 5 大增量模塊進行梳理。

對大多數車型而言,電驅逆變器核心部件是 IGBT和 FRD。逆變器可 選的方案主要為硅 MOSFET、IGBT 以及 SiC 方案,MOSFET 主要應用 于 A00 級車型,市場占有率較低,且未來有望被 IGBT 所取代。SiC 目 前受限于高成本及產能釋放,3-5 年維度來看難以大規模放量,因此 IGBT 是電驅逆變器最為主流的方案。


以典型主控功率逆變器為例,IGBT和 FRD用量大。以單驅為例,旺 材電機與電控披露,英飛凌的部分產品由六橋臂單元(內含 6 組 IGBT、 6 組 FRD)構成,其中每個橋臂包含 3 顆 IGBT 芯片、3 顆 FRD 芯片, 共計 18 顆 IGBT 和 18 顆 FRD。

高壓轉低壓 DC-DC:開關元件主要是 MOSFET,功率二極管用量多。 該模塊幾乎被應用于所有新能源車型中,功率范圍在 2 kW 左右,其主 要作用是取代傳統汽車中的 12V發電機,將動力電池的高壓電轉換為低 壓電,隨后被低壓蓄電池收集。此外,部分方案可能會 采用 IGBT 作為開關器件。

OBC:中高端產品采用 IGBT,中低端為 MOSFET方案。OBC的主要 作用是將充電樁交流電轉換為動力電池所需要的直流電,并依據 BMS 提供的數據,實現對電壓、電流等參數的動態調節。IGBT 單管或者高 壓 MOSFET 等開關器件則是 OBC 中實現 DC-DC 轉換模塊的核心開關 器件。


電池管理(BMS):核心分立器件為 MOSFET。BMS主要用來可監控 并調節電動車電池的充放電過程,通過對電池的電壓、溫度、容量、 荷電狀態等指標的監測,實現對剩余電量的有效利用并避免電池的過 充損耗。在電動車中,每一電池組往往都有其獨立的 BMS 系統,用以 確保行車安全。

新能源汽車 MOSFET、IGBT 單車價值量提升,市場空間快速增長。 MOSFET 來看,根據 Yole 數據及我們的測算,新能源汽車(EV/HEV) 的 MOSFET 單車價值量有望達到 31美金,相比于傳統燃油汽車的 19美 金,增長約 12 美金。IGBT 來看,結合全球汽車銷量和 Yole,我們預估 2020 年新能源汽車(包括 EV和 HEV)單車 IGBT 價 值量約為 204 美金。進一步,在新能源汽車拉動下,國內電動車 IGBT 市場空間從 2020 年的 2.0 億美金成長至 2026 年的 22.3 億美金,CAGR 為 49.9%。MOSFET 市場來看,由于燃油車亦采用 MOSFET 功率器件, 我們測算 2020 年國內車規 MOSFET 市場空間為 5.0 億美金,2026 年將 達到 6.5 億美金,2020-2026 年 CAGR 為 4.6%。


核心假設:假設國內汽車出貨量平均每年 2500 萬輛,采用Si-MOSFET 逆變器車型 2020-2026 出貨量預估為 20/28/32/35/40/42/44 萬輛,SiC MOSFET 逆 變 器 車 型 在 2020-2026 年 出 貨 量 占 比 分 別 為
15.0%/11.4%/12.4%/15.4%/18.4%/20.4%/22.4%。此外,綜合考慮新能源 汽車逐步在中端及高端車型滲透,以及 IGBT 廠商的降價,假設 2020- 2026 年新能源汽車 IGBT 價值量保持穩定。

此外,充電基礎設施是電動車必不可少的配套設施,其內部也含有較 大數量的功率器件。以典型的直流充電樁為例,三相交流380V輸入電 壓經過兩路 AC/DC 電路并聯后,得到 800V直流母線電壓,然后經過兩 路全橋 LLC DC/DC 電路,輸出 250V到 950V(或 750V)高壓給電動汽 車充電使用,從拓撲電路來看,充電樁包含的功率器件較多。

充電基礎設施的充電效率越高,則對充電功率要求越高,繼而需要的功率器件也越多。根據英飛凌的數據,隨著DC充電系統的功率的增大, 充電時間不斷減小,但每個 DC 充電系統所含的功率器件價值處于上升 趨勢。20 kW 充電系統所含功率器件主要為 Si 基,價值 40 美元;150 kW 充電系統所含功率器件也主要為 Si基,價值 300 美元;而 350 kW 充電系統所含功率器件變為 SiC 基,價值3500 美元,價值相較于20 kW 充電系統提升明顯。因此整個電動車系統所需的功率器件不僅包含電 動車本身所擁有的,也包含充電樁內所必需的,因此電動汽車的發展 所帶動的功率器件市場,超過我們單純依據電動車內功率器件價值量 所算出的增量市場。

3.2. 光伏:全球光伏裝機量提升,推動功率半導體需求增長

3.2.1. 光伏裝機量快速提升,逆變器需求將迎爆發

光伏逆變器是太陽能光伏系統的心臟。光伏逆變器主要由輸入濾波電 器、DC/DC MPPT 電路、DC/AC 逆變器、輸出濾波電路、核心控制單 元電路組成。逆變器在光伏電站中占據核心地位,是連接電網和光伏 系統的關鍵樞紐,其主要功能是將太陽電池組件產生的直流電轉化為 交流電,并入電網或供負載使用。逆變器的性能對電站運行平穩性、 發電效率和使用年限都會產生直接影響。此外,逆變器還負責整個光 伏系統的智能化控制,能夠通過最大功率電追蹤(MPPT)顯著提升系 統發電效率,對系統狀態進行監控、調節和保護。

集中式逆變器和組串式逆變器占據裝機規模近90%的份額,是當前行 業主流。光伏逆變器的發展過程中,出現了集中式逆變器、集散式逆 變器、組串式逆變器和微型逆變器四大類,當前集中式和組串式逆變 器占據近 90%的裝機規模。

集中式逆變器體積大、功率高,通常功率在 500kW 以上,只適用于大 型地面集成式光伏電站。組串式逆變器體積小、易安裝、功率小,功 率略小于集中式逆變器,可調節多塊光伏組件的電流輸出,適用于分 布式光伏系統。隨著技術發展,組串式逆變器逐漸也可用于大功率電 站場景,疊加其安裝方便等優勢,滲透率迅速提升。2020 年國內組串 式逆變器出貨量已占據市場 65%以上的份額。


乘政策之東風,全球光伏市場方興未艾。隨著全球多個國家陸續提出 碳中和的相關政策,光伏發電在全球的能源占比未來將不斷提升。全 球來看,光伏發電不僅在歐美日等發達地區蓬勃發展,在中東、南美 等地區也在快速起量,目前已經成為清潔、低碳并具備一定價格優勢 的發電形式。2021 年,在光伏發電成本持續下降 及全球政府大力支持等有利因素的推動下,全球光伏新增裝機量有望 快速增長。

國內光伏市場空間廣闊。2020年,國內光伏新增裝機48.2GW,創歷史 第二高,同比增加 60.1%。2020 年由于受到疫情影響,20H1 新增光伏 裝機規模較少的情況下,下半年光伏裝機快速發展,12 月單月新增光 伏裝機規模達到 29.5 GW,創歷史新高。

光伏新增裝機放量疊加存量替代空間擴大,逆變器滲透率提升。光伏 新增裝機速度逐年提升,市場需求不斷擴大,作為光伏電站系統核心 的逆變器有望迎來量價齊升。此外,存量市場方面,考慮到光伏逆變 器壽命一般在 10 年左右,當前存量替換需求主要來自 2010 年前后分布于歐洲地區的光伏裝機。國內光伏裝機于 2013 年起騰飛,因此預計未 來 2-3 年國內存量替換市場也將不斷擴大。如果假設存量替代為 10 年 前的新增規模,則未來存量替代亦將顯著拉動光伏逆變器的需求。綜 上,光伏裝機增量與存量的相互作用,將帶動光伏逆變器滲透率不斷 提升、市場空間顯著擴大。


3.2.2. IGBT是逆變器核心,國內市場空間廣闊

IGBT等功率半導體是逆變器實現直流轉交流的關鍵所在,在逆變器成 本中約占據 13%的價值。IGBT 和MOSFET 等電力電子開關器件的高頻 率開合特性是逆變器實現直流電轉交流電這一基礎功能的基礎。逆變 器生產所需原材料主要包括電子元器件、機構件以及輔助材料,其中 電子元器件包括功率半導體、集成電路、電感磁性元器件、PCB 線路 板、電容、開關器件、連接器等,機構件主要為壓鑄件、鈑金件等, 輔助材料主要包括塑膠件等絕緣材料。根據固德威招股說明書披露, 機構件、電感、IGBT 功率器件為 3 大核心耗材,占據近 60%的成本, 其中 IGBT 功率器件占據約 13%,位列第三。

全球逆變器 IGBT市場擴容,國內逆變器廠商市占率高。我國逆變器產業經過大量的研發積累,近年來不斷從海外品牌 ABB、SMA、TMEIC 等手中搶奪市場份額,形成了華為、陽光電源、錦浪、固德威等諸多 逆變器全球龍頭企業,當前中國逆變器出貨全球市占率已經超過65%。

2026 年國內光伏逆變器 IGBT需求有望超過 40 億人民幣。根據測算, 我們預估 2026 年全球光伏 IGBT 市場需求將從 2020 年的 28.3億元提升 至 63.5 億元。若假設國內廠商能拿到 65%的市場份額,則國內光伏 IGBT 需求將從 2020 年的 18.4 億元提升至 2026 年的 41.3 億元,CAGR 達到 14.4%。 由此可見,光伏放量驅動逆變器市場規模擴大,逆變器進一步為光伏 IGBT 帶來巨大的增長潛力,光伏 IGBT 有望迎來量價齊升。(報告來源:未來智庫)


4.趨勢二:國內廠商加速追趕,市場份額有望提升

對于功率半導體企業而言,想實現市場份額及營收規模的快速提升, 關鍵有二:

1、能力:國內廠商技術和平臺化(產品覆蓋度)是核心要素。全球功 率器件市場基本為英飛凌等國際大廠壟斷,國內廠商目前仍主要集中 在二極管、低壓 MOSFET 等低端功率器件市場。短時間內,國內廠商 要想增強市場競爭力,實現國產替代,最主要是在產品技術和平臺化 建設上做出足夠的投入。

產品技術方面:設計、制造及封裝工藝加速研發追趕。盡管功率半導 體對設計、制造、模塊封裝乃至材料等技術都有較高的要求,但技術 迭代速度較慢,國內廠商通過產業鏈協同有望突破壁壘,強化技術和 產品競爭力。 平臺化建設方面:“平臺化多樣性”是特色工藝企業構筑競爭壁壘、打 造競爭優勢的核心武器,工藝平臺越強大的企業,其在技術經驗、服 務能力和特殊化開發能力方面具有深厚的優勢,因此足夠全面性和深 度性的特色化工藝平臺有助于增強公司的競爭力。

2、機遇:缺貨周期恰逢產能釋放,是實現客戶導入的重要契機。功率 半導體平均價值量低、在產品及系統效能中重要性高,下游客戶通常不會輕易更換供應商,新進入者實現客戶導入難度大。通過復盤過往 半導體景氣周期,我們發現在缺貨時期恰逢產能釋放是實現客戶導入 的重要契機,公司有望借機獲得長期成長機遇。

4.1. 英飛凌市占率領先,行業格局相對分散

功率半導體市場以英飛凌為龍頭廠商,整體市場份額相對分散。根據 IHS markit 的統計數據,2019 年功率半導體市場龍頭廠商英飛凌市場份 額為 19%,其次為安森美公司,占 8%,之后各公司的市場份額均不超 過 6%,整體市場份額相對分散。

從橫向角度看,2015年后市場集中度整體有所下降,行業集中度水平 CR10 下降 5.9%,CR5 下降 2.8%。根據 IHS markit 的統計數據,自 2009 年后,市場集中度整體處于上升趨勢,行業整合增多,頭部效應 不斷加強,且 top1 廠商始終為英飛凌,所占份額不斷增多,從 2009 年 的 11%增加到 2019 年的 19%;但是 2015年后,市場集中度整體有所下 降,市場份額相對分散。從長周期角度看,功率半導體行業集中度水 平 CR1將維持在 20%左右,CR5將維持在 40%左右,CR10將維持在 60%左右。


頭部功率半導體廠商均為 IDM模式,行業格局較為穩定。根據 IHS markit 的統計數據,2009 年,功率半導體前五廠商分別為英飛凌、 Toshiba、Fairchild、Mitsubishi 和 STMicro;2019 年功率半導體前五廠 商分別為英飛凌、ON Semi、STMicro、Mitsubishi 和 Toshiba。其中 Fairchild 在 2016 年被 ON Semi 收購,ON Semi從而代替 Fairchild 出現 在榜單上。總體來看,排除份額的變化,功率半導體前 5 廠商位序變動 不大。

從 2019年數據來看,功率半導體前十廠商基本為歐美日功率大廠,中 國廠商暫時處于弱勢地位。從 2019 年的統計數據可以看出,英飛凌、 STMicro 為 歐洲 廠商 ,ONSemi、Vishay 和 ROHM 為美 國廠 商 , Mitsubishi、Toshiba、Fuji Electric 和 Renesas 為日本廠商,Nexperia 本為 歐洲廠商,現已被聞泰科技收購。整體而言,中國功率半導體廠商暫 時處于弱勢地位,市場份額較低。


4.2. 國內廠商快速發展,競爭實力不斷強化

中國是最大的功率半導體需求國之一,占據全球功率半導體30%的需求。 但國內功率半導體行業發展相對滯后。歷經多年追趕,隨著國內半導 體行業整體的崛起,功率半導體行業亦迎來新轉機。新能源汽車、光 伏帶來功率器件新應用場景,國產廠商有望抓住機遇,打破國外壟斷 市場,實現部分功率半導體的國產替代,主要依據有三:

一、 技術研發層面,與國外廠商差距不斷縮小。經過多年的積累, 國內廠商如士蘭微、時代電氣、斯達半導、比亞迪、華虹等廠商 已取得很大的技術進步,與海外巨頭之前的技術差距正在縮小, 國產化進程正加速進行。

二、 客戶服務層面,本土廠商有更強配套優勢。國內新能源汽車、 光伏逆變器等新興需求增速領先全球,是最大的市場之一,本土 廠商有望憑借更積極的響應和定制化的服務,實現份額的提升。

三、 供應鏈層面,疫情證明國內供應鏈實力。疫情在運輸及生產 方面影響全球供給,而國內強大的疫情控制能力使得供應鏈得以 第一時間保障,證明了國內制造業供應鏈的實力。未來更多國內 的廠商愿意去嘗試引入本土供應商,保障供應鏈安全。

因此,我們認為未來國內的功率半導體無論是二極管/晶閘管,還是 MOSFET,乃至難度更高的 IGBT,市場份額均有望顯著提升,實現功 率半導體的國產替代。

4.2.1. 二極管/晶閘管

對于二極管和晶閘管而言,由于技術壁壘較低,國內廠商市占率較高:

1、 晶閘管國內廠商份額領先。在晶閘管的市場格局方面,根據 IHS Markit 和 WSTS 的統計數據,2019 年度瑞能半導體晶閘管產品的全 球市場占有率為 21.8%,全球排名第二,中國市場占有率達 36.2%, 國內排名第一。此外,根據捷捷微電披露,公司部分晶閘管產品占 據國內同類產品 50%左右份額,部分產品的技術參數媲美進口同類 產品。

2、 二極管市場較為分散,國內出口金額大于進口。二極管技術簡單, 中國大陸廠商憑借低成本及政府的大力扶持快速崛起。從今年來的 進、出口金額來看,二極管國產替代率較高,并遠銷海外。


4.2.2. MOSFET

中國占全球 MOSFET 需求 38%,國內廠商份額較低。就 MOSFET 競爭格局而言,英飛凌為分立 MOSFET 全球龍頭廠商,市場份額占 24.6%,中國廠商主要有 Nexperia 和華潤微(China Resources), 分別占 4%和 3%的市場份額。我們將從國內廠商 MOSFET產品下游覆蓋的廣度以及技術深度兩個角 度出發,探討國產 MOSFET供應鏈競爭力:

1、通過 MOSFET電壓等級來看產品覆蓋廣度。從下游應用來看,不 同電壓等級對應不同應用場景。其中,低壓 MOSFET 應用十分廣 泛,2021 年上半年受益于消費電子的旺盛需求,拉動低壓 MOSFET 出 貨快速增長,有望達到 36 億美金。此外,中電壓和高電壓的 MOSFET 主要被應用于電網、汽車、基站以及工控中,市場需求亦穩步增長。

國內 MOSFET產品覆蓋大多數電壓等級,市場覆蓋范圍廣。通過梳理 國內主要上市公司 MOSFET 的主要電壓等級(包括 P型和 N型溝道), 我們發現國內公司產品覆蓋廣度已經可滿足大部分的下游應用需求。 其中從電壓范圍 來看,華潤微 、士蘭微、新潔 能、捷捷微電 的MOSFET 產品覆蓋面較廣。


2、從器件結構來國內廠商技術進步。

目前國內廠商大部分已掌握超結及溝槽 MOSFET工藝。目前來看,國 內廠商華潤微、士蘭微等廠商均已掌握平面、溝槽及超結 MOSFET 產 品的設計、生產能力,在器件結構技術方面已和國外廠商并駕齊驅, 技術實力有望不斷提升。

技術進步疊加產品線逐漸豐富,大陸 MOSFET 廠商有望崛起。從 MOSFET 產品種類 來看,新潔 能 MOSFET 產品種類已經達到 1300 種以上,雖然與英飛凌(超 2500 種 MOSFET 產品)尚有一定差距,但亦能說明國內 MOSFET 廠商已形成了豐富的產品結構,可為下游應用領域提供綜合解決方案。隨著技術 的不斷突破,對于中高端的 MOSFET 市場而言,下游客戶對器件性能 及客戶匹配的重視程度要高于低端 MOSFET,國內廠商有望憑借技術 突破及本土化優勢實現客戶的快速導入。


4.2.3. IGBT

就 IGBT競爭格局而言,在分立 IGBT方面,全球龍頭供應商為英飛凌, 市場份額占 32.5%,中國廠商士蘭微進入前十,市場份額占 2.2%; 在 IPM方面(下游主要是消費和工業),全球龍頭供應商為三菱電機, 市場份額占 37%,中國廠商士蘭微再次進入前十,市場份額占1%(在 IPM領域份額較高)。

在 IGBT模組方面,英飛凌為全球絕對龍頭,市場份額占35.6%,中國廠商斯達排名第八,市場份額 2.4%。中國廠商進入 IGBT 行業較晚, 但是通過研發交流,產業鏈協作,中國廠商目前已經研發出第六代 FSTrench IGBT,并在第七代 RC IGBT 上具備相應的技術儲備,同時隨著 政府對中國 IGBT 企業的政策支持,疊加中國下游市場對產品的大量需 求,中國企業有望實現大規模的國產替代,后來居上與國際巨頭正面 競爭。


我們同樣從國內廠商 IGBT產品下游覆蓋的廣度以及技術能力兩個角度 出發,探討國產 IGBT供應鏈競爭力:

1、覆蓋廣度來看:國內廠商 IGBT產品電壓范圍內覆蓋主要應用。車規級 IGBT 模塊和分立器件電壓范圍主要涵蓋 750 V-1400 V,工業應用 IGBT 模塊電壓范圍往往在 1200 V以上。國內 廠商的產品電壓規格目前大部分已經涵蓋 500-1400 V,卡位下游最主要 的車規及工業分立器件應用,成長性較高。此外,斯達半導等公司的 產品電壓范圍已經覆蓋 3300 V 以上,在高端工業應用等領域具備較強 競爭力。

2、電學參數來看:部分國內車規級 IGBT模塊性能已與國外廠商相當。 英飛凌是 IGBT 模塊的主流廠商,尤其是在電動汽車領域,其 Hybrid PACK 產品客戶覆蓋寶馬新能源以及國內的精進電機、上海電驅動、匯 川等供應商。此外英飛凌還推出可用于重型卡車、客車的 Econodual、 Prime PACK系列模塊,產品技術領先且應用廣泛。通過與英飛凌 Econodual 1200 V/600 A電 動汽車 IGBT 模塊的關鍵參數對比,可發現其電學性能與國外產品相當, 部分性能如飽和壓降 VCE(sat)等相較于國外產品性能更加優異。


3、模塊散熱來看:目前國內廠商在直接液冷方案已實現突破。盡管雙面冷卻更為先進,但我們預計單面液冷仍在一段時間是下游電動車模 塊的主要散熱方案。此外,對于雙面冷卻模塊方案(主要用于高端 新能源車型如雷克薩斯等),國內廠商也在加速突破。隨著國內 IGBT 廠商已突破下游應用較為廣泛的直接液冷方案,以及在雙面冷卻封裝 領域的持續研發投入,IGBT 模塊封裝能力在電動車等下游新興領域已 經有了較高競爭力。

技術進步疊加下游需求放量,國內 IGBT廠商有望崛起。通過上文對國 內廠商 IGBT 產品的梳理,在器件電壓覆蓋范圍及技術指標均滿足電動 車等新興下游領域的需求。

國內廠商在車規 IGBT領域滲透率有望持續提升。根據斯達半導的招股書披露,隨著 IGBT 電學性能的不斷 提升,公司 IGBT 模塊已進入到匯川、上海電驅動等國產電驅動供應商。 此外,在中低端 IGBT 領域,如家電 IPM、 工業單管及模塊等應用中,國內廠商有望通過性價比優勢實現份額的穩步增長。


4.3. 缺貨加速國產替代,國內廠商獲得良機

4.3.1. 終端需求不斷釋放,功率器件缺貨持續

終端需求不斷上漲,8寸產品缺貨漲價成共識。2020年以來終端需求不 斷上漲的關鍵原因主要分為三個:①5G 商用需求量價齊升,帶動原材 料硅含量增加以及功率管理應用成長;②年初“防疫停工”導致晶圓 產能被拖后 2-3 月,同時“宅經濟”需求暢旺,帶動平板等消費電子的 需求上升;③“華為禁令”、“中芯遭禁”的國際貿易摩擦加重市場擔 憂帶動囤貨。另外,智能手機發布會的追單效應、車用芯片訂單的大 幅釋放,都加劇了 8寸產能的緊缺,2021 年 8寸產品缺貨漲價幾乎成市 場共識。

功率器件主要依賴于 8寸產線,受影響程度嚴重。雖然12英寸晶圓廠 已經逐漸成為主流,但是 8 英寸晶圓更加適配功率器件。首先,8 英寸 晶圓具備更加成熟的特色工藝,而功率器件對特種工藝的要求較高; 其次,8 英寸晶圓產線相對于 12 英寸晶圓產線具有成本優勢,大多數 8 英寸設備已經完成折舊,剩余折舊額較低,在市場產能緊缺及漲價效 應下,更具經濟效益。因而在 8 寸線產品供不應求的形勢下,功率器件 受影響程度同樣嚴重。


功率器件產能吃緊,各類供應商紛紛加入漲價浪潮。2021 年 Q3新一輪已 調價產品涵蓋了 IPM、IGBT、二極管、LED 驅動芯片等產品類別,涉 及 LED 照明、家電、汽車等細分市場。

國內主要功率器件供應商仍然是 Infineon、ON Semi、STMicro等國際大 廠。根據 IHS 的統計,就 MOSFET 市場而言,英飛凌、安森美、東芝、 ST 以及瑞薩合計占據了國內市場的主要份額,國際大廠供應不足,必 然導致當下國內功率器件需求的進一步緊缺。


4.3.2. 復盤歷史缺貨周期,國產替代有望加速

行業缺貨是國內功率半導體廠商完成客戶導入,實現快速發展的重要 契機。因 此,對于國內功率半導體企業而言,下游需求放量或者上游供給短缺 導致的產品缺貨階段,是其實現客戶導入的重要窗口期。復盤過往兩 次功率半導體的景氣周期(2009-2011,2016-2018)可以發現,當行業缺 貨時,若恰逢細分產品技術成熟及產能釋放,國內廠商有望獲得重要 發展機遇。

1、2009-2011 年的功率景氣周期。2008 年經濟危機使得各大廠商縮減 制造產能,隨著 2009 年年末全球經濟復蘇,市場對功率器件的需求大 幅上升,導致功率器件開始供不應求。根據 Vishay 披露的二極管 book to bill數據,2010 年第一季度 book to bill達到了 1.63。隨著供給的不斷 釋放,功率行業景氣度隨后開始逐漸下滑。


士蘭微功率 MOSFET、二極管等產品出貨提升。在缺貨的背景下,國 內廠商如士蘭微憑借其產能不斷釋放(2010 年擴產后的士蘭集成產能 達到 12.5 萬片每月,2011 年達到 15.8 萬片每月)以及技術的發展 (2009 年開始具備高壓 VDMOS 和低壓 VDMOS 等產品量產能力),實 現了在 MOSFET 以及二極管等產品領域的出貨提升。2010 年全年公司 分立器件業務營收達到了 5.13 億,同比增長 60%以上。

2、2016-2018 年的功率景氣周期。2016 年末美國二極管和三極管制造 商Diodes 密蘇里州工廠KFAB因火災停工(后于2017年Q3正式關閉), 導致供給下滑。同時由于指紋識別芯片、CIS 芯片占用了大量的 8 寸產 能,導致全球功率半導體供給雪上加霜。2016 年末起,功率半導體器 件行情回暖,部分 MOSFET、二極管、晶閘管交期出現延長。2017 年, 隨長電科技大漲 MOSFET 價格,臺廠富鼎、尼克森的供貨商開始全面 漲價,鑄就 2016-2018 兩年的功率半導體景氣周期。最終,2018 年 Q3, 臺廠商營收到達高點,隨后開始逐月回落,景氣度逐漸下滑。

士蘭微 IPM產品受益缺貨實現客戶導入。士蘭微自2007年發力高壓驅 動電路 HVIC 設計,2010 年進軍高壓功率模塊 IPM 封裝。2012 年起, 公司 IPM產品開始在白電工業領域推廣。在 2016-2018年功率半導體缺 貨的背景下,士蘭微 IPM在國內白電客戶中持續取得突破(其 8寸產線 亦在 2017 年開始貢獻產能,年末實現 1.5 萬片月產能),完成了客戶導 入并取得在國內廠商中的先發優勢,其白電核心客戶目前已經包括海 信、海爾、長虹、美的、格力等知名廠商。2020 年,士蘭微在白電客 戶 IPM 的出貨量超過 1800 萬顆(2016 年 IPM 出貨數僅為 100 萬顆左 右),實現了爆發式的增長。


本次缺貨亦將成為國內功率半導體廠商發展的重要機遇,無論IDM還是 Fabless 都有機會,理由有二:

1、大陸功率產能恰在本輪缺貨周期中釋放,功率半導體廠商產品供給 較為充沛。其中英飛凌、意法半導體以及國內的華虹 (代工廠)、士蘭微將領先增長,合計將增加 70萬片/月等效 8寸產能。

國內功率半導體代工產能在缺貨周期不斷釋放。IDM廠商士蘭微12寸 特色工藝產線于 2020 年年末投產,21 年底產能有望達到 3.5 萬片/月, 2022 年有望爬坡至 6 萬片/月。華虹無錫 12 寸代工產能自 2019 年 Q3投 產后持續釋放,預期 2021 年底會達到 6.5 萬片/月的產能,且目前已經 具備量產 IGBT 能力。中芯紹興 8 寸產能自 2019 年年末量產后,2021 年 8 月月產能已爬坡至 7 萬片/月。此外,IDM 廠商華潤微規劃 3 萬片/ 月的 12 寸產線亦預計在 2022 年實現產能貢獻。在本輪缺貨周期中,國 內功率新增產能占全球比重較高。 因此,在本輪景氣周期中,國內廠商代工供給較為充沛,新客戶的導 入預計將較為順利。


2、國內功率半導體產品力持續升級,有望在中高端市場快速滲透。與 上兩輪周期比,當下國內功率半導體廠商已具備更高的產品力,有望 向中高端市場快速滲透,相關公司有望獲得長期持續成長。IPM 來看, 如士蘭微在 IPM 領域優勢明顯,恰逢其 12 寸線產能釋放,有望在缺貨 周期進一步提升 IPM 市場份額。車規 IGBT 來看,斯達半導 IGBT 產品 已經進入到國內新能源汽車 tier 1 中,隨華虹 12 寸產能不斷爬坡、釋放, IGBT 模塊在國內新能源車型中份額或將顯著提升。光伏 IGBT 來看,根據宏微科技披露,其光伏產品亦在逐步放量。(報告來源:未來智庫)

5.趨勢三:碳化硅產業鏈崛起,國內外望同臺競技

前文論述過關于功率半導體的國產替代問題,而碳化硅產業仍處于起 步階段,國內、外廠商有望同臺競技。

5.1. 碳化硅材料高性能,市場快速持續增長

5.1.1. 碳化硅性能較優異,下游需求快速擴張

區別于傳統硅基襯底,碳化硅半導體材料具有耐高壓、耐高溫、低損 耗等優良性質。相比于傳統單晶硅,碳化硅的擊穿電壓約為硅基材料 的 10 倍(更高的擊穿電壓有利于器件承受高壓)。此外,碳化硅具備熱 導率是硅材料的 2-3 倍,使得碳化硅散熱更加迅速,有助于提高器件功 率密度,在相同電流下,設備尺寸可以做得更小。同時,碳化硅材料 具有相比于硅約 2 倍的飽和電子漂移速率、3 倍的禁帶寬度,使得碳化 硅導通電阻率更低、功率損耗更小。另外,碳化硅器件在關斷過程中 不存在電流拖尾現象,可以大幅提高實際應用的開關頻率,降低開關 損耗。


根據電阻率不同,碳化硅襯底可以分為導電型和半絕緣型兩類,分別 外延 SiC 和 GaN后,適用于不同的場景,下游需求正持續擴張。

1)導電型襯底電阻率在 15-30 mΩ·cm,主要適用于耐高溫、耐高壓的 功率器件。通過化學氣相沉淀生長碳化硅外延層后,可制得碳化硅基 碳化硅外延片(SiC-on-SiC),進一步可制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等,應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空 航天等領域。根據 Yole 數據,2020 年 SiC 電子電力市場規模約 5.4億美 元,到 2025 年這一規模有望超過 25 億美金。

2)半絕緣型襯底電阻率約在 105Ω·cm以上,外延生長 GaN材料,形成 碳化硅基氮化鎵外延片(GaN-on-SiC),主要應用于微波射頻領域,在 5G 驅動的通訊變革中,GaN 外延片需求有望得到提升。2020 年底, GaN 電子電力市場約 1.51 億美元,預計 2025 年將超過 6.8 億美元。


5.1.2. 技術資金壁壘限制,目前供需仍存缺口

因此,盡管碳化硅材料性質優異,但受到技術、資金雙重壁壘限制, 當前碳化硅襯底供需仍存缺口。

1)技術:熔點高、硬度強、晶體結構復雜造成碳化硅制備工藝難。碳化硅襯底制備采用物理氣相傳輸法(PVT),區別于傳統單晶 1600 ℃的 生長環境,碳化硅生長溫度需高達 2000 ℃、壓強近 350 MPa,以使其 升華,這對長晶爐、熱場等設備都提出了更高的要求。此外,碳化硅 硬度強,是僅次于金剛石硬度的材料,為消除表面的損傷,后續切片、 打磨、拋光的材料要求比傳統工藝更加苛刻。碳化硅本身晶形多樣, 有超過 200 種近似的晶形,但只有零缺陷、全為 4H 晶形的襯底才算制 備成功,而為達到這一目的,則需要更精確的材料配比、溫度控制, 以及豐富的經驗積累。

2)資金:投資門檻不高但回報期長。對于襯底而言,廠商需要對設備 進行較為復雜的工藝調試從而提升良率,耗時較大。對于器件而言, 碳化硅器件與傳統硅工藝有一定差異,部分工藝需要高溫處理(離子 注入和退火)。 國內部分碳化硅產線采用舊 6 寸硅生產線搭配部分專用設備,盡管初始 投資規模不大,但需要對制造工藝進行長期打磨和調試。為在技術上 取得突破,行業新進入者需要長期持續的資本投入,導致器件出貨價 也較高。但隨著工藝不斷成熟,單位成本降低,碳化硅半導體價格逐 漸下降,有望部分替代 IGBT,同時持續帶動需求放量,反過來進一步 助推制造商形成規模效應、降低成本,實現良性循環。

國內供需仍存缺口,有效產能不足。我國2020年碳化硅導電型襯底產 能約 40萬片/年(約當 4英寸)、外延片折合 6英寸 22萬片/年、器件 26 萬片/年;半絕緣型襯底折算 4 英寸產能近 18萬片/年。隨著新能源汽車、5G 等下游應用市場的快速起量, 國內現有產品供給無法滿足需求,目前第三代半導體主要環節國產化 率仍然較低,超過 80%的產品要靠進口。

5.2. 國內廠商發力布局,行業格局尚未固化

5.2.1. 市場份額美日領先,國內技術不斷發展

當前碳化硅市場呈現美國一家獨大,日本、歐洲緊隨其后的格局,國 內廠商正在加速追趕,有望實現彎道超車,在全球市場占據一定份額。

1)從襯底來看,美、日廠商占據市場主要份額。美國CREE、II-VI和 日本 ROHM 旗下子公司 SiCrystal已成功研制并規模化生產 4 英寸、6英寸襯底,2019 年 CREE 和 II-VI 同時宣布 8 英寸產線建設計劃,預計 2022 年有望實現量產。國內廠商中,山東天岳在 2019 年開始建設 6 英 寸產線;天科合達在 2014 年成功研制 6 英寸產線,現已實現小批量生 產,于 2020 年成為國內首家啟動研發 8 英寸襯底的廠商。

國內襯底廠商雖在產品規格和技術成熟度上有差距,但存在較大追趕 可能。國內廠商目前雖無法規模化生產高質量、大規模的6英寸的碳化 硅晶片,但是在高質量的 4 英寸晶片方面,天科合達等中國廠商有足夠 的競爭能力。目前國產 SiC 襯底已經實現微管密度小于 1 個/cm2,襯底 面積 95%可用,位錯約在 103 /cm2;雖然在單晶一致性、成品率方面與 國際先進水平仍有差距,但未來可期。


2)從器件來看,相比器件設計,制造附加值更高。

市場和技術主要掌握在英飛凌、ROHM、CREE和意法半導體等國際 龍頭手中。2020 年,國際上共有 10 余家公司推出 211 款 SiC MOSFET 系列產品。CREE 推出第三代 SiC MOSFET,擊穿電壓 650 V,導通電 阻降低至 15 mΩ,開關損耗降低 20%;ROHM 推出 1200 V 第四代 SiC MOSFET。此外,國際廠商 CREE、ROHM 和英飛凌均已推出車規級 SiC MOSFET,比國內產品元胞尺寸更小、導通電阻更低、閾值電壓更 高。

國內廠商積極研發布局碳化硅器件項目。現在已經商業化的SiC產品主 要集中在 650 V-1700 V電壓等級,主要產品為二極管和晶體管,3000V 以上電壓及 SiC IGBT 尚在研發當中。國內廠商如泰科天潤已發布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二極管系列產品;三安集成、基本半導體等公司已實 現 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小規模量產;功率模塊方面, 國內上市企業士蘭微、斯達半導等公司積極布局,目前比亞迪漢已經 成功搭載了自主研發的 SiC MOSFET 控制模塊。國內市場已經初步實現 低端產品的國產替代化,高端產品依然依賴進口。


3)資金來看,國內第三代半導體投資力度高企,力爭追趕國際廠商。 根據 CASA Research 披露,2018年至今,國內廠商始終加強布局第三代 半導體產業,2020 年一共有 24 筆投資擴產項目(2019 年 17 筆),增產 投資金額超過 694 億元,同比增長 161%,其中 SiC 領域共 17筆、投資 550 億元,GaN 領域共 7 比、涉及資金 144 億元。

根據 CASA 數據,2020 年我國電力電子和射頻電子總產值超過 100 億 元,同比增長了 69.5%。其中,SiC、GaN 兩種材料的電力電子產值合 計達 44.7 億元,同增 54%。其中,襯底材料 2.2億元,外延及芯片 5億 元,器件及模組約 7.2 億元,裝置約 30 億元。

5.2.2. 市場格局尚未固化,本土廠商機會較大

當前仍是碳化硅產業發展初期,國內產業鏈從上游到下游都有機會, 主要理由有二:

1、技術及布局:產業鏈布局全面,技術有差距但尚未顯著拉大。相比 于第一代和第二代半導體,以碳化硅為首的第三代半導體仍處于商業 化的早期階段疊加無論是設備還是材料國內廠商自主性都比較強,國 外巨頭雖有技術上的先發優勢,但當前差距尚未顯著拉大。國內布局 來看,當前無論碳化硅襯底還是器件,目前國內廠商均有布局,產業 鏈較為完備,卡脖子風險低。

2、客戶及格局:國內需求快速增長,行業格局尚不穩固。當前碳化硅 供給不足,產業格局尚未固化。海外中游龍頭廠商英飛凌、ST 等不斷 推出新產品并與上游 Cree、ROHM 等海外廠商合作鎖定貨源。中國作 為最大碳化硅市場之一,國內碳化硅器件、新能源汽車廠商有望與本 土上游供應鏈緊密合作,相關公司有望獲得長期發展機遇。



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