2024年，功率半導(dǎo)體怎么走？

功率半導(dǎo)體，又稱(chēng)電力電子器件或功率電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的器件之一。中國(guó)作為全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，貢獻(xiàn)了約 40% 的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。MOSFET 和 IGBT 為功率半導(dǎo)體產(chǎn)品主力。

2023 年，半導(dǎo)體正式步入下行周期。在下行的背景下，整個(gè)行業(yè)都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。功率半導(dǎo)體在瑟瑟的寒風(fēng)中，卻顯得與眾不同。本文中，我們將一起看看功率半導(dǎo)體的 2023 以及 2024 的變化情況。

MOSFET 的 2023

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

今年，低、高壓 MOSFET 市場(chǎng)分化。從供應(yīng)中，低壓 MOSFET 供貨情況緩解，低壓 MOSFET 的交付周期約為 46 周或更長(zhǎng)時(shí)間；高壓 MOSFET 的交付周期為 50 周以上；中高壓汽車(chē) MOSFET 的短缺問(wèn)題一直持續(xù)到年底。

高、低壓 MOSFET 的整體貨期和價(jià)格趨勢(shì)略有不同，與下游需求結(jié)構(gòu)性分化不無(wú)關(guān)系。低壓 MOSFET 大量應(yīng)用于消費(fèi)性電子中，中、高壓 MOSFET 則用于工業(yè)、通訊、電動(dòng)車(chē)等產(chǎn)業(yè)，技術(shù)要求與產(chǎn)品需求有不斷提高的趨勢(shì)。從目前的市場(chǎng)來(lái)看，消費(fèi)、部分工業(yè)類(lèi)需求偏弱，汽車(chē)、光伏等新能源需求仍強(qiáng)勁。因此市場(chǎng)對(duì)低、高壓 MOSFET 的需求也不一致。

IGBT 的 2023

再來(lái)看看 IGBT 的情況。根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，至 2026 年，全球 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 121 億美元，2019 年至 2026 年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 13.1%。中國(guó)是全球 IGBT 最大的消費(fèi)市場(chǎng)，根據(jù)預(yù)測(cè)，至 2026 年，國(guó)內(nèi) IGBT 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 35 億美元。

自問(wèn)世以來(lái)，IGBT 不斷進(jìn)行技術(shù)迭代，主要向著降低開(kāi)關(guān)損耗和創(chuàng)建更薄的結(jié)構(gòu)方向改善和發(fā)展。其在縱向結(jié)構(gòu)、柵極結(jié)構(gòu)以及硅片加工工藝方面不斷升級(jí)改進(jìn)，共經(jīng)歷了七次大型技術(shù)演變，各項(xiàng)指標(biāo)在演變中不斷優(yōu)化。目前，IGBT 芯片已經(jīng)迭代至第七代精細(xì)溝槽柵場(chǎng)截止型 IGBT，但考慮成本后，應(yīng)用最廣泛的仍是 IGBT 第四代產(chǎn)品。

市場(chǎng)表現(xiàn)

3 月份 IGBT 出現(xiàn)大缺貨，不僅價(jià)格漲翻天，業(yè)界更以「不是價(jià)格多高的問(wèn)題，而是根本買(mǎi)不到」來(lái)形容缺貨盛況。之后特斯拉宣布要大砍 SIC 用量，IGBT 更是成為了潛在方案。可以說(shuō)，今年全球 IGBT 持續(xù)緊缺。

導(dǎo)致 IGBT 缺貨、漲價(jià)的原因主要有四點(diǎn)：其一，需求旺盛，車(chē)用、工業(yè)應(yīng)用所需 IGBT 用量大增；其二，供給不足，產(chǎn)能擴(kuò)增緩慢；其三，風(fēng)光儲(chǔ)需求旺盛帶動(dòng) IGBT 需求強(qiáng)勁；其四，特斯拉大砍 75% 碳化硅用量。

光伏方面，光伏逆變器是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的心臟，而 IGBT 是光伏逆變器的核心器件。從需求側(cè)看，2023 年光伏產(chǎn)業(yè)還在持續(xù)發(fā)展，今年前三季度，全球光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度都超過(guò)了多數(shù)行業(yè)分析師的預(yù)期。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023 年全球?qū)⑿略?280-330GW，其中中國(guó)裝機(jī)量有望達(dá) 95-120GW，繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。

來(lái)源：中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)

IGBT 作為光伏逆變器的核心元器件，一定會(huì)受到這一市場(chǎng)發(fā)展的直接帶動(dòng)。光伏儲(chǔ)能用 IGBT 模塊尤其是大功率模塊、大電流單管等產(chǎn)品，非常緊俏。由于國(guó)內(nèi)廠商暫時(shí)只導(dǎo)入了 IGBT 單管，在模塊方面還沒(méi)有太多份額，基本由海外巨頭主導(dǎo)，英飛凌和安森美占據(jù)了全球光伏 IGBT 80% 以上的份額。

不過(guò)，今年國(guó)內(nèi)廠商也有所動(dòng)作，士蘭微在三季度財(cái)報(bào)交流會(huì)上表示，已經(jīng)在用新一代 IGBT 產(chǎn)品去爭(zhēng)取光伏市場(chǎng)更多的份額，已經(jīng)有很好的方案，預(yù)計(jì) 2024 上半年會(huì)有突破性進(jìn)展。新潔凈能在光伏領(lǐng)域增速很快，在光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域，公司的 IGBT 產(chǎn)品已經(jīng)大量供應(yīng)國(guó)內(nèi) 80% 以上的 TOP10 企業(yè)。從上年財(cái)報(bào)來(lái)看，新潔能的新品大電流 IGBT 單管逐漸上量，IGBT 模塊產(chǎn)品在客戶(hù)端的驗(yàn)證順利推進(jìn)，更大功率的 IGBT 模塊產(chǎn)品亦在有序開(kāi)發(fā)中。

汽車(chē)方面，IGBT 與動(dòng)力電池電芯并稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)「雙芯」，是影響電動(dòng)汽車(chē)性能的關(guān)鍵元器件。電動(dòng)汽車(chē)所使用的 IGBT 數(shù)量高達(dá)上百顆，是傳統(tǒng)燃油車(chē)的 7~10 倍。其成本占整車(chē)成本的 7%~10%。

中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持續(xù)狂飆。據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023 年 1-11 月，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成 2711.1 萬(wàn)輛和 2693.8 萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng) 10% 和 10.8%。其此前預(yù)計(jì)，2023 年我國(guó)汽車(chē)總銷(xiāo)量為 3000 萬(wàn)輛左右。

今年，車(chē)規(guī)級(jí) IGBT 年內(nèi)的訂單基本都被鎖定，供不應(yīng)求極為嚴(yán)重。作為 IGBT 全球龍頭，英飛凌目前積壓的汽車(chē)訂單為 290 億歐元，是汽車(chē)行業(yè)預(yù)期收入的 2 倍。時(shí)代電氣在與機(jī)構(gòu)交流中直言，從市場(chǎng)的訂單狀況來(lái)看，目前 IGBT 的需求很旺盛，很多重要客戶(hù)選擇簽了 3 年的長(zhǎng)約（2024-2026 年）。宏微科技在接受機(jī)構(gòu)調(diào)研時(shí)表示，公司在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū) IGBT 模塊產(chǎn)品上形成了批量化供應(yīng)，主要出貨給整車(chē)和 Tier1 客戶(hù)，汽車(chē)端訂單飽滿。

IGBT 的現(xiàn)貨與交期

再來(lái)看看今年 IGBT 的現(xiàn)貨和交期情況。從庫(kù)存周轉(zhuǎn)天數(shù)來(lái)看，自 2022 年 Q4 開(kāi)始，頭部 IGBT 廠商的庫(kù)存天數(shù)始終在升，這個(gè)趨勢(shì)從年頭一直持續(xù)到年尾。

具體來(lái)看，去年四季度，英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美的 IGBT 存貨周轉(zhuǎn)天數(shù)分別為 117 天、97 天、127 天；到了今年三季度升至 143、110、152 天。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，整體的庫(kù)存有所波動(dòng)，但大趨勢(shì)和國(guó)際大廠相差不大。不過(guò)，隨著連續(xù) 2 個(gè)季度的庫(kù)存管控，相關(guān)廠商的庫(kù)存整體和 Q1 相比，已經(jīng)有了明顯的下降。

從訂單、交期和價(jià)格來(lái)看，頭部 IGBT 大廠整體狀態(tài)全年處于飽滿。相較于 2022 年英飛凌超負(fù)荷接單，排期超過(guò)一看年；安森美一季度全年產(chǎn)能售罄的狀態(tài)，今年交期基本持續(xù)在 39-50 周左右。但是風(fēng)光儲(chǔ) IGBT 等部分緊缺料交期還在 52 周以上。

SIC 的 2023

SIC 一直被歸類(lèi)于第三代半導(dǎo)體中，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

自從特斯拉大規(guī)模使用碳化硅模組以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多車(chē)企跟進(jìn)上車(chē)。從應(yīng)用情況來(lái)看，SiC 功率半導(dǎo)體首先在高性能車(chē)型中取得應(yīng)用。國(guó)內(nèi)如比亞迪漢 EV、蔚來(lái) ET7、小鵬 G9、吉利 Smart 精靈 #1 等量產(chǎn)車(chē)型均有搭載碳化硅器件。

不過(guò)，SIC 器件的成本不便宜。安森美的數(shù)據(jù)顯示，在 650V 產(chǎn)品上，SiC MOSFET 的原廠報(bào)價(jià)，是硅基 IGBT 的 3.2 倍。在 1200V 產(chǎn)品上，硅基器件的原廠報(bào)價(jià)為后者的 2.2 倍。這也就是 3 月份，特斯拉宣布下一代電動(dòng)車(chē)將削減 75% 的 SiC(碳化硅) 用量的原因。

實(shí)際上，碳化硅產(chǎn)業(yè)能否實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破，其根本在于性?xún)r(jià)比能否優(yōu)于 IGBT。芯聯(lián)集成趙奇表示：「只有當(dāng)碳化硅器件的成本達(dá)到對(duì)應(yīng) IGBT 器件成本的 2.5 倍以下時(shí)，才是碳化硅器件大批量進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的時(shí)代?！闺S著 SiC 器件的工藝升級(jí)，成本進(jìn)一步下降后，將逐步滲透到 B 級(jí)車(chē)和部分 A 級(jí)轎車(chē)。

不管怎么說(shuō)，SIC 還是引起了諸多大廠的興趣，意法半導(dǎo)體甚至因此賺得盆滿缽滿。意法半導(dǎo)體從 2017 年開(kāi)始量產(chǎn)碳化硅器件，已應(yīng)用于特斯拉、華為、現(xiàn)代、雷諾、寶馬、小鵬、比亞迪、 Rivian、吉利、長(zhǎng)城汽車(chē)等多個(gè) Tier1 廠商和汽車(chē)制造商產(chǎn)品中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球已搭載意法半導(dǎo)體的碳化硅產(chǎn)品的量產(chǎn)乘用車(chē)已經(jīng)超 300 萬(wàn)輛，車(chē)規(guī)級(jí)碳化硅出貨量已經(jīng)突破一億。

今年的 2023 碳化硅器件可以說(shuō)是擴(kuò)產(chǎn)之年。博世、意法半導(dǎo)體、英飛凌等都與中國(guó)企業(yè)簽訂碳化硅合約。

今年 5 月，天岳先進(jìn)、天科合達(dá)兩大廠商均在其官微宣布，與國(guó)際半導(dǎo)體大廠英飛凌簽訂了供貨協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，天科合達(dá)和天岳先進(jìn)將為英飛凌供應(yīng)用于生產(chǎn) SiC 半導(dǎo)體的 6 英寸（150mm）碳化硅晶圓和晶錠，兩家企業(yè)的供應(yīng)量均將占到英飛凌未來(lái)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)需求的兩位數(shù)份額。未來(lái)也將提供 200mm 直徑碳化硅材料，助力英飛凌向 200mm 直徑晶圓的過(guò)渡。

今年 6 月，意法半導(dǎo)體在官網(wǎng)宣布，將同三安光電在中國(guó)重慶建立一個(gè)新的 8 英寸碳化硅器件合資制造廠。新的 SiC 制造廠計(jì)劃于 2025 年第四季度開(kāi)始生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將于 2028 年全面落成，屆時(shí)將更好地支持中國(guó)的汽車(chē)電氣化、工業(yè)電力和能源等應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。同時(shí)，三安光電將利用自有 SiC 襯底工藝，單獨(dú)建造和運(yùn)營(yíng)一個(gè)新的 8 英寸 SiC 襯底制造廠，以滿足該合資廠的襯底需求。

功率半導(dǎo)體的 2024

IGBT 供不應(yīng)求，中國(guó)大陸是擴(kuò)產(chǎn)主力

IGBT 產(chǎn)能緊缺下，不少企業(yè)都選擇擴(kuò)產(chǎn)。一條新的芯片產(chǎn)線從開(kāi)始建設(shè)到最后投產(chǎn)需要 3 年時(shí)間，長(zhǎng)于大部分科技產(chǎn)品的擴(kuò)產(chǎn)周期。

大部分 6 英寸、8 英寸的晶圓廠折舊，由于成本效益問(wèn)題，很少有 6 英寸、8 英寸晶圓廠會(huì)擴(kuò)大 IGBT 的產(chǎn)能。

不過(guò)有部分 12 英寸的晶圓廠已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn) IGBT，比如電裝和聯(lián)電子公司聯(lián)合半導(dǎo)體日本有限公司（USJC）合作，今年正式進(jìn)入量產(chǎn)。據(jù)介紹，新一代 IGBT，與早期元件相比，新一代 IGBT 可減少 20% 的功率耗損。預(yù)計(jì)到 2025 年，兩家合作的 IGBT 每月產(chǎn)量將達(dá)到 10,000 片晶圓。還有英飛凌、安森美在 12 英寸晶圓廠 IGBT 生產(chǎn)上有所進(jìn)展。2023 年，英飛凌的 IGBT 擴(kuò)產(chǎn)選在了中國(guó)。11 月，英飛凌決定擴(kuò)大其無(wú)錫工廠的 IGBT 模塊生產(chǎn)線。無(wú)錫工廠擴(kuò)產(chǎn)后，將成為英飛凌最大的 IGBT 生產(chǎn)基地之一。

在龐大市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，新潔能、宏微科技、士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)、時(shí)代電氣等本土 IGBT 企業(yè)出貨量大增，同時(shí)不斷迭代新產(chǎn)品。

士蘭集昕公司「年產(chǎn) 36 萬(wàn)片 12 英寸芯片生產(chǎn)線項(xiàng)目」已有部分設(shè)備到廠并投入生產(chǎn)，并且加快轉(zhuǎn) 12 吋產(chǎn)線量產(chǎn)的進(jìn)度；士蘭集科加快車(chē)規(guī)級(jí) IGBT 芯片、超結(jié) MOSFET、高性能低壓分離柵 MOSFET 芯片的產(chǎn)出和上量，已具備月產(chǎn) 2 萬(wàn)片 IGBT 芯片的生產(chǎn)能力。

捷捷微電宣布對(duì)全資子公司捷捷半導(dǎo)體有限公司投建的「功率半導(dǎo)體 6 英寸晶圓及器件封測(cè)生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目」增加投資，由最初的 5.1 億元上調(diào)至 8.1 億元。

中芯集成在今年 6 月表示，將發(fā)力高端功率半導(dǎo)體代工市場(chǎng)。中芯集成已經(jīng)建成了國(guó)內(nèi)最大車(chē)規(guī)級(jí) IGBT 制造基地，預(yù)計(jì) IGBT 產(chǎn)能在今年底前超過(guò) 12 萬(wàn)片/月。

低、高壓 MOSFET 將進(jìn)一步分化

未來(lái)低、高壓 MOSFET 市場(chǎng)或?qū)⑦M(jìn)一步分化。中低 MOSFET 技術(shù)相對(duì)成熟，市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻較低。伴隨著終端市場(chǎng)的快速發(fā)展，下游需求的激增將不斷推動(dòng)更多廠家涌入中低壓 MOSFET 領(lǐng)域，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，最終出現(xiàn)產(chǎn)品拼價(jià)局面，導(dǎo)致利潤(rùn)空間受擠壓。

反觀高壓 MOSFET 市場(chǎng)則有望持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù) Omdia 統(tǒng)計(jì)，2020 年度全球/中國(guó)高壓超級(jí)結(jié) MOSFET 產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模為 9.4/4.2 億美元，并將于 2024 年達(dá)到 10/4.4 億美元。伴隨下游高壓領(lǐng)域需求增長(zhǎng)，高壓 MOSFET 將迎市場(chǎng)份額提升。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，汽車(chē)將成為 MOSFET 最大增量市場(chǎng)，至 2026 年占 MOSFET 市場(chǎng)份額有望超 30%，從而帶動(dòng)高壓 MOSFET 市場(chǎng)增長(zhǎng)。其中電動(dòng)汽車(chē)和充電樁分別占比 25% 和 8%。

SiC，加快上車(chē)

在已上市車(chē)型中，800V 快充技術(shù)大多只「標(biāo)配」在高版本車(chē)型上，而入門(mén)或主打銷(xiāo)量的中低版本車(chē)型依然沿用 400V 電池包。但今年，多款搭載 800V 平臺(tái)的車(chē)型發(fā)布，包括哪吒 S、小米 MS11、智己 LS6、阿維塔 12、理想 MEGA、極星 5。

因此隨著 800V 平臺(tái)的車(chē)型發(fā)布，碳化硅會(huì)迎來(lái)更大的需求。明年 SIC 將加快上車(chē)，隨著工廠的進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)和建設(shè)，SIC 的產(chǎn)能將日益充足。

前文提到的天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、三安光電等公司均斥資提高碳化硅晶圓/襯底產(chǎn)能，目前這些中國(guó)企業(yè)每月的總產(chǎn)能約為 6 萬(wàn)片。隨著各公司產(chǎn)能釋放，預(yù)計(jì) 2024 年月產(chǎn)能將達(dá)到 12 萬(wàn)片，年產(chǎn)能 150 萬(wàn)。業(yè)界樂(lè)觀預(yù)計(jì)，2024 年中國(guó)碳化硅晶圓在全球的占比有望達(dá)到 50%。