功率半导体技术挑战和解决方案

功率半导体概况

功率半导体介绍及分类

功率半导体，又称电力电子器件或功率电子器件，是电子产业链中最核心的一类器件之一。能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变（直流转交流）和整流（交流转直流）等作用。   图表 1：半导体分类

数据来源：功率半导体器件标准化白皮书，华福证券研究所   功率半导体包括功率半导体分立器件（含模块）以及功率 IC等。其中，功率半导体分立器件，按照器件结构划分，可分为二极管、晶闸管和晶体管等。               图表 2：各功率半导体市场份额占比

数据来源：中商产业研究院，华福证券研究所   据中商产业研究院数据，功率半导体分立器件中，以 MOSFET和IGBT为代表的晶体管占比最大，约 28.8%。
从目前市场需求来看，硅基MOSFET、硅基IGBT以及碳化硅为目前功率半导体分立器件的主力产品。本文也将重点围绕硅基MOSFET、IGBT和碳化硅等功率分立器件（含模块）展开分析和研究。   ➢ MOSFET，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单和辐射强等优点，通常被用于放大电路或开关电路。MOSFET按照不同的工艺可分为平面型Planar MOSFET、沟槽型Trench MOSFET、屏蔽栅SGT MOSFET和超级结SJ MOSFET。按照导电沟道可分为 N沟道和P沟道，即N-MOSFET 和P-MOSFET。按照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。   图表 3：MOSFET实物及不同类型MOSFET结构和性能比较  

数据来源：Yole，公开信息整理，华福证券研究所   随着MOSFET技术和工艺不断成熟，成本将不断下调。中高端产品也将逐渐向中低端产品下沉。比如 Trench MOSFET将从中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市场。SGT MOSFET将部分替代 Trench MOSFET的低压应用市场，从中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未来三大主力产品。自上世纪70年代MOSFET 诞生以来，从平面MOSFET发展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到当下火热的第三代宽禁带MOSFET（碳化硅、氮化镓），功率 MOSFET的技术迭代方向主要围绕制程、设计（结构上变化）、工艺优化以及材料变更，以实现器件的高性能——高频率、高功率和低损耗等。   ➢ IGBT 俗称电力电子装置的“CPU”，是能源变换与传输的核心器件，由BJT和MOSFET组合而成，是一种全控型、电压驱动的功率半导体器件。IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT同时具有BJT和MOSFET的优点，即高输入阻抗、低导通压降、驱动功率小而饱和压降低等，IGBT与 BJT 或MOS管相比，其优势是它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的 MOS管输入损耗。因此广泛应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路和牵引传动等场景。   图表 4：IGBT实物及IGBT单管、模块和IPM性能比较  

数据来源：英飞凌，公开信息整理，华福证券研究所   IGBT相比MOSFET，可在更高电压下持续工作，同时需要兼顾高功率密度、低损耗、高可靠性、散热好、低成本等因素。一颗高性能、高可靠性与低成本的IGBT芯片，不仅仅需要在设计端不断优化器件结构，对晶圆制造和封装也提高了更高的要求。   图表 5：IGBT 晶圆制造过程

数据来源：Yole，华福证券研究所  

中国功率半导体发展现状

产品由低端逐步走向中高端，国产替代空间广阔。我国功率半导体产业仍处于起步阶段，总体呈现产业链完整、厂家多、发展迅速等特点。截止2022年4月，中国功率半导体相关企业已超320家。主要分布在广东（130 家）和江苏（56 家）等东南沿海地区。   国产功率半导体已在众多领域应用，特别是低端产品，如二极管、三极管、晶闸管、低压MOSFET（非车规）等，已初现“规模化效应、国产化率相对较高”等特点。在中高端领域，如SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特别是车规产品，由于起步晚、工艺相对复杂以及缺乏车规验证机会等问题，国内厂家依然在追随海外厂家技术发展路线。但近年来，市场逐渐从依赖进口向国内自给自足转变，国产替代潜力大。
图表 6：中国功率半导体发展路径

数据来源：前瞻产业研究院，华福证券研究所   芯片进口金额持续处于高位，功率半导体市场空间足够大。据中国海关总署数据，2021年，中国进口集成电路6354.8亿个，同比增长16.92%。全年进口金额累计为4325.54亿美元，同比增涨23.59%。中国为功率半导体消费大国，2021年中国功率半导体市场规模约为183亿美元，同比增长6.4%，预计2022年将进一步增长至191亿美元。   图表 7：2017-2022E 年中国功率半导体 市场规模（亿美元）及增速预测

数据来源：Omdia，中商产业研究院，华福证券研究所  

功率半导体前景广阔

功率半导体应用前景广阔，几乎涵盖了所有电子产业链。以MOSFET、IGBT 以及SiC MOSFET为代表的功率器件需求旺盛。根据性能不同，广泛应用于汽车、充电桩、光伏发电、风力发电、消费电子、轨道交通、工业电机、储能、航空航天和军工等众多领域。
图表 8：功率半导体的不同应用

数据来源：Yole，华福证券研究所   据 Yole 数据预测，至 2025 年，全球功率半导体分立器件和模块的市场规模将分别达到76亿美元和113亿美元。据中国产业信息网数据，2023年中国大陆地区IGBT市场规模预计达到290.8亿元，同比增长11.6%。据中国半导体器件行业现状深度分析与未来投资预测报告数据，2023年中国大陆地区 MOSFET市场规模将达到396.2亿元（56.6亿美元，人民币兑美元汇率按照7 计算），同比增长4.8%。
图表 9：中国市场IGBT和MOSFET市场规模预测 （亿元，2020-2023E）

数据来源：思瀚产业研究院，中国产业信息网，华福证券研究所   以MOSFET为例，据Yole预测，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模块）市场总规模预计将达到 94.8 亿美元，复合增长率达 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽车应用（电动汽车和汽车充电桩）占比居首位，高达 33%，其中电动汽车和充电桩分别占比 25%和 8%。从耐压范围看，到 2026 年，低压 MOSFET（0-40V）占总需求的 39%，中压（41V-400V）占 26%，高压（大于等于 600V）广泛应用在 220V 系统中，占总需求的 35%。同时，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市场渗透率在逐步提高。
图表 10：2020 年和 2026 年全球 MOSFET 在各应用领域需求占比及增长预测

数据来源：Yole，华福证券研究所   2020 年以来，电动汽车、汽车充电桩和光伏逆变器可谓拉动功率半导体增长的三驾马车。
➢ 电动汽车：电动汽车进一步渗透终端消费市场，带动功率器件和模块需求快速增长。特别是 MOSFET 和 IGBT（包括单管及模组）的增长较为显著。据贝壳投研数据，2021年中国车规级 IGBT 市场规模为47.8亿元，预计到2025年，其将达到151.6亿元。据芯谋研究数据，2021年和2025年中国车规MOSFET的市场规模分别为73.5亿元（10.5亿美元，汇率按7计算）和122.5亿元（预测数据，17.5亿美元，汇率按7计算）。   图表 11：中国车规级 IGBT 市场规模及增速

数据来源：贝壳投研，飞鲸投研，华福证券研究所   图表 12：中国车规级 MOSFET 市场规模及增速

数据来源：芯谋研究，华福证券研究所   ➢ 充电桩：受益于新能源汽车快速增长，与之配套的充电桩市场亦呈现快速发展态势。据亿渡数据预测，至2026年，中国充电设施市场规模将达2870.2亿元，2022 年到2026年复合增长率高达37.83%。从直流充电桩相关零部件分解可以看出，充电机是充电桩的最核心部件，成本占充电桩的 50%以上，而功率半导体是充电机的最核心组成部分，成本占充电机的一半以上。   图表 13：中国充电设施市场规模（亿元）

数据来源：亿渡数据，华福证券研究所   图表 14：充电桩成本分解

数据来源：前瞻产业研究院，华福证券研究所   ➢ 光伏：据中国光伏行业协会数据，至2025年，中国新增光伏装机保守预测为90GW，同比增长10%。据未来智库数据预测，2025年中国光伏逆变器市场规模达196亿元。
逆变器是光伏系统的心脏，中高压MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆变器的核心，其决定着光伏逆变器的性能高低，进而直接影响光伏系统的稳定性、发电效率以及使用寿命。据中商产业研究院数据，光伏逆变器主要由机械件、电感和半导体器件构成，分别占比 27.6%、14.2%、11.8%。   图表 15：中国新增光伏装机预测（GW）

数据来源：中国光伏行业协会，华福证券研究所   图表 16：光伏逆变器成本分解

数据来源：中商情报网，华福证券研究所   综上，在电动汽车、充电桩以及光伏逆变器等多轮驱动下，功率器件有望稳健增长，为千亿赛道奠定坚实路基。  

功率半导体快速增长

汽车的百年史里，数次技术变革都极大的推动了汽车消费和汽车工业的发展，如发动机控制、自动变速、底盘、主被动安全、通信及多媒体影音等技术。虽然这些技术给汽车的驾驶感受和舒适性都带来了提升，但汽车能源供给方式、驾驶方式以及驱动方式都没有发生变化。   如今，传统燃油车动力和传动系统将被电动车的大、小三电系统取代。自动驾驶、线控底盘、网联化和软件化，车、路和云端协同等赋予了汽车新的定义和生命力。汽车已不再单单是一个载客的交通工具，而是被定义为一个智能科技终端、可以在其中工作和休闲的第三移动空间.  

电动汽车加速渗透，IGBT、MOSFET 最先受益

电动汽车作为新能源汽车的最重要载体和代表，是承载先进汽车科技的代名词，也逐渐成为消费者选择的主流。而中国已成为引领全球电动汽车技术发展的最大的新能源汽车产销市场。2016 年中国电动汽车市场渗透率仅有1%。而在疫情等外界因素影响之下，2022 年前三季度中国电动汽车市场渗透率已经达到 24%，实现了飞跃式增长。
图表 17：2016至2022Q1-Q3中国电动汽车渗透率走势（%）

数据来源：麦肯锡，华福证券研究所   2022年1-9月份，全球新能源汽车销量再创新高，达726 万辆，同比增长67.56%。其中欧洲销售166万辆，同比增长6.68%；美国销量快速提升，达72万辆，同比增长59.67%；中国新能源汽车销量继续领跑全球，销量达到 400多万辆，同比增长110%。全球新能源汽车累计销量突破 2500 万辆。
2022年1-12月份，中国新能源汽车销量共 688.7万辆，同比2021年增加1倍。可见，即使上半年疫情影响带来的供应链中断、动力电池上游原材料涨价以及多数汽车芯片依然紧缺的形势下，新能源汽车销售市场热情不减。如比亚迪增长最为显著，全年累计销售 186.85 万辆，同比增长152.5%，其中纯电车型销量突破91.1万辆。   图表 18：2022年1-9月，全球各国新能源汽车销量

数据来源：中国汽车论坛，华福证券研究所   图表 19：2013-2022年中国新能源汽车销量（万辆）

数据来源：中汽协，华福证券研究所   车载功率半导体稳健发展，离不开高压平台应用的助推。整车动力电池电压平台有望将逐渐从现有的400V升级到 800V系统，以满足消费者对电动汽车的长续航、快速充电等期待，而这将对功率半导体的性能参数提出了更高的要求，中高压功率器件如SJ MOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET将会在车端大量应用，其单车价值量有望继续提升。
据半导体行业纵横数据，混动和纯电动汽车上功率半导体价值量分别占单车半导体总价值的40%和55%。据英飞凌统计数据，纯电动汽车半导体价值量预估在1000美元左右，而功率半导体达550-600美元左右。而车载功率半导体中最具代表的即 IGBT 和MOSFET。   图表 20：全球及中国部分 800V 系统车型 及上市时间

数据来源：佐思汽研，华福证券研究所   车规功率半导体需求强劲，电动化与高压化是两大重要推动力。随着汽车电动化、高压化逐步渗透，功率半导体在电动汽车上单车价值量有望进一步提高。
➢ 在传统燃油车上，单车功率半导体价值量在71美元左右。且主要以中、低压MOSFET应用为主，比如在车门、车窗、座椅调节、后视镜、仪表、影音、HUD、自动启停、雨刷、天窗、转向ECU、制动ECU、安全气囊、空调电动水泵、座舱仪表灯、前后视大灯驱动等涉及电机等应用场景大量使用。MOSFET单车用量超100 颗。比如单个转向ECU中使用数量达8颗。平均单价2-10元人民币不等。   ➢ 电动汽车包括纯电动，插电混动，混动（中混和强混）等。在此类汽车上，电机驱动、照明、热管理、电动汽车主驱逆变器、DC/DC、升压器和OBC（车载充电器）等产品将依据各自的工作功率大小，选择不同的功率半导体器件。高、中、低压硅基MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET均有广泛使用。
图表 21：功率半导体在电动汽车上的应用

数据来源：Yole，英飞凌，华福证券研究所       不同类型的功率半导体分立器件和模块，在汽车上都能找到应用的落脚点。车载功率半导体种类多，在做选型时，成本和效率是最关键的两大要素。首先需要考虑需要多大功率，再去匹配多大的电压和电流，再结合系统效率和成本最终设计出一套最优方案。功率半导体分立器件和模块根据在车上不同的系统应用，则选用不同规格的器件。
由此可见，功率半导体在电动汽车上应用场景非常广泛。不同种类，不同规格的产品都能匹配到不同的系统应用。电动汽车销量稳健增长，最先获益的有望是当前具代表性的功率半导体——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。  

加快产品开发验证，重塑车规竞争格局 

海外厂家依然是供货主体，本土企业份额有望持续扩大。由于车规芯片对可靠性、安全性、试验等要求相对苛刻，且汽车行业供应链相对封闭，车规功率半导体国产化率一直以来比较低。欧、美、日等地的厂家凭借多年的技术积累和先进的制造能力等占据着市场主导地位。

据Omdia数据，英飞凌和安森美稳居全球功率半导体销售额第一和第二的位置，而其后排名相对动态。日本在全球功率半导体前十的榜单中占据五席，实力非常强劲。安世半导体是国内为数不多的被列入全球第一梯队的功率半导体厂家，2021年排名第八，相比2019年上升一名。   图表 22：全球前十大功率半导体厂商排名 （亿元，人民币与美元汇率按7计算）

数据来源：Omdia，芯智讯，华福证券研究所   ➢ 英飞凌——全球功率半导体龙头。英飞凌引领全球功率半导体市场，其功率半导体出货量占全球总市场近 40%，已经连续多年居首位。国内多数车厂都采用英飞凌方案，特别是用于主驱逆变器里的 IGBT 单管和模块。同时也有不少做模块封装的厂家从英飞凌采购晶圆。
英飞凌在车载 IGBT 产品上取得的不菲成绩离不开其多年持续的研发投入、技术创新、战略投资和并购、与供应链上下游深度合作以及超前的战略眼光和对市场未来发展趋势的精准预判。   ➢ 安森美——稳坐功率半导体第二把交椅。功率半导体一直占据安森美总营收的半壁江山。汽车为安森美最大营收来源，2022 年第四季度汽车收入达9.89亿美元，占总营收的47.01%，同比增长54%，创下新记录。   美欧日等国功率半导体企业具备技术、产能、体系、人才和管理等众多优势，市场地位依然稳固。而中国作为全球最大功率半导体消费市场，近年来发展势头良好。截止 2022 年 4 月份，相关企业超 300 家，产业链布局完整，其中不乏一些技术实力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企业。
图表 23：中国功率半导体产业链

数据来源：中商产业研究院，盖世汽车，华福证券研究所   以安世半导体、比亚迪半导体、斯达半导、中车时代电气和士兰微等为代表的功率半导体企业，在技术沉淀、车规认证、制造工艺、试验测试、技术支持、体系搭建、上车批量验证、问题解决以及产能提升和人才培养方面都积累了宝贵经验。
图表 24：中国功率半导体代表企业销售额（亿元）

数据来源：新洁能官网，ittbank，华福证券研究所   在车规功率半导体中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。
➢ 车规MOSFET：车规MOSFET不论在燃油车上还是电动车上，应用非常广泛，且MOSFET产品主要被海外企业垄断。 自2020年以来，海外头部供应商都相继面临产能紧张、涨价和断供等问题。此时，对于一直在等候却缺乏合适契机进入车载领域的本土厂商来说，正是切入汽车供应链的绝佳时机。经过两年的蓄势，国内部分相关企业在上车批量供货的同时，同步在加快新的车规MOSFET的研发和验证。
低压 MOS——主要以40V，60V，100V Planar平面型、Trench沟槽型和SGT屏蔽栅MOSFET为主。因为单车用量大、应用场景多且复杂，自2021年以来，市场缺货严重。
中压 SGT MOSFET：车规级SGT MOSFET工作电压范围通常在30V-250V之间的MOSFET产品，其中中压（100V-250V）一般并联多个MOSFET单管用于A00级小型电动汽车或中混车辆（动力电池电压在 200V 上下）的主驱逆变器、OBC、DC/DC、空调压缩机等零部件当中起到逆变、整流等作用。
高压 SJ MOSFET，车规级SJ MOSFET工作电压通常在 650V-900V，主要用于当前广泛搭载的400V动力电池平台汽车的主驱逆变器、OBC、DCDC 和 PTC等产品上。
➢ 车规 IGBT：IGBT通常分为单管、模块和IPM模块。全球车载IGBT和MOSFET一样，主要被美欧日等国家的厂家垄断。如英飞凌、安森美、富士电机、三菱电机和赛米控等。其中，英飞凌占据车规 IGBT 主要市场份额，英飞凌最早在2007年推出车规级IGBT模块——HybridPACK系列。在国内市场，比亚迪、斯达半导和时代电气稳居前十。   IGBT已发展至第七代，英飞凌作为IGBT龙头，其技术早在2018年已经迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技术基础上针对大功率、高开关频率等需求进行的设计优化。不同代差对应不同的器件设计，也对应着不同的器件性能和应用场景。目前国内多数厂家已经发展到了等同英飞凌的第四代和第五代技术，而第四、五代IGBT 也正好是目前车规 IGBT 应用的主流技术。   图表 25：IGBT 技术迭代

数据来源：智研咨询，EETOP，中慧智库，华福证券研究所   功率半导体器件或模块是电机控制器的心脏。电机控制器、电机和减速器一起组成电动汽车的电力驱动总成。其中，电机控制器是功率半导体器件和模块的重要应用领域，其主要用途是将动力电池输出的直流电转换成驱动电机所需要的三相交流电。
电机控制器由功率半导体器件或模块、电容、驱动电路板和控制电路板等零部件组成。其中功率半导体器件或模块占总成本的 37%左右，是电机控制器最为核心的零部件之一。
图表 26：电驱动总成示意图和电机控制器成本分解

数据来源：RIO 电驱动，华福证券研究所   由于电机控制器是功能安全件，通常消费级或工规级的功率半导体器件和模块不满足上车条件。因此长期以来，电机控制器中的功率半导体器件和模块一直依赖进口。
近年来，电机控制器格局发生变化，本土电机控制器厂家市场份额快速增长，这让国产功率半导体拥有更多验证和上车机会，国产功率半导体市场份额将有望进一步扩大。2022 年 Q1，斯达半导、比亚迪半导体和时代电气市占率分别稳居国内市场第二、第三和第五，分别占比16.4%、14.5%和9%。
图表 27：2022年Q1中国新能源汽车功率模块市场竞争格局

数据来源：智研咨询，华福证券研究所   本土电机控制器厂商引领市场，对车载功率半导体竞争格局有着积极影响。2022年，排名前20的电控厂家中，本土厂家占据12席。包括5家整车厂自制企业、9家本土第三方非自制企业（包括联合电子）以及6家海外厂家（包括日本的电装、电产、三菱、日立等四家、法国法雷奥和美国博格华纳）。包括整车企业在内（除特斯拉外），总共有14 家本土企业入围前 20，占比7成。   图表 28：2022 年 xEV 电控供应商供货量分布（万套）

数据来源：NE 时代（曲线代表市场集中度累计比例），华福证券研究所   国产电控引领市场，有望助力国产功率半导体上车。目前国内电控产品竞争相对充分，且由本土厂家引领。而国内企业在电控市场上份额的提升，则有望助力国产功率半导体上车。原因如下：
1）供应链安全考虑：当功率半导体缺货时，为保证供应链安全，车厂通常采取一品多点采购战略，即一个电控产品，多家功率半导体供应商按照与车厂约定好的份额供货。对车厂而言，国产功率半导体通常是此时的选项之一；
2）电控厂家成本控制需要：国产功率半导体成本相比进口器件具备一定优势。特别是A00级和A0级这类电动车，其对整车成本控制要求相对较高，国产功率半导体应用较为广泛。国内电控厂家在面临海外竞争者压力的时候，成本是其核心优势之一。功率半导体作为电控中占比最高的核心器件，国内电控厂家在获取整车厂项目的时候，通常也会偏爱选用同样具有成本优势的国产功率半导体。
3）多数国内车厂和电控厂家加强和国内功率半导体厂家合作，通过投资或战略合作或成立合资公司的方式，形成优势互补，共同开发功率半导体产品。这将对国产功率半导体上车应用起着很强推动作用。   缺芯缓解过后，功率半导体的“技术和成本”或成核心主线。随着缺芯缓解，海外头部厂家产能恢复，国内厂家或面临一定程度上的市场竞争。如何突破重围，长期来看，技术提升和持续成本优化，以及加快车规产品研发和验证速度，将有助于重塑市场格局，这将成为国内厂家可持续发展的两条核心主线。  

车规器件壁垒重重，国产龙头曙光破晓

在电动汽车销量快速增长和缺芯的大背景下，国内功率半导体厂家趁势在上车验证和批量供货上取得不菲成绩。但由于国内车载功率半导体发展起步较晚、器件开发经验不足、上车验证机会不多和可靠性要求高等原因，在“以下诸多方面”与全球第一梯队的车规功率半导体企业尚存差距，这也正是车规功率半导体壁垒所在。诸多壁垒呈现复杂性、多样性、综合性以及普遍性等特点。
设计和制造工艺。车规功率半导体的设计和制造工艺相对成熟，结构相对简单，对工艺制程要求不高（通常大于 90nm）。车规功率半导体与其他芯片比较，结构和制造工艺有一定差别，且逐渐融合更多的特色工艺（微沟槽、深沟槽和屏蔽栅等）。车规功率半导体在芯片面积、线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗和封装等方面在持续做设计和工艺优化，以达到大电流、高电压、低损耗、高开关频率、鲁棒性、散热快等性能目标。   图表 29：功率半导体器件技术发展趋势

数据来源：Yole，华福证券研究所   目前全球车规级功率半导体器件设计、制造工艺和封装测试等主要由英飞凌等海外厂商引领。   图表 30：功率半导体制造工艺

数据来源：华润微 12 吋晶圆厂生产线环评报告，华福证券研究所   ➢ 器件设计：功率半导体自诞生以来，从半导体基材的迭代、微沟槽结构的优化、先进封装、大尺寸晶圆的应用等多个方面进行技术创新。据 Yole数据，功率半导体器件每隔二十年将进行一次产品迭代。相比其他半导体，迭代周期相对慢，这将给国内功率半导体厂家留有充足的发展时间。
目前国内厂商面临的挑战主要包括：1）低功耗与高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）满足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）产品平台化和客户定制要求之间的冲突和平衡；6）车规产品设计、制造等管理体系和流程不健全；   图表 31：功率半导体技术迭代路线

数据来源：Yole，华福证券研究所   ➢ 晶圆制造工艺：这方面的挑战有：1）半导体设备长期依赖进口，采购周期长且成本高，设备调试时间长，缺乏经验；2）生产过程管控以达到晶圆一致性和可靠性的目的；3）适用于车规的材料选型，以达到散热、高结温要求；4）小尺寸、先进封装与成本之间的冲突等。

➢ 封装测试：这方面的挑战有：1）封装环节，键合引线、模具、框架等材料的选择；2）功率半导体模组的散热问题和可靠性两者的平衡；2）缺乏车规试验条件或测试经验，具体试验参数如何设定没有经验。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作为中高端功率半导体器件，国内厂家在器件设计、晶圆制造工艺和封测环节都面临不同程度上的挑战和壁垒。对于追赶者的国产功率半导体厂家而言，技术作为发展的第一要素，技术持续迭代和技术方案的创新或是超越国际巨头、主导市场地位的最重要条件之一。   图表 32：功率半导体技术挑战和解决方案

数据来源：Yole，华福证券研究所   质量管理体系。车规功率半导体相比消费和工业产品，对可靠性、质量一致性、环境（耐久、高低温）、供货周期以及验证试验等要求更高。需要严格遵守车规芯片开发流程、质量管理体系、验证要求等进行以确保车辆行驶安全。

车载功率半导体与其他车规芯片一样，从芯片定义、设计、原材料采购、供应商管理、生产制造过程、小批量和批量供货以及售后等，都需要严格按照 AECQ-100 试验要求和 IATF16949 生产制造过程中的要求执行。对于主驱逆变器中的功率半导体单管或模块，甚至要求按照 ISO 26262 对系统和流程体系进行功能安全认证。

比如，在车规 IGBT 模块的安全性方面，IGBT 模块通常由多个 IGBT 单管、SBD以及散热板等结构组成。IGBT 单管由成百上千个 IGBT 元胞构成。IGBT 模块实际上车后，若其中一个元胞出现质量问题，则将直接危及整车安全。

国内从事车载功率半导体开发和生产制造的厂商，具有数量多、分布地域广、产品种类多、技术能力水平参差不齐等特点。除了少数几家头部厂家外，车载领域起步相对晚，从事车规产品开发累计时间不长。对车规产品质量管理体系认知仍有待提高，需要未来更长时间上车实践以提升。

  上车机会。传统燃油车时代，汽车销量和核心零部件技术均由头部车厂和供应商把握，海外整车厂和头部 Tier1 话语权大，故汽车供应链相对封闭，新玩家进入大厂供应链体系相对困难。   国内车规功率半导体厂家起步晚、技术经验少、对车规产品认知缺乏。由于缺乏批量上车验证机会。即使部分有很强研发实力的企业，同样缺乏批量供货、验证产品长期可靠性的机会，从而技术能力一直处在进步缓慢的窘境。且高投入和长期低回报导致部分厂家信心不足甚至放弃车载产品的开发。在此背景下，即形成了对国内功率半导体玩家极为不友好的恶性循环。

新能源汽车的快速上量以及疫情以来的汽车缺芯，特别是特斯拉以及国内的造车新势力们，打破了汽车供应链封闭的外墙，愿意尝试多条腿走路，这给予了国内包括车载功率半导体厂家在内的汽车零部件供应商们充足的上车机会，也增强了国产替代的确定性，国产车规功率半导体有望迎来份额进一步提升的机会。  

成本。在汽车客户面临器件选型时，成本将是一项重要考量的点，同样满足客户需求的产品，分别来自海外厂家和国内厂家，在不缺芯和没有国产替代要求下，通常客户可能考虑定点给价优者。   车规功率半导体和其他***类似，因为起步晚、经验缺乏、产业链相对不成熟等特点，研发成本（人工、IP、软件和工具链等）摊销相对较高、核心原材料依赖进口（框架、模具、引线键合相关工艺等）、工艺相对不成熟、良率相对不高、规模化效应相对不突出、车规器件试验经验相对缺乏以及固定资产尚处在摊销初期等，而上述或是造成器件成本相对较高的主要因素。   图表 33：功率半导体器件成本结构

数据来源：SYSTEMPlus，华福证券研究所   半导体从业人才。截止2020年，国内半导体从业人员人数约54.1万，同比增长5.7%。预计到2023年，人才需求将达76.7万人，人才缺口将近23万人。依前文所述，功率半导体已超300多家。需求旺盛背后也隐藏着行业对专业人才的求贤若渴。人才竞争也同样是半导体企业间实力竞争的重要组成部分。成熟、经验丰富的人才队伍是行业发展基石。  

碳化硅器件厚积薄发，产业布局多点开花

新材料、新机遇、新趋势

作为第三代半导体材料的代表，相较于硅，碳化硅具有禁带宽度更大（是硅的3倍）、热导率更高（是硅的4-5 倍）、击穿电压更大（是硅的8- 10倍）等优势。   图表 38：碳化硅性能优势  

数据来源：英飞凌，华福证券研究所   碳化硅功率器件主要包括碳化硅二极管（主要是肖特基势垒二极管 SBD 等）、碳化硅晶体管（主要是碳化硅 BJT、MOSFET 等）以及碳化硅功率模块等。碳化硅功率器件具有耐高压、大电流、耐高温、高频、高功率和低损耗等众多优点，广泛应用于电动汽车及充电桩、光伏、电网、轨道交通和储能等领域。
图表 39：常见功率半导体比较

数据来源：Yole，华福证券研究所   据Yole数据，碳化硅功率器件2021年全球市场规模10.9 亿美金。预计到2027年将达到62.97亿美金，2021-2027 CAGR达 34%。发展势头强劲，未来市场空间可观。   图表 40：碳化硅功率半导体器件市场规模预测2021-2027E

数据来源：Yole，华福证券研究所   全球各国对碳化硅投资热度不减，目前碳化硅器件市场龙头依然以海外企业为主，国内90%需求依赖进口。我国碳化硅产业链布局相对完整，部分头部企业技术实力不可小觑，在半绝缘衬底、外延片、射频器件和碳化硅器件均已量产并批量供货。
图表 41：全球碳化硅功率器件各厂家2020-2021E营收（百万美元）

数据来源：Yole，华福证券研究所   碳化硅性能优于IGBT，两者在多个领域或存在应用重叠。从成本变化和晶圆尺寸发展趋势分析：
碳化硅与 IGBT 成本比较。目前碳化硅功率器件由于技术和工艺尚不成熟、衬底良率低以及尚未规模化应用等因素，导致当前碳化硅成本居高不下。同等规格、满足同个终端应用需求的碳化硅MOSFET的价格是IGBT的2.5-3 倍。而硅基IGBT技术成熟，规模化效应已经显现，成本下探空间有限。随着上述对碳化硅成本不利因素日渐改善，其价格有望逐年下调。对于长续航电动汽车，当前碳化硅功率器件的应用带来的其他周边零部件的降本，或将进一步缩小、或打平与选用IGBT带来的价格差。
图表 42：碳化硅功率半导体器件成本变化趋势

数据来源：NE时代，华福证券研究所    

碳化硅晶圆制造。目前已量产碳化硅衬底多是基于2英寸、4英寸和 6英寸晶圆制造，其中6英寸逐渐将成为主流。据NE时代数据，安森美8英寸衬底于2021年已经投产。未来，随着8英寸晶圆的衬底逐步量产，单片晶圆产量提升，相比4英寸和6英寸晶圆，理论上碳化硅器件价格或将会有所下调。

图表 43：全球及中国碳化硅企业产品布局（部分）

数据来源：NE时代，华福证券研究所     当前碳化硅MOSFET主要应用于一些中高端场景，这些应用往往追求更高的性能表现。如售价30万以上的中高端智能电动汽车，其对续航、瞬间加速以及充电时间有着更高要求，通常其主逆变器中会采用碳化硅方案。短时间内，IGBT或依然是市场主流。长期来看，碳化硅 MOSFET和 IGBT市场需求或达到一个相对平衡，两者将共存以供不同应用场景所使用。  

衬底和外延占据价值高地

碳化硅产业链相对复杂，主要包括衬底、外延、器件设计、晶圆制造以及封装测试和终端应用等。
图表 44：碳化硅功率器件上下游产业链

数据来源：Yole，中商产业研究院，华福证券研究所   截至2021年，国内碳化硅产线已经投入超20条，产业链上、下游都有相关企业参与。其中衬底代表企业有天岳先进、天科合达等；外延片代表企业有东莞天域半导体、瀚天天成等；布局碳化硅器件的企业以 IDM 为主，也有少数几家 Foundry，还有多数设计公司。   图表 45：国内碳化硅功率器件产线规划和主要参与企业

数据来源：前瞻经济学人，华福证券研究所   衬底和外延占据碳化硅器件的价值高地，存在较高技术壁垒。据未来智库数据，衬底和外延占碳化硅器件总成本近 70%（其中衬底占46%，外延占23%）。两者同为碳化硅器件最核心、也是最具瓶颈的两道制造工艺环节。衬底和外延的技术提升快慢和良率高低都将对碳化硅器件的应用和推广产生直接影响。

➢ 衬底是碳化硅器件的第一内核。据 Yole数据，预计到 2027 年，全球应用于电动汽车和充电桩的碳化硅衬底数量将达到140万片，占市场总量的78.23%。   图表 46：碳化硅衬底在电动汽车应用需求预测

数据来源：Yole，华福证券研究所   碳化硅衬底分类——碳化硅衬底按照电阻率大小，碳化硅可以分为导电型和半绝缘型。导电型衬底常用于制作碳化硅功率器件，应用于电动汽车、光伏、储能等领域。而半绝缘型碳化硅衬底则被常用于制作氮化镓微波射频器件和功率放大器等（GaN-on-SiC），应用于5G通信等。

目前导电型衬底市场依然由欧、美、日企业主导，美国 Wolfspeed 占全球份额超60%以上，其他如美国高意集团（II-VI）、德国SiCrystalAG（被日本Rohm 收购）、美国DowCorning 和日本新日铁住金等紧随其后，市占率位居前列。国内做导电型衬底起步较晚，整体发展处于初期阶段，该领域国内主要企业有天科合达、天岳先进等。

国产厂家在半绝缘型衬底产品开发相对起步较早，有一定经验积累。2020年，天岳先进的半绝缘型碳化硅衬底在全球市占率已高达30%，位居全球第三，仅次于海外龙头企业II-VI和Wolfspeed，形成三足鼎立的局面。   图表 47：2020 年全球碳化硅衬底市场格局

数据来源：Yole，Wolfspeed，中商情报网，TrendBank，华福证券研究所   衬底制作方法——衬底的形成通常使用物理气相传输法，在高温下（＞2000℃），碳化硅粉体分解成硅原子等气相物质，在高低温形成的温度梯度下，气相物质慢慢在低温区的碳化硅籽晶表面生长形成碳化硅晶体。再通过定向、整形、切片、研磨、抛光、检测和清洗等工艺过程，最后制成碳化硅衬底。

制作优良的碳化硅衬底，存在较高的技术壁垒。碳化硅衬底生长难度大，对工艺控制和衬底的厚度、翘曲度和弯曲度都有较高要求。其制备过程中，主要存在以下难点和壁垒：1）碳化硅粉体纯度控制要求高，碳和硅的比例控制要精准；2）温度要求高，高温与低温需控制精准；3）长晶时，生长速率等需要严格控制；4）衬底生长为物理时间，且很难加速，时间成本高，产能因此受限；5）碳化硅硬度强，切片时损耗高，产出低；6）涉及设备种类多、要求高，如长晶炉，切片机、研磨机、抛光机和清洗设备等，总投入大。以上众多壁垒导致目前碳化硅良率较低，单片价格较高。   ➢ 外延工艺是碳化硅器件的第二内核。由于碳化硅衬底表面或多或少因为生长过程或加工过程中引入微颗粒，直接基于其表面进行晶圆制造，或将导致最终器件良率低、性能差等后果。故通常引入外延工艺，即在衬底表面通过化学气相沉积（CVD）生长出一层 4H-SiC 单晶薄膜以提高器件良率和性能，这一层单晶材料即称为“外延”。在制作过程中，工艺控制不良会直接造成各类缺陷产生而影响良率和产出。

据Yole数据，预计到2027年，碳化硅外延片全球市场规模将达8.51亿美元，2021年到2027年，CAGR为28%。全球外延片市场主要被美国Wolfspeed 和日本昭和电工是碳化硅外延片两家龙头企业垄断。其他厂家有II-VI、Cree、Norstel、Rohm 和英飞凌等。国内从事碳化硅外延片企业主要有瀚天天成、东莞天域、中电 55 所和三安光电等。  

碳化硅加速上车

据Yole数据，电动汽车和汽车充电桩为碳化硅第一大应用市场。预计到2027年，碳化硅器件在电动汽车和汽车充电桩上应用，全球市场规模将分别达49.86亿美金和 1.35 亿美金，两者之和占市场总规模的81.32%。
碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET 可应用于电动汽车主驱逆变器、OBC、DC/DC以及充电桩等产品中。自 2019 年 Tesla 首次将碳化硅器件（供应商：STM）应用于其 Model 3 车型上，碳化硅便正式开启了上车之路。自 2021 年以来，国内自主品牌车企纷纷在其新车型上应用碳化硅器件，如蔚来汽车ET5 和ET7（主驱，自研模块，晶圆从安森美采购），吉利SMART精灵(主驱，供应商：芯聚能)、小鹏G9（主驱，供应商：英飞凌）、比亚迪海豹（主驱，自研自产模块，部分晶圆外购）等。   碳化硅将提升电动汽车续航能力和缩短电动汽车充电时间。相较于燃油车，电动汽车消费者对当前有限的续航里程和相对漫长的充电时间常常感到焦虑。虽然车企在动力电池、BMS、电机、电控和 OBC 等产品技术上做了很多优化和提升，但相比燃油车，续航里程受限和充电时间长是电动汽车推广的两大痛点。

➢ 续航里程。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET有着众多优点：1）碳化硅在关断时无拖尾电流，可以降低损耗；2）碳化硅的高开关频率特性，不仅可降低损耗，由于对散热效率要求相对低，还可减轻和驱动零部件和散热零部件重量和体积，周边器件的成本随之降低；3）在车辆匀速和轻载情况下，因为低损耗，可提升5%-10%的续航里程。另外，采用800V高压平台的电动汽车，同等功率下，系统电流可以比400V电压平台更小，故高压线束直径可以做的更细，线束重量和体积可以更小，电动汽车变的更轻，续航能力也会得到相应提升。

图表 48：碳化硅在电动汽车上各产品应用 市场规模预测2021-2027（百万美元）

数据来源：Yole，华福证券研究所   ➢ 充电时间。汽车充电桩一般分为交流慢充和直流快充。
交流慢充指的是电动汽车通过公共或个人充电桩，需要借用车载充电器（OBC）交直流转换给汽车充电。交流慢充的优点是成本低，电池损耗慢；缺点是充电时间长，充电时间长短取决于OBC的额定功率（常规在3kW-9kW）。目前OBC主要采用硅基IGBT或SJ MOSFET方案，电池充满电时间一般需要4-8小时。相比之下，碳化硅MOSFET可以耐受更高电压，使得OBC拥有更高的额定功率。例如采用意法半导体的碳化硅技术，可以将OBC的额定功率提升至22kW 甚至更高，充电时间可以大大缩短。
直流快充是指充电桩自身内部实现交直流转换模块，无需借用OBC，将电网或储能设备中的交流电转换成直流电，直接给汽车充电。直流快充功率取决于充电桩自身输出功率和BMS（电池管理系统），如电池电压升级至 800V，直流快充功率通常将超过120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，进而提高充电效率和缩短充电时间。
另外，800V动力电池平台相比400V动力电池平台，在相同的系统电流和高压线束直径下，电池的充电时间或将缩短一半。
图表 49：碳化硅对电动汽车充电时间的影响

     

编辑：黄飞