功率半導體行業(yè)研究：IGBT方興未艾SiC勢在必行

功率半導體行業(yè)研究：IGBT方興未艾，SiC勢在必行一、擁抱新能源，動力“CPU”迎風口汽車電動化洶涌澎湃，車載半導體如火如荼電動車進入發(fā)展快車道，車載半導體景氣度提升。據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，國內新能源汽車銷量260萬輛，同比均增長1.1倍。由于國內新能源車持續(xù)高景氣，EvVolumes預計2022年全球電動車銷量1070萬輛，同比增長54.3%。隨著電動車的繁榮發(fā)展，國際半導體龍頭供應商的汽車業(yè)務營收創(chuàng)新高，其中功率半導體龍頭英飛凌的汽車相關業(yè)務在2021年實現約37%的同比增長，代工廠龍頭臺積電的汽車業(yè)務同比提升約51%。電動車核心器件，價值占比高電動車半導體單車價值量激增，逆變器用功率半導體占比最高。據英飛凌，電動車的半導體單車價值量較燃油車增長約950美元，其中約900美元來自功率半導體的使用，而逆變器使用的功率半導體，占單車功率半導體總價值量75%左右。電機和逆變器是電動車新增核心需求，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。和計算機上處理數字信號的CPU類似，功率器件是電動車在功率上的“CPU”。CPU依靠軟件實現信號流在0和1之間轉換。功率器件依靠變頻控制軟件，處理功率流的開和關。動力“CPU”高景氣持續(xù)全球功率半導體持續(xù)供不應求。主要功率半導體供應商陸續(xù)宣布漲價，毛利率得到顯著的提升。受供需關系影響，當前供應商進入主動補庫存階段，季度收入/庫存比例維持在正常水位。2021年行業(yè)經歷的缺貨行情仍在延續(xù)，頭部供應商明顯感受到供不應求的產能緊張狀況。據英飛凌，包括尚未確認的訂單在內,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，這些訂單當中超過五成是汽車相關產品,75%的訂單在未來12個月內才能交貨,積壓訂單顯然遠超出英飛凌的交付能力。供應鏈重塑，上下游合力推進國產化新能源電氣系統垂直整合趨勢愈發(fā)明顯。新能源電氣系統在整車安全與性能表現方面起到關鍵作用，主機廠掌控意愿較高，以規(guī)避潛在技術缺陷與產能短缺風險。同時，相關技術仍處于發(fā)展階段，垂直整合帶來的獨家供應能夠構建主機廠新的核心競爭力，且更高的產品價值與利潤也成為重要誘因。目前國內OEM出于國產化替代，供應鏈穩(wěn)定的考量愿意培養(yǎng)自主半導體產業(yè)，投資或成立合資公司共同探索車規(guī)級半導體技術和質量達標方案，或者自建模塊產線，將品質掌控在自己手中。OEM和Tier供應商對功率模塊的設計和制造進行完整的評價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：取長補短的復合型功率器件功率半導體器件（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，實現電能的變換或控制的電子器件，其作用主要分為功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護和整流等。功率半導體大致可分為功率半導體分立器件（PowerDiscrete）(包括功率模塊)和功率半導體集成電路（PowerIC）兩大類。按照器件結構，現有的功率半導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型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。進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現國產化。MOSFET、IGBT、SiC等高端分立器件產品較大程度依賴進口。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瓦晶體管的進出口規(guī)模逐年增長，且進口規(guī)模增速大于出口規(guī)模。IGBT屬于功率晶體管中技術壁壘較高的產品，我國起步較晚，還存在較廣闊的進口替代空間。技術迭代周期較長，國產替代追趕至成熟產品經過幾十年的發(fā)展，IGBT頭部供應商英飛凌不斷改進芯片結構，將IGBT技術做到了第七代，IGBT1和IGBT2已經不被英飛凌建議使用，目前使用最廣泛的是IGBT4，國內部分供應商目前能在第四代進行量產。IGBT的發(fā)展方向依然是提高耐壓、增加電流、擴大功率、提升最高工作結溫。車載IGBT模塊主導市場IGBT具有導通電阻小、開關速度快、工作頻率高等特點，可以在各種電路中提高功率轉換、傳送和控制的效率，實現節(jié)約能源、提高工業(yè)控制水平的目的，廣泛應用于電機節(jié)能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領域。電動車成為驅動IGBT需求的主要動力。據比亞迪半導招股書，從2020年IGBT模塊全球應用占比來看，工業(yè)控制占比33.5%，是目前IGBT最大的應用領域，新能源汽車占比14.2%。未來，汽車電動化、智能化推動車規(guī)級IGBT成為增長最快的細分領域，遠超行業(yè)平均增速。受益于國內新能源車的高速發(fā)展，據華經產業(yè)研究院，新能源車IGBT在2020年已成為中國IGBT第一大應用領域，占比約30%。工業(yè)控制、消費電子（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用領域。高功率IGBT價值凸顯2022年國內新能源車呈現市場下沉的趨勢，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。產品附加值高，技術壁壘高的大功率IGBT仍然是未來國產替代的主要方向。從主機廠的角度來觀察國內IGBT市場規(guī)模，國內高端車型的主機廠主要包括特斯拉、理想、蔚來、小鵬等，電機功率在180kw以上。特斯拉使用的碳化硅和IGBT模塊主要由意法半導體、英飛凌提供，國內技術上還有差距。比亞迪的驅動IGBT大部分由比亞迪半導提供。保守測算，短期內國產替代的市場在180kw以下，再除去比亞迪的市場，2021年國內供應商主要面對的車載驅動IGBT的市場規(guī)模約為25億元。技術持續(xù)迭代，芯片、封裝具提升空間目前，為滿足電動汽車的功率需求，牽引逆變器中一般使用多芯片并聯的功率模塊?？赏ㄟ^提高芯片電流密度，和改進封裝工藝，來實現模塊功率密度以及模塊電、熱性能的綜合提升。在電動汽車應用領域，IGBT芯片性能優(yōu)化的思路基本為：在溝槽精細化的基礎上，采用薄片工藝并優(yōu)化背面緩沖層設計，再結合優(yōu)良的終端結構提高芯片耐壓等級；將IGBT芯片和反并聯二極管整合于一體，形成RC-IGBT結構，進一步提升芯片電流密度；芯片上集成溫度/電流傳感器，門極驅動電阻以及RC芯片，有利于提高芯片長期運行的可靠性。在封裝層面，為了實現高可靠性、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)設計，但由于其設計應用的方便性，在短期內還將占據主流，技術改進主要聚焦在散熱技術和可靠性。國內百舸爭流，車載IGBT加速替代國產車載IGBT拐點已至，實現市占率的快速上升。據愛集微，2022年一季度國內出貨量前五的功率器件供應商中，已經有三家中國本土企業(yè)入列，分別為

斯達半導、比亞迪半導體、時代電氣，三家合計裝機量占比約40%。比亞迪半導體具備產業(yè)下游的支持，隨著比亞迪新能源車的銷量增長，比亞迪半導體的IGBT高速發(fā)展。斯達半導生產的應用于主電機控制器的車規(guī)級IGBT模塊持續(xù)放量，2021年合計配套超過60萬輛新能源

汽車，其中A級及以上車型配套超過15萬輛。時代電氣具備高壓IGBT的豐富經驗，并且擁有中車集團的下游支持，2022年新能源車IGBT預計年內交付的在手訂單70萬臺。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）是一種介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高的半導體材料。因此，與硅器件相比，當用于半導體器件中時，碳化硅器件可以提供高耐壓、高速開關和低導通電阻。鑒于該特性，其將成為有助于降低能耗和縮小系統尺寸的下一代低損耗器件。據東芝半導，通過更改2kVA單相逆變器產品的開關元件（將IGBT替換為SiCMOSFET），額定運行期間每個器件的損耗降低了約41%。這主要歸功于SiCMOSFET卓越的開關能力。除了降低損耗外，采用SiCMOSFET還具有諸多優(yōu)點。SiCMOSFET在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的工作特性，與IGBT相比，可簡化現有散熱措施。此外，由于開關損耗非常低，系統可在比IGBT開關可支持頻率更高的頻率下運行。如能提高開關頻率，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，并使產品具有更大的競爭優(yōu)勢。本土車廠進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車用硅基IGBT的替代已經逐漸展開。特斯拉上海工廠和比亞迪

在其電機控制器的逆變器中已經采用了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驅動系統的首選解決方案。國內SiC供應商中，比亞迪半導體實現了SiC三相全橋模塊在新能源汽車電機驅動控制器中大批量裝車。2022年，國內造車新勢力蔚來ET7、小鵬G9均采用了碳化硅器件。國內車廠的SiCMOSFET滲透率有望加速提升，隨著搭載高功率電機的新能源車銷量增長，車載SiCMOSFET需求將持續(xù)增長。國內電驅動SiCMOSFET市場有望高速成長假設特斯拉品牌效應對銷量的帶動作用漸近瓶頸，國產品牌占比逐步提升，國內本土品牌電車（電機功率高于180kw）銷量于2025年達到2022年國內整體銷量水平，2022-2025年銷量增速分別為52.9%、40%、30%、20%；國產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，假設滲透率分別為20%、30%、40%、50%；單車電驅動SiC價值量每年下降5%。據我們測算，至2025年，本土主機廠對電驅SiC需求空間約98.84億元，2021-2025年復合增長率約92%。碳化硅降本核心：提高襯底生產速率及良率以碳化硅材料為襯底的產業(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用市場。在碳化硅襯底上，主要使用化學氣相沉積法（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。國內起步較晚，全產業(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業(yè)鏈環(huán)節(jié)，同時從事碳化硅襯底、外延及器件的制作，例如科銳公司等；第二類是只從事產業(yè)鏈的單個或者部分環(huán)節(jié)，例如II-VI公司等。國內碳化硅產業(yè)起步較晚。襯底方面，科銳和II-IV公司已分別于2009年和2012年實現了6英寸襯底的量產，國內公司如天岳先進于2019年才實現了量產。此外，科銳于2015年具備了更大的8英寸襯底量產能力，國內公司目前尚未有公司在8英寸實現突破。器件方面，意法半導體、英飛凌等設計、生產的SiCMOSFET已經批量應用于特斯拉，國內斯達半導、比亞迪還處于小批量供應階段。四、附表：全球產能統計功率半導體現有產能英飛凌、意法半導體、安森美等國際頭部功率半導體供應商的現有產能以8英寸線為主，并逐漸向12英寸線轉移。日系供應商富士電機、東芝也在加速擴