功率半導(dǎo)體器件又稱電力電子器件，是電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、電路控制的核心器件，主要用于變頻、整流、變壓、功率縮放、功率調(diào)節(jié)等場景。功率半導(dǎo)體具有不同功率和頻率類型，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、通訊、汽車、軌道交通、發(fā)電配電、工業(yè)控制等領(lǐng)域，是電氣化產(chǎn)品的核心零部件。

　　經(jīng)過一百多年的發(fā)展，功率半導(dǎo)體的種類不斷豐富，SiC 及 GaN 等寬禁帶半導(dǎo)體（第三代功率半導(dǎo)體）是未來的發(fā)展方向。從 1904 年電子管問世以來，功率半導(dǎo)體經(jīng)歷了水銀整流器時(shí)代、晶閘管時(shí)代、晶閘管及 MOSFET 時(shí)代、Si-IGBT 時(shí)代，并逐漸進(jìn)入了寬禁帶半導(dǎo)體時(shí)代。自 2001 年以來，SiC二極管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等寬禁帶的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品相繼開發(fā)成功并量產(chǎn)。第三代半導(dǎo)體功率產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、發(fā)光效率高、頻率高，可廣泛用于通訊、汽車、航空航天等高功率領(lǐng)域，前景廣闊。

　　隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷豐富的同時(shí)也逐漸體系化，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為多種產(chǎn)品類別。按開通及關(guān)斷是否受器件端控制，功率半導(dǎo)體可分為不可控型、半可控型和全可控型三類；按驅(qū)動(dòng)類型，功率半導(dǎo)體可分為電流、電壓和光驅(qū)動(dòng)三類；按是否集成電路分類，功率半導(dǎo)體可以分為分立器件、功率模組和功率 IC。不同種類的產(chǎn)品具有不同的性能參數(shù)，對應(yīng)不同的應(yīng)用場景和領(lǐng)域。

　　// 1.1 汽車行業(yè)是功率半導(dǎo)體的最大應(yīng)用領(lǐng)域

　　汽車行業(yè)是功率半導(dǎo)體的最大應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)市場份額達(dá)27%。功率半導(dǎo)體產(chǎn)品功率范圍從 500W 以下到 1KW 以上均有覆蓋，開關(guān)頻率最高達(dá) 10萬 Hz 以上，產(chǎn)品應(yīng)用分布于電網(wǎng)、風(fēng)能、軌道交通、家電、汽車、太陽能、工業(yè)等眾多領(lǐng)域。2019 年，汽車行業(yè)是國內(nèi)功率半導(dǎo)體應(yīng)用最多的領(lǐng)域，市場占比達(dá) 27%，其次是消費(fèi)電子，市場份額達(dá)到 23%。

　　功率半導(dǎo)體是汽車電力系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于汽車的各個(gè)系統(tǒng)。功率半導(dǎo)體的主要功能為直流轉(zhuǎn)交流（逆變）、交流轉(zhuǎn)直流（整流）、變頻、變相等，與電能轉(zhuǎn)換有關(guān)的系統(tǒng)都離不開功率半導(dǎo)體的參與，在汽車的動(dòng)力、車身、底盤、網(wǎng)絡(luò)、安全和娛樂等系統(tǒng)均有分布。隨著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的不斷推進(jìn)，汽車中與電力相關(guān)的設(shè)備將不斷增加，與之相應(yīng)的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的用量也將持續(xù)上漲。

　　// 1.2 政策支持推動(dòng)國產(chǎn)替代，電動(dòng)化拉動(dòng)需求增長

　　1.2.1  政策法規(guī)推動(dòng)功率半導(dǎo)體國產(chǎn)化進(jìn)程

　　國家大力支持高端汽車功率半導(dǎo)體行業(yè)，通過政策法規(guī)加快國產(chǎn)替代。為保證國內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的安全，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的自主可控，推動(dòng)高端汽車功率半導(dǎo)體市場國產(chǎn)替代，近年來國家在汽車功率半導(dǎo)體及相關(guān)領(lǐng)域陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，鼓勵(lì)新一代汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)品研發(fā)、制造及測試，支持加大對汽車功率半導(dǎo)體重點(diǎn)項(xiàng)目的投入。

　　1.2.2 功率半導(dǎo)體是汽車電動(dòng)化的剛需，單車價(jià)值量不斷提升

　　能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化勢在必行，化石燃料的消耗量將逐漸減少，國內(nèi)交通的電氣化程度將不斷提升。據(jù)國家發(fā)改委《中國可再生能源展望 2019》預(yù)測，化石能源消耗量占比將從 2020 年的 86%降低至 2050 年的 35%，其中，原油消耗量占比將從 2020 年的 20%下降至 2050 年的 7%，而清潔能源將是未來的主流能源。與化石燃料消耗量遞減相對的是國內(nèi)交通電氣化程度將不斷提高，自 2018 年到 2035 年，電氣化程度將從 2%至少提升至 12%，2050 年的電氣化程度將超過 30%。

　　作為交通電氣化的重要組成部分，汽車電動(dòng)化是未來發(fā)展趨勢，與電動(dòng)化密切相關(guān)的功率半導(dǎo)體的需求將大幅提升。英飛凌數(shù)據(jù)顯示，純電動(dòng)汽車半導(dǎo)體價(jià)值為 750 美元，相對于燃油車的 447 美元，半導(dǎo)體整體價(jià)值量提升了 68%。同時(shí)，傳統(tǒng)燃油車中功率半導(dǎo)體價(jià)值量占整車半導(dǎo)體價(jià)值量的 21%，而純電動(dòng)車中功率半導(dǎo)體價(jià)值量占整車半導(dǎo)體價(jià)值量的比例高達(dá) 55%，增幅達(dá)到 34%。

　　電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對電能轉(zhuǎn)換要求高，功率半導(dǎo)體是不可或缺的組成部分。電動(dòng)汽車電力電源系統(tǒng)較為復(fù)雜，動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要頻繁進(jìn)行電壓和電流的轉(zhuǎn)換，加之電動(dòng)汽車對電能管理需求更加精細(xì)化，需要大量的DC-DC、DC-AC 逆變器、變壓器、換流器等功率半導(dǎo)體器件。如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要逆變器 DC-AC，用來將電池包中 12V 的直流電轉(zhuǎn)換為 220V 的交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　IGBT 在電動(dòng)汽車中的需求量較大，約占整車總成本的 6%~10%。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本占電動(dòng)汽車整車成本的 15%-20%，其中，IGBT占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的 40%-50%，即約占整車總成本的 6%-10%左右。以特斯拉為例，其三相交流異步電機(jī)共使用了 96 個(gè) IGBT，而單個(gè) IGBT 的價(jià)格在 4~5 美元，單車僅電機(jī)用 IGBT 的價(jià)值就達(dá)到 384~480 美元。

　　// 1.3  受益于電動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)，國內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體市場需求持續(xù)上漲

　　隨著國內(nèi)混動(dòng)汽車和純電動(dòng)車滲透率的不斷提升，對汽車功率半導(dǎo)體的需求旺盛，2025 年市場規(guī)模將達(dá) 250 億元。參照《汽車半導(dǎo)體系列報(bào)告（一）：國產(chǎn)替代優(yōu)化存量市場，電動(dòng)化與智能化拉動(dòng)增量需求》中的測算方法，傳統(tǒng)汽車的功率半導(dǎo)體市場規(guī)模維持在 85 億元左右；混動(dòng)汽車銷量較小，預(yù)計(jì)2025 年將突破 10 億元；純電動(dòng)車銷量快速增長，預(yù)計(jì) 2025 年市場規(guī)模將達(dá)155 億元，占汽車功率半導(dǎo)體的比例高達(dá) 62%。隨著電動(dòng)化進(jìn)程的深入，國內(nèi)汽車功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。

　　2.MOSFET 和 IGBT 市場需求旺盛，技術(shù)突破助力國產(chǎn)替代

　　功率半導(dǎo)體種類繁多，汽車中用量最大的功率半導(dǎo)體器件是 IGBT、MOSFET 和功率 IC 等。汽車功率半導(dǎo)體主要分布在動(dòng)力、車身、驅(qū)動(dòng)等核心系統(tǒng)，涉及到引擎控制、車燈控制、電機(jī)控制、變速箱控制、制動(dòng)控制、轉(zhuǎn)型控制等功能。功率 IC 主要為包括 IGBT/MOSFET 的模組，可以看出 IGBT和 MOSFET 分立器件是汽車半導(dǎo)體的關(guān)鍵，鑒于此，下文主要對 IGBT 和MOSFET 進(jìn)行重點(diǎn)論述。

　　依據(jù)上下游關(guān)系，功率半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個(gè)部分：

　?。?）上游主要為半導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體設(shè)備廠商；

　?。?）中游主要為功率器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝、測試等加工制造過程，最終得到功率分立器件、功率 IC 和功率模組三類產(chǎn)品。

　?。?）下游主要為消費(fèi)電子、工業(yè)控制、通訊設(shè)備、航空航天、汽車電子、光伏風(fēng)電等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　// 2.1 電動(dòng)化助推 MOSFET 市場需求快速增長，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品滲透率穩(wěn)步提升

　　2.1.1 功率半導(dǎo)體是汽車電動(dòng)化的剛需，單車價(jià)值量不斷提升

　　MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），全稱金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，由于這種場效應(yīng)管的柵極被絕緣層隔離，所以又叫絕緣柵場效應(yīng)管，一般也簡稱為 MOS 管，是一種重要的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品?；诠ぷ鬏d流子的不同極性，MOSFET 通常分為 N 型與 P 型兩種類型，即NMOSFET 與 PMOSFET，也簡稱為 NMOS、PMOS 等。

　　MOSFET 通常由源極（S）、柵極（G）和漏極（D）組成，而 VGS 為源極與柵極之間的電壓。以 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 為例，當(dāng) VGS 增加時(shí)，將吸引更多的 P 襯底表面層電子；當(dāng) VGS 達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，電子在柵極附近的 P 襯底表面形成連接兩個(gè) N+區(qū)的 N 型薄層，即 N 型溝道；VGS 越大，吸引到 P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。

　　基于載流子種類和摻雜方式的不同，MOSFET 形成了多種類型結(jié)構(gòu)，其中，N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。依據(jù)載流子種類的不同，可將 MOSFET 分為 P 溝道和 N 溝道兩種類型；依據(jù)摻雜方式的不同，可分為增強(qiáng)型和耗盡型；結(jié)合載流子種類和摻雜方式，MOSFET 主要分為 P 溝道增強(qiáng)型、P 溝道耗盡型、N 溝道增強(qiáng)型、N 溝道耗盡型等四個(gè)大類。由于高頻率低功耗是 MOSFET 的發(fā)展方向，故高功率的 N 溝道和低成本的增強(qiáng)型MOSFET 是行業(yè)主流結(jié)構(gòu)。

　　2.1.2 第三代半導(dǎo)體基 MOSFET 將搶占高壓場景市場份額

　　MOSFET 在汽車上的應(yīng)用廣泛，電動(dòng)汽車進(jìn)一步拉動(dòng)市場需求。在傳統(tǒng)燃油車上，MOSFET 主要應(yīng)用于汽車車門控制、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置、冷卻風(fēng)扇、風(fēng)擋雨刮、電動(dòng)后備箱、前照燈、水泵、踏板等系統(tǒng)；在電動(dòng)汽車上，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用外，又將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到車載充電、電池管理、主驅(qū)動(dòng)、DC-DC、高壓負(fù)載等系統(tǒng)?？梢?，電動(dòng)化增加了汽車市場對 MOSFET 的需求，隨著電動(dòng)化的不斷深入，MOSFET 行業(yè)有望開啟新一輪的快速增長。

　　硅基 MOSFET 耐壓性較低的缺點(diǎn)，限定其主要應(yīng)用于 DC/DC、低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、OBC 等低壓高頻模塊。目前，硅基 MOSFET 的電動(dòng)化應(yīng)用主要有：啟停技術(shù)汽車中，功率在 1.5-10kW（平均 3.5kW）的啟動(dòng)/停止模塊；輕混電動(dòng)車、強(qiáng)混電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)車中，功率在 1.5-30kW（平均 2.25kW）的 DC-DC 模塊；輕混電動(dòng)車中，功率在 5-20kW（平均 15kW）的主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)車中，功率在 3-6kW 的 OBC（充電+逆變）模塊。

　　以第三代半導(dǎo)體為基材的 MOSFET 克服了硅基 MOSFET 耐壓性差、損耗大的缺點(diǎn)，將搶占高壓場景的應(yīng)用市場。車規(guī)級(jí)產(chǎn)品屬于高端產(chǎn)品，特別是用于主驅(qū)電機(jī)等高電壓系統(tǒng)的產(chǎn)品，產(chǎn)品要求更高。目前汽車高電壓系統(tǒng)應(yīng)用的功率器件主要是 IGBT，但是 IGBT 的開關(guān)頻率相對 MOSFET 較低，第三代半導(dǎo)體基 MOSFET 兼具硅基 MOSFET 的高頻性和 IGBT 的耐高壓優(yōu)點(diǎn)。隨著 SiC、GaN 等第三代半導(dǎo)體基 MOSFET 的成熟及量產(chǎn)，GaN 及 SiC將滲透部分 Super Junction MOSFET、Trench MOSFET、IGBT 市場，SiC 或GaN-MOSFET 將占據(jù)更大的高壓汽車功率半導(dǎo)體市場。

　　2.1.3 新能源汽車 MOSFET 市場需求增長較快，國內(nèi)廠商亟待突破

　　2022 年全球汽車 MOSFET 市場規(guī)模將突破百億元，其中，新能源汽車市場增長迅速。資料顯示，2022 年全球汽車 MOSFET 市場規(guī)模將達(dá) 116 億元，年復(fù)合增長率為 5%;根據(jù) Yole 預(yù)測，2024 年全球新能源汽車 MOSFET 模塊市場規(guī)模將從 2018 年的 0.5 億美元增長到 2.41 億美元，年復(fù)合增長率為 30%，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長性。隨著各國電動(dòng)化戰(zhàn)略的推進(jìn)，新能源汽車市場的MOSFET 將迎來井噴式增長。

　　國外頭部廠商占據(jù)全球 MOSFET 市場 81.2%的份額，國內(nèi)廠商的市場份額較小。2019 年全球 MOSFET 市場占有率前三位的廠商分別是英飛凌（24.6%）、安森美（12.8%）、意法半導(dǎo)體（9.5%），CR3 達(dá) 46.9%;其中，國內(nèi)廠商安世半導(dǎo)體（聞泰科技收購）排名第九（占 4.1%市場份額），華潤微市占率進(jìn)入前十（占 3.0%市場份額）。由此可見，國內(nèi)廠商必須提高自身的技術(shù)實(shí)力，提升市場競爭力。（詳情請參考《汽車半導(dǎo)體系列報(bào)告（一）：國產(chǎn)替代優(yōu)化存量市場，電動(dòng)化與智能化拉動(dòng)增量需求》）

　　// 2.2 高壓場景凸顯 IGBT 性能優(yōu)勢，本土企業(yè)實(shí)現(xiàn)突破

　　2.2.1 小型化和低功耗是 IGBT 技術(shù)的發(fā)展方向

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），全稱絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）復(fù)合而成的全控型電壓驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體，兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的高壓變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、電源管理、照明電路、牽引傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

　　IGBT 是通過 VGS 形成的電場效應(yīng)來控制開關(guān)的耐高壓電子元器件。IGBT 和 MOSFET 結(jié)構(gòu)十分接近，近似為 MOSFET 背面增加 N+和 P+層（“+” 意味著更高的自由電子或者空穴密度），從而增加了載流能力和抗壓能力。當(dāng) VGS 增加時(shí)，吸引更多漂移區(qū)表面層電子，電子在柵極附近的 P 層表面形成連接 N+和 N 區(qū)的 N 型薄層，IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)，相反則處于關(guān)閉狀態(tài)。

　　IGBT 技術(shù)已迭代至第五代，技術(shù)進(jìn)步主要圍繞小型化及低損耗。自 20世紀(jì)八十年代起，IGBT 已先后經(jīng)歷了 PT、NPT、FS、Trench-FS、MPT 等五代技術(shù)。近年來，IGBT 產(chǎn)品種類不斷豐富的同時(shí)，通過 FS、微溝道等技術(shù)，IGBT 產(chǎn)品體積逐步縮小，重量不斷減少；與此同時(shí)，隨著 TC、FS、溝槽柵、微溝道等技術(shù)的逐步應(yīng)用，相同電壓下 IGBT 器件的損耗逐步降低，可有效滿足目前電動(dòng)汽車及高壓電網(wǎng)使用需求。

　　2.2.2 IGBT 多用于高壓場景，決定能量釋放速度和轉(zhuǎn)化效率

　　IGBT 主要分布于汽車電力管理、驅(qū)動(dòng)及控制等高壓高功率系統(tǒng)。IGBT主要分為 IGBT 分立器件和 IGBT 模塊兩種形式，分立器件及模塊耐壓大部分在 600V 以上。由于其良好的耐壓性能，IGBT 主要用于汽車中需要承受較高電壓和功率的系統(tǒng)（平均功率均高于 15kW，大部分用于 25kW 以上）。IGBT主要分布于汽車主驅(qū)動(dòng)、高壓負(fù)載、車載充電、轉(zhuǎn)向助力等系統(tǒng)中，承擔(dān)交直流電的轉(zhuǎn)換、高低壓電的轉(zhuǎn)換等功能。

　　不同動(dòng)力的汽車中，應(yīng)用 IGBT 的系統(tǒng)不同。主要應(yīng)用系統(tǒng)有：強(qiáng)混電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)力車、純電動(dòng)車中，功率在 20kW-150kW（平均 70kW）的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、功率在 20kW-40kW（平均 30kW）的主電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕混電動(dòng)車中，功率在 5-20kW（平均 15kW）的主電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；插電式混合動(dòng)力車、純電動(dòng)車中，功率在 10-40kW（平均 25kW）的 OBC（充電+逆變）系統(tǒng)等。

　　IGBT 的性能是決定整車能量釋放速度和轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。BJT 具有飽和壓降低、載流密度大的優(yōu)勢，但其驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET 的驅(qū)動(dòng)功率很小、開關(guān)速度快，但其具有飽和壓降大、載流密度小的缺點(diǎn)。IGBT 是由BJT 和 MOS 復(fù)合而成，這也使其兼具兩者驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)。IGBT 的主要作用是交流直流轉(zhuǎn)換、高低壓轉(zhuǎn)換，可以使電機(jī)瞬間爆發(fā)巨大能量和瞬間減少輸出，還可以根據(jù)用電需求對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，提高能量轉(zhuǎn)化效率，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最核心的元件。

　　2.2.3 國內(nèi)車規(guī)級(jí) IGBT 市場快速增長，本土企業(yè)發(fā)展勢頭良好

　　國內(nèi)汽車 IGBT 市場規(guī)?？焖贁U(kuò)張，且擴(kuò)張速度連續(xù)多年遠(yuǎn)高于汽車總銷量增速。Trendforce 數(shù)據(jù)顯示，到 2025 年，國內(nèi)汽車 IGBT 的市場規(guī)模將從 2018 年的 48 億元快速增長至 310 億元，年復(fù)合增長率高達(dá) 30.54%;市場快速增長的背后反映的是國內(nèi)電動(dòng)化程度不斷加深的現(xiàn)狀，電動(dòng)化也是 IGBT市場增長的主要驅(qū)動(dòng)力。與此同時(shí)，汽車 IGBT 市場增速連續(xù) 5 年超過汽車總銷量增速，超額增速最高達(dá)到 23.81%;IGBT 市場增速遠(yuǎn)高于汽車總銷量增速主要是由于單車 IGBT 價(jià)值量提升造成的，增速差距越大，說明單車的電氣化程度越高。

　　國外 IGBT 產(chǎn)業(yè)成熟、產(chǎn)品體系完整，國外頭部廠商占據(jù)全球 IGBT 市場 78.6%以上的份額。由于國外起步較早，國外廠商技術(shù)積累深厚、產(chǎn)品體系豐富、產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，全面領(lǐng)先國內(nèi)廠商。Omdia 數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球IGBT 市場占有率前十的廠商中有九家是國外廠商，且國外廠商市占率超過78.6%;國內(nèi)廠商只有斯達(dá)半導(dǎo)進(jìn)入前十，而占比僅為 2.5%。2019 年國內(nèi)新能源汽車 IGBT 模塊市場占有率前十的國內(nèi)廠商有比亞迪、斯達(dá)半導(dǎo)、中車時(shí)代三家，且三家企業(yè)的市占率達(dá)到 37.7%，發(fā)展勢頭良好。（詳情請參考《汽車半導(dǎo)體系列報(bào)告（一）：國產(chǎn)替代優(yōu)化存量市場，電動(dòng)化與智能化拉動(dòng)增量需求》）

　　材料、設(shè)計(jì)、封裝、運(yùn)營模式協(xié)同發(fā)展，提升汽車功率器件廠商競爭力

　　// 3.1  材料端：基材 SiC 化是方向，晶圓大尺寸化是趨勢

　　3.1.1 SiC 將成為汽車功率半導(dǎo)體的重要基材

　　SiC 基材產(chǎn)品具有明顯的性能優(yōu)勢，相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用于量產(chǎn)車型中。SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，在擊穿場強(qiáng)、禁帶寬度、電子飽和速度、熔點(diǎn)及熱導(dǎo)率方面都有較大優(yōu)勢，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)和耐高溫高壓工作。相比于 Si-MOSFET，SiC-MOSFET 電壓隔離區(qū)厚度僅為其 1/10，漂移區(qū)阻值降低至原來的 1/300。目前，特斯拉 Model 3 車型已全部使用SiC-MOSFET 產(chǎn)品，2020 年上市的比亞迪漢也采用了相關(guān)的 SiC 產(chǎn)品。隨著制造成本的下降，未來將有更多車型裝配 SiC 功率器件產(chǎn)品，市場滲透率持續(xù)提升。

　　全球車規(guī)級(jí) SiC 功率器件產(chǎn)業(yè)成熟度較低，整個(gè)行業(yè)處于大規(guī)模放量前期。目前，國內(nèi)外均未出現(xiàn)高成熟度的車規(guī)級(jí) SiC 功率器件產(chǎn)品，意法半導(dǎo)體和科銳的車規(guī)級(jí)產(chǎn)品成熟度相對較高（應(yīng)用于汽車領(lǐng)域成功率在 90%以上），其中，意法半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品已成功應(yīng)用于特斯拉車型上。在技術(shù)層面，相關(guān)廠商主要采用 DMOS 和 UMOS 兩種工藝。在市場層面，由于目前SiC 器件價(jià)格為傳統(tǒng)器件的 3~5 倍，甚至達(dá)到 10 倍，行業(yè)整體放量仍需時(shí)間。

　　車規(guī)級(jí) SiC 功率器件將逐漸替代部分 IGBT，并成為電動(dòng)車及充電設(shè)施的關(guān)鍵功率器件，汽車產(chǎn)業(yè)將成為 SiC 功率器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。相對于 IGBT，SiC-MOSFET 有以下優(yōu)點(diǎn)：可處理大功率電流且開關(guān)速度更高；功率模塊需要集成的其它元器件更少，可有效降低整體模塊成本；SiC-MOSFET關(guān)斷時(shí)不會(huì)引起尾電流，開關(guān)損耗較小。Yole 預(yù)測，2024 年全球 SiC 市場規(guī)模將達(dá)到 19.3 億美元，年復(fù)合增長率達(dá) 29%，其中，汽車行業(yè)的應(yīng)用將占 49%的份額。

　　隨著電動(dòng)化進(jìn)程的不斷深入，汽車領(lǐng)域?qū)?SiC 功率器件的需求不斷擴(kuò)大，2025 年全球市場需求量達(dá) 17.78 億美元。Yole 預(yù)測，2025 年全球電動(dòng)汽車用SiC 功率器件（包括主逆變器、OBC、DC/DC）的市場規(guī)模達(dá) 15.53 億美元，年復(fù)合增長率為 38%;充電樁用 SiC 功率器件的市場規(guī)模達(dá) 2.25 億美元，年復(fù)合增長率為 90%。電動(dòng)化浪潮將持續(xù)推高市場對 SiC 功率器件的需求。

　　3.1.2 8 英寸晶圓是功率器件的主力，部分廠商布局 12 英寸

　　全球 8 英寸晶圓產(chǎn)能增長趨緩，12 英寸晶圓產(chǎn)能增長迅速。從 2017 年到2022 年，全球 8 英寸晶圓每月的產(chǎn)能增長率為 11%，但 2020 年之后 8 英寸晶圓廠數(shù)量已呈下降趨勢。盡管 MEMS 芯片、功率半導(dǎo)體、邏輯芯片等市場需求依然強(qiáng)烈，但 8 英寸晶圓所需設(shè)備市場供給有限，限制了產(chǎn)能釋放。在 12英寸晶圓方面，全球晶圓廠的數(shù)量將從 2019 年的 123 家快速增長至 2024 年的 161 家；與此同時(shí)，每月產(chǎn)能也將增加約 180 萬片，到 2024 年，每月總產(chǎn)能將突破 700 萬片，增長率高達(dá) 33%。

　　中高端功率器件主要采用 8 英寸晶圓，部分高端產(chǎn)品開始使用 12 英寸晶圓。數(shù)據(jù)顯示，MOSFET 及分立器件用 8 英寸晶圓份額已占 8 英寸晶圓全部產(chǎn)能的 40%，是 8 英寸晶圓最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前，晶閘管（TVS、TSS、可編程過壓保護(hù)集成電路等）和二極管（高阻斷電壓二極管、低壓降二極管、整流橋等）主要使用 4 英寸生產(chǎn)線；高端肖特基二極管和高壓 MOSFET主要使用 6 英寸生產(chǎn)線；IGBT、溝槽 MOSFET 和超結(jié) MOSFET 等多使用 8英寸生產(chǎn)線；少部分高端 IGBT 已開始使用 12 英寸生產(chǎn)線。

　　半導(dǎo)體產(chǎn)品多采用 8 英寸晶圓進(jìn)行生產(chǎn)，行業(yè)產(chǎn)能緊缺擠占汽車半導(dǎo)體產(chǎn)能份額，短期難以緩解的現(xiàn)狀倒逼汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)優(yōu)勝劣汰加劇。通常情況下，新建晶圓廠的建設(shè)周期至少需要 2 年，樂觀估計(jì)目前的緊缺行情至少將延續(xù)至明年初；若需求持續(xù)上升，緊缺行情將持續(xù)更長時(shí)間。在芯片長期緊缺的背景下，眾多技術(shù)及資源實(shí)力較弱的中小型芯片設(shè)計(jì)企業(yè)將面臨缺乏代工產(chǎn)能的困境，大部分芯片設(shè)計(jì)公司將面臨兼并重組的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，芯片生產(chǎn)成本的提高，將淘汰生產(chǎn)管理粗放、制造技術(shù)落后的部分廠商，優(yōu)質(zhì)廠商優(yōu)勢凸顯。

　　// 3.2  設(shè)計(jì)端：小型化設(shè)計(jì)是功率器件的發(fā)展方向

　　功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司的工作內(nèi)容包括從結(jié)構(gòu)版圖到生產(chǎn)工藝、封裝測試等的全流程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)公司的主要工作內(nèi)容是單純的結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計(jì)，不涉及后端生產(chǎn)、封測等工藝層面的內(nèi)容；而功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括從器件版圖設(shè)計(jì)到制造設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)和測試設(shè)計(jì)，即既包括器件結(jié)構(gòu)版圖的設(shè)計(jì)，又包括生產(chǎn)工藝及流片方案、質(zhì)量控制、封裝工藝及控制規(guī)范、測試方案及規(guī)范等全流程的設(shè)計(jì)。全流程的設(shè)計(jì)正是功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司與傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)公司的最大區(qū)別，對設(shè)計(jì)人才能力的要求更加全面。

　　具有全流程設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的人才是功率器件廠商的核心競爭力。功率半導(dǎo)體的研發(fā)涉及微電子、材料學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械、熱力學(xué)等學(xué)科，對相關(guān)人才的多學(xué)科融合能力要求高；由于功率半導(dǎo)體的整體性能與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封測等環(huán)節(jié)均有密切關(guān)系，這就要求研發(fā)設(shè)計(jì)人員不僅具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力，還要對生產(chǎn)和封測等工藝有全方位的理解和掌握；同時(shí)，不同應(yīng)用場景的產(chǎn)品在性能參數(shù)等方面存在較大差異，供應(yīng)商需要具備定制化開發(fā)的能力，需要具有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。由于核心技術(shù)長期被歐美等國際巨頭壟斷，目前國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)，既懂設(shè)計(jì)又懂工藝，且實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的高素質(zhì)人才短缺。

　　功率器件的仿真優(yōu)化是功率器件設(shè)計(jì)的重要難點(diǎn)之一。由于功率器件產(chǎn)品對電流、電壓、頻率、抗沖擊能力、導(dǎo)通損耗等參數(shù)有較高的要求，而參數(shù)的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過大量的仿真和優(yōu)化；功率器件的材料物理特性是功率器件性能的根本條件，穩(wěn)定的材料屬性及材料之間的影響是分析器件作用效果的前提，因此，功率器件設(shè)計(jì)人員需要具備足夠的材料基礎(chǔ)知識(shí)及生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，針對性地將特定材料參數(shù)賦值到相對應(yīng)的器件物理模型中，才能展開真實(shí)可靠的仿真計(jì)算。

　　小型化是功率半導(dǎo)體未來的發(fā)展趨勢。為提高功率器件單位效率、提升電子產(chǎn)品相關(guān)性能、降低生產(chǎn)成本，功率器件小型化是必然趨勢。功率器件小型化可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，主要包括通過簡化單元結(jié)構(gòu)來減少芯片面積及降低芯片厚度，以縮小器件的整體體積；提高芯片可靠工作的溫度范圍，從而通過減少冷卻來減小功率模塊系統(tǒng)體積；提高芯片集成度，以壓縮功率模塊體積，進(jìn)而降低汽車生產(chǎn)系統(tǒng)成本。

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)功率器件小型化的必由之路。功率器件通過選擇新材料方案，提高功率器件頻率及耐壓能力，減少周邊電路的體積，降低功率器件重量；設(shè)計(jì)更優(yōu)異的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高密度立體化器件排布設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步縮短電荷運(yùn)動(dòng)路徑，降低電芯阻抗，縮小功率器件體積，節(jié)省系統(tǒng)成本；優(yōu)化功率器件封裝設(shè)計(jì)及冷卻方案設(shè)計(jì)，用氣冷替代水冷來提高功率器件散熱效率，縮小功率器件封裝體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

　　3.3 封裝端：車規(guī)級(jí)封裝技術(shù)圍繞標(biāo)準(zhǔn)化和小型化發(fā)展

　　依據(jù)封裝材料和連接方式不同，可將半導(dǎo)體封裝分為多種類型，其中，塑料及貼裝式封裝為主流封裝技術(shù)。對于半導(dǎo)體的封裝方式，按封裝材料不同，可分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種，其中，汽車電子主要采用塑料封裝；按連接方式不同，主要分為通孔式和貼裝式，汽車電子的適用環(huán)境相對較為惡劣，通孔式及貼裝式均有使用，但主流技術(shù)是貼裝式。

　　目前，全球主流半導(dǎo)體封裝技術(shù)處于面積陣列封裝階段的成熟期，并向堆疊式封裝階段發(fā)展。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，半導(dǎo)體封裝技術(shù)經(jīng)歷了插孔原件、表面貼裝、面積陣列封裝、堆疊式封裝等四個(gè)階段?，F(xiàn)階段，第三代的面積陣列封裝技術(shù)發(fā)展較為成熟，與此同時(shí)，部分廠商正向第四代的堆疊封裝技術(shù)邁進(jìn)并已實(shí)現(xiàn)小批量出貨。

　　汽車電子的多樣性決定了封裝要求的多樣性，車規(guī)級(jí)功率器件通過多種封裝形式來滿足市場需求。汽車半導(dǎo)體分布范圍廣泛，包括信息娛樂和遠(yuǎn)程信息、攝像頭模塊、車身電子、安全系統(tǒng)、電氣化系統(tǒng)和 MEMS 及傳感器等六大板塊。根據(jù)工作環(huán)境及應(yīng)用需求的不同，汽車電子封裝技術(shù)需要保持高可靠性和可擴(kuò)展性，目前是一種非標(biāo)準(zhǔn)化的封裝。其中，車規(guī)級(jí)功率器件及功率模組可以選用 DPAK、HSON、SOP、LFPAK、CSP、PQFN、PSMC、SOD、TOLL、TO 等多種封裝類型。

　　以 Amkor 車規(guī)級(jí)功率器件及模塊封裝服務(wù)為例，可分為中壓、高壓及先進(jìn)小型封裝三種：（1）中壓封裝類型：DPAK、HSON、PQFN、TSON 等；（2）高壓封裝類型：D2PAK、LFPAK、TO 等；（3）小型化封裝類型：CSP、PSMC、SOP、SOD、TOLL 等。

　　功率器件對熱流量密度、耐高溫、耐高壓、抗干擾等性能有較高要求，相比于 IC 芯片，封裝難度更大。相對于邏輯 IC，功率半導(dǎo)體器件的熱流量密度高出 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)，對封裝的要求更高。功率器件的工作溫度較高、工作電壓較大、開關(guān)頻率干擾較高的特點(diǎn)進(jìn)一步提升了封裝難度?；趯ψ陨硖匦浴⒐ぷ鳝h(huán)境、市場需求等方面的考慮，功率器件在封裝技術(shù)上需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

　?。?）高可靠性。需要在高溫高壓的條件下有長時(shí)間的穩(wěn)定使用壽命。

　?。?）高效率。需要將功率元器件整合封裝為應(yīng)用較廣、集成度較高的功率模塊，同時(shí)需保持高電導(dǎo)率以降低寄生電阻、寄生電容、寄生電感等性能。

　?。?）低成本。需要保持較低的封裝成本來降低客戶終端系統(tǒng)成本，以提高市場競爭力。

　　相對于 Si 基半導(dǎo)體器件，SiC 等寬禁帶半導(dǎo)體器件對高溫、高壓、高頻率等方面的要求更高，未來寬禁帶半導(dǎo)體的封裝難度將進(jìn)一步加大。

　　車規(guī)級(jí)產(chǎn)品對生命周期、損耗、散熱效率等性能的要求更高，提升了車規(guī)級(jí)功率器件的封裝難度。汽車電子是長生命周期產(chǎn)品，通常需要保證在 10年甚至以上的時(shí)間里保持穩(wěn)定、安全運(yùn)行。高質(zhì)量的車規(guī)級(jí)功率器件封裝需要實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、低電感、高電流密度、優(yōu)異的抗電磁干擾性、最大程度擴(kuò)大源極和漏極的連接面積、消除產(chǎn)生損耗接口、降低器件貼片高度、提高散熱效率等性能；同時(shí)，還需要使用無鉛電鍍和無鹵素模塑化合物等綠色、耐高溫的先進(jìn)材料。

　　汽車功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)將沿標(biāo)準(zhǔn)化、小型化的方向發(fā)展。目前，半導(dǎo)體封裝行業(yè)相對分散，各廠商在界面材料、模具化合物及鍵合方式等方面存在很大差異，非標(biāo)準(zhǔn)化降低了封裝效率的同時(shí)也增加了成本，隨著材料及工藝的演進(jìn)，汽車功率半導(dǎo)體封裝將走向標(biāo)準(zhǔn)化；基于對耐高溫、低熱膨脹系數(shù)及高熱導(dǎo)系數(shù)材料的突破，將過濾器、控制器及傳感器等組件進(jìn)行更高水平的集成封裝成為可能。標(biāo)準(zhǔn)化和集成化有利于成本的降低和體積的減小，這對于成本控制極嚴(yán)、空間利用率極高的汽車行業(yè)是一大利好。

　　3.4 模式端：IDM 模式更適合汽車功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)

　　半導(dǎo)體廠商的經(jīng)營模式主要有四種，即 IDM、Fabless、Foundry、Fablite。IDM 模式是集芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝和測試等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一身，有助于充分發(fā)掘技術(shù)潛力；Fabless 模式只負(fù)責(zé)芯片的電路設(shè)計(jì)與銷售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節(jié)外包，資產(chǎn)較輕，運(yùn)營費(fèi)用較低，初始投資規(guī)模小，適合初創(chuàng)公司；Foundry 模式只負(fù)責(zé)制造、封裝或測試的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，不負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)，不承擔(dān)由于市場調(diào)研不準(zhǔn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷等風(fēng)險(xiǎn)造成的損失。Fablite 模式介于 IDM 和 Fabless 之間，屬于輕晶圓廠模式，迫于工藝更新?lián)Q代和維護(hù)成本的壓力，眾多 IDM 廠商已紛紛轉(zhuǎn)向該模式。

　　IDM 運(yùn)營模式有利于提高車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的整體性能。設(shè)計(jì)、制造、封裝、選材等環(huán)節(jié)均對功率模塊的性能有較大影響，除了設(shè)計(jì)過程外，封裝及制造過程中也需要平衡體積、功耗、熱管理、耐壓、抗沖擊等多個(gè)指標(biāo)，且功率器件后道加工價(jià)值量占比達(dá) 35%以上，遠(yuǎn)高于普通數(shù)字邏輯芯片的 10%。對于對系統(tǒng)整體性能要求極高的車規(guī)級(jí)產(chǎn)品而言，通過選材、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝等全流程的協(xié)同，更有利于提高產(chǎn)品的性能、降低開發(fā)成本，進(jìn)而提升企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，因此，IDM 模式更有利于車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的開發(fā)，且極具優(yōu)勢。

　　國外功率半導(dǎo)體廠商大多采用 IDM 模式，且有向 Fablite 模式轉(zhuǎn)型的趨勢。由于國外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟，且功率半導(dǎo)體多采用成熟制程及工藝，為了保持市場競爭優(yōu)勢，國外功率半導(dǎo)體廠商大多采用 IDM 運(yùn)營模式。但由于 IDM 模式投入巨大，為了緩解成本壓力，部分國外廠商已開始轉(zhuǎn)型到Fablite 這種輕晶圓廠模式，將部分產(chǎn)能外包。國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，相關(guān)企業(yè)的規(guī)模相對較小，大部分仍只有芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，采用 Fabless 這種低低成本的運(yùn)營模式。