功率半導(dǎo)體行業(yè)研究：IGBT方興未艾SiC勢在必行

功率半導(dǎo)體行業(yè)研究：IGBT方興未艾，SiC勢在必行一、擁抱新能源，動(dòng)力“CPU”迎風(fēng)口汽車電動(dòng)化洶涌澎湃，車載半導(dǎo)體如火如荼電動(dòng)車進(jìn)入發(fā)展快車道，車載半導(dǎo)體景氣度提升。據(jù)EvVolumes，全球2021年新能源車銷量694萬輛，同比增長106%，盡管2022年歐洲新能源車銷量疲軟，但2022年1-6月，國內(nèi)新能源汽車銷量260萬輛，同比均增長1.1倍。由于國內(nèi)新能源車持續(xù)高景氣，EvVolumes預(yù)計(jì)2022年全球電動(dòng)車銷量1070萬輛，同比增長54.3%。隨著電動(dòng)車的繁榮發(fā)展，國際半導(dǎo)體龍頭供應(yīng)商的汽車業(yè)務(wù)營收創(chuàng)新高，其中功率半導(dǎo)體龍頭英飛凌的汽車相關(guān)業(yè)務(wù)在2021年實(shí)現(xiàn)約37%的同比增長，代工廠龍頭臺(tái)積電的汽車業(yè)務(wù)同比提升約51%。電動(dòng)車核心器件，價(jià)值占比高電動(dòng)車半導(dǎo)體單車價(jià)值量激增，逆變器用功率半導(dǎo)體占比最高。據(jù)英飛凌，電動(dòng)車的半導(dǎo)體單車價(jià)值量較燃油車增長約950美元，其中約900美元來自功率半導(dǎo)體的使用，而逆變器使用的功率半導(dǎo)體，占單車功率半導(dǎo)體總價(jià)值量75%左右。電機(jī)和逆變器是電動(dòng)車新增核心需求，功率器件（IGBT和碳化硅MOS）是逆變器核心器件，也是車輛性能的主要保證方式之一。和計(jì)算機(jī)上處理數(shù)字信號的CPU類似，功率器件是電動(dòng)車在功率上的“CPU”。CPU依靠軟件實(shí)現(xiàn)信號流在0和1之間轉(zhuǎn)換。功率器件依靠變頻控制軟件，處理功率流的開和關(guān)。動(dòng)力“CPU”高景氣持續(xù)全球功率半導(dǎo)體持續(xù)供不應(yīng)求。主要功率半導(dǎo)體供應(yīng)商陸續(xù)宣布漲價(jià)，毛利率得到顯著的提升。受供需關(guān)系影響，當(dāng)前供應(yīng)商進(jìn)入主動(dòng)補(bǔ)庫存階段，季度收入/庫存比例維持在正常水位。2021年行業(yè)經(jīng)歷的缺貨行情仍在延續(xù)，頭部供應(yīng)商明顯感受到供不應(yīng)求的產(chǎn)能緊張狀況。據(jù)英飛凌，包括尚未確認(rèn)的訂單在內(nèi),2022年1-3月英飛凌積壓的訂單金額從去年四季度的310億歐元增長了19.4%至370億歐元，這些訂單當(dāng)中超過五成是汽車相關(guān)產(chǎn)品,75%的訂單在未來12個(gè)月內(nèi)才能交貨,積壓訂單顯然遠(yuǎn)超出英飛凌的交付能力。供應(yīng)鏈重塑，上下游合力推進(jìn)國產(chǎn)化新能源電氣系統(tǒng)垂直整合趨勢愈發(fā)明顯。新能源電氣系統(tǒng)在整車安全與性能表現(xiàn)方面起到關(guān)鍵作用，主機(jī)廠掌控意愿較高，以規(guī)避潛在技術(shù)缺陷與產(chǎn)能短缺風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，垂直整合帶來的獨(dú)家供應(yīng)能夠構(gòu)建主機(jī)廠新的核心競爭力，且更高的產(chǎn)品價(jià)值與利潤也成為重要誘因。目前國內(nèi)OEM出于國產(chǎn)化替代，供應(yīng)鏈穩(wěn)定的考量愿意培養(yǎng)自主半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，投資或成立合資公司共同探索車規(guī)級半導(dǎo)體技術(shù)和質(zhì)量達(dá)標(biāo)方案，或者自建模塊產(chǎn)線，將品質(zhì)掌控在自己手中。OEM和Tier供應(yīng)商對功率模塊的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行完整的評價(jià)測試和長期管理培養(yǎng)后，將方便采用部分本土的功率芯片，從而在成本控制上找到合適的方案。二、IGBT方興未艾IGBT：取長補(bǔ)短的復(fù)合型功率器件功率半導(dǎo)體器件（PowerElectronicDevice）又稱為電力電子器件和功率電子器件，是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，其作用主要分為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護(hù)和整流等。功率半導(dǎo)體大致可分為功率半導(dǎo)體分立器件（PowerDiscrete）(包括功率模塊)和功率半導(dǎo)體集成電路（PowerIC）兩大類。按照器件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體分立器件可分二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。進(jìn)口替代空間廣闊我國在功率二極管、功率三極管、晶閘管等分立器件大部分已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。MOSFET、IGBT、SiC等高端分立器件產(chǎn)品較大程度依賴進(jìn)口。耗散功率大于5瓦的晶體管一般為功率器件。我國耗散功率≥1瓦晶體管的進(jìn)出口規(guī)模逐年增長，且進(jìn)口規(guī)模增速大于出口規(guī)模。IGBT屬于功率晶體管中技術(shù)壁壘較高的產(chǎn)品，我國起步較晚，還存在較廣闊的進(jìn)口替代空間。技術(shù)迭代周期較長，國產(chǎn)替代追趕至成熟產(chǎn)品經(jīng)過幾十年的發(fā)展，IGBT頭部供應(yīng)商英飛凌不斷改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，將IGBT技術(shù)做到了第七代，IGBT1和IGBT2已經(jīng)不被英飛凌建議使用，目前使用最廣泛的是IGBT4，國內(nèi)部分供應(yīng)商目前能在第四代進(jìn)行量產(chǎn)。IGBT的發(fā)展方向依然是提高耐壓、增加電流、擴(kuò)大功率、提升最高工作結(jié)溫。車載IGBT模塊主導(dǎo)市場IGBT具有導(dǎo)通電阻小、開關(guān)速度快、工作頻率高等特點(diǎn)，可以在各種電路中提高功率轉(zhuǎn)換、傳送和控制的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、提高工業(yè)控制水平的目的，廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。電動(dòng)車成為驅(qū)動(dòng)IGBT需求的主要?jiǎng)恿?。?jù)比亞迪半導(dǎo)招股書，從2020年IGBT模塊全球應(yīng)用占比來看，工業(yè)控制占比33.5%，是目前IGBT最大的應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車占比14.2%。未來，汽車電動(dòng)化、智能化推動(dòng)車規(guī)級IGBT成為增長最快的細(xì)分領(lǐng)域，遠(yuǎn)超行業(yè)平均增速。受益于國內(nèi)新能源車的高速發(fā)展，據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，新能源車IGBT在2020年已成為中國IGBT第一大應(yīng)用領(lǐng)域，占比約30%。工業(yè)控制、消費(fèi)電子（家電）與新能源發(fā)電市場分別占比27%、22%、11%，為中國新能源汽車外前三大應(yīng)用領(lǐng)域。高功率IGBT價(jià)值凸顯2022年國內(nèi)新能源車呈現(xiàn)市場下沉的趨勢，A級車型以下的銷量占比有所提升，但A級以上的車型需要使用更大功率的IGBT。產(chǎn)品附加值高，技術(shù)壁壘高的大功率IGBT仍然是未來國產(chǎn)替代的主要方向。從主機(jī)廠的角度來觀察國內(nèi)IGBT市場規(guī)模，國內(nèi)高端車型的主機(jī)廠主要包括特斯拉、理想、蔚來、小鵬等，電機(jī)功率在180kw以上。特斯拉使用的碳化硅和IGBT模塊主要由意法半導(dǎo)體、英飛凌提供，國內(nèi)技術(shù)上還有差距。比亞迪的驅(qū)動(dòng)IGBT大部分由比亞迪半導(dǎo)提供。保守測算，短期內(nèi)國產(chǎn)替代的市場在180kw以下，再除去比亞迪的市場，2021年國內(nèi)供應(yīng)商主要面對的車載驅(qū)動(dòng)IGBT的市場規(guī)模約為25億元。技術(shù)持續(xù)迭代，芯片、封裝具提升空間目前，為滿足電動(dòng)汽車的功率需求，牽引逆變器中一般使用多芯片并聯(lián)的功率模塊?？赏ㄟ^提高芯片電流密度，和改進(jìn)封裝工藝，來實(shí)現(xiàn)模塊功率密度以及模塊電、熱性能的綜合提升。在電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域，IGBT芯片性能優(yōu)化的思路基本為：在溝槽精細(xì)化的基礎(chǔ)上，采用薄片工藝并優(yōu)化背面緩沖層設(shè)計(jì)，再結(jié)合優(yōu)良的終端結(jié)構(gòu)提高芯片耐壓等級；將IGBT芯片和反并聯(lián)二極管整合于一體，形成RC-IGBT結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升芯片電流密度；芯片上集成溫度/電流傳感器，門極驅(qū)動(dòng)電阻以及RC芯片，有利于提高芯片長期運(yùn)行的可靠性。在封裝層面，為了實(shí)現(xiàn)高可靠性、高功率密度、成本優(yōu)勢，目前汽車廠商主流的幾種模塊應(yīng)用解決方案，主要分為：分立器件

；1in1；2in1

；6in1。雖然6in1模塊對汽車來說并不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，但由于其設(shè)計(jì)應(yīng)用的方便性，在短期內(nèi)還將占據(jù)主流，技術(shù)改進(jìn)主要聚焦在散熱技術(shù)和可靠性。國內(nèi)百舸爭流，車載IGBT加速替代國產(chǎn)車載IGBT拐點(diǎn)已至，實(shí)現(xiàn)市占率的快速上升。據(jù)愛集微，2022年一季度國內(nèi)出貨量前五的功率器件供應(yīng)商中，已經(jīng)有三家中國本土企業(yè)入列，分別為

斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體、時(shí)代電氣，三家合計(jì)裝機(jī)量占比約40%。比亞迪半導(dǎo)體具備產(chǎn)業(yè)下游的支持，隨著比亞迪新能源車的銷量增長，比亞迪半導(dǎo)體的IGBT高速發(fā)展。斯達(dá)半導(dǎo)生產(chǎn)的應(yīng)用于主電機(jī)控制器的車規(guī)級IGBT模塊持續(xù)放量，2021年合計(jì)配套超過60萬輛新能源

汽車，其中A級及以上車型配套超過15萬輛。時(shí)代電氣具備高壓IGBT的豐富經(jīng)驗(yàn)，并且擁有中車集團(tuán)的下游支持，2022年新能源車IGBT預(yù)計(jì)年內(nèi)交付的在手訂單70萬臺(tái)。三、碳化硅勢在必行車載碳化硅勢在必行與硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一種介電擊穿強(qiáng)度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導(dǎo)率更高的半導(dǎo)體材料。因此，與硅器件相比，當(dāng)用于半導(dǎo)體器件中時(shí)，碳化硅器件可以提供高耐壓、高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻。鑒于該特性，其將成為有助于降低能耗和縮小系統(tǒng)尺寸的下一代低損耗器件。據(jù)東芝半導(dǎo)，通過更改2kVA單相逆變器產(chǎn)品的開關(guān)元件（將IGBT替換為SiCMOSFET），額定運(yùn)行期間每個(gè)器件的損耗降低了約41%。這主要?dú)w功于SiCMOSFET卓越的開關(guān)能力。除了降低損耗外，采用SiCMOSFET還具有諸多優(yōu)點(diǎn)。SiCMOSFET在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的工作特性，與IGBT相比，可簡化現(xiàn)有散熱措施。此外，由于開關(guān)損耗非常低，系統(tǒng)可在比IGBT開關(guān)可支持頻率更高的頻率下運(yùn)行。如能提高開關(guān)頻率，就可以降低外圍器件（線圈和電容器）的使用，從而節(jié)省空間和成本，并使產(chǎn)品具有更大的競爭優(yōu)勢。本土車廠進(jìn)入碳化硅元年隨著越來越多新能源車型采用碳化硅器件，顯示出碳化硅對傳統(tǒng)車用硅基IGBT的替代已經(jīng)逐漸展開。特斯拉上海工廠和比亞迪

在其電機(jī)控制器的逆變器中已經(jīng)采用了SiCMOSFET的芯片作為核心的功率器件。豐田、大眾、本田、寶馬、奧迪等汽車企業(yè)也都將SiC功率器件作為未來新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選解決方案。國內(nèi)SiC供應(yīng)商中，比亞迪半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了SiC三相全橋模塊在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中大批量裝車。2022年，國內(nèi)造車新勢力蔚來ET7、小鵬G9均采用了碳化硅器件。國內(nèi)車廠的SiCMOSFET滲透率有望加速提升，隨著搭載高功率電機(jī)的新能源車銷量增長，車載SiCMOSFET需求將持續(xù)增長。國內(nèi)電驅(qū)動(dòng)SiCMOSFET市場有望高速成長假設(shè)特斯拉品牌效應(yīng)對銷量的帶動(dòng)作用漸近瓶頸，國產(chǎn)品牌占比逐步提升，國內(nèi)本土品牌電車（電機(jī)功率高于180kw）銷量于2025年達(dá)到2022年國內(nèi)整體銷量水平，2022-2025年銷量增速分別為52.9%、40%、30%、20%；國產(chǎn)多款主流高端車型于2022年開始搭載碳化碳MOSFET，碳化硅的滲透率有望加速，假設(shè)滲透率分別為20%、30%、40%、50%；單車電驅(qū)動(dòng)SiC價(jià)值量每年下降5%。據(jù)我們測算，至2025年，本土主機(jī)廠對電驅(qū)SiC需求空間約98.84億元，2021-2025年復(fù)合增長率約92%。碳化硅降本核心：提高襯底生產(chǎn)速率及良率以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場。在碳化硅襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。SiC器件的制造成本中，SiC襯底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%。SiC襯底成本較高的原因在于，目前主流商用的PVT法晶體存在生長速度慢、缺陷控制難度大，推高了SiC的單片成本。國內(nèi)起步較晚，全產(chǎn)業(yè)鏈奮力追趕碳化硅行業(yè)企業(yè)的業(yè)態(tài)主要可以分為兩種商業(yè)模式：第一類是覆蓋較全的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，同時(shí)從事碳化硅襯底、外延及器件的制作，例如科銳公司等；第二類是只從事產(chǎn)業(yè)鏈的單個(gè)或者部分環(huán)節(jié)，例如II-VI公司等。國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚。襯底方面，科銳和II-IV公司已分別于2009年和2012年實(shí)現(xiàn)了6英寸襯底的量產(chǎn)，國內(nèi)公司如天岳先進(jìn)于2019年才實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。此外，科銳于2015年具備了更大的8英寸襯底量產(chǎn)能力，國內(nèi)公司目前尚未有公司在8英寸實(shí)現(xiàn)突破。器件方面，意法半導(dǎo)體、英飛凌等設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的SiCMOSFET已經(jīng)批量應(yīng)用于特斯拉，國內(nèi)斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪還處于小批量供應(yīng)階段。四、附表：全球產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)功率半導(dǎo)體現(xiàn)有產(chǎn)能英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等國際頭部功率半導(dǎo)體供應(yīng)商的現(xiàn)有產(chǎn)能以8英寸線為主，并逐漸向12英寸線轉(zhuǎn)移。日系供應(yīng)商富士電機(jī)、東芝也在加速擴(kuò)