功率半導體“放量年”，IGBT、MOSFET與SIC的思考

4月24日，東芝電子元器件及存儲裝置株式會(huì )社宣布，在石川縣能美市的加賀東芝電子公司舉行了一座可處理300毫米晶圓的新功率半導體制造工廠(chǎng)的奠基儀式。該工廠(chǎng)是其主要的分立半導體生產(chǎn)基地。施工將分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段的生產(chǎn)計劃在2024財年內開(kāi)始。東芝還將在新工廠(chǎng)附近建造一座辦公樓，以應對人員的增加。

此外，今年2月下旬，日經(jīng)亞洲報道，東芝計劃到2024年將碳化硅功率半導體的產(chǎn)量增加3倍以上，到2026年增加10倍。而據日媒3月16日最新消息，東芝又宣布要增加SiC外延片生產(chǎn)環(huán)節，布局完成后將形成：外延設備+外延片+器件的垂直整合模式。

除了東芝，國內外代表企業(yè)如英飛凌、安世半導體等也在通過(guò)適時(shí)的投資和研發(fā)來(lái)擴大其功率半導體業(yè)務(wù)并提高競爭力，功率半導體市場(chǎng)在今年步入放量之年。

壹
功率半導體品類(lèi)多，MOSFET和IGBT為主流

公開(kāi)資料顯示，功率半導體器件又被稱(chēng)為電力電子器件，是電力電子技術(shù)的基礎，也是構成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件各代產(chǎn)品特點(diǎn)及市場(chǎng)狀況如下圖所示：

資料來(lái)源：新潔能財報截圖

功率器件發(fā)展至今，按照類(lèi)別的不同，功率半導體逐漸形成了功率IC和功率器件兩大類(lèi)。其中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開(kāi)關(guān)器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開(kāi)關(guān)器件，具有易于驅動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快、損耗低等特點(diǎn)，逐漸成為功率器件的主流產(chǎn)品，目前二者合計市場(chǎng)占比約七成。

從全球功率半導體下游應用分布來(lái)看，業(yè)界指出，汽車(chē)、工業(yè)和消費電子為主要的需求來(lái)源，三者連續多年合計占比在75%以上。

以下主要簡(jiǎn)單解析IGBT、MOSFET的發(fā)展情況，以及SiC加持下帶來(lái)的變局。

貳
供不應求，國產(chǎn)IGBT市場(chǎng)黃金期到來(lái)

2022年中國IGBT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期，在經(jīng)歷了2020年始的兩年汽車(chē)缺芯后，IGBT愈發(fā)緊俏，在2022年下半年，其甚至超越車(chē)用MCU，成為影響汽車(chē)擴產(chǎn)的最大掣肘。

此后隨著(zhù)新能源汽車(chē)的發(fā)展，IGBT成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展焦點(diǎn)。中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )最新統計顯示，2022年中國新能源汽車(chē)持續爆發(fā)式增長(cháng)，產(chǎn)銷(xiāo)分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)96.9%和93.4%，連續8年保持全球第一。

IGBT作為新能源汽車(chē)核心零部件，需求量有增無(wú)減。今年IGBT芯片廠(chǎng)商英飛凌、意法半導體、安森美等交期不斷拉長(cháng)。業(yè)界2月預計，ST（意法半導體）、Microsemi（美高森美）、Infineon（英飛凌）、IXYS（艾賽斯）、Fairchild（仙童半導體）這5大品牌的IGBT Q1與2022年Q4的交期基本維持一致，交期依舊緊張，最長(cháng)為54周。

具體來(lái)看，在2023年第一季度中，ST的IGBT 貨期為47-52周，Microsemi的IGBT 貨期為42-52周，IXYS的IGBT 貨期為50-54周，Infineon的IGBT 貨期為39-50周，Fairchild的IGBT 貨期為39-52周。不過(guò)，這5大品牌的貨期趨勢和價(jià)格趨勢都呈穩定狀態(tài)，沒(méi)有上升的趨勢。

海外歐美電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)正處于高速增長(cháng)期，在英飛凌、意法半導體、安森美等大廠(chǎng)優(yōu)先保障本土供應情況下，國產(chǎn)IGBT廠(chǎng)商在車(chē)載IGBT領(lǐng)域的替代進(jìn)程加速。

我國許多代表企業(yè)不斷加強IGBT技術(shù)研發(fā)，如2022年上半年，斯達半導公司基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術(shù)研發(fā)出的新一代車(chē)規級650V/750V IGBT芯片通過(guò)客戶(hù)驗證，在2022年下半年開(kāi)始批量供貨；士蘭微則在2022年順應新能源發(fā)展潮流，通過(guò)定增融資切入車(chē)規級IGBT模塊以及SiC MOSFET領(lǐng)域，其推出的車(chē)規級IGBT等產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)驗證，并已批量交貨上車(chē)。

公開(kāi)資料顯示，自2021年底起，時(shí)代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠(chǎng)商的IGBT產(chǎn)能相繼開(kāi)出，企業(yè)營(yíng)收也在攀升。同時(shí)，結合我國已經(jīng)公布2022年財報的各大企業(yè)數據看，營(yíng)收超過(guò)百億的功率器件企業(yè)有時(shí)代電氣（180.34億元）和華潤微（100.60億元）。以?xún)衾麧檨?lái)看，華潤微、時(shí)代電氣超過(guò)20億元。其中值得關(guān)注的是，在功率器件行業(yè)，多家企業(yè)雖然營(yíng)收較為靠后，但是凈利卻排名較高，比如揚杰科技、斯達半導、捷捷微電、新潔能、芯導科技等，這些功率器件企業(yè)表現更強的盈利能力。

叁
MOSFET營(yíng)收大幅增長(cháng)，盈利值得期待

MOSFET器件具有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好等特點(diǎn)，廣泛應用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應用最多的功率器件之一。

隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化開(kāi)啟，中高壓MOEFET開(kāi)始廣泛應用于汽車(chē)的DC-DC、OBC等中壓電動(dòng)部分以協(xié)助完成電能的轉換與傳輸，單車(chē)平均用量提升至200個(gè)以上；此外，隨著(zhù)汽車(chē)智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂(lè )等功能均需使用MOSFET，根據英飛凌數據，未來(lái)中高端車(chē)型中MOSFET單車(chē)用量將有望增至400個(gè)。

新能源汽車(chē)加速邁進(jìn)，同時(shí)，以瑞薩為代表的大廠(chǎng)逐步退出中低壓MOSFET部分市場(chǎng)，在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅動(dòng)下，國產(chǎn)車(chē)規級功率器件廠(chǎng)商開(kāi)始加速進(jìn)入汽車(chē)供應鏈。

從市場(chǎng)情況看，目前士蘭微、安世半導體在全球MOSFET市場(chǎng)份額上不斷擴大。此外，華潤微、揚杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導、捷捷微電等國內廠(chǎng)商近年來(lái)也在車(chē)規級MOSFET領(lǐng)域持續發(fā)展。

具體來(lái)看，以士蘭微、華潤微、揚杰科技為代表的IDM公司已覆蓋高壓超結產(chǎn)品，并逐步擴大產(chǎn)品占有率：士蘭微已完成12英寸高壓超結MOS工藝平臺開(kāi)發(fā)；華潤微2022年Q1高壓超結產(chǎn)品收入超億元；揚杰科技2022年Q1汽車(chē)MOS訂單實(shí)現大幅增長(cháng)。

肆
SiC加碼，IGBT、MOSFET市場(chǎng)迎變局

當下功率半導體市場(chǎng)中IGBT和MOSFET仍然占據主流，后來(lái)者SiC相比Si基產(chǎn)品，具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強、高熱導率三個(gè)最顯著(zhù)特征，基于其巨大的發(fā)展潛力，國內外諸多廠(chǎng)商近年來(lái)爭布局SiC產(chǎn)業(yè)鏈。

TrendForce集邦咨詢(xún)在最新發(fā)布的調研報告中預測，隨著(zhù)安森美、英飛凌等與汽車(chē)、能源企業(yè)合作項目的不斷增多，碳化硅功率器件的前兩大應用為新能源汽車(chē)與再生能源領(lǐng)域，分別在2022年已達到10.9億美元及2.1億美元，占碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值約67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值將達到22.8億美元，年增長(cháng)41.4%。

TrendForce集邦咨詢(xún)預測，至2026年，碳化硅功率器件市場(chǎng)產(chǎn)值可望達到53.3億美元。主流應用仍倚重電動(dòng)汽車(chē)及再生能源，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)值可達39.8億美元，年復合增長(cháng)率約38%；再生能源達4.1億美元，年復合增長(cháng)率約19%。

隨著(zhù)SiC的高速發(fā)展，關(guān)于“SiC替代IGBT”的論斷不斷。筆者認為，替代是一種趨勢，但無(wú)論是從使用場(chǎng)景還是成本價(jià)格方面看，SiC可能不會(huì )完全替代IGBT，未來(lái)兩者有望共同發(fā)展。

根據市場(chǎng)使用情況看，SiC非常適合高頻、高壓等應用場(chǎng)景，在600–1,700V范圍應用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢，尤其是新能源汽車(chē)領(lǐng)域，傳統硅基IGBT芯片在高壓快充車(chē)型中已經(jīng)達到了材料的物理極限，所以新能源汽車(chē)開(kāi)始紛紛擁抱SiC。

但是，SiC晶體管的劣勢在于，其價(jià)格相對較高，SiC生產(chǎn)過(guò)程也更加復雜。

從碳化硅生產(chǎn)步驟看，其材料合成、生成籽晶步驟技術(shù)均相對成熟，問(wèn)題主要出現在晶體生長(cháng)上和切割上。SiC晶體生長(cháng)的速度緩慢，生長(cháng)速率為0.2-1mm/小時(shí)，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時(shí)間；此外，切割環(huán)節也非常容易損耗，由于碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過(guò)程耗時(shí)久，易裂片。一般而言，硅片的切割只需要幾個(gè)小時(shí)，而SiC則需要數百小時(shí)。

碳化硅總體生產(chǎn)的成本對比Si均較高，SiC晶體管也存在一些缺點(diǎn)，比如容易受到損壞、溫度敏感等問(wèn)題。綜合這些特點(diǎn)來(lái)看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應用場(chǎng)景。

而對比SiC，IGBT顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢便是成本低，畢竟成本決定著(zhù)市場(chǎng)。與此同時(shí)，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因為IGBT的結構相對簡(jiǎn)單，故障率較低。同時(shí)，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過(guò)壓能力，適用于大功率、大電流的應用場(chǎng)景。譬如在DC-DC這種對環(huán)境要求不是很高、對重量和空間要求也不高的充電樁領(lǐng)域，想要替代成本最具優(yōu)勢的IGBT有很大的難度。

近期特斯拉表示將在不損害汽車(chē)性能和效率的前提下，在下一代電動(dòng)汽車(chē)平臺縮減75% SiC用量，這是特斯拉提供的關(guān)于新車(chē)計劃的少數硬性細節之一，由此引發(fā)了業(yè)界的各種猜測。

據TrendForce集邦咨詢(xún)了解，SiC可靠性以及供應鏈的穩定性確實(shí)令特斯拉信心不足，過(guò)去幾年中曾因此出現過(guò)Model 3批量召回事件，當時(shí)特斯拉官網(wǎng)解釋為“后電機逆變器功率半導體元件可能存在微小的制造差異，其中部分車(chē)輛使用一段時(shí)間后元件制造差異可能會(huì )導致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏鳌?，這直接指向SiC。

此外，以襯底材料為關(guān)鍵的產(chǎn)能緊缺情況已成為困擾整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題，Wolfspeed、Infineon、ST等主要廠(chǎng)商正在大舉擴充產(chǎn)能，特斯拉亦在尋求多元化供應商方案，以防備供應鏈風(fēng)險。

不可否認的是，SiC仍是電動(dòng)汽車(chē)制造商未來(lái)必須考慮的核心零部件，這包括特斯拉。因此，若考量到技術(shù)變革所帶來(lái)的影響，TrendForce集邦咨詢(xún)認為特斯拉下一代電動(dòng)汽車(chē)主逆變器將做出全新的封裝調整，可能包括SiC/ Si IGBT的混合封裝方案，這是工程設計層面的顛覆性創(chuàng )新，但充滿(mǎn)挑戰。