功率半導體介紹及分類(lèi),功率半導體技術(shù)挑戰和解決方案

功率半導體，又稱(chēng)電力電子器件或功率電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的一類(lèi)器件之一。能夠實(shí)現電能轉換和電路控制，在電路中主要起著(zhù)功率轉換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線(xiàn)路保護、逆變（直流轉交流）和整流（交流轉直流）等作用。 圖表 1：半導體分類(lèi)

數據來(lái)源：功率半導體器件標準化白皮書(shū)，華福證券研究所 功率半導體包括功率半導體分立器件（含模塊）以及功率 IC等。其中，功率半導體分立器件，按照器件結構劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。 圖表 2：各功率半導體市場(chǎng)份額占比

數據來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 據中商產(chǎn)業(yè)研究院數據，功率半導體分立器件中，以 MOSFET和IGBT為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。
從目前市場(chǎng)需求來(lái)看，硅基MOSFET、硅基IGBT以及碳化硅為目前功率半導體分立器件的主力產(chǎn)品。本文也將重點(diǎn)圍繞硅基MOSFET、IGBT和碳化硅等功率分立器件（含模塊）展開(kāi)分析和研究。 ? MOSFET，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、制造工藝簡(jiǎn)單和輻射強等優(yōu)點(diǎn)，通常被用于放大電路或開(kāi)關(guān)電路。MOSFET按照不同的工藝可分為平面型Planar MOSFET、溝槽型Trench MOSFET、屏蔽柵SGT MOSFET和超級結SJ MOSFET。按照導電溝道可分為 N溝道和P溝道，即N-MOSFET 和P-MOSFET。按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強型。 圖表 3：MOSFET實(shí)物及不同類(lèi)型MOSFET結構和性能比較

數據來(lái)源：Yole，公開(kāi)信息整理，華福證券研究所 隨著(zhù)MOSFET技術(shù)和工藝不斷成熟，成本將不斷下調。中高端產(chǎn)品也將逐漸向中低端產(chǎn)品下沉。比如 Trench MOSFET將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市場(chǎng)。SGT MOSFET將部分替代 Trench MOSFET的低壓應用市場(chǎng)，從中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未來(lái)三大主力產(chǎn)品。自上世紀70年代MOSFET 誕生以來(lái)，從平面MOSFET發(fā)展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到當下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET的技術(shù)迭代方向主要圍繞制程、設計（結構上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實(shí)現器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。 ? IGBT 俗稱(chēng)電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸的核心器件，由BJT和MOSFET組合而成，是一種全控型、電壓驅動(dòng)的功率半導體器件。IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導通時(shí)可以看做導線(xiàn)，斷開(kāi)時(shí)當做開(kāi)路。IGBT同時(shí)具有BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，即高輸入阻抗、低導通壓降、驅動(dòng)功率小而飽和壓降低等，IGBT與 BJT 或MOS管相比，其優(yōu)勢是它提供了一個(gè)比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的 MOS管輸入損耗。因此廣泛應用于直流電壓為600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路和牽引傳動(dòng)等場(chǎng)景。 圖表 4：IGBT實(shí)物及IGBT單管、模塊和IPM性能比較

數據來(lái)源：英飛凌，公開(kāi)信息整理，華福證券研究所 IGBT相比MOSFET，可在更高電壓下持續工作，同時(shí)需要兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的IGBT芯片，不僅僅需要在設計端不斷優(yōu)化器件結構，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要求。 圖表 5：IGBT 晶圓制造過(guò)程

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所

中國功率半導體發(fā)展現狀

產(chǎn)品由低端逐步走向中高端，國產(chǎn)替代空間廣闊。我國功率半導體產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，總體呈現產(chǎn)業(yè)鏈完整、廠(chǎng)家多、發(fā)展迅速等特點(diǎn)。截止2022年4月，中國功率半導體相關(guān)企業(yè)已超320家。主要分布在廣東（130 家）和江蘇（56 家）等東南沿海地區。 國產(chǎn)功率半導體已在眾多領(lǐng)域應用，特別是低端產(chǎn)品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓MOSFET（非車(chē)規）等，已初現“規?；?、國產(chǎn)化率相對較高”等特點(diǎn)。在中高端領(lǐng)域，如SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車(chē)規產(chǎn)品，由于起步晚、工藝相對復雜以及缺乏車(chē)規驗證機會(huì )等問(wèn)題，國內廠(chǎng)家依然在追隨海外廠(chǎng)家技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。但近年來(lái)，市場(chǎng)逐漸從依賴(lài)進(jìn)口向國內自給自足轉變，國產(chǎn)替代潛力大。
圖表 6：中國功率半導體發(fā)展路徑

數據來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 芯片進(jìn)口金額持續處于高位，功率半導體市場(chǎng)空間足夠大。據中國海關(guān)總署數據，2021年，中國進(jìn)口集成電路6354.8億個(gè)，同比增長(cháng)16.92%。全年進(jìn)口金額累計為4325.54億美元，同比增漲23.59%。中國為功率半導體消費大國，2021年中國功率半導體市場(chǎng)規模約為183億美元，同比增長(cháng)6.4%，預計2022年將進(jìn)一步增長(cháng)至191億美元。 圖表 7：2017-2022E 年中國功率半導體 市場(chǎng)規模（億美元）及增速預測

數據來(lái)源：Omdia，中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所

功率半導體前景廣闊

功率半導體應用前景廣闊，幾乎涵蓋了所有電子產(chǎn)業(yè)鏈。以MOSFET、IGBT 以及SiC MOSFET為代表的功率器件需求旺盛。根據性能不同，廣泛應用于汽車(chē)、充電樁、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、消費電子、軌道交通、工業(yè)電機、儲能、航空航天和軍工等眾多領(lǐng)域。
圖表 8：功率半導體的不同應用

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 據 Yole 數據預測，至 2025 年，全球功率半導體分立器件和模塊的市場(chǎng)規模將分別達到76億美元和113億美元。據中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數據，2023年中國大陸地區IGBT市場(chǎng)規模預計達到290.8億元，同比增長(cháng)11.6%。據中國半導體器件行業(yè)現狀深度分析與未來(lái)投資預測報告數據，2023年中國大陸地區 MOSFET市場(chǎng)規模將達到396.2億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7 計算），同比增長(cháng)4.8%。
圖表 9：中國市場(chǎng)IGBT和MOSFET市場(chǎng)規模預測 （億元，2020-2023E）

數據來(lái)源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院，中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，華福證券研究所 以MOSFET為例，據Yole預測，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場(chǎng)總規模預計將達到 94.8 億美元，復合增長(cháng)率達 3.8%（2020 年至 2026年）。
MOSFET 汽車(chē)應用（電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)充電樁）占比居首位，高達 33%，其中電動(dòng)汽車(chē)和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應用在 220V 系統中，占總需求的 35%。同時(shí)，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場(chǎng)滲透率在逐步提高。
圖表 10：2020 年和 2026 年全球 MOSFET 在各應用領(lǐng)域需求占比及增長(cháng)預測

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 2020 年以來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)、汽車(chē)充電樁和光伏逆變器可謂拉動(dòng)功率半導體增長(cháng)的三駕馬車(chē)。
? 電動(dòng)汽車(chē)：電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步滲透終端消費市場(chǎng)，帶動(dòng)功率器件和模塊需求快速增長(cháng)。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長(cháng)較為顯著(zhù)。據貝殼投研數據，2021年中國車(chē)規級 IGBT 市場(chǎng)規模為47.8億元，預計到2025年，其將達到151.6億元。據芯謀研究數據，2021年和2025年中國車(chē)規MOSFET的市場(chǎng)規模分別為73.5億元（10.5億美元，匯率按7計算）和122.5億元（預測數據，17.5億美元，匯率按7計算）。 圖表 11：中國車(chē)規級 IGBT 市場(chǎng)規模及增速

數據來(lái)源：貝殼投研，飛鯨投研，華福證券研究所 圖表 12：中國車(chē)規級 MOSFET 市場(chǎng)規模及增速

數據來(lái)源：芯謀研究，華福證券研究所 ? 充電樁：受益于新能源汽車(chē)快速增長(cháng)，與之配套的充電樁市場(chǎng)亦呈現快速發(fā)展態(tài)勢。據億渡數據預測，至2026年，中國充電設施市場(chǎng)規模將達2870.2億元，2022 年到2026年復合增長(cháng)率高達37.83%。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。 圖表 13：中國充電設施市場(chǎng)規模（億元）

數據來(lái)源：億渡數據，華福證券研究所 圖表 14：充電樁成本分解

數據來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 ? 光伏：據中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì )數據，至2025年，中國新增光伏裝機保守預測為90GW，同比增長(cháng)10%。據未來(lái)智庫數據預測，2025年中國光伏逆變器市場(chǎng)規模達196億元。
逆變器是光伏系統的心臟，中高壓MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著(zhù)光伏逆變器的性能高低，進(jìn)而直接影響光伏系統的穩定性、發(fā)電效率以及使用壽命。據中商產(chǎn)業(yè)研究院數據，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導體器件構成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。 圖表 15：中國新增光伏裝機預測（GW）

數據來(lái)源：中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì )，華福證券研究所 圖表 16：光伏逆變器成本分解

數據來(lái)源：中商情報網(wǎng)，華福證券研究所 綜上，在電動(dòng)汽車(chē)、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅動(dòng)下，功率器件有望穩健增長(cháng)，為千億賽道奠定堅實(shí)路基。

功率半導體快速增長(cháng)

汽車(chē)的百年史里，數次技術(shù)變革都極大的推動(dòng)了汽車(chē)消費和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，如發(fā)動(dòng)機控制、自動(dòng)變速、底盤(pán)、主被動(dòng)安全、通信及多媒體影音等技術(shù)。雖然這些技術(shù)給汽車(chē)的駕駛感受和舒適性都帶來(lái)了提升，但汽車(chē)能源供給方式、駕駛方式以及驅動(dòng)方式都沒(méi)有發(fā)生變化。 如今，傳統燃油車(chē)動(dòng)力和傳動(dòng)系統將被電動(dòng)車(chē)的大、小三電系統取代。自動(dòng)駕駛、線(xiàn)控底盤(pán)、網(wǎng)聯(lián)化和軟件化，車(chē)、路和云端協(xié)同等賦予了汽車(chē)新的定義和生命力。汽車(chē)已不再單單是一個(gè)載客的交通工具，而是被定義為一個(gè)智能科技終端、可以在其中工作和休閑的第三移動(dòng)空間.

電動(dòng)汽車(chē)加速滲透，IGBT、MOSFET 最先受益

電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的最重要載體和代表，是承載先進(jìn)汽車(chē)科技的代名詞，也逐漸成為消費者選擇的主流。而中國已成為引領(lǐng)全球電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的最大的新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)市場(chǎng)。2016 年中國電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)滲透率僅有1%。而在疫情等外界因素影響之下，2022 年前三季度中國電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)滲透率已經(jīng)達到 24%，實(shí)現了飛躍式增長(cháng)。
圖表 17：2016至2022Q1-Q3中國電動(dòng)汽車(chē)滲透率走勢（%）

數據來(lái)源：麥肯錫，華福證券研究所 2022年1-9月份，全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量再創(chuàng )新高，達726 萬(wàn)輛，同比增長(cháng)67.56%。其中歐洲銷(xiāo)售166萬(wàn)輛，同比增長(cháng)6.68%；美國銷(xiāo)量快速提升，達72萬(wàn)輛，同比增長(cháng)59.67%；中國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量繼續領(lǐng)跑全球，銷(xiāo)量達到 400多萬(wàn)輛，同比增長(cháng)110%。全球新能源汽車(chē)累計銷(xiāo)量突破 2500 萬(wàn)輛。
2022年1-12月份，中國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量共 688.7萬(wàn)輛，同比2021年增加1倍?？梢?jiàn)，即使上半年疫情影響帶來(lái)的供應鏈中斷、動(dòng)力電池上游原材料漲價(jià)以及多數汽車(chē)芯片依然緊缺的形勢下，新能源汽車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)熱情不減。如比亞迪增長(cháng)最為顯著(zhù)，全年累計銷(xiāo)售 186.85 萬(wàn)輛，同比增長(cháng)152.5%，其中純電車(chē)型銷(xiāo)量突破91.1萬(wàn)輛。 圖表 18：2022年1-9月，全球各國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量

數據來(lái)源：中國汽車(chē)論壇，華福證券研究所 圖表 19：2013-2022年中國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量（萬(wàn)輛）

數據來(lái)源：中汽協(xié)，華福證券研究所 車(chē)載功率半導體穩健發(fā)展，離不開(kāi)高壓平臺應用的助推。整車(chē)動(dòng)力電池電壓平臺有望將逐漸從現有的400V升級到 800V系統，以滿(mǎn)足消費者對電動(dòng)汽車(chē)的長(cháng)續航、快速充電等期待，而這將對功率半導體的性能參數提出了更高的要求，中高壓功率器件如SJ MOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET將會(huì )在車(chē)端大量應用，其單車(chē)價(jià)值量有望繼續提升。
據半導體行業(yè)縱橫數據，混動(dòng)和純電動(dòng)汽車(chē)上功率半導體價(jià)值量分別占單車(chē)半導體總價(jià)值的40%和55%。據英飛凌統計數據，純電動(dòng)汽車(chē)半導體價(jià)值量預估在1000美元左右，而功率半導體達550-600美元左右。而車(chē)載功率半導體中最具代表的即 IGBT 和MOSFET。 圖表 20：全球及中國部分 800V 系統車(chē)型 及上市時(shí)間

數據來(lái)源：佐思汽研，華福證券研究所 車(chē)規功率半導體需求強勁，電動(dòng)化與高壓化是兩大重要推動(dòng)力。隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化、高壓化逐步滲透，功率半導體在電動(dòng)汽車(chē)上單車(chē)價(jià)值量有望進(jìn)一步提高。
? 在傳統燃油車(chē)上，單車(chē)功率半導體價(jià)值量在71美元左右。且主要以中、低壓MOSFET應用為主，比如在車(chē)門(mén)、車(chē)窗、座椅調節、后視鏡、儀表、影音、HUD、自動(dòng)啟停、雨刷、天窗、轉向ECU、制動(dòng)ECU、安全氣囊、空調電動(dòng)水泵、座艙儀表燈、前后視大燈驅動(dòng)等涉及電機等應用場(chǎng)景大量使用。MOSFET單車(chē)用量超100 顆。比如單個(gè)轉向ECU中使用數量達8顆。平均單價(jià)2-10元人民幣不等。 ? 電動(dòng)汽車(chē)包括純電動(dòng)，插電混動(dòng)，混動(dòng)（中混和強混）等。在此類(lèi)汽車(chē)上，電機驅動(dòng)、照明、熱管理、電動(dòng)汽車(chē)主驅逆變器、DC/DC、升壓器和OBC（車(chē)載充電器）等產(chǎn)品將依據各自的工作功率大小，選擇不同的功率半導體器件。高、中、低壓硅基MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET均有廣泛使用。
圖表 21：功率半導體在電動(dòng)汽車(chē)上的應用

數據來(lái)源：Yole，英飛凌，華福證券研究所 不同類(lèi)型的功率半導體分立器件和模塊，在汽車(chē)上都能找到應用的落腳點(diǎn)。車(chē)載功率半導體種類(lèi)多，在做選型時(shí)，成本和效率是最關(guān)鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結合系統效率和成本最終設計出一套最優(yōu)方案。功率半導體分立器件和模塊根據在車(chē)上不同的系統應用，則選用不同規格的器件。
由此可見(jiàn)，功率半導體在電動(dòng)汽車(chē)上應用場(chǎng)景非常廣泛。不同種類(lèi)，不同規格的產(chǎn)品都能匹配到不同的系統應用。電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量穩健增長(cháng)，最先獲益的有望是當前具代表性的功率半導體——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。

加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)驗證，重塑車(chē)規競爭格局

海外廠(chǎng)家依然是供貨主體，本土企業(yè)份額有望持續擴大。由于車(chē)規芯片對可靠性、安全性、試驗等要求相對苛刻，且汽車(chē)行業(yè)供應鏈相對封閉，車(chē)規功率半導體國產(chǎn)化率一直以來(lái)比較低。歐、美、日等地的廠(chǎng)家憑借多年的技術(shù)積累和先進(jìn)的制造能力等占據著(zhù)市場(chǎng)主導地位。
據Omdia數據，英飛凌和安森美穩居全球功率半導體銷(xiāo)售額第一和第二的位置，而其后排名相對動(dòng)態(tài)。日本在全球功率半導體前十的榜單中占據五席，實(shí)力非常強勁。安世半導體是國內為數不多的被列入全球第一梯隊的功率半導體廠(chǎng)家，2021年排名第八，相比2019年上升一名。 圖表 22：全球前十大功率半導體廠(chǎng)商排名 （億元，人民幣與美元匯率按7計算）

數據來(lái)源：Omdia，芯智訊，華福證券研究所 ? 英飛凌——全球功率半導體龍頭。英飛凌引領(lǐng)全球功率半導體市場(chǎng)，其功率半導體出貨量占全球總市場(chǎng)近 40%，已經(jīng)連續多年居首位。國內多數車(chē)廠(chǎng)都采用英飛凌方案，特別是用于主驅逆變器里的 IGBT 單管和模塊。同時(shí)也有不少做模塊封裝的廠(chǎng)家從英飛凌采購晶圓。
英飛凌在車(chē)載 IGBT 產(chǎn)品上取得的不菲成績(jì)離不開(kāi)其多年持續的研發(fā)投入、技術(shù)創(chuàng )新、戰略投資和并購、與供應鏈上下游深度合作以及超前的戰略眼光和對市場(chǎng)未來(lái)發(fā)展趨勢的精準預判。 ? 安森美——穩坐功率半導體第二把交椅。功率半導體一直占據安森美總營(yíng)收的半壁江山。汽車(chē)為安森美最大營(yíng)收來(lái)源，2022 年第四季度汽車(chē)收入達9.89億美元，占總營(yíng)收的47.01%，同比增長(cháng)54%，創(chuàng )下新記錄。 美歐日等國功率半導體企業(yè)具備技術(shù)、產(chǎn)能、體系、人才和管理等眾多優(yōu)勢，市場(chǎng)地位依然穩固。而中國作為全球最大功率半導體消費市場(chǎng)，近年來(lái)發(fā)展勢頭良好。截止 2022 年 4 月份，相關(guān)企業(yè)超 300 家，產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，其中不乏一些技術(shù)實(shí)力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企業(yè)。
圖表 23：中國功率半導體產(chǎn)業(yè)鏈

數據來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，蓋世汽車(chē)，華福證券研究所 以安世半導體、比亞迪半導體、斯達半導、中車(chē)時(shí)代電氣和士蘭微等為代表的功率半導體企業(yè)，在技術(shù)沉淀、車(chē)規認證、制造工藝、試驗測試、技術(shù)支持、體系搭建、上車(chē)批量驗證、問(wèn)題解決以及產(chǎn)能提升和人才培養方面都積累了寶貴經(jīng)驗。
圖表 24：中國功率半導體代表企業(yè)銷(xiāo)售額（億元）

數據來(lái)源：新潔能官網(wǎng)，ittbank，華福證券研究所 在車(chē)規功率半導體中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。
? 車(chē)規MOSFET：車(chē)規MOSFET不論在燃油車(chē)上還是電動(dòng)車(chē)上，應用非常廣泛，且MOSFET產(chǎn)品主要被海外企業(yè)壟斷。 自2020年以來(lái)，海外頭部供應商都相繼面臨產(chǎn)能緊張、漲價(jià)和斷供等問(wèn)題。此時(shí)，對于一直在等候卻缺乏合適契機進(jìn)入車(chē)載領(lǐng)域的本土廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，正是切入汽車(chē)供應鏈的絕佳時(shí)機。經(jīng)過(guò)兩年的蓄勢，國內部分相關(guān)企業(yè)在上車(chē)批量供貨的同時(shí)，同步在加快新的車(chē)規MOSFET的研發(fā)和驗證。低壓 MOS——主要以40V，60V，100V Planar平面型、Trench溝槽型和SGT屏蔽柵MOSFET為主。因為單車(chē)用量大、應用場(chǎng)景多且復雜，自2021年以來(lái)，市場(chǎng)缺貨嚴重。中壓 SGT MOSFET：車(chē)規級SGT MOSFET工作電壓范圍通常在30V-250V之間的MOSFET產(chǎn)品，其中中壓（100V-250V）一般并聯(lián)多個(gè)MOSFET單管用于A(yíng)00級小型電動(dòng)汽車(chē)或中混車(chē)輛（動(dòng)力電池電壓在 200V 上下）的主驅逆變器、OBC、DC/DC、空調壓縮機等零部件當中起到逆變、整流等作用。高壓 SJ MOSFET，車(chē)規級SJ MOSFET工作電壓通常在 650V-900V，主要用于當前廣泛搭載的400V動(dòng)力電池平臺汽車(chē)的主驅逆變器、OBC、DCDC 和 PTC等產(chǎn)品上。
? 車(chē)規 IGBT：IGBT通常分為單管、模塊和IPM模塊。全球車(chē)載IGBT和MOSFET一樣，主要被美歐日等國家的廠(chǎng)家壟斷。如英飛凌、安森美、富士電機、三菱電機和賽米控等。其中，英飛凌占據車(chē)規 IGBT 主要市場(chǎng)份額，英飛凌最早在2007年推出車(chē)規級IGBT模塊——HybridPACK系列。在國內市場(chǎng)，比亞迪、斯達半導和時(shí)代電氣穩居前十。 IGBT已發(fā)展至第七代，英飛凌作為IGBT龍頭，其技術(shù)早在2018年已經(jīng)迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技術(shù)基礎上針對大功率、高開(kāi)關(guān)頻率等需求進(jìn)行的設計優(yōu)化。不同代差對應不同的器件設計，也對應著(zhù)不同的器件性能和應用場(chǎng)景。目前國內多數廠(chǎng)家已經(jīng)發(fā)展到了等同英飛凌的第四代和第五代技術(shù)，而第四、五代IGBT 也正好是目前車(chē)規 IGBT 應用的主流技術(shù)。 圖表 25：IGBT 技術(shù)迭代

數據來(lái)源：智研咨詢(xún)，EETOP，中慧智庫，華福證券研究所 功率半導體器件或模塊是電機控制器的心臟。電機控制器、電機和減速器一起組成電動(dòng)汽車(chē)的電力驅動(dòng)總成。其中，電機控制器是功率半導體器件和模塊的重要應用領(lǐng)域，其主要用途是將動(dòng)力電池輸出的直流電轉換成驅動(dòng)電機所需要的三相交流電。
電機控制器由功率半導體器件或模塊、電容、驅動(dòng)電路板和控制電路板等零部件組成。其中功率半導體器件或模塊占總成本的 37%左右，是電機控制器最為核心的零部件之一。
圖表 26：電驅動(dòng)總成示意圖和電機控制器成本分解

數據來(lái)源：RIO 電驅動(dòng)，華福證券研究所 由于電機控制器是功能安全件，通常消費級或工規級的功率半導體器件和模塊不滿(mǎn)足上車(chē)條件。因此長(cháng)期以來(lái)，電機控制器中的功率半導體器件和模塊一直依賴(lài)進(jìn)口。
近年來(lái)，電機控制器格局發(fā)生變化，本土電機控制器廠(chǎng)家市場(chǎng)份額快速增長(cháng)，這讓國產(chǎn)功率半導體擁有更多驗證和上車(chē)機會(huì )，國產(chǎn)功率半導體市場(chǎng)份額將有望進(jìn)一步擴大。2022 年 Q1，斯達半導、比亞迪半導體和時(shí)代電氣市占率分別穩居國內市場(chǎng)第二、第三和第五，分別占比16.4%、14.5%和9%。
圖表 27：2022年Q1中國新能源汽車(chē)功率模塊市場(chǎng)競爭格局

數據來(lái)源：智研咨詢(xún)，華福證券研究所 本土電機控制器廠(chǎng)商引領(lǐng)市場(chǎng)，對車(chē)載功率半導體競爭格局有著(zhù)積極影響。2022年，排名前20的電控廠(chǎng)家中，本土廠(chǎng)家占據12席。包括5家整車(chē)廠(chǎng)自制企業(yè)、9家本土第三方非自制企業(yè)（包括聯(lián)合電子）以及6家海外廠(chǎng)家（包括日本的電裝、電產(chǎn)、三菱、日立等四家、法國法雷奧和美國博格華納）。包括整車(chē)企業(yè)在內（除特斯拉外），總共有14 家本土企業(yè)入圍前 20，占比7成。 圖表 28：2022 年 xEV 電控供應商供貨量分布（萬(wàn)套）

數據來(lái)源：NE 時(shí)代（曲線(xiàn)代表市場(chǎng)集中度累計比例），華福證券研究所 國產(chǎn)電控引領(lǐng)市場(chǎng)，有望助力國產(chǎn)功率半導體上車(chē)。目前國內電控產(chǎn)品競爭相對充分，且由本土廠(chǎng)家引領(lǐng)。而國內企業(yè)在電控市場(chǎng)上份額的提升，則有望助力國產(chǎn)功率半導體上車(chē)。原因如下：
1）供應鏈安全考慮：當功率半導體缺貨時(shí)，為保證供應鏈安全，車(chē)廠(chǎng)通常采取一品多點(diǎn)采購戰略，即一個(gè)電控產(chǎn)品，多家功率半導體供應商按照與車(chē)廠(chǎng)約定好的份額供貨。對車(chē)廠(chǎng)而言，國產(chǎn)功率半導體通常是此時(shí)的選項之一；
2）電控廠(chǎng)家成本控制需要：國產(chǎn)功率半導體成本相比進(jìn)口器件具備一定優(yōu)勢。特別是A00級和A0級這類(lèi)電動(dòng)車(chē)，其對整車(chē)成本控制要求相對較高，國產(chǎn)功率半導體應用較為廣泛。國內電控廠(chǎng)家在面臨海外競爭者壓力的時(shí)候，成本是其核心優(yōu)勢之一。功率半導體作為電控中占比最高的核心器件，國內電控廠(chǎng)家在獲取整車(chē)廠(chǎng)項目的時(shí)候，通常也會(huì )偏愛(ài)選用同樣具有成本優(yōu)勢的國產(chǎn)功率半導體。
3）多數國內車(chē)廠(chǎng)和電控廠(chǎng)家加強和國內功率半導體廠(chǎng)家合作，通過(guò)投資或戰略合作或成立合資公司的方式，形成優(yōu)勢互補，共同開(kāi)發(fā)功率半導體產(chǎn)品。這將對國產(chǎn)功率半導體上車(chē)應用起著(zhù)很強推動(dòng)作用。 缺芯緩解過(guò)后，功率半導體的“技術(shù)和成本”或成核心主線(xiàn)。隨著(zhù)缺芯緩解，海外頭部廠(chǎng)家產(chǎn)能恢復，國內廠(chǎng)家或面臨一定程度上的市場(chǎng)競爭。如何突破重圍，長(cháng)期來(lái)看，技術(shù)提升和持續成本優(yōu)化，以及加快車(chē)規產(chǎn)品研發(fā)和驗證速度，將有助于重塑市場(chǎng)格局，這將成為國內廠(chǎng)家可持續發(fā)展的兩條核心主線(xiàn)。

車(chē)規器件壁壘重重，國產(chǎn)龍頭曙光破曉

在電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(cháng)和缺芯的大背景下，國內功率半導體廠(chǎng)家趁勢在上車(chē)驗證和批量供貨上取得不菲成績(jì)。但由于國內車(chē)載功率半導體發(fā)展起步較晚、器件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗不足、上車(chē)驗證機會(huì )不多和可靠性要求高等原因，在“以下諸多方面”與全球第一梯隊的車(chē)規功率半導體企業(yè)尚存差距，這也正是車(chē)規功率半導體壁壘所在。諸多壁壘呈現復雜性、多樣性、綜合性以及普遍性等特點(diǎn)。設計和制造工藝。車(chē)規功率半導體的設計和制造工藝相對成熟，結構相對簡(jiǎn)單，對工藝制程要求不高（通常大于 90nm）。車(chē)規功率半導體與其他芯片比較，結構和制造工藝有一定差別，且逐漸融合更多的特色工藝（微溝槽、深溝槽和屏蔽柵等）。車(chē)規功率半導體在芯片面積、線(xiàn)寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗和封裝等方面在持續做設計和工藝優(yōu)化，以達到大電流、高電壓、低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率、魯棒性、散熱快等性能目標。 圖表 29：功率半導體器件技術(shù)發(fā)展趨勢

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 目前全球車(chē)規級功率半導體器件設計、制造工藝和封裝測試等主要由英飛凌等海外廠(chǎng)商引領(lǐng)。 圖表 30：功率半導體制造工藝

數據來(lái)源：華潤微 12 吋晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)評報告，華福證券研究所 ? 器件設計：功率半導體自誕生以來(lái)，從半導體基材的迭代、微溝槽結構的優(yōu)化、先進(jìn)封裝、大尺寸晶圓的應用等多個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新。據 Yole數據，功率半導體器件每隔二十年將進(jìn)行一次產(chǎn)品迭代。相比其他半導體，迭代周期相對慢，這將給國內功率半導體廠(chǎng)家留有充足的發(fā)展時(shí)間。
目前國內廠(chǎng)商面臨的挑戰主要包括：1）低功耗與高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）滿(mǎn)足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）產(chǎn)品平臺化和客戶(hù)定制要求之間的沖突和平衡；6）車(chē)規產(chǎn)品設計、制造等管理體系和流程不健全； 圖表 31：功率半導體技術(shù)迭代路線(xiàn)

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 ? 晶圓制造工藝：這方面的挑戰有：1）半導體設備長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口，采購周期長(cháng)且成本高，設備調試時(shí)間長(cháng)，缺乏經(jīng)驗；2）生產(chǎn)過(guò)程管控以達到晶圓一致性和可靠性的目的；3）適用于車(chē)規的材料選型，以達到散熱、高結溫要求；4）小尺寸、先進(jìn)封裝與成本之間的沖突等。

? 封裝測試：這方面的挑戰有：1）封裝環(huán)節，鍵合引線(xiàn)、模具、框架等材料的選擇；2）功率半導體模組的散熱問(wèn)題和可靠性?xún)烧叩钠胶猓?）缺乏車(chē)規試驗條件或測試經(jīng)驗，具體試驗參數如何設定沒(méi)有經(jīng)驗。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作為中高端功率半導體器件，國內廠(chǎng)家在器件設計、晶圓制造工藝和封測環(huán)節都面臨不同程度上的挑戰和壁壘。對于追趕者的國產(chǎn)功率半導體廠(chǎng)家而言，技術(shù)作為發(fā)展的第一要素，技術(shù)持續迭代和技術(shù)方案的創(chuàng )新或是超越國際巨頭、主導市場(chǎng)地位的最重要條件之一。 圖表 32：功率半導體技術(shù)挑戰和解決方案

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 質(zhì)量管理體系。車(chē)規功率半導體相比消費和工業(yè)產(chǎn)品，對可靠性、質(zhì)量一致性、環(huán)境（耐久、高低溫）、供貨周期以及驗證試驗等要求更高。需要嚴格遵守車(chē)規芯片開(kāi)發(fā)流程、質(zhì)量管理體系、驗證要求等進(jìn)行以確保車(chē)輛行駛安全。

車(chē)載功率半導體與其他車(chē)規芯片一樣，從芯片定義、設計、原材料采購、供應商管理、生產(chǎn)制造過(guò)程、小批量和批量供貨以及售后等，都需要嚴格按照 AECQ-100 試驗要求和 IATF16949 生產(chǎn)制造過(guò)程中的要求執行。對于主驅逆變器中的功率半導體單管或模塊，甚至要求按照 ISO 26262 對系統和流程體系進(jìn)行功能安全認證。

比如，在車(chē)規 IGBT 模塊的安全性方面，IGBT 模塊通常由多個(gè) IGBT 單管、SBD以及散熱板等結構組成。IGBT 單管由成百上千個(gè) IGBT 元胞構成。IGBT 模塊實(shí)際上車(chē)后，若其中一個(gè)元胞出現質(zhì)量問(wèn)題，則將直接危及整車(chē)安全。

國內從事車(chē)載功率半導體開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)制造的廠(chǎng)商，具有數量多、分布地域廣、產(chǎn)品種類(lèi)多、技術(shù)能力水平參差不齊等特點(diǎn)。除了少數幾家頭部廠(chǎng)家外，車(chē)載領(lǐng)域起步相對晚，從事車(chē)規產(chǎn)品開(kāi)發(fā)累計時(shí)間不長(cháng)。對車(chē)規產(chǎn)品質(zhì)量管理體系認知仍有待提高，需要未來(lái)更長(cháng)時(shí)間上車(chē)實(shí)踐以提升。

上車(chē)機會(huì )。傳統燃油車(chē)時(shí)代，汽車(chē)銷(xiāo)量和核心零部件技術(shù)均由頭部車(chē)廠(chǎng)和供應商把握，海外整車(chē)廠(chǎng)和頭部 Tier1 話(huà)語(yǔ)權大，故汽車(chē)供應鏈相對封閉，新玩家進(jìn)入大廠(chǎng)供應鏈體系相對困難。 國內車(chē)規功率半導體廠(chǎng)家起步晚、技術(shù)經(jīng)驗少、對車(chē)規產(chǎn)品認知缺乏。由于缺乏批量上車(chē)驗證機會(huì )。即使部分有很強研發(fā)實(shí)力的企業(yè)，同樣缺乏批量供貨、驗證產(chǎn)品長(cháng)期可靠性的機會(huì )，從而技術(shù)能力一直處在進(jìn)步緩慢的窘境。且高投入和長(cháng)期低回報導致部分廠(chǎng)家信心不足甚至放棄車(chē)載產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。在此背景下，即形成了對國內功率半導體玩家極為不友好的惡性循環(huán)。

新能源汽車(chē)的快速上量以及疫情以來(lái)的汽車(chē)缺芯，特別是特斯拉以及國內的造車(chē)新勢力們，打破了汽車(chē)供應鏈封閉的外墻，愿意嘗試多條腿走路，這給予了國內包括車(chē)載功率半導體廠(chǎng)家在內的汽車(chē)零部件供應商們充足的上車(chē)機會(huì )，也增強了國產(chǎn)替代的確定性，國產(chǎn)車(chē)規功率半導體有望迎來(lái)份額進(jìn)一步提升的機會(huì )。

成本。在汽車(chē)客戶(hù)面臨器件選型時(shí)，成本將是一項重要考量的點(diǎn)，同樣滿(mǎn)足客戶(hù)需求的產(chǎn)品，分別來(lái)自海外廠(chǎng)家和國內廠(chǎng)家，在不缺芯和沒(méi)有國產(chǎn)替代要求下，通?？蛻?hù)可能考慮定點(diǎn)給價(jià)優(yōu)者。 車(chē)規功率半導體和其他國產(chǎn)芯片類(lèi)似，因為起步晚、經(jīng)驗缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈相對不成熟等特點(diǎn)，研發(fā)成本（人工、IP、軟件和工具鏈等）攤銷(xiāo)相對較高、核心原材料依賴(lài)進(jìn)口（框架、模具、引線(xiàn)鍵合相關(guān)工藝等）、工藝相對不成熟、良率相對不高、規?；鄬Σ煌怀?、車(chē)規器件試驗經(jīng)驗相對缺乏以及固定資產(chǎn)尚處在攤銷(xiāo)初期等，而上述或是造成器件成本相對較高的主要因素。 圖表 33：功率半導體器件成本結構

數據來(lái)源：SYSTEMPlus，華福證券研究所 半導體從業(yè)人才。截止2020年，國內半導體從業(yè)人員人數約54.1萬(wàn)，同比增長(cháng)5.7%。預計到2023年，人才需求將達76.7萬(wàn)人，人才缺口將近23萬(wàn)人。依前文所述，功率半導體已超300多家。需求旺盛背后也隱藏著(zhù)行業(yè)對專(zhuān)業(yè)人才的求賢若渴。人才競爭也同樣是半導體企業(yè)間實(shí)力競爭的重要組成部分。成熟、經(jīng)驗豐富的人才隊伍是行業(yè)發(fā)展基石。

碳化硅器件厚積薄發(fā)，產(chǎn)業(yè)布局多點(diǎn)開(kāi)花

新材料、新機遇、新趨勢

作為第三代半導體材料的代表，相較于硅，碳化硅具有禁帶寬度更大（是硅的3倍）、熱導率更高（是硅的4-5 倍）、擊穿電壓更大（是硅的8- 10倍）等優(yōu)勢。 圖表 38：碳化硅性能優(yōu)勢

數據來(lái)源：英飛凌，華福證券研究所 碳化硅功率器件主要包括碳化硅二極管（主要是肖特基勢壘二極管 SBD 等）、碳化硅晶體管（主要是碳化硅 BJT、MOSFET 等）以及碳化硅功率模塊等。碳化硅功率器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電動(dòng)汽車(chē)及充電樁、光伏、電網(wǎng)、軌道交通和儲能等領(lǐng)域。
圖表 39：常見(jiàn)功率半導體比較

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 據Yole數據，碳化硅功率器件2021年全球市場(chǎng)規模10.9 億美金。預計到2027年將達到62.97億美金，2021-2027 CAGR達 34%。發(fā)展勢頭強勁，未來(lái)市場(chǎng)空間可觀(guān)。 圖表 40：碳化硅功率半導體器件市場(chǎng)規模預測2021-2027E

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 全球各國對碳化硅投資熱度不減，目前碳化硅器件市場(chǎng)龍頭依然以海外企業(yè)為主，國內90%需求依賴(lài)進(jìn)口。我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈布局相對完整，部分頭部企業(yè)技術(shù)實(shí)力不可小覷，在半絕緣襯底、外延片、射頻器件和碳化硅器件均已量產(chǎn)并批量供貨。
圖表 41：全球碳化硅功率器件各廠(chǎng)家2020-2021E營(yíng)收（百萬(wàn)美元）

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 碳化硅性能優(yōu)于IGBT，兩者在多個(gè)領(lǐng)域或存在應用重疊。從成本變化和晶圓尺寸發(fā)展趨勢分析：碳化硅與 IGBT 成本比較。目前碳化硅功率器件由于技術(shù)和工藝尚不成熟、襯底良率低以及尚未規?；瘧玫纫蛩?，導致當前碳化硅成本居高不下。同等規格、滿(mǎn)足同個(gè)終端應用需求的碳化硅MOSFET的價(jià)格是IGBT的2.5-3 倍。而硅基IGBT技術(shù)成熟，規?；呀?jīng)顯現，成本下探空間有限。隨著(zhù)上述對碳化硅成本不利因素日漸改善，其價(jià)格有望逐年下調。對于長(cháng)續航電動(dòng)汽車(chē)，當前碳化硅功率器件的應用帶來(lái)的其他周邊零部件的降本，或將進(jìn)一步縮小、或打平與選用IGBT帶來(lái)的價(jià)格差。
圖表 42：碳化硅功率半導體器件成本變化趨勢

數據來(lái)源：NE時(shí)代，華福證券研究所

碳化硅晶圓制造。目前已量產(chǎn)碳化硅襯底多是基于2英寸、4英寸和 6英寸晶圓制造，其中6英寸逐漸將成為主流。據NE時(shí)代數據，安森美8英寸襯底于2021年已經(jīng)投產(chǎn)。未來(lái)，隨著(zhù)8英寸晶圓的襯底逐步量產(chǎn)，單片晶圓產(chǎn)量提升，相比4英寸和6英寸晶圓，理論上碳化硅器件價(jià)格或將會(huì )有所下調。

圖表 43：全球及中國碳化硅企業(yè)產(chǎn)品布局（部分）

數據來(lái)源：NE時(shí)代，華福證券研究所 當前碳化硅MOSFET主要應用于一些中高端場(chǎng)景，這些應用往往追求更高的性能表現。如售價(jià)30萬(wàn)以上的中高端智能電動(dòng)汽車(chē)，其對續航、瞬間加速以及充電時(shí)間有著(zhù)更高要求，通常其主逆變器中會(huì )采用碳化硅方案。短時(shí)間內，IGBT或依然是市場(chǎng)主流。長(cháng)期來(lái)看，碳化硅 MOSFET和 IGBT市場(chǎng)需求或達到一個(gè)相對平衡，兩者將共存以供不同應用場(chǎng)景所使用。

襯底和外延占據價(jià)值高地

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈相對復雜，主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造以及封裝測試和終端應用等。
圖表 44：碳化硅功率器件上下游產(chǎn)業(yè)鏈

數據來(lái)源：Yole，中商產(chǎn)業(yè)研究院，華福證券研究所 截至2021年，國內碳化硅產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)投入超20條，產(chǎn)業(yè)鏈上、下游都有相關(guān)企業(yè)參與。其中襯底代表企業(yè)有天岳先進(jìn)、天科合達等；外延片代表企業(yè)有東莞天域半導體、瀚天天成等；布局碳化硅器件的企業(yè)以 IDM 為主，也有少數幾家 Foundry，還有多數設計公司。 圖表 45：國內碳化硅功率器件產(chǎn)線(xiàn)規劃和主要參與企業(yè)

數據來(lái)源：前瞻經(jīng)濟學(xué)人，華福證券研究所 襯底和外延占據碳化硅器件的價(jià)值高地，存在較高技術(shù)壁壘。據未來(lái)智庫數據，襯底和外延占碳化硅器件總成本近 70%（其中襯底占46%，外延占23%）。兩者同為碳化硅器件最核心、也是最具瓶頸的兩道制造工藝環(huán)節。襯底和外延的技術(shù)提升快慢和良率高低都將對碳化硅器件的應用和推廣產(chǎn)生直接影響。

? 襯底是碳化硅器件的第一內核。據 Yole數據，預計到 2027 年，全球應用于電動(dòng)汽車(chē)和充電樁的碳化硅襯底數量將達到140萬(wàn)片，占市場(chǎng)總量的78.23%。 圖表 46：碳化硅襯底在電動(dòng)汽車(chē)應用需求預測

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 碳化硅襯底分類(lèi)——碳化硅襯底按照電阻率大小，碳化硅可以分為導電型和半絕緣型。導電型襯底常用于制作碳化硅功率器件，應用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏、儲能等領(lǐng)域。而半絕緣型碳化硅襯底則被常用于制作氮化鎵微波射頻器件和功率放大器等（GaN-on-SiC），應用于5G通信等。

目前導電型襯底市場(chǎng)依然由歐、美、日企業(yè)主導，美國 Wolfspeed 占全球份額超60%以上，其他如美國高意集團（II-VI）、德國SiCrystalAG（被日本Rohm 收購）、美國DowCorning 和日本新日鐵住金等緊隨其后，市占率位居前列。國內做導電型襯底起步較晚，整體發(fā)展處于初期階段，該領(lǐng)域國內主要企業(yè)有天科合達、天岳先進(jìn)等。

國產(chǎn)廠(chǎng)家在半絕緣型襯底產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相對起步較早，有一定經(jīng)驗積累。2020年，天岳先進(jìn)的半絕緣型碳化硅襯底在全球市占率已高達30%，位居全球第三，僅次于海外龍頭企業(yè)II-VI和Wolfspeed，形成三足鼎立的局面。 圖表 47：2020 年全球碳化硅襯底市場(chǎng)格局

數據來(lái)源：Yole，Wolfspeed，中商情報網(wǎng)，TrendBank，華福證券研究所 襯底制作方法——襯底的形成通常使用物理氣相傳輸法，在高溫下（＞2000℃），碳化硅粉體分解成硅原子等氣相物質(zhì)，在高低溫形成的溫度梯度下，氣相物質(zhì)慢慢在低溫區的碳化硅籽晶表面生長(cháng)形成碳化硅晶體。再通過(guò)定向、整形、切片、研磨、拋光、檢測和清洗等工藝過(guò)程，最后制成碳化硅襯底。

制作優(yōu)良的碳化硅襯底，存在較高的技術(shù)壁壘。碳化硅襯底生長(cháng)難度大，對工藝控制和襯底的厚度、翹曲度和彎曲度都有較高要求。其制備過(guò)程中，主要存在以下難點(diǎn)和壁壘：1）碳化硅粉體純度控制要求高，碳和硅的比例控制要精準；2）溫度要求高，高溫與低溫需控制精準；3）長(cháng)晶時(shí)，生長(cháng)速率等需要嚴格控制；4）襯底生長(cháng)為物理時(shí)間，且很難加速，時(shí)間成本高，產(chǎn)能因此受限；5）碳化硅硬度強，切片時(shí)損耗高，產(chǎn)出低；6）涉及設備種類(lèi)多、要求高，如長(cháng)晶爐，切片機、研磨機、拋光機和清洗設備等，總投入大。以上眾多壁壘導致目前碳化硅良率較低，單片價(jià)格較高。 ? 外延工藝是碳化硅器件的第二內核。由于碳化硅襯底表面或多或少因為生長(cháng)過(guò)程或加工過(guò)程中引入微顆粒，直接基于其表面進(jìn)行晶圓制造，或將導致最終器件良率低、性能差等后果。故通常引入外延工藝，即在襯底表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(cháng)出一層 4H-SiC 單晶薄膜以提高器件良率和性能，這一層單晶材料即稱(chēng)為“外延”。在制作過(guò)程中，工藝控制不良會(huì )直接造成各類(lèi)缺陷產(chǎn)生而影響良率和產(chǎn)出。

據Yole數據，預計到2027年，碳化硅外延片全球市場(chǎng)規模將達8.51億美元，2021年到2027年，CAGR為28%。全球外延片市場(chǎng)主要被美國Wolfspeed 和日本昭和電工是碳化硅外延片兩家龍頭企業(yè)壟斷。其他廠(chǎng)家有II-VI、Cree、Norstel、Rohm 和英飛凌等。國內從事碳化硅外延片企業(yè)主要有瀚天天成、東莞天域、中電 55 所和三安光電等。

碳化硅加速上車(chē)

據Yole數據，電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)充電樁為碳化硅第一大應用市場(chǎng)。預計到2027年，碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)充電樁上應用，全球市場(chǎng)規模將分別達49.86億美金和 1.35 億美金，兩者之和占市場(chǎng)總規模的81.32%。
碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET 可應用于電動(dòng)汽車(chē)主驅逆變器、OBC、DC/DC以及充電樁等產(chǎn)品中。自 2019 年 Tesla 首次將碳化硅器件（供應商：STM）應用于其 Model 3 車(chē)型上，碳化硅便正式開(kāi)啟了上車(chē)之路。自 2021 年以來(lái)，國內自主品牌車(chē)企紛紛在其新車(chē)型上應用碳化硅器件，如蔚來(lái)汽車(chē)ET5 和ET7（主驅?zhuān)匝心K，晶圓從安森美采購），吉利SMART精靈(主驅?zhuān)蹋盒揪勰?、小鵬G9（主驅?zhuān)蹋河w凌）、比亞迪海豹（主驅?zhuān)匝凶援a(chǎn)模塊，部分晶圓外購）等。 碳化硅將提升電動(dòng)汽車(chē)續航能力和縮短電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間。相較于燃油車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)消費者對當前有限的續航里程和相對漫長(cháng)的充電時(shí)間常常感到焦慮。雖然車(chē)企在動(dòng)力電池、BMS、電機、電控和 OBC 等產(chǎn)品技術(shù)上做了很多優(yōu)化和提升，但相比燃油車(chē)，續航里程受限和充電時(shí)間長(cháng)是電動(dòng)汽車(chē)推廣的兩大痛點(diǎn)。

?續航里程。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET有著(zhù)眾多優(yōu)點(diǎn)：1）碳化硅在關(guān)斷時(shí)無(wú)拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開(kāi)關(guān)頻率特性，不僅可降低損耗，由于對散熱效率要求相對低，還可減輕和驅動(dòng)零部件和散熱零部件重量和體積，周邊器件的成本隨之降低；3）在車(chē)輛勻速和輕載情況下，因為低損耗，可提升5%-10%的續航里程。另外，采用800V高壓平臺的電動(dòng)汽車(chē)，同等功率下，系統電流可以比400V電壓平臺更小，故高壓線(xiàn)束直徑可以做的更細，線(xiàn)束重量和體積可以更小，電動(dòng)汽車(chē)變的更輕，續航能力也會(huì )得到相應提升。

圖表 48：碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)上各產(chǎn)品應用 市場(chǎng)規模預測2021-2027（百萬(wàn)美元）

數據來(lái)源：Yole，華福證券研究所 ? 充電時(shí)間。汽車(chē)充電樁一般分為交流慢充和直流快充。交流慢充指的是電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)公共或個(gè)人充電樁，需要借用車(chē)載充電器（OBC）交直流轉換給汽車(chē)充電。交流慢充的優(yōu)點(diǎn)是成本低，電池損耗慢；缺點(diǎn)是充電時(shí)間長(cháng)，充電時(shí)間長(cháng)短取決于OBC的額定功率（常規在3kW-9kW）。目前OBC主要采用硅基IGBT或SJ MOSFET方案，電池充滿(mǎn)電時(shí)間一般需要4-8小時(shí)。相比之下，碳化硅MOSFET可以耐受更高電壓，使得OBC擁有更高的額定功率。例如采用意法半導體的碳化硅技術(shù)，可以將OBC的額定功率提升至22kW 甚至更高，充電時(shí)間可以大大縮短。直流快充是指充電樁自身內部實(shí)現交直流轉換模塊，無(wú)需借用OBC，將電網(wǎng)或儲能設備中的交流電轉換成直流電，直接給汽車(chē)充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和BMS（電池管理系統），如電池電壓升級至 800V，直流快充功率通常將超過(guò)120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，進(jìn)而提高充電效率和縮短充電時(shí)間。
另外，800V動(dòng)力電池平臺相比400V動(dòng)力電池平臺，在相同的系統電流和高壓線(xiàn)束直徑下，電池的充電時(shí)間或將縮短一半。
圖表 49：碳化硅對電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的影響