2021年智能汽車功率半導體市場研究報告_2021數(shù)據(jù)分析研究洞察完整版行業(yè)報告

1、2021年智能汽車功率半導體市場研究報告1. 為什么要關注汽車功率半導體？1.1 從傳統(tǒng)燃油車到智能電動車，核心零部件出現(xiàn)巨大變化電動車以驅(qū)動電機、動力電池、電控取代了傳統(tǒng)汽油車“三大件”（發(fā)動機、變速箱和底盤），功率半導體成重要增量。1.2 功率器件是電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心功率器件是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電壓和頻率。主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功 率控制等，同時具有節(jié)能功效。功率半導體器件廣泛應用于移動通訊、消費電子、新能源汽車、軌道交通、工業(yè)控制、發(fā)電與 配電等電力、電子領域，涵蓋低、中、高各個功率層級。2. 當前關注的重點細分賽道是？2.1 IGBT

2、是功率器件最具發(fā)展前景的細分賽道IGBT是功率半導體器件的一種：用于交流電和直流電的轉(zhuǎn)換、變頻，相當于電力電子領域的“CPU”，也是新能源應用的心臟， 屬于功率器件領域門檻相對較高的賽道。IGBT屬于雙極型、硅基功率半導體，具有耐高壓特性。融合了BJT（Bipolar junction transistor，雙極型三極管）和MOSFET 的性能優(yōu)勢，結構為MOSFET+一個BJT，高耐壓為其優(yōu)勢，自落地以來在工業(yè)領域逐步替代MOSFET和BJT，目前廣泛應用 于650-6500V的中高壓領域，屬于Si基功率器件領域最具發(fā)展前景的賽道。2.2 IGBT屬于功率器件領域壁壘相對較高的細分賽道IGB

3、T產(chǎn)業(yè)大致可分為芯片設計、晶圓制造、模塊封裝、下游應用四個環(huán)節(jié)，其中設計環(huán)節(jié)技術突破難度略高于其他功率器 件，制造環(huán)節(jié)資本開支相對大同時更看重工藝開發(fā)，封裝環(huán)節(jié)對產(chǎn)品可靠性要求高，應用環(huán)節(jié)客戶驗證周期長，綜合看IGBT 屬于壁壘較高的細分賽道。2.2.1 芯片設計：已迭代7代，核心是高功率密度和高穩(wěn)定性。IGBT 芯片由于其工作在大電流、高電壓的環(huán)境下，對可靠性要求較高，同時芯片設計需保證開通關斷、抗短路能力和導通壓降 （控制熱量）三者處于均衡狀態(tài)，芯片設計與參數(shù)調(diào)整優(yōu)化十分特殊和復雜，因而對于新進入者而言研發(fā)門檻較高（看重研發(fā) 團隊的設計經(jīng)驗）。應用端迭代慢于研發(fā)端。IGBT應用端迭代節(jié)奏慢

4、于研發(fā)端，目前市場主流水平相當于英飛凌第4代。由于IGBT屬于電力電子領域的核心元器件， 客戶在導入新一代IGBT產(chǎn)品時同樣需經(jīng)過較長的的驗證周期，且并非所有應用場景都追求極致性能，因此每一代 IGBT芯片都擁有較長的生命周期。2.2.2 晶圓制造：IGBT制造的三大難點：背板減薄、激光退火、離子注入。IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS區(qū)別不大，但背面工藝要 求嚴苛（為了實現(xiàn)大功率化）。具體來說，背面工藝是在基于已 完成正面Device和金屬Al層的基礎上，將硅片通過機械減薄或特 殊減薄工藝（如Taiko、Temporary Bonding 技術）進行減薄處理， 然后對減薄硅片進行背面

5、離子注入，在此過程中還引入了激光退 火技術來精確控制硅片面的能量密度。特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到100-200m， 對于要求較高的器件，甚至需要減薄到6080m。當硅片厚度減 到100-200m的量級，后續(xù)的加工處理非常困難，硅片極易破碎 和翹曲。從8寸到12寸有兩個關鍵門檻：芯片厚度從120微米降低到80微米，翹曲現(xiàn)象更嚴重；背面高能離子注入（氫離子注入），容易導致裂片，對設備和 工藝要求更高。2.2.3 模塊封裝：IGBT模塊重視散熱及可靠性，封裝環(huán)節(jié)附加值高。IGBT模塊在實際應用中高度重視散熱性能及產(chǎn)品可靠性，對模塊 封裝提出了更高要求。此外，不同下游應用對封裝技術

6、要求存在差異，其中車規(guī)級由于工作溫度高同時還需考慮強振 動條件，其封裝要求高于工業(yè)級和消費級。設計優(yōu)化、材料升級是封裝技術進化的兩個維度：設計升級方面主要是：1）采用聚對二甲苯進行封裝。聚對二甲苯具有極其優(yōu)良的導電性能、耐熱性、耐候性和化學穩(wěn)定 性。2）采用低溫銀燒結和瞬態(tài)液相擴散焊接。在焊接工藝方面，低溫銀燒結技術、瞬態(tài)液相擴散焊接與傳統(tǒng)的錫鉛合金 焊接相比，導熱性、耐熱性更好，可靠性更高。材料升級方面主要是：1）通過使用新的焊材，例如薄膜燒結、金燒結、膠水或甚至草酸銀，來提升散熱性能；2）通過 使用陶瓷散熱片來增加散熱性能；3）通過使用球形鍵合來提升散熱性能。3. 未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢是？3

7、.1 SiC具有性能優(yōu)降低損耗、小型化、耐高溫高壓。3.2 應用場景：導電型SiC主要應用于中高壓功率器件。目前 SiC 功率器件主要定位于功率在 1kw-500kw 之間、工作頻率在 10KHz-100MHz之間的場景，特別是一些對于能量效率和空 間尺寸要求較高的應用。3.3 行業(yè)痛點：價格遠高于Si基器件，目前仍處于普及初期盡管1990s SiC襯底就已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但可靠性和高成本限制了行業(yè)普及 。SiC功率器件成本遠高于Si基功率器件，成本降低驅(qū)動逐步滲透：SiC 二極管：應用相對容易，和 Si 基產(chǎn)品價格差在35倍（650V價格差距小于1200V產(chǎn)品）。在比特幣的螞蟻挖礦機 的電源中

8、有批量的商業(yè)應用，在高效能的(數(shù)據(jù)中心)電源、 PV、充電樁中已有不少應用。SiC MOSFET ：應用相對較難（如過快的開關帶來高 dv/dt 問題），和 Si基產(chǎn)品價格差在68倍（1200V產(chǎn)品價格差 小于650V產(chǎn)品），在 PV 逆變器、充電樁、電動汽車充電與驅(qū)動、電力電子變壓器等逐步開始應用。3.4 空間：18年SiC器件需求約4億$，預計10年35倍擴張。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場規(guī)模約3.9億美元。預計到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美 元，對應9年CAGR為43%。驅(qū)動力包括：需求端：1）特斯拉引領下，新能源汽車逐步開始使用SiC MOSF

9、ET，拉動龐大需求（我們預計是最大也是最重要的市場）， 2）電力設備等領域的帶動。供給端：1）產(chǎn)品技術升級，SiC襯底尺寸從4寸轉(zhuǎn)向6寸，再向8寸升級；2）產(chǎn)能擴張后產(chǎn)生規(guī)模效應。3.5 電動車：SiC優(yōu)點在于可降低綜合成本直接成本增加：在逆變器中用SiC MOS替換IGBT，會增加約1200美金的器件成本。其他成本降低：1）SiC 可使控制器效率提升 2%8，進而降低電池成本。根據(jù)CASA，電動車每百公里電耗減少1kWh，電池 成本節(jié)約1500元（反之，同樣的電池成本續(xù)航能力更強）。2）由于高頻特性，配套的變壓器、電感等磁性元件成本降低（電 感成本與頻率成反比）。3）逆變器體積減小，降低其他

10、材料成本。4）低功耗、高工作結溫降低散熱要求。電池容量更大的高端車型或電動大巴車，更容易率先引入SiC MOSFET。3.6 產(chǎn)業(yè)鏈條：關鍵為襯底外延，約占器件成本的70%制備需多道工藝，其中襯底和外延生長最關鍵。SiC器件的制備過程為：將SiC籽晶置于生長爐中制備晶體，通過切磨拋數(shù)道工 藝將其加工成SiC晶片作為襯底，后續(xù)在襯底基礎上生長SiC外延或是GaN外延，最終經(jīng)歷IC設計、制造、封測三個環(huán)節(jié)形成相 應器件。襯底制備難度最高，疊加外延后構成70%器件成本。SiC襯底的長晶溫度需要2500，高溫下的熱場控制和均勻度控制難度極 高，非平衡態(tài)合成過程容易產(chǎn)生晶體缺陷，同時其制備過程緩慢（主流氣相法需要3-4天），進而導致襯底的制備困難且高成 本，襯底（47%）和外延（23%）占器件總價值的70%。3.7 產(chǎn)業(yè)格局：西方壟斷襯底市場，Cr