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功率半导体:新能源需求引领,行业快速发展

探索科技TechSuagr | 2021/11/26 09:08

功率半导体 是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分立器件,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。

功率半导体主要起源于1904年第一个二极管的诞生,而1957年的美国通用电气公司发表的第一个晶闸管,标志着电子电力技术的诞生;1970年代,功率半导体进入快速发展时期,GTO、BJT和MOSFET的快速发展,标志着第二代电子电力器件的诞生。之后1980年后期,IGBT开始出现,各种功率模组推动着功率半导体快速向前发展。进入21世纪,以全新宽禁带材料为衬底的半导体器件开始出现,功率半导体的性能和市场需求进入一个全新的阶段。

功率半导体目前主要可以分为功率IC和功率器件两大类。功率器件按照外界条件控制器件的开通和关断的分类标准可分为:不可控型、半控型和全控型功率器件。其中,二极管单向导通,可以实现整流,属于不可控型;晶闸管只能触发导通,不能触发关断,属于半控型;晶体管包括 IGBT 和MOSFET等,可以触发导通,也可以触发关断,属于全控型器件。功率IC指功率类集成电路设计,属于模拟 IC 的一种,主要分为AC/DC、DC/DC、电源管理IC和驱动IC等。

功率器件主要为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等,市场主要被国外厂商垄断。二极管是基础性器件,主要用作整流,虽然原理成熟,但受产品稳定性及客户认证壁垒影响,国产化率仍然较低;三极管主要适用于消费电子等产品,用于开关或功率放大,国外厂商仍占据市场份额的前列,国内厂商在附加值较低的部分已完成了国产替代;晶闸管主要用于工业领域,属于电流控制型开关器件,市场整体规模较小。

MOSFET和IGBT是最主要的功率器件,其中MOSFET适用于消费电子、网络通信、工业控制、汽车电子等,相较于前三者,适用频率高,但一般用于功率不超过10kw的电力电子装置,在中低压领域,国内厂商正逐步展开国产替代;IGBT可用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等高压高频领域,高压下,开关速度高,电流大,但开关速度低于MOSFET,前五大企业的市场份额超过70%,国内企业与国外企业技术水平存在一定差距。

SiC与GaN由于其性能的优越性,可以适用于更广泛的范围。SiC与GaN在 5G、电动汽车、光伏等各个领域均表现出更加优异的性能。其中,特斯拉已经将电动汽车model3 中的IGBT 器件替换为多个 SiC MOSFET 模块,取得了更优的性能。

在功率半导体的发展路径中,功率半导体从结构、制程、技术、工艺、集成化、材料等各方面进行了全面提升,其演进的主要方向为更高的功率密度,更小的体积,更低的功耗及损耗。在结构更改方面,从晶闸管到IGBT,功率半导体的器件结构进行了显著的升级和更改,IGBT结构与MOSFET结构就有较大的变化;在制程缩小方面,功率半导体的线宽制程从最初的10μm缩小至如今的0.15-0.35μm;在技术变化和工艺进步方面,超薄圆片结构、背面扩散技术、超级结技术等的优化都使产品更加适应小功率市场,具备更出色的性能和易用性;在集成调整方面,成功推出功率模块,即将多个功率器件进行封装,使其可以在更高频率工作的同时,能够拥有更小的设备体积和重量;在材料迭代方面,从Si材料逐渐向GaN、SiC等宽禁带材料升级,使得功率器件体积和性能均有显著提升。

1.2. 市场特征:广阔应用下周期性减弱,市场规模呈上升趋势

从纵向角度看,看细分品类,根据Omdia的数据,2019年功率半导体全球市场规模为463亿美元。功率IC市场规模为244亿美元,占52.7%,功率器件市场规模为210亿美元,占47.3%。功率器件中的晶体管市场规模为144.4亿美元,占功率器件市场的68.76%。晶体管市场主要由MOSFET和IGBT组成,其中MOSFET市场占56.09%,约81亿美元,IGBT市场占43.91%,约63.4亿美元。其主要厂商包括英飞凌、意法半导体、德州仪器、安森美、三菱等,其中功率半导体龙头厂商为英飞凌。

看下游应用,功率半导体下游需求主要以车载方向和电机驱动等为主。根据Yole的2019年统计数据,功率半导体主要下游驱动应用方向分别为车载方向(包括EV、HEV,硅MOSFET)、电机驱动(Moto rDrive,IGBT模组)、智能手机以及无线设备(硅MOSFET)、计算机技术以及存储(硅MOSFET)、工业方向(硅MOSFET)和EV、HEV方向(IGBT模组)等。

从区域角度看,中国是全球最大的功率半导体消费国,且中国的功率半导体的市场规模在全球的占比仍在逐步增加。根据IH Smarkit的数据,2018年,中国功率半导体市场规模为138亿美元,占全球需求比例高达35%,14-18年市场占比平均每年约增加0.8pct。未来中国的功率半导体市场占比仍将加速增加,预计2021年中国市场规模达到159亿美元,18-21年CAGR为2.39%,在全球市场的占比增加到36.1%,18-21年市场占比平均每年约增加0.37pct。

从横向角度看,回溯过去七年:

(1)市场规模方面,功率半导体的市场规模在全球半导体行业的占比在 8%-10%之间,结构占比基本保持稳定,功率半导体的周期性相对较弱。这主要是因为功率半导体应用领域广泛,下游客户季节性需求呈现此消彼长的动态均衡关系,致使行业的季节性特征 并不非常明显;

(2)增速方面,功率半导体 14-20 年 CAGR 为 3.41%,略小于半导体行业 14-20 年 CAGR 的 4.33%。

展望未来,根据Omdia的数据,2023年功率半导体市场规模预计达到504.66亿美元,17-23年CAGR为4.93%。另外根据SEMI的数据,从17-23年,细分市场增速最快的是IGBT与模块产品和IPM,CAGR分别为7.86%和7.61%,随着未来电动汽车、工业物联网等新领域的不断拓展,高密度、能承受高电流和高电压的IGBT、IPM以及相关模块产品的需求量将加速上升。

1.3. 细分品类:分立器件中MOSFET和IGBT占比最大,宽禁带进入快速发展期

MOSFET和IGBT是占比最大的分立器件。根据可控类型分类角度进行细分领域分析,功率半导体除了功率IC以外,主要包括IGBT、MOSFET、晶闸管和二极管等分立器件,其中IGBT和MOSFET市场占比最大,分别占14.51%和18.54%。在IGBT器件中,主要包括分立IGBT、IGBT模块和IPM模块,其中主要为IGBT模块,占52.21%。

① MOSFET是最为成熟的功率器件之一,MOSFET全球市场规模稳定增长。根据Yole统计数据,全球MOSFET市场规模由2020年的75亿美元,预计增长至2026年的94亿美元,20-26年CAGR为3.8%,其中汽车、工业等下游细分MOSFET需求增速较快。

② IGBT在MOSFET基础上升级,市场空间增速快。IGBT作为半导体功率器件中的全控器件,是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用,其应用领域极其广泛。按电压分布来看,消费电子领域运用的IGBT产品为600V以下;太阳能逆变器、白色家电、电动汽车所需的IGBT在600-1700V之间;动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V,轨道交通所使用的IGBT电压在1700V-6500V之间。IGBT在电动汽车中主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。

根据 Yole的预测,IGBT全球市场规模预计由 2020年的54亿美元,增 长至2026年的 84亿美元,2020-2026年 CAGR为 7.5%,或将是市场空间增速最快的分立器件。

③ 功率二极管和晶闸管作为传统的功率器件之一,市场规模基本趋于稳定。根据IHSmarkit的统计数据,晶闸管2019年全球市场规模为4.93亿美元,预计2024年为4.76亿美元,中国市场2019年为2.05亿美元,预计2024年为1.91亿美元,基本保持不变。二极管2019年全球市场规模为43.26亿美元,预计2024年为46.62亿美元,19-24年CAGR为1.51%;中国市场2019年为14.39亿美元,预计2024年为15.54亿美元,19-24年CAGR为1.55%。从变化增速可以看出,两者市场规模基本趋于稳定。

功率半导体从衬底材料角度的细分领域分析,Si仍旧占据市场主导位置,SiC和 GaN的市场占比加速增加。SiC 和GaN由于成本和技术原因,在功率器件中的占比仍较小,2019 年 SiC占总份额的 3.3%,GaN 仅占 0.4%,但是占比在不断增加。GaN的市场占比2017-2023年平均每年增长 0.57pct,SiC 的市场占比 17-22 年平均每年增长 0.88pct。

以SiC和GaN为首的第三代半导体,将进入快速发展时期。根据Omdia的SiC&GaN Power数据,随着市场规模达到临界规模,这一转变即将到来,预计到2021年,收入将超过10亿美元,这得益于混合动力和电动汽车,电源和光伏(PV)逆变器的需求。另外,分立SiC功率器件将占第三代半导体器件的主要份额。未来规模扩张速度将不断加快,预计从2021年到2024年将增加10亿美元,年均增加3.3亿美元,从2024年到2029年将增加30亿美元,年均增加6亿美元。

功率半导体行业有着三个独有的行业特性,分别为:①非尺寸依赖型工艺,专注于结构和技术改进以及材料迭代;②商业模式以IDM为主,利于技术积累和迭代;③细分需求多样化,依赖特色工艺平台的全面性和深度性。

从功率半导体产业链流程来看,设计、制造工艺和封装集成均十分重要。功率半导体以晶圆、光刻板、衬底材料等半导体材料为基础,经过设计、制造、封装后形成细分终端产品。其中,除了设计之外,功率半导体的制造工艺和封装工艺亦十分关键:

①在制造工艺中,需要涉及外延工艺、光刻工艺、减薄、背面金属化等制造工艺,制造工艺是影响器件性能的核心因素之一;

②在封装工艺中,裸片会进行器件封装或模组封装或集成封装,裸片若经过器件封装会形成功率分立器件,若经过模组封装会形成功率模组。由于功率半导体工作环境极端,对可靠性和寿命等要求较高,因此封装技术同样是影响器件性能的核心因素之一。

最后成型的功率器件会用于各类终端,功率分立器件主要用于消费电子、家用电器等,功率 IC 多用于电源管理芯片,适用于工业控制、网络通信等,功率模组可承受更高压环境,则主要用于军工航天、轨道 交通等产业内的DC/AC 逆变器、整流器、驱动控制电路方面。

2.1. 行业特性一:非尺寸依赖型工艺,专注结构与材料特性

集成电路技术的发展主要分为三个技术方向:尺寸依赖的先进工艺,非尺寸依赖的特色工艺以及先进封装工艺。在纵向的先进工艺中,业界追求特征线宽的缩小、工作电压的降低、开关频率的提高等。它主要追赶摩尔定律,不断实现更高密度的技术,从130nm 到3nm 工艺,晶体管的集成度越来越高,成本大幅下降,芯 片的价格也不断下降。

在横向的特色工艺中,强调器件特征多样化,专注于芯片如何在不同场景下承受高电压、输出高电流,以及如何提高电路线性特征,降低 噪声。特色工艺追求的不完全是器件的缩小,而是根据不同的物理特 性,做出不同的产品,比如射频器件、模拟器件、无源器件、高压功 率半导体、传感器等。第三个方向为先进封装工艺方向,利用特种的 封装进行高密度的组装做出更高价值产品。

功率半导体属于特色工艺产品,非尺寸依赖型,在制程方面不追求极致的线宽,不遵守摩尔定律。数字芯片更加注重制程的升级,目前处 理器等高端数字芯片的先进制程基本在 14 nm 以下,高端产品更是达到 了 5 nm 制程,算力发展速度较快。而对于功率半导体而言,性能发展 速度较慢,制程基本稳定在 90 nm-0.35 μm之间,其发展关键点主要包 括制造工艺、封装技术、基础材料的升级。

发展关键点 1:制造工艺。功率半导体制造工艺的具体难点在于沟槽工艺以及背面工艺(晶圆减薄、高剂量离子注入)等。以 IGBT 为例,自上世纪 80 年代被推出后,每一次的性能升级都离不开表面结构及背面工艺的进步。

(1)沟槽工艺:目前中高端的功率器件(MOSFET和IGBT)均使用沟槽工艺。IGBT的表面结构发展曾历经平面栅工艺到沟槽栅工艺的演变。第一代和第二代的IGBT采用平面栅工艺,由于pbase与扩散区形成球面PN结,产生JFET效应,导致导通压降较大。英飞凌在第三代IGBT中采用沟槽栅结构,使得P型发射区的反型沟道垂直于硅片表面,有效消除JFET效应,增加了表面沟道密度,降低了器件导通损耗。另外,最新的IGBT7对沟槽工艺进一步升级,采用MPT(Micro Pattern Technology)结构将微沟槽栅和FS组合并应用低压MOS技术,进一步大幅提高了沟道密度,从而实现更大的器件性能控制范围。相比于平面栅,沟槽栅结构性能得到了显著的提升,所以对于IGBT器件而言,表面结构升级也是产品高端化的必经之路。

制备沟槽型器件工艺壁垒高,设计-制造环节须历经长期技术沉淀。沟槽 IGBT 的沟槽宽度仅有 1-2 μm,而沟槽深度要达到 4 μm 以上。因此,通过酸腐蚀工艺制备沟槽时,须对沟槽的宽度和深度实现精确控制。此外,沟槽壁亦要尽可能光滑以提升良率。同时,IGBT 沟槽底部的倒角亦须圆润、均一以免影响器件耐压。而沟槽形貌与设备条件、 刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系,须大力协调三者之间关系才 可规模量产沟槽形貌良好的 IGBT 产品。因此,功率半导体的制造工艺 壁垒较高,需要晶圆厂与芯片设计部门长期合作,对器件的设计及制 造技术长期打磨及优化。

(2)背面工艺:对良率、成本影响显著,减薄和背金是关键。同以IGBT为例,背面工艺主要包括正面贴膜、背面减薄、背面清洗、背面 P 注入、激光退火、背面 B注入、背面金属化、烘烤等。IGBT 4相较于 3 进一步减薄了背面结构,使得开关损耗进一步降低,同时最高工作结温也从 125 ℃提升至 150 ℃,但相应的背面工艺复杂度也显著提升,主要体现在晶圆减薄、注入及金属化等工艺中。

在背面工艺易产生碎片。在晶圆被减薄至100-200 μm后,后续的掺杂以及背面金属化的过程中,亦会因为工艺控制及搬运不慎带来碎片的风险。因此,在 wafer 尺寸超过 8 寸后,背面工艺难度提升,对 IGBT 良率影响也显著放大,目前能够规模量产 12英寸 IGBT 的晶圆厂较少。此外,使用场截止技术时,亦对背面掺杂工艺提出更高要求,须综合考量深度、浓度、分布以及与集电极的匹配等影响因素,涉及的变量 较多,优化难度大。

发展关键点 2:封装工艺。由于功率半导体工作环境极端,对可靠性和 寿命等要求较高,因此封装工艺同样是功率半导体的主要关注点。封装工艺主要从三种途径进行改进:①提高芯片面积与占用面积之比;②将封装的电阻和热阻减至最小;③将寄生电阻和电感减至最小。TOLL可以被应用于离散型功率器件封装。

车规级 IGBT模块封装技术壁垒更高,封装质量及散热重要性突出。车 规级IGBT 模块是功率半导体封装技术壁垒最高的产品之一。车规级封 装是保障高温运行、高功率密度、高可靠性的关键因素,不仅仅涉及 到芯片表面互连、贴片互连、端子引出、散热等关键技术工艺。

直接液冷是目前车规 IGBT模块的主流散热方案。对于模块散热设计而言,其结构设计难度大,需要厂商对热力学及材料体系有较为深入的理解。早期车规 IGBT 模块采用基于铜基板的三明治结构,该设计散热性能差且结构笨重,限制模块功率进一步提升。为提升散热能力,针翅直接水冷散热结构以及更为先进的双面散热被提出并广泛采用,目前日本电装、日立以及英飞凌的双面散热模块已实现商业化。

发展关键点 3:材料迭代。功率半导体还专注于材料的迭代,现有第三 代半导体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 等第三代半导体材料为基础的功率半导体可在更高 频、更高压的环境下工作,性能上超过原有 Si基 IGBT 和 Si基MOSFET, 且原有的成本问题也不断得到了优化。(报告来源:未来智库)

2.2. 行业特性二:IDM模式与委外代工共存,技术迭代与产 能供给齐飞

半导体行业内主要存在 IDM与垂直分工两种经营模式。IDM模式即垂 直一体化模式,是指半导体企业除进行半导体设计外,业务范围还包 括芯片制造、封装和测试等所有环节。垂直分工模式则是将各个环节 划分开来,各家公司只专注经营一个环节,例如 Fabless 模式则仅专注 于半导体的设计和销售环节,而芯片制造和封装测试则交给 Foundry 模 式的纯代工企业。

对于半导体产品公司而言,采用IDM模式对企业技术、资金和市场份额要求较高,具有典型的重资产属性。公司不仅自身需要拥有研发设计团队,还需自建芯片制造、封装和测试生产线,在完成半导体的设计、芯片制造、封装测试等环节后销售给下游客户。自建芯片制造和封装测试生产线就需要巨额的资金投入,如投资建设一条8英寸芯片制造产线的资金约30亿元人民币,因此采用IDM模式的企业往往除了拥有较强的研发技术实力外,还必须拥有雄厚的资本实力。在垂直分工经营模式下采用Fabless模式仅需专注于从事产业链中的芯片设计和销售环节,能够相对有效控制投入和成本。垂直分工模式在数字逻辑集成电路领域取得了快速的发展。

功率行业中公司既有 IDM模式,也有垂直分工模式。国外IDM模式公 司有英飞凌、ON Semi、TI、STMicro、东芝等;国内公司 IDM 模式公司有华微电子、士兰微、华润微等。垂直分工模式中的 Fabless 包括新 洁能、斯达等;Foundry 则包括华虹半导体、世界先进、中芯国际等。

功率半导体采用 IDM模式的主要优势:

(1)IDM模式具有技术的内部整合优势,有利于积累工艺经验,形成 核心竞争力。其研发及生产是一项综合性的技术活动,涉及到产品设 计与工艺研发等多个环节相结合,IDM 模式在研发与生产的综合环节 长期的积累会更为深厚,有利于技术的积淀和产品群的形成,从而有 助于形成更强的市场竞争力。

(2)IDM模式具备资源的内部整合优势,针对客户定制化需求,IDM 模式能协同优化设计与制造环节,缩短产品开发时间。因为功率半导 体属于对工艺特色化、定制化要求较高的半导体产品,对设计、制造 以及封装工艺环节结合的要求更高。在 IDM 企业内部,公司可以通过 构建主要产品工艺技术平台,衍生开发细分型号产品,并持续升级产 品工艺平台,形成了“构建-衍生-升级”的良性发展模式,从而使得公司 细分型号产品能够快速、“裂变式”产生,满足下游多个领域的需求,最 终引致公司经营规模迅速增长。相比 Fabless 模式经营的竞争对手,公 司能够有更快的产品迭代速度和更强的产线配合能力,同时也可以根 据客户需求进行高效的特色工艺定制。

(3)制造环节重要性高,IDM模式享受更高产品附加值。功率半导体 属于特色工艺产品,定制化要求较高,且细分产品出货量较低。如果 将功率半导体交给晶圆厂进行代工,无法达到足够的规模效应,成本 较高。更重要在于公司将制造环节全部囊入公司业务,赚取了本该属 于晶圆厂的利润,有利于提高公司产品原有的产品附加值。

但 IDM具有明显的重资产属性,在扩大营收,巩固主要营收市场方面 具有较大的约束性。随着全球新兴产品的爆发以及以中国为代表的区 域性需求的快速扩张,纯 IDM 公司产能供给无法有效跟上终端需求;另外由于半导体行业的周期性,纯 IDM 公司极容易受制于原有固定产 能,陷入被动局面。因此 IDM模式+委外代工共存是商业模式未来的发展方向,既能随市场波动及时扩大或减少产能,也可以就近满足区域 性市场需求。

2.3. 行业特性三:细分需求多样化,依赖特色工艺平台的 全面性和深度性

“平台化多样性”是特色工艺企业构筑竞争壁垒、打造竞争优势的核 心武器,工艺平台越强大的企业,其在技术经验、服务能力和特殊化 开发能力方面具有深厚的优势。

功率半导体行业细分需求多样化,从大类产品平台,到不同电压、不 同面积、不同封装外形,交叉组合可形成千余种细分产品。以新洁能 的产品布局为例,公司主要分为四大产品平台:沟槽型功率 MOSFET、 超结功率 MOSFET、屏蔽栅功率 MOSFET 和 IGBT;每个平台下又根据 不同的电压、不同的结构进行分类;之后为了满足客户的要求,需要 调整芯片面积、采用多达三十余种封装外形以及进行单管、功率模块 或者智能功率模块的集成封装,因此近二十个子工艺平台叠加不同电 压系列、不同面积系列以及不同封装系列,交叉组合会得到 1000 余款 细分型号的产品。

功率半导体产品由于根据客户定制要求所产生的的细分需求多样化, 但各细分类型需求量相对 IC产品较小,因而公司要想在行业内获得足 够的市场竞争力,对于特色化工艺平台的全面性和深度性要求极高。

新能源 汽车渗透及光伏加速建设是功率半导体市场快速增长的最主要 驱动力。电动车:从 ICE(内燃车)到 MEV(轻度混合动力汽车),再从 MEV 到 BEV(电池电动汽车),单辆电动车内部的功率器件数量在不断增加, 再加上配套设备充电桩所含有的功率器件数量,单车驱动的功率器件 规模大幅增长。光伏:受益于“碳中和”成为大国共识叠加发电成本下降,全球光伏 装机量亦将持续快速提升,功率半导体作为逆变器核心器件,亦将迎 来量价齐升。

3.1. 电车:汽车迈向纯电动化,功率半导体量价齐升

3.1.1. 新能源 汽车持续放量,汽车电动化大势所趋

电动汽车主要分为 MHEV、PHEV与 BEV三种大类。MHEV为轻度混 合动力汽车,只是在发动机上安装小型电动机,帮助改善发动机的启/ 停过程;PHEV 为插电式混合动力汽车,同时利用电动机与发动机进行 驱动,且可以利用外接电源进行充电;BEV 为纯电动汽车,利用蓄电 池存储动力,利用电动机进行电能驱动。

随技术不断完善及全球政府的大力推进, 新能源 汽车未来有望保持较 高增速:供给端来看。特斯拉等造车新势力通过打造全新的用户体验及产品模 式,倒逼传统厂商向新能源转型,形成良性循环,大量优质新能源车 型被纷纷推向市场。需求端来看:购车群体对新能源车逐步产生认识叠加政府的大力推进, 新能源汽车消费人群逐步起量。因此,新能源车未来有望逐步替代传 统能源汽车,成为汽车市场增长的主要驱动力。

2021年全球新能源车出货量快速增长。进入2021年后,全球出货量快 速增长,截至 2021 年上半年,全球新能源车出货量超过 250 万辆,预 计全年增速将超过50%。从出货结构看,纯电动和插混动力占据全球约 99%份额,氢燃料电池汽车占比约为 1%。

分地区来看,中国是全球最大市场之一,2021增速较快。2020年,中 国占据全球新能源汽车出货 41.27%,欧洲这一份额为 43.06%,二者是全球最大的新能源汽车市场。从销售结构来看,国内纯电动车占据新能 源汽车销量比重为81.6%,混合动力车占比为18.60%,氢燃料电池汽车 占比仅为 0.07%。

销量增长有望持续,拉动上游汽车电子需求。随着技术的不断成熟与成本的显著下降,新能源汽车的用户体验得到了显著的提升,随着消费者需求不断释放,未来中国乃至全球新能源汽车销量将维持长期高速增长,行业进入高景气周期,预计 2021-2026 年的 CAGR 将接近 30%。随着下游新能源汽车需求不断释放,汽车电子作为新能源车产业链的上游有望充分受益。

3.1.2. 汽车电动化核心元件,功率半导体量价齐升

功率半导体在汽车中主要负责能量转换,电动车功率半导体用量提升。燃油车的功率半导体应用场景主要包括启停模块、车灯、引擎、车身、音响控制、防盗以及动力传输系统等。而对于电动车而言,功率半导体用量在燃油车的基础上显著提升,主要增量体现在车载充电系统 (OBC)、电池管理(BMS)、高压负载、高压转低压 DCDC、主驱动 等,用量相比于传统燃油车显著提升,将成为电动车核心元件之一。

相比燃油车,电动车功率半导体复杂度亦显著提升。燃油车功率器件电压等级低,40V的功率MOSFET即可满足EPS(电动助力转向系统)和EPB(电子驻车制动系统)等核心安全系统要求。此外,燃油车动力总成电压往往在30V左右,电助力制动器电压70V左右,单车平均电气功率不超过20kW,因此高性能车规低压MOSFET即可满足车辆低功耗需求。

而对于新能源汽车而言,相比于传统能源车多出了主电机驱动、DCDC、OBC、车载电动空调、电池管理(BMS)等部件,其中纯电动主电机驱动功率往往可超过100kW,发电机功率平均达到30kW,单车平均功率要远超出传统燃油汽车。此外,与传统汽车不同的是,由于较高的驱动功率、电压以及高能耗敏感度,电动车厂往往会采用导通压降小、工作电压高的IGBT模块,而非在传统燃油车中采用的MOSFET,单车功率半导体复杂度亦将呈现显著提升。

随着电动车加速渗透,功率半导体单车价值量上升趋势明显。根据英飞凌、strategyanalytics和IHSMarkit的统计数据,ICE(内燃车)内功率半导体价值71美元,总成本占比不足10%;而PHEV和BEV二者平均功率半导体价值量为330美元,占总成本的39.56%,相比ICE的功率半导体价值量增加了约240美元。

3.1.3. 车规级功率空间广阔,IGBT和MOSFET增速快

IGBT及MOSFET是汽车功率半导体价值量提升的主要推力。传统汽车中蓄电池电压主要为12V或24V,分立功率器件主要被应用于调节各低压工作单元的通断,因此最常用的分立器件是MOSFET,用以控制车灯、天窗、雨刷等模块。而对于电动车来说,动力电池电压往往要大于300V,且平均功率亦显著提升(这意味着流经功率模块电流显著提升),因而往往在关键环节会使用能够适应高电压、大电流的IGBT模块,同时MOSFET的用量及价值量亦显著上升。在下文中,我们主要对新能源汽车的5大增量模块进行梳理。

对大多数车型而言,电驱逆变器核心部件是IGBT和FRD。逆变器可选的方案主要为硅MOSFET、IGBT以及SiC方案,MOSFET主要应用于A00级车型,市场占有率较低,且未来有望被IGBT所取代。SiC目前受限于高成本及产能释放,3-5年维度来看难以大规模放量,因此IGBT是电驱逆变器最为主流的方案。

以典型主控功率逆变器为例,IGBT和FRD用量大。以单驱为例,旺材电机与电控披露,英飞凌的部分产品由六桥臂单元(内含6组IGBT、6组FRD)构成,其中每个桥臂包含3颗IGBT芯片、3颗FRD芯片,共计18颗IGBT和18颗FRD。

高压转低压DC-DC:开关元件主要是MOSFET,功率二极管用量多。该模块几乎被应用于所有新能源车型中,功率范围在2kW左右,其主要作用是取代传统汽车中的12V发电机,将动力电池的高压电转换为低压电,随后被低压蓄电池收集。此外,部分方案可能会采用IGBT作为开关器件。OBC:中高端产品采用IGBT,中低端为MOSFET方案。OBC的主要作用是将充电桩交流电转换为动力电池所需要的直流电,并依据BMS提供的数据,实现对电压、电流等参数的动态调节。IGBT单管或者高压MOSFET等开关器件则是OBC中实现DC-DC转换模块的核心开关器件。

电池管理(BMS):核心分立器件为MOSFET。BMS主要用来可监控并调节电动车电池的充放电过程,通过对电池的电压、温度、容量、荷电状态等指标的监测,实现对剩余电量的有效利用并避免电池的过充损耗。在电动车中,每一电池组往往都有其独立的BMS系统,用以确保行车安全。

新能源汽车MOSFET、IGBT单车价值量提升,市场空间快速增长。MOSFET来看,根据Yole数据及我们的测算,新能源汽车(EV/HEV)的MOSFET单车价值量有望达到31美金,相比于传统燃油汽车的19美金,增长约12美金。IGBT来看,结合全球汽车销量和Yole,我们预估2020年新能源汽车(包括EV和HEV)单车IGBT价值量约为204美金。进一步,在新能源汽车拉动下,国内电动车IGBT市场空间从2020年的2.0亿美金成长至2026年的22.3亿美金,CAGR为49.9%。MOSFET市场来看,由于燃油车亦采用MOSFET功率器件,我们测算2020年国内车规MOSFET市场空间为5.0亿美金,2026年将达到6.5亿美金,2020-2026年CAGR为4.6%。

核心假设:假设国内汽车出货量平均每年2500万辆,采用Si-MOSFET逆变器车型2020-2026出货量预估为20/28/32/35/40/42/44万辆,SiCMOSFET逆变器车型在2020-2026年出货量占比分别为

15.0%/11.4%/12.4%/15.4%/18.4%/20.4%/22.4%。此外,综合考虑新能源汽车逐步在中端及高端车型渗透,以及IGBT厂商的降价,假设2020-2026年新能源汽车IGBT价值量保持稳定。

此外,充电基础设施是电动车必不可少的配套设施,其内部也含有较大数量的功率器件。以典型的直流充电桩为例,三相交流380V输入电压经过两路AC/DC电路并联后,得到800V直流母线电压,然后经过两路全桥LLCDC/DC电路,输出250V到950V(或750V)高压给电动汽车充电使用,从拓扑电路来看,充电桩包含的功率器件较多。

充电基础设施的充电效率越高,则对充电功率要求越高,继而需要的功率器件也越多。根据英飞凌的数据,随着DC充电系统的功率的增大, 充电时间不断减小,但每个 DC 充电系统所含的功率器件价值处于上升 趋势。20 kW 充电系统所含功率器件主要为 Si 基,价值 40 美元;150 kW 充电系统所含功率器件也主要为 Si基,价值 300 美元;而 350 kW 充电系统所含功率器件变为 SiC 基,价值3500 美元,价值相较于20 kW 充电系统提升明显。因此整个电动车系统所需的功率器件不仅包含电 动车本身所拥有的,也包含充电桩内所必需的,因此电动汽车的发展 所带动的功率器件市场,超过我们单纯依据电动车内功率器件价值量 所算出的增量市场。

3.2. 光伏:全球光伏装机量提升,推动功率半导体需求增长

3.2.1. 光伏装机量快速提升,逆变器需求将迎爆发

光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏。光伏逆变器主要由输入滤波电 器、DC/DC MPPT 电路、DC/AC 逆变器、输出滤波电路、核心控制单 元电路组成。逆变器在光伏电站中占据核心地位,是连接电网和光伏 系统的关键枢纽,其主要功能是将太阳电池组件产生的直流电转化为 交流电,并入电网或供负载使用。逆变器的性能对电站运行平稳性、 发电效率和使用年限都会产生直接影响。此外,逆变器还负责整个光 伏系统的智能化控制,能够通过最大功率电追踪(MPPT)显著提升系 统发电效率,对系统状态进行监控、调节和保护。

集中式逆变器和组串式逆变器占据装机规模近90%的份额,是当前行 业主流。光伏逆变器的发展过程中,出现了集中式逆变器、集散式逆 变器、组串式逆变器和微型逆变器四大类,当前集中式和组串式逆变 器占据近 90%的装机规模。

集中式逆变器体积大、功率高,通常功率在500kW以上,只适用于大型地面集成式光伏电站。组串式逆变器体积小、易安装、功率小,功率略小于集中式逆变器,可调节多块光伏组件的电流输出,适用于分布式光伏系统。随着技术发展,组串式逆变器逐渐也可用于大功率电站场景,叠加其安装方便等优势,渗透率迅速提升。2020年国内组串式逆变器出货量已占据市场65%以上的份额。

乘政策之东风,全球光伏市场方兴未艾。随着全球多个国家陆续提出碳中和的相关政策,光伏发电在全球的能源占比未来将不断提升。全球来看,光伏发电不仅在欧美日等发达地区蓬勃发展,在中东、南美等地区也在快速起量,目前已经成为清洁、低碳并具备一定价格优势的发电形式。2021年,在光伏发电成本持续下降及全球政府大力支持等有利因素的推动下,全球光伏新增装机量有望快速增长。

国内光伏市场空间广阔。2020年,国内光伏新增装机48.2GW,创历史 第二高,同比增加 60.1%。2020 年由于受到疫情影响,20H1 新增光伏 装机规模较少的情况下,下半年光伏装机快速发展,12 月单月新增光 伏装机规模达到 29.5 GW,创历史新高。

光伏新增装机放量叠加存量替代空间扩大,逆变器渗透率提升。光伏 新增装机速度逐年提升,市场需求不断扩大,作为光伏电站系统核心 的逆变器有望迎来量价齐升。此外,存量市场方面,考虑到光伏逆变 器寿命一般在 10 年左右,当前存量替换需求主要来自 2010 年前后分布于欧洲地区的光伏装机。国内光伏装机于 2013 年起腾飞,因此预计未 来 2-3 年国内存量替换市场也将不断扩大。如果假设存量替代为 10 年 前的新增规模,则未来存量替代亦将显著拉动光伏逆变器的需求。综 上,光伏装机增量与存量的相互作用,将带动光伏逆变器渗透率不断 提升、市场空间显著扩大。

3.2.2. IGBT是逆变器核心,国内市场空间广阔

IGBT等功率半导体是逆变器实现直流转交流的关键所在,在逆变器成 本中约占据 13%的价值。IGBT 和MOSFET 等电力电子开关器件的高频 率开合特性是逆变器实现直流电转交流电这一基础功能的基础。逆变 器生产所需原材料主要包括电子元器件、机构件以及辅助材料,其中 电子元器件包括功率半导体、集成电路、电感磁性元器件、PCB 线路 板、电容、开关器件、连接器等,机构件主要为压铸件、钣金件等, 辅助材料主要包括塑胶件等绝缘材料。根据固德威招股说明书披露, 机构件、电感、IGBT 功率器件为 3 大核心耗材,占据近 60%的成本, 其中 IGBT 功率器件占据约 13%,位列第三。

全球逆变器 IGBT市场扩容,国内逆变器厂商市占率高。我国逆变器产业经过大量的研发积累,近年来不断从海外品牌 ABB、SMA、TMEIC 等手中抢夺市场份额,形成了华为、阳光电源、锦浪、固德威等诸多 逆变器全球龙头企业,当前中国逆变器出货全球市占率已经超过65%。

2026 年国内光伏逆变器 IGBT需求有望超过 40 亿人民币。根据测算, 我们预估 2026 年全球光伏 IGBT 市场需求将从 2020 年的 28.3亿元提升 至 63.5 亿元。若假设国内厂商能拿到 65%的市场份额,则国内光伏 IGBT 需求将从 2020 年的 18.4 亿元提升至 2026 年的 41.3 亿元,CAGR 达到 14.4%。由此可见,光伏放量驱动逆变器市场规模扩大,逆变器进一步为光伏 IGBT 带来巨大的增长潜力,光伏 IGBT 有望迎来量价齐升。

对于功率半导体企业而言,想实现市场份额及营收规模的快速提升, 关键有二:

1、能力:国内厂商技术和平台化(产品覆盖度)是核心要素。全球功 率器件市场基本为英飞凌等国际大厂垄断,国内厂商目前仍主要集中 在二极管、低压 MOSFET 等低端功率器件市场。短时间内,国内厂商 要想增强市场竞争力,实现国产替代,最主要是在产品技术和平台化 建设上做出足够的投入。

产品技术方面:设计、制造及封装工艺加速研发追赶。尽管功率半导 体对设计、制造、模块封装乃至材料等技术都有较高的要求,但技术 迭代速度较慢,国内厂商通过产业链协同有望突破壁垒,强化技术和 产品竞争力。平台化建设方面:“平台化多样性”是特色工艺企业构筑竞争壁垒、打 造竞争优势的核心武器,工艺平台越强大的企业,其在技术经验、服 务能力和特殊化开发能力方面具有深厚的优势,因此足够全面性和深 度性的特色化工艺平台有助于增强公司的竞争力。

2、机遇:缺货周期恰逢产能释放,是实现客户导入的重要契机。功率 半导体平均价值量低、在产品及系统效能中重要性高,下游客户通常不会轻易更换供应商,新进入者实现客户导入难度大。通过复盘过往 半导体景气周期,我们发现在缺货时期恰逢产能释放是实现客户导入 的重要契机,公司有望借机获得长期成长机遇。

4.1. 英飞凌市占率领先,行业格局相对分散

功率半导体市场以英飞凌为龙头厂商,整体市场份额相对分散。根据 IHS markit 的统计数据,2019 年功率半导体市场龙头厂商英飞凌市场份 额为 19%,其次为安森美公司,占 8%,之后各公司的市场份额均不超 过 6%,整体市场份额相对分散。

从横向角度看,2015年后市场集中度整体有所下降,行业集中度水平 CR10 下降 5.9%,CR5 下降 2.8%。根据 IHS markit 的统计数据,自 2009 年后,市场集中度整体处于上升趋势,行业整合增多,头部效应 不断加强,且 top1 厂商始终为英飞凌,所占份额不断增多,从 2009 年 的 11%增加到 2019 年的 19%;但是 2015年后,市场集中度整体有所下 降,市场份额相对分散。从长周期角度看,功率半导体行业集中度水 平 CR1将维持在 20%左右,CR5将维持在 40%左右,CR10将维持在 60%左右。

头部功率半导体厂商均为 IDM模式,行业格局较为稳定。根据 IHS markit 的统计数据,2009 年,功率半导体前五厂商分别为英飞凌、 Toshiba、Fairchild、Mitsubishi 和 STMicro;2019 年功率半导体前五厂 商分别为英飞凌、ON Semi、STMicro、Mitsubishi 和 Toshiba。其中 Fairchild 在 2016 年被 ON Semi 收购,ON Semi从而代替 Fairchild 出现 在榜单上。总体来看,排除份额的变化,功率半导体前 5 厂商位序变动 不大。

从 2019年数据来看,功率半导体前十厂商基本为欧美日功率大厂,中 国厂商暂时处于弱势地位。从 2019 年的统计数据可以看出,英飞凌、 STMicro 为 欧洲 厂商 ,ONSemi、Vishay 和 ROHM 为美 国厂 商 , Mitsubishi、Toshiba、Fuji Electric 和 Renesas 为日本厂商,Nexperia 本为 欧洲厂商,现已被闻泰科技收购。整体而言,中国功率半导体厂商暂 时处于弱势地位,市场份额较低。

4.2. 国内厂商快速发展,竞争实力不断强化

中国是最大的功率半导体需求国之一,占据全球功率半导体30%的需求。但国内功率半导体行业发展相对滞后。历经多年追赶,随着国内半导 体行业整体的崛起,功率半导体行业亦迎来新转机。新能源汽车、光 伏带来功率器件新应用场景,国产厂商有望抓住机遇,打破国外垄断 市场,实现部分功率半导体的国产替代,主要依据有三:

一、 技术研发层面,与国外厂商差距不断缩小。经过多年的积累, 国内厂商如士兰微、时代电气、斯达半导、比亚迪、华虹等厂商 已取得很大的技术进步,与海外巨头之前的技术差距正在缩小, 国产化进程正加速进行。

二、 客户服务层面,本土厂商有更强配套优势。国内新能源汽车、 光伏逆变器等新兴需求增速领先全球,是最大的市场之一,本土 厂商有望凭借更积极的响应和定制化的服务,实现份额的提升。

三、 供应链层面,疫情证明国内供应链实力。疫情在运输及生产 方面影响全球供给,而国内强大的疫情控制能力使得供应链得以 第一时间保障,证明了国内制造业供应链的实力。未来更多国内 的厂商愿意去尝试引入本土供应商,保障供应链安全。

因此,我们认为未来国内的功率半导体无论是二极管/晶闸管,还是 MOSFET,乃至难度更高的 IGBT,市场份额均有望显著提升,实现功 率半导体的国产替代。

4.2.1. 二极管/晶闸管

对于二极管和晶闸管而言,由于技术壁垒较低,国内厂商市占率较高:

1、 晶闸管国内厂商份额领先。在晶闸管的市场格局方面,根据 IHS Markit 和 WSTS 的统计数据,2019 年度瑞能半导体晶闸管产品的全 球市场占有率为 21.8%,全球排名第二,中国市场占有率达 36.2%, 国内排名第一。此外,根据捷捷微电披露,公司部分晶闸管产品占 据国内同类产品 50%左右份额,部分产品的技术参数媲美进口同类 产品。

2、 二极管市场较为分散,国内出口金额大于进口。二极管技术简单, 中国大陆厂商凭借低成本及政府的大力扶持快速崛起。从今年来的 进、出口金额来看,二极管国产替代率较高,并远销海外。

4.2.2. MOSFET

中国占全球 MOSFET 需求 38%,国内厂商份额较低。就 MOSFET 竞争格局而言,英飞凌为分立 MOSFET 全球龙头厂商,市场份额占 24.6%,中国厂商主要有 Nexperia 和华润微(China Resources), 分别占 4%和 3%的市场份额。我们将从国内厂商 MOSFET产品下游覆盖的广度以及技术深度两个角 度出发,探讨国产 MOSFET供应链竞争力:

1、通过 MOSFET电压等级来看产品覆盖广度。从下游应用来看,不 同电压等级对应不同应用场景。其中,低压 MOSFET 应用十分广 泛,2021 年上半年受益于消费电子的旺盛需求,拉动低压 MOSFET 出 货快速增长,有望达到 36 亿美金。此外,中电压和高电压的 MOSFET 主要被应用于电网、汽车、基站以及工控中,市场需求亦稳步增长。

国内 MOSFET产品覆盖大多数电压等级,市场覆盖范围广。通过梳理 国内主要上市公司 MOSFET 的主要电压等级(包括 P型和 N型沟道), 我们发现国内公司产品覆盖广度已经可满足大部分的下游应用需求。其中从电压范围 来看,华润微 、士兰微、新洁 能、捷捷微电 的MOSFET 产品覆盖面较广。

2、从器件结构来国内厂商技术进步。

目前国内厂商大部分已掌握超结及沟槽 MOSFET工艺。目前来看,国 内厂商华润微、士兰微等厂商均已掌握平面、沟槽及超结 MOSFET 产 品的设计、生产能力,在器件结构技术方面已和国外厂商并驾齐驱, 技术实力有望不断提升。

技术进步叠加产品线逐渐丰富,大陆 MOSFET 厂商有望崛起。从 MOSFET 产品种类 来看,新洁 能 MOSFET 产品种类已经达到 1300 种以上,虽然与英飞凌(超 2500 种 MOSFET 产品)尚有一定差距,但亦能说明国内 MOSFET 厂商已形成了丰富的产品结构,可为下游应用领域提供综合解决方案。随着技术 的不断突破,对于中高端的 MOSFET 市场而言,下游客户对器件性能 及客户匹配的重视程度要高于低端 MOSFET,国内厂商有望凭借技术 突破及本土化优势实现客户的快速导入。

4.2.3. IGBT

就 IGBT竞争格局而言,在分立 IGBT方面,全球龙头供应商为英飞凌, 市场份额占 32.5%,中国厂商士兰微进入前十,市场份额占 2.2%;在 IPM方面(下游主要是消费和工业),全球龙头供应商为三菱电机, 市场份额占 37%,中国厂商士兰微再次进入前十,市场份额占1%(在 IPM领域份额较高)。

在 IGBT模组方面,英飞凌为全球绝对龙头,市场份额占35.6%,中国厂商斯达排名第八,市场份额 2.4%。中国厂商进入 IGBT 行业较晚, 但是通过研发交流,产业链协作,中国厂商目前已经研发出第六代 FSTrench IGBT,并在第七代 RC IGBT 上具备相应的技术储备,同时随着 政府对中国 IGBT 企业的政策支持,叠加中国下游市场对产品的大量需 求,中国企业有望实现大规模的国产替代,后来居上与国际巨头正面 竞争。

我们同样从国内厂商 IGBT产品下游覆盖的广度以及技术能力两个角度 出发,探讨国产 IGBT供应链竞争力:

1、覆盖广度来看:国内厂商 IGBT产品电压范围内覆盖主要应用。车规级 IGBT 模块和分立器件电压范围主要涵盖 750 V-1400 V,工业应用 IGBT 模块电压范围往往在 1200 V以上。国内 厂商的产品电压规格目前大部分已经涵盖 500-1400 V,卡位下游最主要 的车规及工业分立器件应用,成长性较高。此外,斯达半导等公司的 产品电压范围已经覆盖 3300 V 以上,在高端工业应用等领域具备较强 竞争力。

2、电学参数来看:部分国内车规级 IGBT模块性能已与国外厂商相当。英飞凌是 IGBT 模块的主流厂商,尤其是在电动汽车领域,其 Hybrid PACK 产品客户覆盖宝马新能源以及国内的精进电机、上海电驱动、汇 川等供应商。此外英飞凌还推出可用于重型卡车、客车的 Econodual、 Prime PACK系列模块,产品技术领先且应用广泛。通过与英飞凌 Econodual 1200 V/600 A电 动汽车 IGBT 模块的关键参数对比,可发现其电学性能与国外产品相当, 部分性能如饱和压降 VCE(sat)等相较于国外产品性能更加优异。

3、模块散热来看:目前国内厂商在直接液冷方案已实现突破。尽管双面冷却更为先进,但我们预计单面液冷仍在一段时间是下游电动车模 块的主要散热方案。此外,对于双面冷却模块方案(主要用于高端 新能源车型如雷克萨斯等),国内厂商也在加速突破。随着国内 IGBT 厂商已突破下游应用较为广泛的直接液冷方案,以及在双面冷却封装 领域的持续研发投入,IGBT 模块封装能力在电动车等下游新兴领域已 经有了较高竞争力。

技术进步叠加下游需求放量,国内 IGBT厂商有望崛起。通过上文对国 内厂商 IGBT 产品的梳理,在器件电压覆盖范围及技术指标均满足电动 车等新兴下游领域的需求。

国内厂商在车规 IGBT领域渗透率有望持续提升。根据斯达半导的招股书披露,随着 IGBT 电学性能的不断 提升,公司 IGBT 模块已进入到汇川、上海电驱动等国产电驱动供应商。此外,在中低端 IGBT 领域,如家电 IPM、 工业单管及模块等应用中,国内厂商有望通过性价比优势实现份额的稳步增长。

4.3. 缺货加速国产替代,国内厂商获得良机

4.3.1. 终端需求不断释放,功率器件缺货持续

终端需求不断上涨,8寸产品缺货涨价成共识。2020年以来终端需求不 断上涨的关键原因主要分为三个:①5G 商用需求量价齐升,带动原材 料硅含量增加以及功率管理应用成长;②年初“防疫停工”导致晶圆 产能被拖后 2-3 月,同时“宅经济”需求畅旺,带动平板等消费电子的 需求上升;③“华为禁令”、“中芯遭禁”的国际贸易摩擦加重市场担 忧带动囤货。另外,智能手机发布会的追单效应、车用芯片订单的大 幅释放,都加剧了 8寸产能的紧缺,2021 年 8寸产品缺货涨价几乎成市 场共识。

功率器件主要依赖于 8寸产线,受影响程度严重。虽然12英寸晶圆厂 已经逐渐成为主流,但是 8 英寸晶圆更加适配功率器件。首先,8 英寸 晶圆具备更加成熟的特色工艺,而功率器件对特种工艺的要求较高;其次,8 英寸晶圆产线相对于 12 英寸晶圆产线具有成本优势,大多数 8 英寸设备已经完成折旧,剩余折旧额较低,在市场产能紧缺及涨价效 应下,更具经济效益。因而在 8 寸线产品供不应求的形势下,功率器件 受影响程度同样严重。

功率器件产能吃紧,各类供应商纷纷加入涨价浪潮。2021 年 Q3新一轮已 调价产品涵盖了 IPM、IGBT、二极管、LED 驱动芯片等产品类别,涉 及 LED 照明、家电、汽车等细分市场。

国内主要功率器件供应商仍然是 Infineon、ON Semi、STMicro等国际大 厂。根据 IHS 的统计,就 MOSFET 市场而言,英飞凌、安森美、东芝、 ST 以及瑞萨合计占据了国内市场的主要份额,国际大厂供应不足,必 然导致当下国内功率器件需求的进一步紧缺。

4.3.2. 复盘历史缺货周期,国产替代有望加速

行业缺货是国内功率半导体厂商完成客户导入,实现快速发展的重要 契机。因 此,对于国内功率半导体企业而言,下游需求放量或者上游供给短缺 导致的产品缺货阶段,是其实现客户导入的重要窗口期。复盘过往两 次功率半导体的景气周期(2009-2011,2016-2018)可以发现,当行业缺 货时,若恰逢细分产品技术成熟及产能释放,国内厂商有望获得重要 发展机遇。

1、2009-2011 年的功率景气周期。2008 年经济危机使得各大厂商缩减 制造产能,随着 2009 年年末全球经济复苏,市场对功率器件的需求大 幅上升,导致功率器件开始供不应求。根据 Vishay 披露的二极管 book to bill数据,2010 年第一季度 book to bill达到了 1.63。随着供给的不断 释放,功率行业景气度随后开始逐渐下滑。

士兰微功率 MOSFET、二极管等产品出货提升。在缺货的背景下,国 内厂商如士兰微凭借其产能不断释放(2010 年扩产后的士兰集成产能 达到 12.5 万片每月,2011 年达到 15.8 万片每月)以及技术的发展 (2009 年开始具备高压 VDMOS 和低压 VDMOS 等产品量产能力),实 现了在 MOSFET 以及二极管等产品领域的出货提升。2010 年全年公司 分立器件业务营收达到了 5.13 亿,同比增长 60%以上。

2、2016-2018年的功率景气周期。2016年末美国二极管和三极管制造商Diodes密苏里州工厂KFAB因火灾停工(后于2017年Q3正式关闭),导致供给下滑。同时由于指纹识别芯片、CIS芯片占用了大量的8寸产能,导致全球功率半导体供给雪上加霜。2016年末起,功率半导体器件行情回暖,部分MOSFET、二极管、晶闸管交期出现延长。2017年,随长电科技大涨MOSFET价格,台厂富鼎、尼克森的供货商开始全面涨价,铸就2016-2018两年的功率半导体景气周期。最终,2018年Q3,台厂商营收到达高点,随后开始逐月回落,景气度逐渐下滑。

士兰微IPM产品受益缺货实现客户导入。士兰微自2007年发力高压驱动电路HVIC设计,2010年进军高压功率模块IPM封装。2012年起,公司IPM产品开始在白电工业领域推广。在2016-2018年功率半导体缺货的背景下,士兰微IPM在国内白电客户中持续取得突破(其8寸产线亦在2017年开始贡献产能,年末实现1.5万片月产能),完成了客户导入并取得在国内厂商中的先发优势,其白电核心客户目前已经包括海信、海尔、长虹、美的、格力等知名厂商。2020年,士兰微在白电客户IPM的出货量超过1800万颗(2016年IPM出货数仅为100万颗左右),实现了爆发式的增长。

本次缺货亦将成为国内功率半导体厂商发展的重要机遇,无论IDM还是 Fabless 都有机会,理由有二:

1、大陆功率产能恰在本轮缺货周期中释放,功率半导体厂商产品供给 较为充沛。其中英飞凌、意法半导体以及国内的华虹 (代工厂)、士兰微将领先增长,合计将增加 70万片/月等效 8寸产能。

国内功率半导体代工产能在缺货周期不断释放。IDM厂商士兰微12寸特色工艺产线于2020年年末投产,21年底产能有望达到3.5万片/月,2022年有望爬坡至6万片/月。华虹无锡12寸代工产能自2019年Q3投产后持续释放,预期2021年底会达到6.5万片/月的产能,且目前已经具备量产IGBT能力。中芯绍兴8寸产能自2019年年末量产后,2021年8月月产能已爬坡至7万片/月。此外,IDM厂商华润微规划3万片/月的12寸产线亦预计在2022年实现产能贡献。在本轮缺货周期中,国内功率新增产能占全球比重较高。因此,在本轮景气周期中,国内厂商代工供给较为充沛,新客户的导入预计将较为顺利。

2、国内功率半导体产品力持续升级,有望在中高端市场快速渗透。与上两轮周期比,当下国内功率半导体厂商已具备更高的产品力,有望向中高端市场快速渗透,相关公司有望获得长期持续成长。IPM来看,如士兰微在IPM领域优势明显,恰逢其12寸线产能释放,有望在缺货周期进一步提升IPM市场份额。车规IGBT来看,斯达半导IGBT产品已经进入到国内新能源汽车tier1中,随华虹12寸产能不断爬坡、释放,IGBT模块在国内新能源车型中份额或将显著提升。光伏IGBT来看,根据宏微科技披露,其光伏产品亦在逐步放量。(报告来源:未来智库)

前文论述过关于功率半导体的国产替代问题,而碳化硅产业仍处于起 步阶段,国内、外厂商有望同台竞技。

5.1. 碳化硅材料高性能,市场快速持续增长

5.1.1. 碳化硅性能较优异,下游需求快速扩张

区别于传统硅基衬底,碳化硅半导体材料具有耐高压、耐高温、低损 耗等优良性质。相比于传统单晶硅,碳化硅的击穿电压约为硅基材料 的 10 倍(更高的击穿电压有利于器件承受高压)。此外,碳化硅具备热 导率是硅材料的 2-3 倍,使得碳化硅散热更加迅速,有助于提高器件功 率密度,在相同电流下,设备尺寸可以做得更小。同时,碳化硅材料 具有相比于硅约 2 倍的饱和电子漂移速率、3 倍的禁带宽度,使得碳化 硅导通电阻率更低、功率损耗更小。另外,碳化硅器件在关断过程中 不存在电流拖尾现象,可以大幅提高实际应用的开关频率,降低开关 损耗。

根据电阻率不同,碳化硅衬底可以分为导电型和半绝缘型两类,分别 外延 SiC 和 GaN后,适用于不同的场景,下游需求正持续扩张。

1)导电型衬底电阻率在 15-30 mΩ·cm,主要适用于耐高温、耐高压的 功率器件。通过化学气相沉淀生长碳化硅外延层后,可制得碳化硅基 碳化硅外延片(SiC-on-SiC),进一步可制成肖特基二极管、MOSFET、 IGBT 等,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空 航天等领域。根据 Yole 数据,2020 年 SiC 电子电力市场规模约 5.4亿美 元,到 2025 年这一规模有望超过 25 亿美金。

2)半绝缘型衬底电阻率约在 105Ω·cm以上,外延生长 GaN材料,形成 碳化硅基氮化镓外延片(GaN-on-SiC),主要应用于微波射频领域,在 5G 驱动的通讯变革中,GaN 外延片需求有望得到提升。2020 年底, GaN 电子电力市场约 1.51 亿美元,预计 2025 年将超过 6.8 亿美元。

5.1.2. 技术资金壁垒限制,目前供需仍存缺口

因此,尽管碳化硅材料性质优异,但受到技术、资金双重壁垒限制, 当前碳化硅衬底供需仍存缺口。

1)技术:熔点高、硬度强、晶体结构复杂造成碳化硅制备工艺难。碳化硅衬底制备采用物理气相传输法(PVT),区别于传统单晶 1600 ℃的 生长环境,碳化硅生长温度需高达 2000 ℃、压强近 350 MPa,以使其 升华,这对长晶炉、热场等设备都提出了更高的要求。此外,碳化硅 硬度强,是仅次于金刚石硬度的材料,为消除表面的损伤,后续切片、 打磨、抛光的材料要求比传统工艺更加苛刻。碳化硅本身晶形多样, 有超过 200 种近似的晶形,但只有零缺陷、全为 4H 晶形的衬底才算制 备成功,而为达到这一目的,则需要更精确的材料配比、温度控制, 以及丰富的经验积累。

2)资金:投资门槛不高但回报期长。对于衬底而言,厂商需要对设备进行较为复杂的工艺调试从而提升良率,耗时较大。对于器件而言,碳化硅器件与传统硅工艺有一定差异,部分工艺需要高温处理(离子注入和退火)。国内部分碳化硅产线采用旧6寸硅生产线搭配部分专用设备,尽管初始投资规模不大,但需要对制造工艺进行长期打磨和调试。为在技术上取得突破,行业新进入者需要长期持续的资本投入,导致器件出货价也较高。但随着工艺不断成熟,单位成本降低,碳化硅半导体价格逐渐下降,有望部分替代IGBT,同时持续带动需求放量,反过来进一步助推制造商形成规模效应、降低成本,实现良性循环。

国内供需仍存缺口,有效产能不足。我国2020年碳化硅导电型衬底产能约40万片/年(约当4英寸)、外延片折合6英寸22万片/年、器件26万片/年;半绝缘型衬底折算4英寸产能近18万片/年。随着新能源汽车、5G等下游应用市场的快速起量,国内现有产品供给无法满足需求,目前第三代半导体主要环节国产化率仍然较低,超过80%的产品要靠进口。

5.2. 国内厂商发力布局,行业格局尚未固化

5.2.1. 市场份额美日领先,国内技术不断发展

当前碳化硅市场呈现美国一家独大,日本、欧洲紧随其后的格局,国 内厂商正在加速追赶,有望实现弯道超车,在全球市场占据一定份额。

1)从衬底来看,美、日厂商占据市场主要份额。美国CREE、II-VI和 日本 ROHM 旗下子公司 SiCrystal已成功研制并规模化生产 4 英寸、6英寸衬底,2019 年 CREE 和 II-VI 同时宣布 8 英寸产线建设计划,预计 2022 年有望实现量产。国内厂商中,山东天岳在 2019 年开始建设 6 英 寸产线;天科合达在 2014 年成功研制 6 英寸产线,现已实现小批量生 产,于 2020 年成为国内首家启动研发 8 英寸衬底的厂商。

国内衬底厂商虽在产品规格和技术成熟度上有差距,但存在较大追赶可能。国内厂商目前虽无法规模化生产高质量、大规模的6英寸的碳化硅晶片,但是在高质量的4英寸晶片方面,天科合达等中国厂商有足够的竞争能力。目前国产SiC衬底已经实现微管密度小于1个/cm2,衬底面积95%可用,位错约在103/cm2;虽然在单晶一致性、成品率方面与国际先进水平仍有差距,但未来可期。

2)从器件来看,相比器件设计,制造附加值更高。

市场和技术主要掌握在英飞凌、ROHM、CREE和意法半导体等国际龙头手中。2020年,国际上共有10余家公司推出211款SiC MOSFET系列产品。CREE推出第三代SiCMOSFET,击穿电压650V,导通电阻降低至15mΩ,开关损耗降低20%;ROHM推出1200V第四代SiC MOSFET。此外,国际厂商CREE、ROHM和英飞凌均已推出车规级SiC MOSFET,比国内产品元胞尺寸更小、导通电阻更低、阈值电压更高。

国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的SiC产品主要集中在650V-1700V电压等级,主要产品为二极管和晶体管,3000V以上电压及SiC IGBT尚在研发当中。国内厂商如泰科天润已发布3300V/0.6A-50 ASiC二极管系列产品;三安集成、基本半导体等公司已实现650V、1200V、1700VSiC MOSFET的小规模量产;功率模块方面,国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局,目前比亚迪汉已经成功搭载了自主研发的SiC MOSFET控制模块。国内市场已经初步实现低端产品的国产替代化,高端产品依然依赖进口。

3)资金来看,国内第三代半导体投资力度高企,力争追赶国际厂商。根据CASAResearch披露,2018年至今,国内厂商始终加强布局第三代半导体产业,2020年一共有24笔投资扩产项目(2019年17笔),增产投资金额超过694亿元,同比增长161%,其中SiC领域共17笔、投资550亿元,GaN领域共7比、涉及资金144亿元。

根据CASA数据,2020年我国电力电子和射频电子总产值超过100亿元,同比增长了69.5%。其中,SiC、GaN两种材料的电力电子产值合计达44.7亿元,同增54%。其中,衬底材料2.2亿元,外延及芯片5亿元,器件及模组约7.2亿元,装置约30亿元。

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