功率半導體概況

功率半導體介紹及分類

功率半導體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產業(yè)鏈中最核心的一類器件之一。能夠實現電能轉換和電路控制，在電路中主要起著功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護、逆變（直流轉交流）和整流（交流轉直流）等作用。 ? 圖表 1：半導體分類

數據來源：功率半導體器件標準化白皮書，華福證券研究所 ? 功率半導體包括功率半導體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導體分立器件，按照器件結構劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。 ? ? ? ? ? ? ? 圖表 2：各功率半導體市場份額占比

數據來源：中商產業(yè)研究院，華福證券研究所 ? 據中商產業(yè)研究院數據，功率半導體分立器件中，以 MOSFET和IGBT為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。
從目前市場需求來看，硅基MOSFET、硅基IGBT以及碳化硅為目前功率半導體分立器件的主力產品。本文也將重點圍繞硅基MOSFET、IGBT和碳化硅等功率分立器件（含模塊）展開分析和研究。 ? ? MOSFET，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單和輻射強等優(yōu)點，通常被用于放大電路或開關電路。MOSFET按照不同的工藝可分為平面型Planar MOSFET、溝槽型Trench MOSFET、屏蔽柵SGT MOSFET和超級結SJ MOSFET。按照導電溝道可分為 N溝道和P溝道，即N-MOSFET 和P-MOSFET。按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強型。 ? 圖表 3：MOSFET實物及不同類型MOSFET結構和性能比較 ?

數據來源：Yole，公開信息整理，華福證券研究所 ? 隨著MOSFET技術和工藝不斷成熟，成本將不斷下調。中高端產品也將逐漸向中低端產品下沉。比如 Trench MOSFET將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市場。SGT MOSFET將部分替代 Trench MOSFET的低壓應用市場，從中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未來三大主力產品。自上世紀70年代MOSFET 誕生以來，從平面MOSFET發(fā)展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到當下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET的技術迭代方向主要圍繞制程、設計（結構上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實現器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。 ? ? IGBT 俗稱電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸的核心器件，由BJT和MOSFET組合而成，是一種全控型、電壓驅動的功率半導體器件。IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。IGBT同時具有BJT和MOSFET的優(yōu)點，即高輸入阻抗、低導通壓降、驅動功率小而飽和壓降低等，IGBT與 BJT 或MOS管相比，其優(yōu)勢是它提供了一個比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的 MOS管輸入損耗。因此廣泛應用于直流電壓為600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路和牽引傳動等場景。 ? 圖表 4：IGBT實物及IGBT單管、模塊和IPM性能比較 ?

數據來源：英飛凌，公開信息整理，華福證券研究所 ? IGBT相比MOSFET，可在更高電壓下持續(xù)工作，同時需要兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的IGBT芯片，不僅僅需要在設計端不斷優(yōu)化器件結構，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要求。 ? 圖表 5：IGBT 晶圓制造過程

數據來源：Yole，華福證券研究所 ?

中國功率半導體發(fā)展現狀

產品由低端逐步走向中高端，國產替代空間廣闊。我國功率半導體產業(yè)仍處于起步階段，總體呈現產業(yè)鏈完整、廠家多、發(fā)展迅速等特點。截止2022年4月，中國功率半導體相關企業(yè)已超320家。主要分布在廣東（130 家）和江蘇（56 家）等東南沿海地區(qū)。 ? 國產功率半導體已在眾多領域應用，特別是低端產品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓MOSFET（非車規(guī)）等，已初現“規(guī)?；?、國產化率相對較高”等特點。在中高端領域，如SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規(guī)產品，由于起步晚、工藝相對復雜以及缺乏車規(guī)驗證機會等問題，國內廠家依然在追隨海外廠家技術發(fā)展路線。但近年來，市場逐漸從依賴進口向國內自給自足轉變，國產替代潛力大。
圖表 6：中國功率半導體發(fā)展路徑

數據來源：前瞻產業(yè)研究院，華福證券研究所 ? 芯片進口金額持續(xù)處于高位，功率半導體市場空間足夠大。據中國海關總署數據，2021年，中國進口集成電路6354.8億個，同比增長16.92%。全年進口金額累計為4325.54億美元，同比增漲23.59%。中國為功率半導體消費大國，2021年中國功率半導體市場規(guī)模約為183億美元，同比增長6.4%，預計2022年將進一步增長至191億美元。 ? 圖表 7：2017-2022E 年中國功率半導體 市場規(guī)模（億美元）及增速預測

數據來源：Omdia，中商產業(yè)研究院，華福證券研究所 ?

功率半導體前景廣闊

功率半導體應用前景廣闊，幾乎涵蓋了所有電子產業(yè)鏈。以MOSFET、IGBT 以及SiC MOSFET為代表的功率器件需求旺盛。根據性能不同，廣泛應用于汽車、充電樁、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、消費電子、軌道交通、工業(yè)電機、儲能、航空航天和軍工等眾多領域。
圖表 8：功率半導體的不同應用

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 據 Yole 數據預測，至 2025 年，全球功率半導體分立器件和模塊的市場規(guī)模將分別達到76億美元和113億美元。據中國產業(yè)信息網數據，2023年中國大陸地區(qū)IGBT市場規(guī)模預計達到290.8億元，同比增長11.6%。據中國半導體器件行業(yè)現狀深度分析與未來投資預測報告數據，2023年中國大陸地區(qū) MOSFET市場規(guī)模將達到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計算），同比增長4.8%。
圖表 9：中國市場IGBT和MOSFET市場規(guī)模預測 （億元，2020-2023E）

數據來源：思瀚產業(yè)研究院，中國產業(yè)信息網，華福證券研究所 ? 以MOSFET為例，據Yole預測，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規(guī)模預計將達到 94.8 億美元，復合增長率達 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車應用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達 33%，其中電動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應用在 220V 系統(tǒng)中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場滲透率在逐步提高。
圖表 10：2020 年和 2026 年全球 MOSFET 在各應用領域需求占比及增長預測

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導體增長的三駕馬車。
? 電動汽車：電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據貝殼投研數據，2021年中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模為47.8億元，預計到2025年，其將達到151.6億元。據芯謀研究數據，2021年和2025年中國車規(guī)MOSFET的市場規(guī)模分別為73.5億元（10.5億美元，匯率按7計算）和122.5億元（預測數據，17.5億美元，匯率按7計算）。 ? 圖表 11：中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模及增速

數據來源：貝殼投研，飛鯨投研，華福證券研究所 ? 圖表 12：中國車規(guī)級 MOSFET 市場規(guī)模及增速

數據來源：芯謀研究，華福證券研究所 ? ? 充電樁：受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現快速發(fā)展態(tài)勢。據億渡數據預測，至2026年，中國充電設施市場規(guī)模將達2870.2億元，2022 年到2026年復合增長率高達37.83%。從直流充電樁相關零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。 ? 圖表 13：中國充電設施市場規(guī)模（億元）

數據來源：億渡數據，華福證券研究所 ? 圖表 14：充電樁成本分解

數據來源：前瞻產業(yè)研究院，華福證券研究所 ? ? 光伏：據中國光伏行業(yè)協(xié)會數據，至2025年，中國新增光伏裝機保守預測為90GW，同比增長10%。據未來智庫數據預測，2025年中國光伏逆變器市場規(guī)模達196億元。
逆變器是光伏系統(tǒng)的心臟，中高壓MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、發(fā)電效率以及使用壽命。據中商產業(yè)研究院數據，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導體器件構成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。 ? 圖表 15：中國新增光伏裝機預測（GW）

數據來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，華福證券研究所 ? 圖表 16：光伏逆變器成本分解

數據來源：中商情報網，華福證券研究所 ? 綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅動下，功率器件有望穩(wěn)健增長，為千億賽道奠定堅實路基。 ?

功率半導體快速增長

汽車的百年史里，數次技術變革都極大的推動了汽車消費和汽車工業(yè)的發(fā)展，如發(fā)動機控制、自動變速、底盤、主被動安全、通信及多媒體影音等技術。雖然這些技術給汽車的駕駛感受和舒適性都帶來了提升，但汽車能源供給方式、駕駛方式以及驅動方式都沒有發(fā)生變化。 ? 如今，傳統(tǒng)燃油車動力和傳動系統(tǒng)將被電動車的大、小三電系統(tǒng)取代。自動駕駛、線控底盤、網聯(lián)化和軟件化，車、路和云端協(xié)同等賦予了汽車新的定義和生命力。汽車已不再單單是一個載客的交通工具，而是被定義為一個智能科技終端、可以在其中工作和休閑的第三移動空間. ?

電動汽車加速滲透，IGBT、MOSFET 最先受益

電動汽車作為新能源汽車的最重要載體和代表，是承載先進汽車科技的代名詞，也逐漸成為消費者選擇的主流。而中國已成為引領全球電動汽車技術發(fā)展的最大的新能源汽車產銷市場。2016 年中國電動汽車市場滲透率僅有1%。而在疫情等外界因素影響之下，2022 年前三季度中國電動汽車市場滲透率已經達到 24%，實現了飛躍式增長。
圖表 17：2016至2022Q1-Q3中國電動汽車滲透率走勢（%）

數據來源：麥肯錫，華福證券研究所 ? 2022年1-9月份，全球新能源汽車銷量再創(chuàng)新高，達726 萬輛，同比增長67.56%。其中歐洲銷售166萬輛，同比增長6.68%；美國銷量快速提升，達72萬輛，同比增長59.67%；中國新能源汽車銷量繼續(xù)領跑全球，銷量達到 400多萬輛，同比增長110%。全球新能源汽車累計銷量突破 2500 萬輛。
2022年1-12月份，中國新能源汽車銷量共 688.7萬輛，同比2021年增加1倍?？梢?，即使上半年疫情影響帶來的供應鏈中斷、動力電池上游原材料漲價以及多數汽車芯片依然緊缺的形勢下，新能源汽車銷售市場熱情不減。如比亞迪增長最為顯著，全年累計銷售 186.85 萬輛，同比增長152.5%，其中純電車型銷量突破91.1萬輛。 ? 圖表 18：2022年1-9月，全球各國新能源汽車銷量

數據來源：中國汽車論壇，華福證券研究所 ? 圖表 19：2013-2022年中國新能源汽車銷量（萬輛）

數據來源：中汽協(xié)，華福證券研究所 ? 車載功率半導體穩(wěn)健發(fā)展，離不開高壓平臺應用的助推。整車動力電池電壓平臺有望將逐漸從現有的400V升級到 800V系統(tǒng)，以滿足消費者對電動汽車的長續(xù)航、快速充電等期待，而這將對功率半導體的性能參數提出了更高的要求，中高壓功率器件如SJ MOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET將會在車端大量應用，其單車價值量有望繼續(xù)提升。
據半導體行業(yè)縱橫數據，混動和純電動汽車上功率半導體價值量分別占單車半導體總價值的40%和55%。據英飛凌統(tǒng)計數據，純電動汽車半導體價值量預估在1000美元左右，而功率半導體達550-600美元左右。而車載功率半導體中最具代表的即 IGBT 和MOSFET。 ? 圖表 20：全球及中國部分 800V 系統(tǒng)車型 及上市時間

數據來源：佐思汽研，華福證券研究所 ? 車規(guī)功率半導體需求強勁，電動化與高壓化是兩大重要推動力。隨著汽車電動化、高壓化逐步滲透，功率半導體在電動汽車上單車價值量有望進一步提高。
? 在傳統(tǒng)燃油車上，單車功率半導體價值量在71美元左右。且主要以中、低壓MOSFET應用為主，比如在車門、車窗、座椅調節(jié)、后視鏡、儀表、影音、HUD、自動啟停、雨刷、天窗、轉向ECU、制動ECU、安全氣囊、空調電動水泵、座艙儀表燈、前后視大燈驅動等涉及電機等應用場景大量使用。MOSFET單車用量超100 顆。比如單個轉向ECU中使用數量達8顆。平均單價2-10元人民幣不等。 ? ? 電動汽車包括純電動，插電混動，混動（中混和強混）等。在此類汽車上，電機驅動、照明、熱管理、電動汽車主驅逆變器、DC/DC、升壓器和OBC（車載充電器）等產品將依據各自的工作功率大小，選擇不同的功率半導體器件。高、中、低壓硅基MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET均有廣泛使用。
圖表 21：功率半導體在電動汽車上的應用

數據來源：Yole，英飛凌，華福證券研究所 ? ? ? 不同類型的功率半導體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應用的落腳點。車載功率半導體種類多，在做選型時，成本和效率是最關鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結合系統(tǒng)效率和成本最終設計出一套最優(yōu)方案。功率半導體分立器件和模塊根據在車上不同的系統(tǒng)應用，則選用不同規(guī)格的器件。
由此可見，功率半導體在電動汽車上應用場景非常廣泛。不同種類，不同規(guī)格的產品都能匹配到不同的系統(tǒng)應用。電動汽車銷量穩(wěn)健增長，最先獲益的有望是當前具代表性的功率半導體——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。 ?

加快產品開發(fā)驗證，重塑車規(guī)競爭格局?

海外廠家依然是供貨主體，本土企業(yè)份額有望持續(xù)擴大。由于車規(guī)芯片對可靠性、安全性、試驗等要求相對苛刻，且汽車行業(yè)供應鏈相對封閉，車規(guī)功率半導體國產化率一直以來比較低。歐、美、日等地的廠家憑借多年的技術積累和先進的制造能力等占據著市場主導地位。

據Omdia數據，英飛凌和安森美穩(wěn)居全球功率半導體銷售額第一和第二的位置，而其后排名相對動態(tài)。日本在全球功率半導體前十的榜單中占據五席，實力非常強勁。安世半導體是國內為數不多的被列入全球第一梯隊的功率半導體廠家，2021年排名第八，相比2019年上升一名。 ? 圖表 22：全球前十大功率半導體廠商排名 （億元，人民幣與美元匯率按7計算）

數據來源：Omdia，芯智訊，華福證券研究所 ? ? 英飛凌——全球功率半導體龍頭。英飛凌引領全球功率半導體市場，其功率半導體出貨量占全球總市場近 40%，已經連續(xù)多年居首位。國內多數車廠都采用英飛凌方案，特別是用于主驅逆變器里的 IGBT 單管和模塊。同時也有不少做模塊封裝的廠家從英飛凌采購晶圓。
英飛凌在車載 IGBT 產品上取得的不菲成績離不開其多年持續(xù)的研發(fā)投入、技術創(chuàng)新、戰(zhàn)略投資和并購、與供應鏈上下游深度合作以及超前的戰(zhàn)略眼光和對市場未來發(fā)展趨勢的精準預判。 ? ? 安森美——穩(wěn)坐功率半導體第二把交椅。功率半導體一直占據安森美總營收的半壁江山。汽車為安森美最大營收來源，2022 年第四季度汽車收入達9.89億美元，占總營收的47.01%，同比增長54%，創(chuàng)下新記錄。 ? 美歐日等國功率半導體企業(yè)具備技術、產能、體系、人才和管理等眾多優(yōu)勢，市場地位依然穩(wěn)固。而中國作為全球最大功率半導體消費市場，近年來發(fā)展勢頭良好。截止 2022 年 4 月份，相關企業(yè)超 300 家，產業(yè)鏈布局完整，其中不乏一些技術實力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企業(yè)。
圖表 23：中國功率半導體產業(yè)鏈

數據來源：中商產業(yè)研究院，蓋世汽車，華福證券研究所 ? 以安世半導體、比亞迪半導體、斯達半導、中車時代電氣和士蘭微等為代表的功率半導體企業(yè)，在技術沉淀、車規(guī)認證、制造工藝、試驗測試、技術支持、體系搭建、上車批量驗證、問題解決以及產能提升和人才培養(yǎng)方面都積累了寶貴經驗。
圖表 24：中國功率半導體代表企業(yè)銷售額（億元）

數據來源：新潔能官網，ittbank，華福證券研究所 ? 在車規(guī)功率半導體中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。
??車規(guī)MOSFET：車規(guī)MOSFET不論在燃油車上還是電動車上，應用非常廣泛，且MOSFET產品主要被海外企業(yè)壟斷。 自2020年以來，海外頭部供應商都相繼面臨產能緊張、漲價和斷供等問題。此時，對于一直在等候卻缺乏合適契機進入車載領域的本土廠商來說，正是切入汽車供應鏈的絕佳時機。經過兩年的蓄勢，國內部分相關企業(yè)在上車批量供貨的同時，同步在加快新的車規(guī)MOSFET的研發(fā)和驗證。
低壓 MOS——主要以40V，60V，100V Planar平面型、Trench溝槽型和SGT屏蔽柵MOSFET為主。因為單車用量大、應用場景多且復雜，自2021年以來，市場缺貨嚴重。
中壓 SGT MOSFET：車規(guī)級SGT MOSFET工作電壓范圍通常在30V-250V之間的MOSFET產品，其中中壓（100V-250V）一般并聯(lián)多個MOSFET單管用于A00級小型電動汽車或中混車輛（動力電池電壓在 200V 上下）的主驅逆變器、OBC、DC/DC、空調壓縮機等零部件當中起到逆變、整流等作用。
高壓 SJ MOSFET，車規(guī)級SJ MOSFET工作電壓通常在 650V-900V，主要用于當前廣泛搭載的400V動力電池平臺汽車的主驅逆變器、OBC、DCDC 和 PTC等產品上。
??車規(guī) IGBT：IGBT通常分為單管、模塊和IPM模塊。全球車載IGBT和MOSFET一樣，主要被美歐日等國家的廠家壟斷。如英飛凌、安森美、富士電機、三菱電機和賽米控等。其中，英飛凌占據車規(guī) IGBT 主要市場份額，英飛凌最早在2007年推出車規(guī)級IGBT模塊——HybridPACK系列。在國內市場，比亞迪、斯達半導和時代電氣穩(wěn)居前十。 ? IGBT已發(fā)展至第七代，英飛凌作為IGBT龍頭，其技術早在2018年已經迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技術基礎上針對大功率、高開關頻率等需求進行的設計優(yōu)化。不同代差對應不同的器件設計，也對應著不同的器件性能和應用場景。目前國內多數廠家已經發(fā)展到了等同英飛凌的第四代和第五代技術，而第四、五代IGBT 也正好是目前車規(guī) IGBT 應用的主流技術。 ? 圖表 25：IGBT 技術迭代

數據來源：智研咨詢，EETOP，中慧智庫，華福證券研究所 ? 功率半導體器件或模塊是電機控制器的心臟。電機控制器、電機和減速器一起組成電動汽車的電力驅動總成。其中，電機控制器是功率半導體器件和模塊的重要應用領域，其主要用途是將動力電池輸出的直流電轉換成驅動電機所需要的三相交流電。
電機控制器由功率半導體器件或模塊、電容、驅動電路板和控制電路板等零部件組成。其中功率半導體器件或模塊占總成本的 37%左右，是電機控制器最為核心的零部件之一。
圖表 26：電驅動總成示意圖和電機控制器成本分解

數據來源：RIO 電驅動，華福證券研究所 ? 由于電機控制器是功能安全件，通常消費級或工規(guī)級的功率半導體器件和模塊不滿足上車條件。因此長期以來，電機控制器中的功率半導體器件和模塊一直依賴進口。
近年來，電機控制器格局發(fā)生變化，本土電機控制器廠家市場份額快速增長，這讓國產功率半導體擁有更多驗證和上車機會，國產功率半導體市場份額將有望進一步擴大。2022 年 Q1，斯達半導、比亞迪半導體和時代電氣市占率分別穩(wěn)居國內市場第二、第三和第五，分別占比16.4%、14.5%和9%。
圖表 27：2022年Q1中國新能源汽車功率模塊市場競爭格局

數據來源：智研咨詢，華福證券研究所 ? 本土電機控制器廠商引領市場，對車載功率半導體競爭格局有著積極影響。2022年，排名前20的電控廠家中，本土廠家占據12席。包括5家整車廠自制企業(yè)、9家本土第三方非自制企業(yè)（包括聯(lián)合電子）以及6家海外廠家（包括日本的電裝、電產、三菱、日立等四家、法國法雷奧和美國博格華納）。包括整車企業(yè)在內（除特斯拉外），總共有14 家本土企業(yè)入圍前 20，占比7成。 ? 圖表 28：2022 年 xEV 電控供應商供貨量分布（萬套）

數據來源：NE 時代（曲線代表市場集中度累計比例），華福證券研究所 ? 國產電控引領市場，有望助力國產功率半導體上車。目前國內電控產品競爭相對充分，且由本土廠家引領。而國內企業(yè)在電控市場上份額的提升，則有望助力國產功率半導體上車。原因如下：
1）供應鏈安全考慮：當功率半導體缺貨時，為保證供應鏈安全，車廠通常采取一品多點采購戰(zhàn)略，即一個電控產品，多家功率半導體供應商按照與車廠約定好的份額供貨。對車廠而言，國產功率半導體通常是此時的選項之一；
2）電控廠家成本控制需要：國產功率半導體成本相比進口器件具備一定優(yōu)勢。特別是A00級和A0級這類電動車，其對整車成本控制要求相對較高，國產功率半導體應用較為廣泛。國內電控廠家在面臨海外競爭者壓力的時候，成本是其核心優(yōu)勢之一。功率半導體作為電控中占比最高的核心器件，國內電控廠家在獲取整車廠項目的時候，通常也會偏愛選用同樣具有成本優(yōu)勢的國產功率半導體。
3）多數國內車廠和電控廠家加強和國內功率半導體廠家合作，通過投資或戰(zhàn)略合作或成立合資公司的方式，形成優(yōu)勢互補，共同開發(fā)功率半導體產品。這將對國產功率半導體上車應用起著很強推動作用。 ? 缺芯緩解過后，功率半導體的“技術和成本”或成核心主線。隨著缺芯緩解，海外頭部廠家產能恢復，國內廠家或面臨一定程度上的市場競爭。如何突破重圍，長期來看，技術提升和持續(xù)成本優(yōu)化，以及加快車規(guī)產品研發(fā)和驗證速度，將有助于重塑市場格局，這將成為國內廠家可持續(xù)發(fā)展的兩條核心主線。 ?

車規(guī)器件壁壘重重，國產龍頭曙光破曉

在電動汽車銷量快速增長和缺芯的大背景下，國內功率半導體廠家趁勢在上車驗證和批量供貨上取得不菲成績。但由于國內車載功率半導體發(fā)展起步較晚、器件開發(fā)經驗不足、上車驗證機會不多和可靠性要求高等原因，在“以下諸多方面”與全球第一梯隊的車規(guī)功率半導體企業(yè)尚存差距，這也正是車規(guī)功率半導體壁壘所在。諸多壁壘呈現復雜性、多樣性、綜合性以及普遍性等特點。
設計和制造工藝。車規(guī)功率半導體的設計和制造工藝相對成熟，結構相對簡單，對工藝制程要求不高（通常大于 90nm）。車規(guī)功率半導體與其他芯片比較，結構和制造工藝有一定差別，且逐漸融合更多的特色工藝（微溝槽、深溝槽和屏蔽柵等）。車規(guī)功率半導體在芯片面積、線寬、通態(tài)飽和壓降、關斷時間、功率損耗和封裝等方面在持續(xù)做設計和工藝優(yōu)化，以達到大電流、高電壓、低損耗、高開關頻率、魯棒性、散熱快等性能目標。 ? 圖表 29：功率半導體器件技術發(fā)展趨勢

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 目前全球車規(guī)級功率半導體器件設計、制造工藝和封裝測試等主要由英飛凌等海外廠商引領。 ? 圖表 30：功率半導體制造工藝

數據來源：華潤微 12 吋晶圓廠生產線環(huán)評報告，華福證券研究所 ? ? 器件設計：功率半導體自誕生以來，從半導體基材的迭代、微溝槽結構的優(yōu)化、先進封裝、大尺寸晶圓的應用等多個方面進行技術創(chuàng)新。據 Yole數據，功率半導體器件每隔二十年將進行一次產品迭代。相比其他半導體，迭代周期相對慢，這將給國內功率半導體廠家留有充足的發(fā)展時間。
目前國內廠商面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1）低功耗與高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）滿足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）產品平臺化和客戶定制要求之間的沖突和平衡；6）車規(guī)產品設計、制造等管理體系和流程不健全； ? 圖表 31：功率半導體技術迭代路線

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? ? 晶圓制造工藝：這方面的挑戰(zhàn)有：1）半導體設備長期依賴進口，采購周期長且成本高，設備調試時間長，缺乏經驗；2）生產過程管控以達到晶圓一致性和可靠性的目的；3）適用于車規(guī)的材料選型，以達到散熱、高結溫要求；4）小尺寸、先進封裝與成本之間的沖突等。

? 封裝測試：這方面的挑戰(zhàn)有：1）封裝環(huán)節(jié)，鍵合引線、模具、框架等材料的選擇；2）功率半導體模組的散熱問題和可靠性兩者的平衡；2）缺乏車規(guī)試驗條件或測試經驗，具體試驗參數如何設定沒有經驗。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作為中高端功率半導體器件，國內廠家在器件設計、晶圓制造工藝和封測環(huán)節(jié)都面臨不同程度上的挑戰(zhàn)和壁壘。對于追趕者的國產功率半導體廠家而言，技術作為發(fā)展的第一要素，技術持續(xù)迭代和技術方案的創(chuàng)新或是超越國際巨頭、主導市場地位的最重要條件之一。 ? 圖表 32：功率半導體技術挑戰(zhàn)和解決方案

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 質量管理體系。車規(guī)功率半導體相比消費和工業(yè)產品，對可靠性、質量一致性、環(huán)境（耐久、高低溫）、供貨周期以及驗證試驗等要求更高。需要嚴格遵守車規(guī)芯片開發(fā)流程、質量管理體系、驗證要求等進行以確保車輛行駛安全。

車載功率半導體與其他車規(guī)芯片一樣，從芯片定義、設計、原材料采購、供應商管理、生產制造過程、小批量和批量供貨以及售后等，都需要嚴格按照 AECQ-100 試驗要求和 IATF16949 生產制造過程中的要求執(zhí)行。對于主驅逆變器中的功率半導體單管或模塊，甚至要求按照 ISO 26262 對系統(tǒng)和流程體系進行功能安全認證。

比如，在車規(guī) IGBT 模塊的安全性方面，IGBT 模塊通常由多個 IGBT 單管、SBD以及散熱板等結構組成。IGBT 單管由成百上千個 IGBT 元胞構成。IGBT 模塊實際上車后，若其中一個元胞出現質量問題，則將直接危及整車安全。

國內從事車載功率半導體開發(fā)和生產制造的廠商，具有數量多、分布地域廣、產品種類多、技術能力水平參差不齊等特點。除了少數幾家頭部廠家外，車載領域起步相對晚，從事車規(guī)產品開發(fā)累計時間不長。對車規(guī)產品質量管理體系認知仍有待提高，需要未來更長時間上車實踐以提升。

? 上車機會。傳統(tǒng)燃油車時代，汽車銷量和核心零部件技術均由頭部車廠和供應商把握，海外整車廠和頭部 Tier1 話語權大，故汽車供應鏈相對封閉，新玩家進入大廠供應鏈體系相對困難。 ? 國內車規(guī)功率半導體廠家起步晚、技術經驗少、對車規(guī)產品認知缺乏。由于缺乏批量上車驗證機會。即使部分有很強研發(fā)實力的企業(yè)，同樣缺乏批量供貨、驗證產品長期可靠性的機會，從而技術能力一直處在進步緩慢的窘境。且高投入和長期低回報導致部分廠家信心不足甚至放棄車載產品的開發(fā)。在此背景下，即形成了對國內功率半導體玩家極為不友好的惡性循環(huán)。

新能源汽車的快速上量以及疫情以來的汽車缺芯，特別是特斯拉以及國內的造車新勢力們，打破了汽車供應鏈封閉的外墻，愿意嘗試多條腿走路，這給予了國內包括車載功率半導體廠家在內的汽車零部件供應商們充足的上車機會，也增強了國產替代的確定性，國產車規(guī)功率半導體有望迎來份額進一步提升的機會。 ?

成本。在汽車客戶面臨器件選型時，成本將是一項重要考量的點，同樣滿足客戶需求的產品，分別來自海外廠家和國內廠家，在不缺芯和沒有國產替代要求下，通?？蛻艨赡芸紤]定點給價優(yōu)者。 ? 車規(guī)功率半導體和其他***類似，因為起步晚、經驗缺乏、產業(yè)鏈相對不成熟等特點，研發(fā)成本（人工、IP、軟件和工具鏈等）攤銷相對較高、核心原材料依賴進口（框架、模具、引線鍵合相關工藝等）、工藝相對不成熟、良率相對不高、規(guī)模化效應相對不突出、車規(guī)器件試驗經驗相對缺乏以及固定資產尚處在攤銷初期等，而上述或是造成器件成本相對較高的主要因素。 ? 圖表 33：功率半導體器件成本結構

數據來源：SYSTEMPlus，華福證券研究所 ? 半導體從業(yè)人才。截止2020年，國內半導體從業(yè)人員人數約54.1萬，同比增長5.7%。預計到2023年，人才需求將達76.7萬人，人才缺口將近23萬人。依前文所述，功率半導體已超300多家。需求旺盛背后也隱藏著行業(yè)對專業(yè)人才的求賢若渴。人才競爭也同樣是半導體企業(yè)間實力競爭的重要組成部分。成熟、經驗豐富的人才隊伍是行業(yè)發(fā)展基石。 ?

碳化硅器件厚積薄發(fā)，產業(yè)布局多點開花

新材料、新機遇、新趨勢

作為第三代半導體材料的代表，相較于硅，碳化硅具有禁帶寬度更大（是硅的3倍）、熱導率更高（是硅的4-5 倍）、擊穿電壓更大（是硅的8- 10倍）等優(yōu)勢。 ? 圖表 38：碳化硅性能優(yōu)勢 ?

數據來源：英飛凌，華福證券研究所 ? 碳化硅功率器件主要包括碳化硅二極管（主要是肖特基勢壘二極管 SBD 等）、碳化硅晶體管（主要是碳化硅 BJT、MOSFET 等）以及碳化硅功率模塊等。碳化硅功率器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等眾多優(yōu)點，廣泛應用于電動汽車及充電樁、光伏、電網、軌道交通和儲能等領域。
圖表 39：常見功率半導體比較

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 據Yole數據，碳化硅功率器件2021年全球市場規(guī)模10.9 億美金。預計到2027年將達到62.97億美金，2021-2027 CAGR達 34%。發(fā)展勢頭強勁，未來市場空間可觀。 ? 圖表 40：碳化硅功率半導體器件市場規(guī)模預測2021-2027E

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 全球各國對碳化硅投資熱度不減，目前碳化硅器件市場龍頭依然以海外企業(yè)為主，國內90%需求依賴進口。我國碳化硅產業(yè)鏈布局相對完整，部分頭部企業(yè)技術實力不可小覷，在半絕緣襯底、外延片、射頻器件和碳化硅器件均已量產并批量供貨。
圖表 41：全球碳化硅功率器件各廠家2020-2021E營收（百萬美元）

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 碳化硅性能優(yōu)于IGBT，兩者在多個領域或存在應用重疊。從成本變化和晶圓尺寸發(fā)展趨勢分析：
碳化硅與 IGBT 成本比較。目前碳化硅功率器件由于技術和工藝尚不成熟、襯底良率低以及尚未規(guī)?；瘧玫纫蛩?，導致當前碳化硅成本居高不下。同等規(guī)格、滿足同個終端應用需求的碳化硅MOSFET的價格是IGBT的2.5-3 倍。而硅基IGBT技術成熟，規(guī)?；呀涳@現，成本下探空間有限。隨著上述對碳化硅成本不利因素日漸改善，其價格有望逐年下調。對于長續(xù)航電動汽車，當前碳化硅功率器件的應用帶來的其他周邊零部件的降本，或將進一步縮小、或打平與選用IGBT帶來的價格差。
圖表 42：碳化硅功率半導體器件成本變化趨勢

數據來源：NE時代，華福證券研究所 ? ?

碳化硅晶圓制造。目前已量產碳化硅襯底多是基于2英寸、4英寸和 6英寸晶圓制造，其中6英寸逐漸將成為主流。據NE時代數據，安森美8英寸襯底于2021年已經投產。未來，隨著8英寸晶圓的襯底逐步量產，單片晶圓產量提升，相比4英寸和6英寸晶圓，理論上碳化硅器件價格或將會有所下調。

圖表 43：全球及中國碳化硅企業(yè)產品布局（部分）

數據來源：NE時代，華福證券研究所 ? ? 當前碳化硅MOSFET主要應用于一些中高端場景，這些應用往往追求更高的性能表現。如售價30萬以上的中高端智能電動汽車，其對續(xù)航、瞬間加速以及充電時間有著更高要求，通常其主逆變器中會采用碳化硅方案。短時間內，IGBT或依然是市場主流。長期來看，碳化硅 MOSFET和 IGBT市場需求或達到一個相對平衡，兩者將共存以供不同應用場景所使用。 ?

襯底和外延占據價值高地

碳化硅產業(yè)鏈相對復雜，主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造以及封裝測試和終端應用等。
圖表 44：碳化硅功率器件上下游產業(yè)鏈

數據來源：Yole，中商產業(yè)研究院，華福證券研究所 ? 截至2021年，國內碳化硅產線已經投入超20條，產業(yè)鏈上、下游都有相關企業(yè)參與。其中襯底代表企業(yè)有天岳先進、天科合達等；外延片代表企業(yè)有東莞天域半導體、瀚天天成等；布局碳化硅器件的企業(yè)以 IDM 為主，也有少數幾家 Foundry，還有多數設計公司。 ? 圖表 45：國內碳化硅功率器件產線規(guī)劃和主要參與企業(yè)

數據來源：前瞻經濟學人，華福證券研究所 ? 襯底和外延占據碳化硅器件的價值高地，存在較高技術壁壘。據未來智庫數據，襯底和外延占碳化硅器件總成本近 70%（其中襯底占46%，外延占23%）。兩者同為碳化硅器件最核心、也是最具瓶頸的兩道制造工藝環(huán)節(jié)。襯底和外延的技術提升快慢和良率高低都將對碳化硅器件的應用和推廣產生直接影響。

? 襯底是碳化硅器件的第一內核。據 Yole數據，預計到 2027 年，全球應用于電動汽車和充電樁的碳化硅襯底數量將達到140萬片，占市場總量的78.23%。 ? 圖表 46：碳化硅襯底在電動汽車應用需求預測

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? 碳化硅襯底分類——碳化硅襯底按照電阻率大小，碳化硅可以分為導電型和半絕緣型。導電型襯底常用于制作碳化硅功率器件，應用于電動汽車、光伏、儲能等領域。而半絕緣型碳化硅襯底則被常用于制作氮化鎵微波射頻器件和功率放大器等（GaN-on-SiC），應用于5G通信等。

目前導電型襯底市場依然由歐、美、日企業(yè)主導，美國 Wolfspeed 占全球份額超60%以上，其他如美國高意集團（II-VI）、德國SiCrystalAG（被日本Rohm 收購）、美國DowCorning 和日本新日鐵住金等緊隨其后，市占率位居前列。國內做導電型襯底起步較晚，整體發(fā)展處于初期階段，該領域國內主要企業(yè)有天科合達、天岳先進等。

國產廠家在半絕緣型襯底產品開發(fā)相對起步較早，有一定經驗積累。2020年，天岳先進的半絕緣型碳化硅襯底在全球市占率已高達30%，位居全球第三，僅次于海外龍頭企業(yè)II-VI和Wolfspeed，形成三足鼎立的局面。 ? 圖表 47：2020 年全球碳化硅襯底市場格局

數據來源：Yole，Wolfspeed，中商情報網，TrendBank，華福證券研究所 ? 襯底制作方法——襯底的形成通常使用物理氣相傳輸法，在高溫下（＞2000℃），碳化硅粉體分解成硅原子等氣相物質，在高低溫形成的溫度梯度下，氣相物質慢慢在低溫區(qū)的碳化硅籽晶表面生長形成碳化硅晶體。再通過定向、整形、切片、研磨、拋光、檢測和清洗等工藝過程，最后制成碳化硅襯底。

制作優(yōu)良的碳化硅襯底，存在較高的技術壁壘。碳化硅襯底生長難度大，對工藝控制和襯底的厚度、翹曲度和彎曲度都有較高要求。其制備過程中，主要存在以下難點和壁壘：1）碳化硅粉體純度控制要求高，碳和硅的比例控制要精準；2）溫度要求高，高溫與低溫需控制精準；3）長晶時，生長速率等需要嚴格控制；4）襯底生長為物理時間，且很難加速，時間成本高，產能因此受限；5）碳化硅硬度強，切片時損耗高，產出低；6）涉及設備種類多、要求高，如長晶爐，切片機、研磨機、拋光機和清洗設備等，總投入大。以上眾多壁壘導致目前碳化硅良率較低，單片價格較高。 ? ??外延工藝是碳化硅器件的第二內核。由于碳化硅襯底表面或多或少因為生長過程或加工過程中引入微顆粒，直接基于其表面進行晶圓制造，或將導致最終器件良率低、性能差等后果。故通常引入外延工藝，即在襯底表面通過化學氣相沉積（CVD）生長出一層 4H-SiC 單晶薄膜以提高器件良率和性能，這一層單晶材料即稱為“外延”。在制作過程中，工藝控制不良會直接造成各類缺陷產生而影響良率和產出。

據Yole數據，預計到2027年，碳化硅外延片全球市場規(guī)模將達8.51億美元，2021年到2027年，CAGR為28%。全球外延片市場主要被美國Wolfspeed 和日本昭和電工是碳化硅外延片兩家龍頭企業(yè)壟斷。其他廠家有II-VI、Cree、Norstel、Rohm 和英飛凌等。國內從事碳化硅外延片企業(yè)主要有瀚天天成、東莞天域、中電 55 所和三安光電等。 ?

碳化硅加速上車

據Yole數據，電動汽車和汽車充電樁為碳化硅第一大應用市場。預計到2027年，碳化硅器件在電動汽車和汽車充電樁上應用，全球市場規(guī)模將分別達49.86億美金和 1.35 億美金，兩者之和占市場總規(guī)模的81.32%。
碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET 可應用于電動汽車主驅逆變器、OBC、DC/DC以及充電樁等產品中。自 2019 年 Tesla 首次將碳化硅器件（供應商：STM）應用于其 Model 3 車型上，碳化硅便正式開啟了上車之路。自 2021 年以來，國內自主品牌車企紛紛在其新車型上應用碳化硅器件，如蔚來汽車ET5 和ET7（主驅，自研模塊，晶圓從安森美采購），吉利SMART精靈(主驅，供應商：芯聚能)、小鵬G9（主驅，供應商：英飛凌）、比亞迪海豹（主驅，自研自產模塊，部分晶圓外購）等。 ? 碳化硅將提升電動汽車續(xù)航能力和縮短電動汽車充電時間。相較于燃油車，電動汽車消費者對當前有限的續(xù)航里程和相對漫長的充電時間常常感到焦慮。雖然車企在動力電池、BMS、電機、電控和 OBC 等產品技術上做了很多優(yōu)化和提升，但相比燃油車，續(xù)航里程受限和充電時間長是電動汽車推廣的兩大痛點。

??續(xù)航里程。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET有著眾多優(yōu)點：1）碳化硅在關斷時無拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開關頻率特性，不僅可降低損耗，由于對散熱效率要求相對低，還可減輕和驅動零部件和散熱零部件重量和體積，周邊器件的成本隨之降低；3）在車輛勻速和輕載情況下，因為低損耗，可提升5%-10%的續(xù)航里程。另外，采用800V高壓平臺的電動汽車，同等功率下，系統(tǒng)電流可以比400V電壓平臺更小，故高壓線束直徑可以做的更細，線束重量和體積可以更小，電動汽車變的更輕，續(xù)航能力也會得到相應提升。

圖表 48：碳化硅在電動汽車上各產品應用 市場規(guī)模預測2021-2027（百萬美元）

數據來源：Yole，華福證券研究所 ? ??充電時間。汽車充電樁一般分為交流慢充和直流快充。
交流慢充指的是電動汽車通過公共或個人充電樁，需要借用車載充電器（OBC）交直流轉換給汽車充電。交流慢充的優(yōu)點是成本低，電池損耗慢；缺點是充電時間長，充電時間長短取決于OBC的額定功率（常規(guī)在3kW-9kW）。目前OBC主要采用硅基IGBT或SJ MOSFET方案，電池充滿電時間一般需要4-8小時。相比之下，碳化硅MOSFET可以耐受更高電壓，使得OBC擁有更高的額定功率。例如采用意法半導體的碳化硅技術，可以將OBC的額定功率提升至22kW 甚至更高，充電時間可以大大縮短。
直流快充是指充電樁自身內部實現交直流轉換模塊，無需借用OBC，將電網或儲能設備中的交流電轉換成直流電，直接給汽車充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和BMS（電池管理系統(tǒng)），如電池電壓升級至 800V，直流快充功率通常將超過120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，進而提高充電效率和縮短充電時間。
另外，800V動力電池平臺相比400V動力電池平臺，在相同的系統(tǒng)電流和高壓線束直徑下，電池的充電時間或將縮短一半。
圖表 49：碳化硅對電動汽車充電時間的影響

? ? ?

編輯：黃飛

?