功率半導(dǎo)體介紹及分類,功率半導(dǎo)體技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

功率半導(dǎo)體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的一類器件之一。能夠?qū)崿F(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和電路控制，在電路中主要起著功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護(hù)、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）和整流（交流轉(zhuǎn)直流）等作用。 圖表 1：半導(dǎo)體分類

數(shù)據(jù)來源：功率半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)化白皮書，華福證券研究所 功率半導(dǎo)體包括功率半導(dǎo)體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導(dǎo)體分立器件，按照器件結(jié)構(gòu)劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。 圖表 2：各功率半導(dǎo)體市場份額占比

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)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(dǎo)體分立器件的主力產(chǎn)品。本文也將重點(diǎn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被用于放大電路或開關(guān)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(jié)SJ MOSFET。按照導(dǎo)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(qiáng)型。 圖表 3：MOSFET實(shí)物及不同類型MOSFET結(jié)構(gòu)和性能比較

數(shù)據(jù)來源：Yole，公開信息整理，華福證券研究所 隨著MOSFET技術(shù)和工藝不斷成熟，成本將不斷下調(diào)。中高端產(chǎn)品也將逐漸向中低端產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)品。自上世紀(jì)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(dāng)下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET的技術(shù)迭代方向主要圍繞制程、設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實(shí)現(xiàn)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?shù)暮诵钠骷?，由BJT和MOSFET組合而成，是一種全控型、電壓驅(qū)動的功率半導(dǎo)體器件。IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。IGBT同時(shí)具有BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，即高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降、驅(qū)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(gè)比標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于直流電壓為600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路和牽引傳動等場景。 圖表 4：IGBT實(shí)物及IGBT單管、模塊和IPM性能比較

數(shù)據(jù)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(shí)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(shè)計(jì)端不斷優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所

中國功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

產(chǎn)品由低端逐步走向中高端，國產(chǎn)替代空間廣闊。我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，總體呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈完整、廠家多、發(fā)展迅速等特點(diǎn)。截止2022年4月，中國功率半導(dǎo)體相關(guān)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(chǎn)功率半導(dǎo)體已在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，特別是低端產(chǎn)品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓MOSFET（非車規(guī)）等，已初現(xiàn)“規(guī)?；?yīng)、國產(chǎn)化率相對較高”等特點(diǎn)。在中高端領(lǐng)域，如SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規(guī)產(chǎn)品，由于起步晚、工藝相對復(fù)雜以及缺乏車規(guī)驗(yàn)證機(jī)會等問題，國內(nèi)廠家依然在追隨海外廠家技術(shù)發(fā)展路線。但近年來，市場逐漸從依賴進(jìn)口向國內(nèi)自給自足轉(zhuǎn)變，國產(chǎn)替代潛力大。
圖表 6：中國功率半導(dǎo)體發(fā)展路徑

數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 芯片進(jìn)口金額持續(xù)處于高位，功率半導(dǎo)體市場空間足夠大。據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)，2021年，中國進(jìn)口集成電路6354.8億個(gè)，同比增長16.92%。全年進(jìn)口金額累計(jì)為4325.54億美元，同比增漲23.59%。中國為功率半導(dǎo)體消費(fèi)大國，2021年中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為183億美元，同比增長6.4%，預(yù)計(jì)2022年將進(jìn)一步增長至191億美元。 圖表 7：2017-2022E 年中國功率半導(dǎo)體 市場規(guī)模（億美元）及增速預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：Omdia，中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所

功率半導(dǎo)體前景廣闊

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

數(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場規(guī)模將分別達(dá)到76億美元和113億美元。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023年中國大陸地區(qū)IGBT市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到290.8億元，同比增長11.6%。據(jù)中國半導(dǎo)體器件行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與未來投資預(yù)測報(bào)告數(shù)據(jù)，2023年中國大陸地區(qū) MOSFET市場規(guī)模將達(dá)到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計(jì)算），同比增長4.8%。
圖表 9：中國市場IGBT和MOSFET市場規(guī)模預(yù)測 （億元，2020-2023E）

數(shù)據(jù)來源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院，中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，華福證券研究所 以MOSFET為例，據(jù)Yole預(yù)測，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 94.8 億美元，復(fù)合增長率達(dá) 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車應(yīng)用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達(dá) 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(yīng)用在 220V 系統(tǒng)中，占總需求的 35%。同時(shí)，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(yīng)用領(lǐng)域需求占比及增長預(yù)測

數(shù)據(jù)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(dǎo)體增長的三駕馬車。
? 電動汽車：電動汽車進(jìn)一步滲透終端消費(fèi)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(jù)貝殼投研數(shù)據(jù)，2021年中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模為47.8億元，預(yù)計(jì)到2025年，其將達(dá)到151.6億元。據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，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(jì)算）和122.5億元（預(yù)測數(shù)據(jù)，17.5億美元，匯率按7計(jì)算）。 圖表 11：中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模及增速

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。據(jù)億渡數(shù)據(jù)預(yù)測，至2026年，中國充電設(shè)施市場規(guī)模將達(dá)2870.2億元，2022 年到2026年復(fù)合增長率高達(dá)37.83%。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機(jī)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(dǎo)體是充電機(jī)的最核心組成部分，成本占充電機(jī)的一半以上。 圖表 13：中國充電設(shè)施市場規(guī)模（億元）

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)，華福證券研究所 圖表 14：充電樁成本分解

數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 ? 光伏：據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，至2025年，中國新增光伏裝機(jī)保守預(yù)測為90GW，同比增長10%。據(jù)未來智庫數(shù)據(jù)預(yù)測，2025年中國光伏逆變器市場規(guī)模達(dá)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(jìn)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(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，光伏逆變器主要由機(jī)械件、電感和半導(dǎo)體器件構(gòu)成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。 圖表 15：中國新增光伏裝機(jī)預(yù)測（GW）

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源：中商情報(bào)網(wǎng)，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(qū)動下，功率器件有望穩(wěn)健增長，為千億賽道奠定堅(jiān)實(shí)路基。

功率半導(dǎo)體快速增長

汽車的百年史里，數(shù)次技術(shù)變革都極大的推動了汽車消費(fèi)和汽車工業(yè)的發(fā)展，如發(fā)動機(jī)控制、自動變速、底盤、主被動安全、通信及多媒體影音等技術(shù)。雖然這些技術(shù)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(qū)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(wǎng)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(gè)載客的交通工具，而是被定義為一個(gè)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(jìn)汽車科技的代名詞，也逐漸成為消費(fèi)者選擇的主流。而中國已成為引領(lǐng)全球電動汽車技術(shù)發(fā)展的最大的新能源汽車產(chǎn)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(jīng)達(dá)到 24%，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(dá)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(dá)72萬輛，同比增長59.67%；中國新能源汽車銷量繼續(xù)領(lǐng)跑全球，銷量達(dá)到 400多萬輛，同比增長110%。全球新能源汽車?yán)塾?jì)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。可見，即使上半年疫情影響帶來的供應(yīng)鏈中斷、動力電池上游原材料漲價(jià)以及多數(shù)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(jì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源：中汽協(xié)，華福證券研究所 車載功率半導(dǎo)體穩(wěn)健發(fā)展，離不開高壓平臺應(yīng)用的助推。整車動力電池電壓平臺有望將逐漸從現(xiàn)有的400V升級到 800V系統(tǒng)，以滿足消費(fèi)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(dǎo)體的性能參數(shù)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(yīng)用，其單車價(jià)值量有望繼續(xù)提升。
據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)縱橫數(shù)據(jù)，混動和純電動汽車上功率半導(dǎo)體價(jià)值量分別占單車半導(dǎo)體總價(jià)值的40%和55%。據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，純電動汽車半導(dǎo)體價(jià)值量預(yù)估在1000美元左右，而功率半導(dǎo)體達(dá)550-600美元左右。而車載功率半導(dǎo)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(shí)間

數(shù)據(jù)來源：佐思汽研，華福證券研究所 車規(guī)功率半導(dǎo)體需求強(qiáng)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(dǎo)體在電動汽車上單車價(jià)值量有望進(jìn)一步提高。
? 在傳統(tǒng)燃油車上，單車功率半導(dǎo)體價(jià)值量在71美元左右。且主要以中、低壓MOSFET應(yīng)用為主，比如在車門、車窗、座椅調(diào)節(jié)、后視鏡、儀表、影音、HUD、自動啟停、雨刷、天窗、轉(zhuǎn)向ECU、制動ECU、安全氣囊、空調(diào)電動水泵、座艙儀表燈、前后視大燈驅(qū)動等涉及電機(jī)等應(yīng)用場景大量使用。MOSFET單車用量超100 顆。比如單個(gè)轉(zhuǎn)向ECU中使用數(shù)量達(dá)8顆。平均單價(jià)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(qiáng)混）等。在此類汽車上，電機(jī)驅(qū)動、照明、熱管理、電動汽車主驅(qū)逆變器、DC/DC、升壓器和OBC（車載充電器）等產(chǎn)品將依據(jù)各自的工作功率大小，選擇不同的功率半導(dǎo)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(dǎo)體在電動汽車上的應(yīng)用

數(shù)據(jù)來源：Yole，英飛凌，華福證券研究所 不同類型的功率半導(dǎo)體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應(yīng)用的落腳點(diǎn)。車載功率半導(dǎo)體種類多，在做選型時(shí)，成本和效率是最關(guān)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(jié)合系統(tǒng)效率和成本最終設(shè)計(jì)出一套最優(yōu)方案。功率半導(dǎo)體分立器件和模塊根據(jù)在車上不同的系統(tǒng)應(yīng)用，則選用不同規(guī)格的器件。
由此可見，功率半導(dǎo)體在電動汽車上應(yīng)用場景非常廣泛。不同種類，不同規(guī)格的產(chǎn)品都能匹配到不同的系統(tǒng)應(yīng)用。電動汽車銷量穩(wěn)健增長，最先獲益的有望是當(dāng)前具代表性的功率半導(dǎo)體——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。

加快產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)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(kuò)大。由于車規(guī)芯片對可靠性、安全性、試驗(yàn)等要求相對苛刻，且汽車行業(yè)供應(yīng)鏈相對封閉，車規(guī)功率半導(dǎo)體國產(chǎn)化率一直以來比較低。歐、美、日等地的廠家憑借多年的技術(shù)積累和先進(jìn)的制造能力等占據(jù)著市場主導(dǎo)地位。
據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，英飛凌和安森美穩(wěn)居全球功率半導(dǎo)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(dǎo)體前十的榜單中占據(jù)五席，實(shí)力非常強(qiáng)勁。安世半導(dǎo)體是國內(nèi)為數(shù)不多的被列入全球第一梯隊(duì)的功率半導(dǎo)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(dǎo)體廠商排名 （億元，人民幣與美元匯率按7計(jì)算）

數(shù)據(jù)來源：Omdia，芯智訊，華福證券研究所 ? 英飛凌——全球功率半導(dǎo)體龍頭。英飛凌引領(lǐng)全球功率半導(dǎo)體市場，其功率半導(dǎo)體出貨量占全球總市場近 40%，已經(jīng)連續(xù)多年居首位。國內(nèi)多數(shù)車廠都采用英飛凌方案，特別是用于主驅(qū)逆變器里的 IGBT 單管和模塊。同時(shí)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(chǎn)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(shù)創(chuàng)新、戰(zhàn)略投資和并購、與供應(yīng)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(zhǔn)預(yù)判。 ? 安森美——穩(wěn)坐功率半導(dǎo)體第二把交椅。功率半導(dǎo)體一直占據(jù)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(dá)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(dǎo)體企業(yè)具備技術(shù)、產(chǎn)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(dǎo)體消費(fèi)市場，近年來發(fā)展勢頭良好。截止 2022 年 4 月份，相關(guān)企業(yè)超 300 家，產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，其中不乏一些技術(shù)實(shí)力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企業(yè)。
圖表 23：中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，蓋世汽車，華福證券研究所 以安世半導(dǎo)體、比亞迪半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)、中車時(shí)代電氣和士蘭微等為代表的功率半導(dǎo)體企業(yè)，在技術(shù)沉淀、車規(guī)認(rèn)證、制造工藝、試驗(yàn)測試、技術(shù)支持、體系搭建、上車批量驗(yàn)證、問題解決以及產(chǎn)能提升和人才培養(yǎng)方面都積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
圖表 24：中國功率半導(dǎo)體代表企業(yè)銷售額（億元）

數(shù)據(jù)來源：新潔能官網(wǎng)，ittbank，華福證券研究所 在車規(guī)功率半導(dǎo)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(yīng)用非常廣泛，且MOSFET產(chǎn)品主要被海外企業(yè)壟斷。 自2020年以來，海外頭部供應(yīng)商都相繼面臨產(chǎn)能緊張、漲價(jià)和斷供等問題。此時(shí)，對于一直在等候卻缺乏合適契機(jī)進(jìn)入車載領(lǐng)域的本土廠商來說，正是切入汽車供應(yīng)鏈的絕佳時(shí)機(jī)。經(jīng)過兩年的蓄勢，國內(nèi)部分相關(guān)企業(yè)在上車批量供貨的同時(shí)，同步在加快新的車規(guī)MOSFET的研發(fā)和驗(yàn)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?yàn)閱诬囉昧看?、?yīng)用場景多且復(fù)雜，自2021年以來，市場缺貨嚴(yán)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(chǎn)品，其中中壓（100V-250V）一般并聯(lián)多個(gè)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(qū)逆變器、OBC、DC/DC、空調(diào)壓縮機(jī)等零部件當(dāng)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(dāng)前廣泛搭載的400V動力電池平臺汽車的主驅(qū)逆變器、OBC、DCDC 和 PTC等產(chǎn)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(jī)、三菱電機(jī)和賽米控等。其中，英飛凌占據(jù)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(nèi)市場，比亞迪、斯達(dá)半導(dǎo)和時(shí)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(shù)早在2018年已經(jīng)迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技術(shù)基礎(chǔ)上針對大功率、高開關(guān)頻率等需求進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化。不同代差對應(yīng)不同的器件設(shè)計(jì)，也對應(yīng)著不同的器件性能和應(yīng)用場景。目前國內(nèi)多數(shù)廠家已經(jīng)發(fā)展到了等同英飛凌的第四代和第五代技術(shù)，而第四、五代IGBT 也正好是目前車規(guī) IGBT 應(yīng)用的主流技術(shù)。 圖表 25：IGBT 技術(shù)迭代

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

數(shù)據(jù)來源：RIO 電驅(qū)動，華福證券研究所 由于電機(jī)控制器是功能安全件，通常消費(fèi)級或工規(guī)級的功率半導(dǎo)體器件和模塊不滿足上車條件。因此長期以來，電機(jī)控制器中的功率半導(dǎo)體器件和模塊一直依賴進(jìn)口。
近年來，電機(jī)控制器格局發(fā)生變化，本土電機(jī)控制器廠家市場份額快速增長，這讓國產(chǎn)功率半導(dǎo)體擁有更多驗(yàn)證和上車機(jī)會，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體市場份額將有望進(jìn)一步擴(kuò)大。2022 年 Q1，斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體和時(shí)代電氣市占率分別穩(wěn)居國內(nèi)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(shù)據(jù)來源：智研咨詢，華福證券研究所 本土電機(jī)控制器廠商引領(lǐng)市場，對車載功率半導(dǎo)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(jù)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(chǎn)、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(nèi)（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(yīng)商供貨量分布（萬套）

數(shù)據(jù)來源：NE 時(shí)代（曲線代表市場集中度累計(jì)比例），華福證券研究所 國產(chǎn)電控引領(lǐng)市場，有望助力國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車。目前國內(nèi)電控產(chǎn)品競爭相對充分，且由本土廠家引領(lǐng)。而國內(nèi)企業(yè)在電控市場上份額的提升，則有望助力國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車。原因如下：
1）供應(yīng)鏈安全考慮：當(dāng)功率半導(dǎo)體缺貨時(shí)，為保證供應(yīng)鏈安全，車廠通常采取一品多點(diǎn)采購戰(zhàn)略，即一個(gè)電控產(chǎn)品，多家功率半導(dǎo)體供應(yīng)商按照與車廠約定好的份額供貨。對車廠而言，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體通常是此時(shí)的選項(xiàng)之一；
2）電控廠家成本控制需要：國產(chǎn)功率半導(dǎo)體成本相比進(jìn)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(chǎn)功率半導(dǎo)體應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)電控廠家在面臨海外競爭者壓力的時(shí)候，成本是其核心優(yōu)勢之一。功率半導(dǎo)體作為電控中占比最高的核心器件，國內(nèi)電控廠家在獲取整車廠項(xiàng)目的時(shí)候，通常也會偏愛選用同樣具有成本優(yōu)勢的國產(chǎn)功率半導(dǎo)體。
3）多數(shù)國內(nèi)車廠和電控廠家加強(qiáng)和國內(nèi)功率半導(dǎo)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(bǔ)，共同開發(fā)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。這將對國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車應(yīng)用起著很強(qiáng)推動作用。 缺芯緩解過后，功率半導(dǎo)體的“技術(shù)和成本”或成核心主線。隨著缺芯緩解，海外頭部廠家產(chǎn)能恢復(fù)，國內(nèi)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(shù)提升和持續(xù)成本優(yōu)化，以及加快車規(guī)產(chǎn)品研發(fā)和驗(yàn)證速度，將有助于重塑市場格局，這將成為國內(nèi)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(chǎn)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(nèi)功率半導(dǎo)體廠家趁勢在上車驗(yàn)證和批量供貨上取得不菲成績。但由于國內(nèi)車載功率半導(dǎo)體發(fā)展起步較晚、器件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足、上車驗(yàn)證機(jī)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(duì)的車規(guī)功率半導(dǎo)體企業(yè)尚存差距，這也正是車規(guī)功率半導(dǎo)體壁壘所在。諸多壁壘呈現(xiàn)復(fù)雜性、多樣性、綜合性以及普遍性等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)和制造工藝。車規(guī)功率半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造工藝相對成熟，結(jié)構(gòu)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(dǎo)體與其他芯片比較，結(jié)構(gòu)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(dǎo)體在芯片面積、線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗和封裝等方面在持續(xù)做設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，以達(dá)到大電流、高電壓、低損耗、高開關(guān)頻率、魯棒性、散熱快等性能目標(biāo)。 圖表 29：功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展趨勢

數(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 目前全球車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝測試等主要由英飛凌等海外廠商引領(lǐng)。 圖表 30：功率半導(dǎo)體制造工藝

數(shù)據(jù)來源：華潤微 12 吋晶圓廠生產(chǎn)線環(huán)評報(bào)告，華福證券研究所 ? 器件設(shè)計(jì)：功率半導(dǎo)體自誕生以來，從半導(dǎo)體基材的迭代、微溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、先進(jìn)封裝、大尺寸晶圓的應(yīng)用等多個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。據(jù) Yole數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體器件每隔二十年將進(jìn)行一次產(chǎn)品迭代。相比其他半導(dǎo)體，迭代周期相對慢，這將給國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠家留有充足的發(fā)展時(shí)間。
目前國內(nèi)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(chǎn)品平臺化和客戶定制要求之間的沖突和平衡；6）車規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等管理體系和流程不健全； 圖表 31：功率半導(dǎo)體技術(shù)迭代路線

數(shù)據(jù)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(dǎo)體設(shè)備長期依賴進(jìn)口，采購周期長且成本高，設(shè)備調(diào)試時(shí)間長，缺乏經(jīng)驗(yàn)；2）生產(chǎn)過程管控以達(dá)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(dá)到散熱、高結(jié)溫要求；4）小尺寸、先進(jìn)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(dǎo)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(yàn)條件或測試經(jīng)驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如何設(shè)定沒有經(jīng)驗(yàn)。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作為中高端功率半導(dǎo)體器件，國內(nèi)廠家在器件設(shè)計(jì)、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(chǎn)功率半導(dǎo)體廠家而言，技術(shù)作為發(fā)展的第一要素，技術(shù)持續(xù)迭代和技術(shù)方案的創(chuàng)新或是超越國際巨頭、主導(dǎo)市場地位的最重要條件之一。 圖表 32：功率半導(dǎo)體技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

數(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 質(zhì)量管理體系。車規(guī)功率半導(dǎo)體相比消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品，對可靠性、質(zhì)量一致性、環(huán)境（耐久、高低溫）、供貨周期以及驗(yàn)證試驗(yàn)等要求更高。需要嚴(yán)格遵守車規(guī)芯片開發(fā)流程、質(zhì)量管理體系、驗(yàn)證要求等進(jìn)行以確保車輛行駛安全。

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

比如，在車規(guī) IGBT 模塊的安全性方面，IGBT 模塊通常由多個(gè) IGBT 單管、SBD以及散熱板等結(jié)構(gòu)組成。IGBT 單管由成百上千個(gè) IGBT 元胞構(gòu)成。IGBT 模塊實(shí)際上車后，若其中一個(gè)元胞出現(xiàn)質(zhì)量問題，則將直接危及整車安全。

國內(nèi)從事車載功率半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)制造的廠商，具有數(shù)量多、分布地域廣、產(chǎn)品種類多、技術(shù)能力水平參差不齊等特點(diǎn)。除了少數(shù)幾家頭部廠家外，車載領(lǐng)域起步相對晚，從事車規(guī)產(chǎn)品開發(fā)累計(jì)時(shí)間不長。對車規(guī)產(chǎn)品質(zhì)量管理體系認(rèn)知仍有待提高，需要未來更長時(shí)間上車實(shí)踐以提升。

上車機(jī)會。傳統(tǒng)燃油車時(shí)代，汽車銷量和核心零部件技術(shù)均由頭部車廠和供應(yīng)商把握，海外整車廠和頭部 Tier1 話語權(quán)大，故汽車供應(yīng)鏈相對封閉，新玩家進(jìn)入大廠供應(yīng)鏈體系相對困難。 國內(nèi)車規(guī)功率半導(dǎo)體廠家起步晚、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)少、對車規(guī)產(chǎn)品認(rèn)知缺乏。由于缺乏批量上車驗(yàn)證機(jī)會。即使部分有很強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的企業(yè)，同樣缺乏批量供貨、驗(yàn)證產(chǎn)品長期可靠性的機(jī)會，從而技術(shù)能力一直處在進(jìn)步緩慢的窘境。且高投入和長期低回報(bào)導(dǎo)致部分廠家信心不足甚至放棄車載產(chǎn)品的開發(fā)。在此背景下，即形成了對國內(nèi)功率半導(dǎo)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(nèi)的造車新勢力們，打破了汽車供應(yīng)鏈封閉的外墻，愿意嘗試多條腿走路，這給予了國內(nèi)包括車載功率半導(dǎo)體廠家在內(nèi)的汽車零部件供應(yīng)商們充足的上車機(jī)會，也增強(qiáng)了國產(chǎn)替代的確定性，國產(chǎn)車規(guī)功率半導(dǎo)體有望迎來份額進(jìn)一步提升的機(jī)會。

成本。在汽車客戶面臨器件選型時(shí)，成本將是一項(xiàng)重要考量的點(diǎn)，同樣滿足客戶需求的產(chǎn)品，分別來自海外廠家和國內(nèi)廠家，在不缺芯和沒有國產(chǎn)替代要求下，通?？蛻艨赡芸紤]定點(diǎn)給價(jià)優(yōu)者。 車規(guī)功率半導(dǎo)體和其他國產(chǎn)芯片類似，因?yàn)槠鸩酵怼⒔?jīng)驗(yàn)缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈相對不成熟等特點(diǎn)，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(jìn)口（框架、模具、引線鍵合相關(guān)工藝等）、工藝相對不成熟、良率相對不高、規(guī)模化效應(yīng)相對不突出、車規(guī)器件試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)相對缺乏以及固定資產(chǎn)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(dǎo)體器件成本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：SYSTEMPlus，華福證券研究所 半導(dǎo)體從業(yè)人才。截止2020年，國內(nèi)半導(dǎo)體從業(yè)人員人數(shù)約54.1萬，同比增長5.7%。預(yù)計(jì)到2023年，人才需求將達(dá)76.7萬人，人才缺口將近23萬人。依前文所述，功率半導(dǎo)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(dǎo)體企業(yè)間實(shí)力競爭的重要組成部分。成熟、經(jīng)驗(yàn)豐富的人才隊(duì)伍是行業(yè)發(fā)展基石。

碳化硅器件厚積薄發(fā)，產(chǎn)業(yè)布局多點(diǎn)開花

新材料、新機(jī)遇、新趨勢

作為第三代半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)據(jù)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動汽車及充電樁、光伏、電網(wǎng)、軌道交通和儲能等領(lǐng)域。
圖表 39：常見功率半導(dǎo)體比較

數(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 據(jù)Yole數(shù)據(jù)，碳化硅功率器件2021年全球市場規(guī)模10.9 億美金。預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到62.97億美金，2021-2027 CAGR達(dá) 34%。發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，未來市場空間可觀。 圖表 40：碳化硅功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模預(yù)測2021-2027E

數(shù)據(jù)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(nèi)90%需求依賴進(jìn)口。我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈布局相對完整，部分頭部企業(yè)技術(shù)實(shí)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(chǎn)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(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 碳化硅性能優(yōu)于IGBT，兩者在多個(gè)領(lǐng)域或存在應(yīng)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(shù)和工藝尚不成熟、襯底良率低以及尚未規(guī)?；瘧?yīng)用等因素，導(dǎo)致當(dāng)前碳化硅成本居高不下。同等規(guī)格、滿足同個(gè)終端應(yīng)用需求的碳化硅MOSFET的價(jià)格是IGBT的2.5-3 倍。而硅基IGBT技術(shù)成熟，規(guī)?；?yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)，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(jià)格有望逐年下調(diào)。對于長續(xù)航電動汽車，當(dāng)前碳化硅功率器件的應(yīng)用帶來的其他周邊零部件的降本，或?qū)⑦M(jìn)一步縮小、或打平與選用IGBT帶來的價(jià)格差。
圖表 42：碳化硅功率半導(dǎo)體器件成本變化趨勢

數(shù)據(jù)來源：NE時(shí)代，華福證券研究所

碳化硅晶圓制造。目前已量產(chǎn)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(jù)NE時(shí)代數(shù)據(jù)，安森美8英寸襯底于2021年已經(jīng)投產(chǎn)。未來，隨著8英寸晶圓的襯底逐步量產(chǎn)，單片晶圓產(chǎn)量提升，相比4英寸和6英寸晶圓，理論上碳化硅器件價(jià)格或?qū)兴抡{(diào)。

圖表 43：全球及中國碳化硅企業(yè)產(chǎn)品布局（部分）

數(shù)據(jù)來源：NE時(shí)代，華福證券研究所 當(dāng)前碳化硅MOSFET主要應(yīng)用于一些中高端場景，這些應(yīng)用往往追求更高的性能表現(xiàn)。如售價(jià)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(shí)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(shí)間內(nèi)，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(dá)到一個(gè)相對平衡，兩者將共存以供不同應(yīng)用場景所使用。

襯底和外延占據(jù)價(jià)值高地

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈相對復(fù)雜，主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、晶圓制造以及封裝測試和終端應(yīng)用等。
圖表 44：碳化硅功率器件上下游產(chǎn)業(yè)鏈

數(shù)據(jù)來源：Yole，中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 截至2021年，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)線已經(jīng)投入超20條，產(chǎn)業(yè)鏈上、下游都有相關(guān)企業(yè)參與。其中襯底代表企業(yè)有天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等；外延片代表企業(yè)有東莞天域半導(dǎo)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(shù)幾家 Foundry，還有多數(shù)設(shè)計(jì)公司。 圖表 45：國內(nèi)碳化硅功率器件產(chǎn)線規(guī)劃和主要參與企業(yè)

數(shù)據(jù)來源：前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人，華福證券研究所 襯底和外延占據(jù)碳化硅器件的價(jià)值高地，存在較高技術(shù)壁壘。據(jù)未來智庫數(shù)據(jù)，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(shù)提升快慢和良率高低都將對碳化硅器件的應(yīng)用和推廣產(chǎn)生直接影響。

? 襯底是碳化硅器件的第一內(nèi)核。據(jù) Yole數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到 2027 年，全球應(yīng)用于電動汽車和充電樁的碳化硅襯底數(shù)量將達(dá)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(yīng)用需求預(yù)測

數(shù)據(jù)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(dǎo)電型和半絕緣型。導(dǎo)電型襯底常用于制作碳化硅功率器件，應(yīng)用于電動汽車、光伏、儲能等領(lǐng)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(yīng)用于5G通信等。

目前導(dǎo)電型襯底市場依然由歐、美、日企業(yè)主導(dǎo)，美國 Wolfspeed 占全球份額超60%以上，其他如美國高意集團(tuán)（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(nèi)做導(dǎo)電型襯底起步較晚，整體發(fā)展處于初期階段，該領(lǐng)域國內(nèi)主要企業(yè)有天科合達(dá)、天岳先進(jìn)等。

國產(chǎn)廠家在半絕緣型襯底產(chǎn)品開發(fā)相對起步較早，有一定經(jīng)驗(yàn)積累。2020年，天岳先進(jìn)的半絕緣型碳化硅襯底在全球市占率已高達(dá)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(shù)據(jù)來源：Yole，Wolfspeed，中商情報(bào)網(wǎng)，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(zhì)，在高低溫形成的溫度梯度下，氣相物質(zhì)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(shù)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(diǎn)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(zhǔn)；2）溫度要求高，高溫與低溫需控制精準(zhǔn)；3）長晶時(shí)，生長速率等需要嚴(yán)格控制；4）襯底生長為物理時(shí)間，且很難加速，時(shí)間成本高，產(chǎn)能因此受限；5）碳化硅硬度強(qiáng)，切片時(shí)損耗高，產(chǎn)出低；6）涉及設(shè)備種類多、要求高，如長晶爐，切片機(jī)、研磨機(jī)、拋光機(jī)和清洗設(shè)備等，總投入大。以上眾多壁壘導(dǎo)致目前碳化硅良率較低，單片價(jià)格較高。 ? 外延工藝是碳化硅器件的第二內(nèi)核。由于碳化硅襯底表面或多或少因?yàn)樯L過程或加工過程中引入微顆粒，直接基于其表面進(jìn)行晶圓制造，或?qū)?dǎo)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(xué)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(chǎn)生而影響良率和產(chǎn)出。

據(jù)Yole數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2027年，碳化硅外延片全球市場規(guī)模將達(dá)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(nèi)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(jù)Yole數(shù)據(jù)，電動汽車和汽車充電樁為碳化硅第一大應(yīng)用市場。預(yù)計(jì)到2027年，碳化硅器件在電動汽車和汽車充電樁上應(yīng)用，全球市場規(guī)模將分別達(dá)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(yīng)用于電動汽車主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC以及充電樁等產(chǎn)品中。自 2019 年 Tesla 首次將碳化硅器件（供應(yīng)商：STM）應(yīng)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(nèi)自主品牌車企紛紛在其新車型上應(yīng)用碳化硅器件，如蔚來汽車ET5 和ET7（主驅(qū)，自研模塊，晶圓從安森美采購），吉利SMART精靈(主驅(qū)，供應(yīng)商：芯聚能)、小鵬G9（主驅(qū)，供應(yīng)商：英飛凌）、比亞迪海豹（主驅(qū)，自研自產(chǎn)模塊，部分晶圓外購）等。 碳化硅將提升電動汽車?yán)m(xù)航能力和縮短電動汽車充電時(shí)間。相較于燃油車，電動汽車消費(fèi)者對當(dāng)前有限的續(xù)航里程和相對漫長的充電時(shí)間常常感到焦慮。雖然車企在動力電池、BMS、電機(jī)、電控和 OBC 等產(chǎn)品技術(shù)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(shí)間長是電動汽車推廣的兩大痛點(diǎn)。

?續(xù)航里程。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET有著眾多優(yōu)點(diǎn)：1）碳化硅在關(guān)斷時(shí)無拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開關(guān)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(qū)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?yàn)榈蛽p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(xì)，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(yīng)提升。

圖表 48：碳化硅在電動汽車上各產(chǎn)品應(yīng)用 市場規(guī)模預(yù)測2021-2027（百萬美元）

數(shù)據(jù)來源：Yole，華福證券研究所 ? 充電時(shí)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(gè)人充電樁，需要借用車載充電器（OBC）交直流轉(zhuǎn)換給汽車充電。交流慢充的優(yōu)點(diǎn)是成本低，電池?fù)p耗慢；缺點(diǎn)是充電時(shí)間長，充電時(shí)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(shí)間一般需要4-8小時(shí)。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(dǎo)體的碳化硅技術(shù)，可以將OBC的額定功率提升至22kW 甚至更高，充電時(shí)間可以大大縮短。直流快充是指充電樁自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換模塊，無需借用OBC，將電網(wǎng)或儲能設(shè)備中的交流電轉(zhuǎn)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(jìn)而提高充電效率和縮短充電時(shí)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(shí)間或?qū)⒖s短一半。
圖表 49：碳化硅對電動汽車充電時(shí)間的影響