功率半導(dǎo)體：國內(nèi)企業(yè)布局多多，何時(shí)能跑出中國的英飛凌？
功率半導(dǎo)體的功能主要是對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)電路進(jìn)行控制，改變電子裝置中的電壓和頻率，直流或交流等，具有處理高電壓，大電流的能力。
在過去相當(dāng)長的一段時(shí)間里，功率半導(dǎo)體市場一直由歐、美、日等外資巨頭牢牢占據(jù)著主導(dǎo)地位，隨著近年來新能源汽車的發(fā)展，許多本土企業(yè)也紛紛入局。放眼市場，不論是傳統(tǒng)Si功率器件IGBT、MOSFET，還是以SiC、GaN等為代表的第三代半導(dǎo)體，國內(nèi)都有企業(yè)布局。
目前，不同功率器件的現(xiàn)狀如何？發(fā)展有何困境？何時(shí)能跑出中國的英飛凌？
01
IGBT行業(yè)概覽
資料顯示，功率半導(dǎo)體是控制電壓和電流的半導(dǎo)體，其作用主要為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護(hù)和整流等，包括功率器件和功率IC。
功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。
其中，IGBT是電力電子裝置的"CPU"，新能源大發(fā)展的基石。其用途包括變頻、整流、變壓、放大功率與功率控制等，是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心。
IGBT又稱絕緣柵雙極性晶體管，是由BJT（雙極型三極管）與MOSFET（絕緣型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合型全控電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，在電路中作為電路開關(guān)，通過開關(guān)控制改變電壓。
自20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，IGBT芯片經(jīng)歷了7代技術(shù)及工藝的升級(jí)，從平面穿通型（PT）到微溝槽場截止型，IGBT從芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓從600V提高到7000V，關(guān)斷時(shí)間從0.5微秒降低至0.12微秒，工藝線寬由5um降低至0.3um。
此外，由于IGBT產(chǎn)品對(duì)可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高，下游客戶認(rèn)證周期較長，所以產(chǎn)品的生命周期較一般集成電路產(chǎn)品較長，對(duì)不同代際的IGBT產(chǎn)品，由于性能和需求差異導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域略有不同。
國內(nèi)廠商對(duì)標(biāo)英飛凌的IGBT產(chǎn)品技術(shù)，當(dāng)前英飛凌IGBT技術(shù)已迭代至第七代，第四代為當(dāng)前市場主流，產(chǎn)品向小型化、高功率、高可靠性發(fā)展。
02
IGBT市場爆發(fā)
2022年中國IGBT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期。
根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)顯示，2022年中國新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一。
IGBT作為新能源汽車核心零部件，需求量持續(xù)高漲。IGBT芯片廠商包括英飛凌和安森美等，這些大廠的交期平均都在一年以上，同時(shí)海外如歐洲和美國的電動(dòng)車市場也開始進(jìn)入高速增長期，他們會(huì)優(yōu)先保障本土供應(yīng)。因此，在供需偏緊的情況下，國產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領(lǐng)域的替代進(jìn)程加速。
2021年底，時(shí)代電氣、士蘭微和華虹半導(dǎo)體等廠商的IGBT產(chǎn)能相繼投產(chǎn)，相關(guān)企業(yè)利潤也迅速增厚。比如：斯達(dá)半導(dǎo)、士蘭微、比亞迪半導(dǎo)體、時(shí)代電氣、宏微科技、華潤微、新潔能等半導(dǎo)體企業(yè)IGBT業(yè)務(wù)均實(shí)現(xiàn)了極大提升，車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)品在市場上也實(shí)現(xiàn)了極大突破。
根據(jù)DIGITIMES Research統(tǒng)計(jì)與分析，2022年IGBT因電動(dòng)車與光伏發(fā)電市場的強(qiáng)勁需求，在供應(yīng)端產(chǎn)能有限的情況下，整體供需缺口達(dá)13.6%。對(duì)于中國市場來說，IGBT是近年來半導(dǎo)體和電動(dòng)汽車的布局熱點(diǎn)，不過至今車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)品國產(chǎn)化率仍然較低。
03
MOSFET營收超億
MOSFET器件具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應(yīng)用最多的功率器件之一。
隨著新能源汽車加速發(fā)展，汽車功率器件供應(yīng)缺口拉大，以及以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓 MOSFET 部分市場。在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅(qū)動(dòng)下，國產(chǎn)車規(guī)級(jí)功率器件廠商開始加速進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈。
目前士蘭微、安世半導(dǎo)體在 MOSFET 市場份額上位列國內(nèi)廠商前列。此外，華潤微、揚(yáng)杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導(dǎo)、捷捷微電等國內(nèi)廠商近年來在車規(guī)級(jí) MOSFET 領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。
以士蘭微、華潤微、揚(yáng)杰科技為代表的 IDM 公司已覆蓋高壓超級(jí)結(jié)產(chǎn)品，并逐步擴(kuò)大產(chǎn)品占有率：士蘭微已完成 12 英寸高壓超結(jié) MOS 工藝平臺(tái)開發(fā)；華潤微2022年Q1高壓超結(jié)產(chǎn)品收入超億元；揚(yáng)杰科技2022年Q1汽車 MOS 訂單實(shí)現(xiàn)大幅增長。
在設(shè)計(jì)公司端，東微半導(dǎo)、新潔能為代表的 MOSFET 廠商發(fā)展迅速：東微半導(dǎo) 2022年Q1高壓超結(jié) MOS 產(chǎn)品收入占比達(dá) 78.1%，車載充電機(jī)收入占比超14%；新潔能2022年Q1 超結(jié)MOS 收入近億元(占11.5%)，汽車電子收入占比達(dá) 13%。
04
SiC持續(xù)加碼
SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，具有比硅更優(yōu)越的性能。不僅禁帶寬度較大，還兼具熱導(dǎo)率高、飽和電子漂移速率高、抗輻射性能強(qiáng)、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性。
SiC器件廣泛用于光伏逆變器、工業(yè)電源和充電樁市場，已成為中國功率半導(dǎo)體廠商的必爭之地。目前斯達(dá)半導(dǎo)車規(guī)級(jí) SiC MOSFET 模塊開始大批量裝車應(yīng)用，并新增多個(gè)使用車規(guī)級(jí) SiC MOSFET 模塊的主電機(jī)控制器項(xiàng)目定點(diǎn)；三安光電、華潤微等企業(yè)在 SiC 二極管、SiC MOSFET 等器件領(lǐng)域已逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化；士蘭微、聞泰科技等企業(yè)也積極布局 SiC 器件研發(fā)，并已取得階段性進(jìn)展。
面對(duì)市場需求轉(zhuǎn)變，功率半導(dǎo)體被認(rèn)為是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的可能突破口之一，中國廠商也投入了大量資金進(jìn)行布局，相關(guān)計(jì)劃也陸續(xù)傳出進(jìn)度更新的消息。
05
當(dāng)下困局
可以看到，中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展如火如荼，各大廠商正在大舉進(jìn)軍，然而功率半導(dǎo)體行業(yè)仍存在著諸多難題需要克服。
整體國產(chǎn)率依舊較低。中國的功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速快于全球，但總的來說，本土功率半導(dǎo)體器件自給率依舊較低，在器件的生產(chǎn)制造和自身消費(fèi)之間存在巨大供需缺口。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)功率半導(dǎo)體市場需求規(guī)模達(dá)到56億美元，占全球需求比例約為39%。中國是全球最大的功率器件消費(fèi)國，但國內(nèi)功率器件整體自給率不足10%，自給率很低，超過90%的需求還依靠進(jìn)口。
缺乏行業(yè)龍頭。根據(jù)Omdia公布的2021年功率半導(dǎo)體市場前十大廠商銷售額排名，英飛凌排名第一，安森美排名第二，意法半導(dǎo)體排名第三，中國則只有聞泰科技旗下安世半導(dǎo)體上榜，排名第八?？梢钥吹?，相比美日歐強(qiáng)勢的市占率，中國還與之存在較大差距。
產(chǎn)品處于劣勢。功率半導(dǎo)體器件真正實(shí)現(xiàn)“上車”需要經(jīng)過多重驗(yàn)證。目前意法半導(dǎo)體、英飛凌等設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SiC MOSFET已經(jīng)大規(guī)模上車。中國廠商的斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體等，尚處于少量供應(yīng)階段。不過隨著技術(shù)逐步突破，國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品正在陸續(xù)完成車規(guī)認(rèn)證。
06
本土廠商發(fā)展時(shí)機(jī)已至
在價(jià)格和交期趨勢向上的背景下，本土化替代成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在供需緊缺環(huán)境下的強(qiáng)邏輯。這也意味著本土功率半導(dǎo)體公司的未來已來：國產(chǎn)加速替代進(jìn)程，頭部企業(yè)迎來產(chǎn)品和客戶結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級(jí)。
在此輪高景氣度下，受益下游新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，功率器件的需求有強(qiáng)支撐。以新能源汽車為例，2022年，以國內(nèi)500萬輛新能源汽車估算，考慮平均單車用1.3只IGBT模塊，折算需求量約達(dá)650萬只。
國內(nèi)幾大功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)也釋放了積極擴(kuò)產(chǎn)的信號(hào)。
一方面，功率半導(dǎo)體的襯底材料朝大尺寸和新材料方向發(fā)展。從6英寸到8英寸再到12英寸更先進(jìn)的產(chǎn)線投入，士蘭微領(lǐng)先推向12英寸產(chǎn)線，預(yù)計(jì)今年將達(dá)6萬片/月，而聞泰科技、華潤微等企業(yè)的12英寸亦正迎來爬坡，產(chǎn)線升級(jí)將助推工藝水平、產(chǎn)品能力的提升；同時(shí)，隨著第三代寬禁帶材料半導(dǎo)體迅速發(fā)展，SiC與GaN器件的應(yīng)用規(guī)模開始持續(xù)增長。
另一方面，功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)朝復(fù)雜化演進(jìn)，功率半導(dǎo)體廠商正迎來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速升級(jí)，以IGBT、SiC為代表的高端功率器件占營收結(jié)構(gòu)持續(xù)提升。
聞泰科技IGBT系列產(chǎn)品也已流片成功，從2021年聞泰科技就開始籌備IGBT系列產(chǎn)品，未來幾年聞泰科技半導(dǎo)體業(yè)務(wù)板塊研發(fā)投入預(yù)計(jì)將達(dá)到15%以上，主要投向中高壓MOSFET、第三代半導(dǎo)體和IGBT等領(lǐng)域。
07
何時(shí)能跑出中國的英飛凌？
近日，士蘭微發(fā)布了向特定對(duì)象融資65億元，以發(fā)展包括SiC和IGBT等功率器件在內(nèi)的多項(xiàng)產(chǎn)品的報(bào)告。在報(bào)道中，士蘭微分享了他們對(duì)功率半導(dǎo)體，特別是中國功率半導(dǎo)體行業(yè)的看法。
士蘭微在報(bào)告中指出：
近年來，功率半導(dǎo)體行業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)健增長的態(tài)勢，根據(jù) IHS Markit 的統(tǒng)計(jì)，2021 年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為 462 億美元。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展延伸 以及物聯(lián)網(wǎng)、通信和新能源汽車等新興應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，未來功率半導(dǎo)體市場仍將保持增長態(tài)勢。根據(jù) IHS Markit 預(yù)測，到 2024 年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到 522 億美元。
中國作為全球最大的新能源汽車市場，在車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體市場領(lǐng)域一直被國際巨頭占據(jù)，國內(nèi)自給率不足 10%，存在巨大的供需缺口。但功率半導(dǎo)體器件技術(shù)迭代速度較慢，使用周期較長，國內(nèi)廠商擁有充足的發(fā)展和追趕時(shí)間。
正如士蘭微所言，功率半導(dǎo)體采用非尺寸依賴的特色工藝，不追求7nm、5nm等先進(jìn)制程，因此功率半導(dǎo)體相對(duì)邏輯IC工藝技術(shù)難度低，同時(shí)不需要?jiǎng)虞m百億美金的產(chǎn)線投入，國產(chǎn)廠商更容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)追趕。
根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2021年中國功率半導(dǎo)體前十大企業(yè)為安世半導(dǎo)體、華潤微、揚(yáng)杰科技、士蘭微、華微電子、捷捷微電、斯達(dá)半導(dǎo)、新潔能、比亞迪半導(dǎo)體、時(shí)代電氣。前十大企業(yè)中，安世半導(dǎo)體產(chǎn)品覆蓋最為全面，基本上涵蓋了二極管、MOS、IGBT、SiC等主要產(chǎn)品線；此外，士蘭微、華潤微、揚(yáng)杰科技等老牌功率器件廠商產(chǎn)品也基本上覆蓋了市場主流的MOS和IGBT產(chǎn)品；而比亞迪半導(dǎo)體和時(shí)代電氣，背靠母公司擁有強(qiáng)大的終端市場，相關(guān)功率器件產(chǎn)品除了自用外，也走向市場開始向其他大客戶實(shí)現(xiàn)了批量出貨。
中國擁有功率半導(dǎo)體應(yīng)用增長最快、潛力最大的特色市場，市場的比重也在繼續(xù)提升，未來，隨著技術(shù)水平的提升以及管理經(jīng)驗(yàn)的積累，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)有望進(jìn)一步對(duì)國外企業(yè)形成競爭優(yōu)勢，占據(jù)更大的市場空間。
