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的奠基儀式。該工廠是其主要的分立半導體生產(chǎn)基地。施工將分兩個階段進行，第一階段的生產(chǎn)計劃在2024財年內(nèi)開始。東芝還將在新工廠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(jù)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(jié)，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(nèi)外代表企業(yè)如英飛凌、安世半導體等也在通過適時的投資和研發(fā)來擴大其功率半導體業(yè)務并提高競爭力，功率半導體市場在今年步入放量之年。

壹
功率半導體品類多，MOSFET和IGBT為主流

公開資料顯示，功率半導體器件又被稱為電力電子器件，是電力電子技術的基礎，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)品特點及市場狀況如下圖所示：

資料來源：新潔能財報截圖

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

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

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

貳
供不應求，國產(chǎn)IGBT市場黃金期到來

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

此后隨著新能源汽車的發(fā)展，IGBT成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展焦點。中國汽車工業(yè)協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2022年中國新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一。

IGBT作為新能源汽車核心零部件，需求量有增無減。今年IGBT芯片廠商英飛凌、意法半導體、安森美等交期不斷拉長。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，最長為54周。

具體來看，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，F(xiàn)airchild的IGBT 貨期為39-52周。不過，這5大品牌的貨期趨勢和價格趨勢都呈穩(wěn)定狀態(tài)，沒有上升的趨勢。

海外歐美電動車市場正處于高速增長期，在英飛凌、意法半導體、安森美等大廠優(yōu)先保障本土供應情況下，國產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領域的替代進程加速。

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

公開資料顯示，自2021年底起，時代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠商的IGBT產(chǎn)能相繼開出，企業(yè)營收也在攀升。同時，結(jié)合我國已經(jīng)公布2022年財報的各大企業(yè)數(shù)據(jù)看，營收超過百億的功率器件企業(yè)有時代電氣（180.34億元）和華潤微（100.60億元）。以凈利潤來看，華潤微、時代電氣超過20億元。其中值得關注的是，在功率器件行業(yè)，多家企業(yè)雖然營收較為靠后，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(xiàn)更強的盈利能力。

叁
MOSFET營收大幅增長，盈利值得期待

MOSFET器件具有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點，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。

隨著汽車電動化開啟，中高壓MOEFET開始廣泛應用于汽車的DC-DC、OBC等中壓電動部分以協(xié)助完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車平均用量提升至200個以上；此外，隨著汽車智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂等功能均需使用MOSFET，根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，未來中高端車型中MOSFET單車用量將有望增至400個。

新能源汽車加速邁進，同時，以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓MOSFET部分市場，在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅(qū)動下，國產(chǎn)車規(guī)級功率器件廠商開始加速進入汽車供應鏈。

從市場情況看，目前士蘭微、安世半導體在全球MOSFET市場份額上不斷擴大。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(nèi)廠商近年來也在車規(guī)級MOSFET領域持續(xù)發(fā)展。

具體來看，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(jié)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(jié)MOS工藝平臺開發(fā)；華潤微2022年Q1高壓超結(jié)產(chǎn)品收入超億元；揚杰科技2022年Q1汽車MOS訂單實現(xiàn)大幅增長。

肆
SiC加碼，IGBT、MOSFET市場迎變局

當下功率半導體市場中IGBT和MOSFET仍然占據(jù)主流，后來者SiC相比Si基產(chǎn)品，具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高熱導率三個最顯著特征，基于其巨大的發(fā)展?jié)摿?，國?nèi)外諸多廠商近年來爭布局SiC產(chǎn)業(yè)鏈。

TrendForce集邦咨詢在最新發(fā)布的調(diào)研報告中預測，隨著安森美、英飛凌等與汽車、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與再生能源領域，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產(chǎn)值約67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整體市場產(chǎn)值將達到22.8億美元，年增長41.4%。

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

隨著SiC的高速發(fā)展，關于“SiC替代IGBT”的論斷不斷。筆者認為，替代是一種趨勢，但無論是從使用場景還是成本價格方面看，SiC可能不會完全替代IGBT，未來兩者有望共同發(fā)展。

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

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

從碳化硅生產(chǎn)步驟看，其材料合成、生成籽晶步驟技術均相對成熟，問題主要出現(xiàn)在晶體生長上和切割上。SiC晶體生長的速度緩慢，生長速率為0.2-1mm/小時，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時間；此外，切割環(huán)節(jié)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，因此切割過程耗時久，易裂片。一般而言，硅片的切割只需要幾個小時，而SiC則需要數(shù)百小時。

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，比如容易受到損壞、溫度敏感等問題。綜合這些特點來看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應用場景。

而對比SiC，IGBT顯而易見的優(yōu)勢便是成本低，畢竟成本決定著市場。與此同時，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因為IGBT的結(jié)構相對簡單，故障率較低。同時，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過壓能力，適用于大功率、大電流的應用場景。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性能和效率的前提下，在下一代電動汽車平臺縮減75% SiC用量，這是特斯拉提供的關于新車計劃的少數(shù)硬性細節(jié)之一，由此引發(fā)了業(yè)界的各種猜測。

據(jù)TrendForce集邦咨詢了解，SiC可靠性以及供應鏈的穩(wěn)定性確實令特斯拉信心不足，過去幾年中曾因此出現(xiàn)過Model 3批量召回事件，當時特斯拉官網(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，其中部分車輛使用一段時間后元件制造差異可能會導致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏鳌?，這直接指向SiC。

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

不可否認的是，SiC仍是電動汽車制造商未來必須考慮的核心零部件，這包括特斯拉。因此，若考量到技術變革所帶來的影響，TrendForce集邦咨詢認為特斯拉下一代電動汽車主逆變器將做出全新的封裝調(diào)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，但充滿挑戰(zhàn)。