充電頭里的中國機會(huì )

券商和基金最看好哪個(gè)半導體投資版塊？一定是功率半導體 [1]。今年年初，英飛凌、意法半導體、恩智浦等國際半導體大廠(chǎng)均對今年功率半導體有著(zhù)高景氣的預期，2022 年全年產(chǎn)能已全部排滿(mǎn)。[2]

任何電能轉換過(guò)程都需要功率半導體，沒(méi)有它，幾乎一切現代電子產(chǎn)品都將無(wú)法工作。但它并不像提供各種算力的 CPU、GPU、FPGA、ASIC 廣受關(guān)注，往往只是作為配角出現 [3]。這一領(lǐng)域技術(shù)迭代迅速，競爭激烈。

在本文中，你將了解到：功率半導體分類(lèi)，功率半導體技術(shù)細節，功率半導體發(fā)展歷史，功率半導體市場(chǎng)，國產(chǎn)功率半導體的布局情況。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈中重要一環(huán)

功率半導體器件（Power Electronic Device）又被稱(chēng)為電力電子器件或功率電子器件，是實(shí)現電能變換或控制的電子器件。

具體功能包括變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等，也與節能息息相關(guān)。[4]

按功率處理能力，功率半導體分為低壓小功率半導體器件、中功率半導體器件、大功率半導體器件和高壓特大功率半導體器件 [5]，按照不同等級功率半導體器件廣泛應用在計算機、家電、消費電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、新能源、軌道交通、電力設施（發(fā)電、變電、送電）等方面。[6]

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的推廣普及、綠色能源的使用以及地鐵、動(dòng)車(chē)等現代交通工具的建設，市場(chǎng)對高性能功率半導體器件的開(kāi)發(fā)需求愈發(fā)強烈。產(chǎn)品包括功率半導體防護器件、高端功率半導體整流器件、光電混合集成電路、新型電力半導體器件等廣泛應用于消費電子、工業(yè)制造、電力輸配、新能源等重點(diǎn)領(lǐng)域。[7]

功率半導體主要應用領(lǐng)域，圖源丨長(cháng)江證券研究所 [8]

功率半導體器件通常有三類(lèi)產(chǎn)品形式：功率半導體分立器件（Power Discrete）、功率模塊（Power Module，業(yè)界也將這一部分與分立器件合稱(chēng)為功率器件）、功率半導體集成電路（Power Integrated Circuit，即功率 IC）。

用兩個(gè)公式來(lái)解釋這些產(chǎn)品形式便是：

充電頭 = 功率 IC + 功率器件（功率半導體分立器件 / 功率模塊）+ 其他

功率 IC = 功率器件（功率半導體分立器件 / 功率模塊）+ 其他

功率半導體在產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)系，圖源丨 AI 電堂

● 功率半導體分立器件

是構成功率半導體集成電路和智能功率模塊的基礎器件，是具有單一功能的電路基本元件，并且其本身在功能上不能再拆分的半導體器件。[9]

分立器件加工工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、擴散退火、成膜等流程，經(jīng)過(guò)加工在半導體材料上形成 PN 結，不同結構和摻雜濃度 PN 結進(jìn)行組合都會(huì )影響分立器件的參數特性。

分立器件包括二極管、晶閘管、晶體管三類(lèi)器件，其中晶體管分為雙極性結型晶體管（BJT，常稱(chēng)為晶體三極管）、結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

功率半導體主要器件，制表丨果殼硬科技團隊

不可控指導通和關(guān)斷都不可由控制信號控制，半控指可以控制導通但不可控制關(guān)斷，全控指導通和關(guān)斷都可控制。

電源電路常用的功率半導體分立器件大致有三種：功率 MOSFET、超結（SJ : super junction）構造的功率 MOSFET 以及 IGBT。[10]

主要功率半導體比較，圖源丨 Rohm

● 功率模塊

是一種混合集成電路，由多個(gè)分立器件按一定功能組合模塊化封裝而成，如 IGBT 模塊。功率模塊已經(jīng)歷三次迭代發(fā)展，目前的產(chǎn)品已采用更先進(jìn)的 IC 驅動(dòng)、封裝技術(shù)以及更多的保護技術(shù)。[11]

● 功率 IC

指將在分立器件或功率模塊制造工藝基礎上，通過(guò)復雜的隔離與互連工藝將各種器件（如二極管、三極管和場(chǎng)效應晶體管等）集成在一個(gè)半導體芯片上形成的復雜電路。功率 IC 是模擬 IC 的一個(gè)子賽道。

用于制備功率集成電路的制造技術(shù)稱(chēng)之為功率集成技術(shù)，功率集成技術(shù)需要在有限的芯片面積上實(shí)現高低壓兼容、高性能、高效率與高可靠性。[12]

功率 IC 包括線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)穩壓器、開(kāi)關(guān) IC、電壓基準、功率管理 IC 五個(gè)大類(lèi)。這些 IC 能夠實(shí)現將電池或電源提供的固定電壓升壓、降壓、穩壓或電壓反向處理，負責設備電能的變換、分配和檢測。

功率集成電路類(lèi)型和器件，制表丨果殼硬科技團隊

資料來(lái)源丨公開(kāi)資料

雖然不同類(lèi)型器件在功能、性能、成本等方面差異巨大，對比形式均有所不同，但一般都會(huì )使用功率密度（每單位體積功率）和功耗衡量器件性能，同時(shí)還會(huì )關(guān)注工作電壓、電流密度、反向恢復時(shí)間、最高結溫、通態(tài)電阻、反向漏電流、靜態(tài)電流、總柵電荷等具體參數。

功率半導體值得關(guān)注的指標，圖源丨基業(yè)長(cháng)青

芯片發(fā)展的盡頭是材料

在時(shí)代沖刷下，許多功率半導體產(chǎn)品都逐漸淘汰，只有綜合評估表現良好的器件成為了市場(chǎng)最終的寵兒?？v觀(guān)這一歷史，發(fā)展呈現兩種趨勢：一種是向實(shí)現更高的電壓和更低的損耗方向發(fā)展，即在分立器件上進(jìn)化；另一種是向小型復合化、高集成、高密度發(fā)展，即模塊化和集成電路化，但這也要仰賴(lài)構成模塊或電路的“基礎單位”分立器件 [6]。因此，一切都指向了分立器件。

一開(kāi)始，功率半導體分立器件是從結構上進(jìn)化的：第一階段以二極管為代表，第二階段出現以晶閘管為代表的半控型器件，第三階段誕生了以 MOSFET（金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）和 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為代表的全控型器件。

而后，器件結構已基本明朗，大多情況下都是圍繞這幾種結構進(jìn)行優(yōu)化改良。雖然制程也會(huì )影響功率半導體的性能，但它屬于特色工藝（More than Moore）范疇。與邏輯電路和存儲芯片相反，工藝節點(diǎn)的進(jìn)步并不能直接為分立器件、模擬電路等帶來(lái)效率顯著(zhù)提升和成本顯著(zhù)下降 [13]，而是需要通過(guò)器件結構、加工工藝、應用環(huán)境提升器件價(jià)值和性能。[14]

相比動(dòng)輒使用 7nm、5nm 等先進(jìn)制程的邏輯 IC，功率半導體分立器件及功率 IC 技術(shù)實(shí)現難度會(huì )低很多。目前國際意法半導體（ST）最先進(jìn)的 BCD 工藝也只到 65nm，國內士蘭微總投資 170 億元建設的兩條 12 英寸 90~65nm 特色工藝芯片生產(chǎn)線(xiàn)便已處于先進(jìn)水平，許多器件只需要 0.15~0.35μm 的工藝即可滿(mǎn)足性能要求。[15]

半導體器件工藝節點(diǎn)分布，圖源丨燕東微招股書(shū)

圖注丨 DAO 即 Discrete、 Analog、Optoelectronics，代表分立、模擬及光電 / 傳感器

當然，雖然造出功率半導體相對簡(jiǎn)單，但并不是說(shuō)它毫無(wú)技術(shù)含量，這種情況下反而對技術(shù)優(yōu)化、集成調整及功能等要求更高。

因此，在器件改良以外，業(yè)界瞄向了器件的根本 —— 材料。改變材料能夠顯著(zhù)提升全性能指標，其中寬禁帶半導體材料是非常適合制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成器件的材料。禁帶寬度是半導體材料一個(gè)重要特性參數，參數越大意味著(zhù)電子躍遷到導帶所需能量越大，材料能承受的溫度和電壓也會(huì )越高。[16]

功率半導體器件發(fā)展歷史，制表丨果殼硬科技團隊

參考資料丨《機車(chē)電傳動(dòng)》[17]、公開(kāi)資料

功率半導體的技術(shù)演進(jìn)方式，圖源丨基業(yè)長(cháng)青

根據半導體材料的能帶結構不同，可將半導體材料分為窄禁帶和寬禁帶兩種，2.3eV 帶隙寬度是區分寬窄的重要指標。窄帶隙半導體代表性材料有第一代半導體材料 Si（硅）、Ge（鍺）和第二代半導體材料 GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦），大于或等于 2.3eV 的寬帶隙半導體代表性材料有第三代半導體材料 GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）[18] 和研究中的第四代半導體材料氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）等。

需強調的是，新生的半導體材料在現階段不會(huì )完全取代之前代際的材料，均是對硅材料的一種重要補充。[19]

第一代~ 第四代半導體材料特性對比，制表丨果殼硬科技團隊

資料來(lái)源丨《硅酸鹽學(xué)報》[20]、集微網(wǎng)、公開(kāi)資料

SiC 和 GaN 是寬禁帶半導體材料發(fā)展比較成熟的材料，自 2001 年以來(lái)，SiC 二極管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等寬禁帶的第三代半導體產(chǎn)品相繼開(kāi)發(fā)成功并量產(chǎn) [21]。但彼時(shí)使用新材料的性?xún)r(jià)比較低，在長(cháng)達十余年里一直被冠以?xún)r(jià)格高昂的帽子，而后經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，器件成本逐漸下降、晶圓產(chǎn)能逐漸豐富，兩種材料在 TCO（總擁有成本）上優(yōu)勢逐漸凸顯，這一賽道開(kāi)始爆發(fā)，前景廣闊。

GaN 和 SiC 瞄準的領(lǐng)域各有不同，業(yè)界的普遍認為 GaN 功率半導體瞄準的耐壓區域比 SiC 功率半導體低幾十伏至六百伏 [10]，目前來(lái)說(shuō) GaN 主要應用在通信射頻、電力電子、LED 三大場(chǎng)景，SiC 主要應用在電力電子和通信射頻兩大領(lǐng)域。[22]

常見(jiàn)的 MOSFET 的應用領(lǐng)域，圖源丨 Rohm

SiC 和 GaN 是功率半導體行業(yè)的“福音”，幾乎所有巨頭都會(huì )摻上一腳。德州儀器（TI）向筆者解釋?zhuān)啾葌鹘y的硅器件，寬禁帶器件無(wú)疑是實(shí)現更高效率和更高功率密度方案的重要選擇，作為全球領(lǐng)先的半導體公司也從 2010 年開(kāi)始布局。

國產(chǎn)都有，但難以追趕

和計算芯片類(lèi)似，功率半導體企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式也分為兩種：

IDM 模式（Integrated Device Manufacture），即一體化模式，通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸與上下游整合，一家公司扛起造芯片的所有步驟；

Fabless 模式（特指垂直分工模式中設計一環(huán)），即企業(yè)自身沒(méi)有晶圓生產(chǎn)線(xiàn)，僅進(jìn)行芯片設計，最終生產(chǎn)通過(guò)定制化采購和代工完成。

半導體經(jīng)營(yíng)模式示意圖，圖源丨燕東微招股書(shū)

由于功率半導體不依賴(lài)先進(jìn)制程，更側重于打造特色平臺，并在工藝上精益求精，因此決定了功率半導體廠(chǎng)商在建廠(chǎng)和購買(mǎi)設備上投入相對小，因此從國際到國內大部分公司為 IDM 模式。目前全球功率半導體公司分為三個(gè)梯隊，第一梯隊為國際領(lǐng)先的大型半導體公司，第二梯隊為國內技術(shù)突破公司，第三梯隊為一些分立器件封裝企業(yè)。[23]

功率半導體的三個(gè)梯隊，圖源丨立昂微招股書(shū)

功率半導體擁有技術(shù)密集型屬性，對芯片設計、工藝流片、封裝測試、可靠性測試等環(huán)節銜接及質(zhì)量要求高，且研發(fā)周期長(cháng)、研發(fā)投入大，從設計至規?；斗磐枰獌赡暌陨?。與此同時(shí)，對技術(shù)儲備和人才儲備要求高。為推出比國內外競品更先進(jìn)、更具競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品，要精準把握行業(yè)發(fā)展趨勢，同時(shí)還要承擔產(chǎn)品升級迭代失敗的風(fēng)險。[24]

相對來(lái)說(shuō)，功率半導體是能滾雪球的賽道，持續精進(jìn)便可占據一席之地 [25]。據半導體風(fēng)向標分析，功率半導體行業(yè)波動(dòng)符合大宗商品走勢規律，4~5 年的行業(yè)波動(dòng)非常吻合半導體周期規律，產(chǎn)品與全球 GDP 走勢密切相關(guān)。[26]

現在，全世界很多半導體企業(yè)都在斥巨資研發(fā)和生產(chǎn)功率半導體。國際上德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）、英飛凌（Infineon）、意法半導體（ST）、東芝（Toshiba）、瑞薩電子（Renesas）、羅姆（Rohm）等企業(yè)都在為奪取功率半導體的市場(chǎng)霸權而卯足了勁。

從數據來(lái)看，功率半導體市場(chǎng)增速也較為可觀(guān)。Mordor Intelligence 數據顯示，2020 年全球功率半導體市場(chǎng)規模為 379.0 億美元，預計到 2026 年全球功率半導體市場(chǎng)規模將達到 460.2 億美元，年復合增長(cháng)率為 3.17%。[27]

功率半導體細分市場(chǎng)包括功率器件（即分立器件和功率模塊）和功率 IC 兩方面，有些公司會(huì )全部包攬，有些公司會(huì )專(zhuān)注集成度更高的功率 IC。

● 功率器件市場(chǎng)

當前功率器件市場(chǎng)仍由分立器件主導，但未來(lái)幾年功率模塊份額將顯著(zhù)增加。到 2026 年，電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)電機和家用電器將推動(dòng)功率模塊市場(chǎng)達到近 100 億美元。分立式功率器件主要用于低功率應用，如低功率電機驅動(dòng)器、光伏微型逆變器和住宅組串式光伏逆變器、汽車(chē)輔助系統、DC / DC 轉換器和車(chē)載充電器等，高功率應用將更多使用功率模塊，但高效率要求使對組件和技術(shù)的需求更加多樣化。[28]

2020 年~2026 年功率半導體市場(chǎng)，圖源丨 Yole

Yole 指出，功率器件中 MOSFET、IGBT 及 SiC 技術(shù)是至關(guān)重要的三個(gè)領(lǐng)域。IGBT 和 SiC 功率模塊主要用于電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力渦輪機、光伏、儲能和電動(dòng)汽車(chē)直流充電器等應用，主要由高系統功率趨勢驅動(dòng)。整體來(lái)看，目前硅基功率器件仍會(huì )占據整個(gè)功率半導體市場(chǎng)的半壁江山，但隨著(zhù)需求量提升，寬禁帶器件在未來(lái)會(huì )有長(cháng)足的增長(cháng)。

按設備拆分的 2020 年~2026 年功率半導體，圖源丨 Yole

相較國際，國內功率半導體起步較晚，主要通過(guò)引進(jìn)技術(shù)后逐步創(chuàng )新，提升國產(chǎn)化。目前，國內功率半導體行業(yè)取得了很大的發(fā)展，但在高端器件設計和制造方面與國際領(lǐng)先產(chǎn)品存在差距。

二級市場(chǎng)方面，功率半導體概念股已形成規模，企業(yè)數量較多，其中多數為 IDM 模式。在產(chǎn)品方面，大多企業(yè)既生產(chǎn)功率半導體分立器件也生產(chǎn)功率模塊，一些企業(yè)也會(huì )生產(chǎn)功率 IC。除此之外，布局第三代半導體材料功率半導體已成為二級市場(chǎng)共識。

國內功率半導體上市代表公司，制圖丨果殼硬科技團隊

再縱觀(guān) 2022 年 Q1 融資情況，百億美元市場(chǎng)吸引了不少新晉玩家。不過(guò)這些企業(yè)只有少數選擇了傳統的硅基功率器件領(lǐng)域，基本一致看好 SiC、GaN 賽道，且大部分處于 A 輪融資階段。

2022 年 Q1 功率半導體相關(guān)融資公司，制表丨果殼硬科技團隊

硅基功率 MOSFET 和 IGBT 器件領(lǐng)域，國內與國際先進(jìn)水平差距明顯：MOSFET 器件，以平面工藝的 VDMOS 為主，缺乏高元胞密度的低功耗功率器件，國際上熱門(mén)超結器件在國內尚處于研發(fā)階段，芯片產(chǎn)業(yè)化以中小功率（100～500V/≤30A）為主，批量生產(chǎn)單管已在消費電子領(lǐng)域得到廣泛應用，600V～900V 的芯片正在開(kāi)發(fā)中；IGBT 器件，模塊封裝技術(shù)有所提升，國產(chǎn)芯片的 600V、1200V、1700V / 200A~2000A 的 IGBT 模塊已投入使用，3300V、4500V、6500V / 600A~1500A 的 IGBT 模塊進(jìn)入中試階段，有少量樣品正在試用。[29]

SiC 和 GaN 寬禁帶功率器件方面與國際先進(jìn)國家相比，研發(fā)基礎較為薄弱，產(chǎn)業(yè)化還處于初始階段，但在襯底、外延片、器件 / 模塊上均有相關(guān)企業(yè)布局。

SiC 產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)企業(yè)，圖源丨天風(fēng)證券 [30]

GaN 產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)企業(yè)，圖源丨天風(fēng)證券 [30]

據 CASA（第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟）數據，2020 年國內功率器件市場(chǎng)規模約為 3002.6 億元，SiC、GaN 電力電子器件市場(chǎng)規模約為 46.8 億元，SiC、GaN 電力電子滲透率約為 1.56%，至 2025 年，SiC、GaN 電力電子器件應用市場(chǎng)將以 45% 的年復合增長(cháng)率增長(cháng)至近 300 億元。[31]

2016 年~2025 年我國 SiC、GaN 電力電子器件應用市場(chǎng)規模（億元），圖源丨 CASA

● 功率 IC 市場(chǎng)

功率 IC 方面，入門(mén)門(mén)檻不算高，但對企業(yè)的持續研發(fā)能力要求高。據與非研究院統計，功率 IC 在全球功率半導體消費中占比超過(guò) 50%，2021 年全球功率 IC 市場(chǎng)規模為 305 億美元，預計 2022 年將保持穩定，而國內功率 IC 廠(chǎng)商約為 160 家。[32]

另?yè)局\研究數據，2021 年中國功率 IC 大部分公司營(yíng)收大幅增長(cháng)，部分公司營(yíng)收增長(cháng) 100% 以上，矽力杰、晶豐明源、士蘭微、富滿(mǎn)微電子、圣邦微電子、上海南芯、明微電子、上海貝嶺、艾為電子、必易微電子的 2021 年功率 IC 營(yíng)收排名國內前十。[33]

2021 年中國前 10 大功率 IC 公司營(yíng)收和增速，圖源丨芯謀研究

總結來(lái)說(shuō)，國產(chǎn)在功率半導體市場(chǎng)一直都有平替產(chǎn)品，但相比國外仍有差距，在地緣政治摩擦頻發(fā)和功率半導體相關(guān)背景條件下，國產(chǎn)替代正在加速。由于 SiC 和 GaN 整體成本仍然比硅基功率半導體上有差距，MOSFET、IGBT 分立器件和模組仍然會(huì )是 3~5 年內的主流和增長(cháng)亮點(diǎn)，不過(guò)在 5G、新能源、智能化汽車(chē)拉動(dòng)下，SiC 和 GaN 市場(chǎng)前景極佳。

References：

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• [2] 每財網(wǎng)：漲價(jià)！功率半導體烈火烹油！| 行業(yè)縱覽.2022.4.14.https://mp.weixin.qq.com/ s / bB8Y2vKKIUVk8Gpe-XSeLA

• [3] 01 芯聞：功率半導體高估值哪里來(lái)？碳化硅、氮化鎵和無(wú)晶圓模式也許是答案.2021.11.15.https://mp.weixin.qq.com/ s / zhTXHSWTEJlrCOw9K-ooDw

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• [5] AI 電堂：科普｜功率半導體分立器件基礎知識了解一下？.2021.11.9.https://mp.weixin.qq.com/ s / MyC4N5gtldyXtqZe2VajGw

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