功率半導體：國內企業布局多多，何時能跑出中國的英飛凌？
功率半導體的功能主要是對電能進行轉換，對電路進行控制，改變電子裝置中的電壓和頻率，直流或交流等，具有處理高電壓，大電流的能力。
在過去相當長的一段時間里，功率半導體市場一直由歐、美、日等外資巨頭牢牢占據著主導地位，隨著近年來新能源汽車的發展，許多本土企業也紛紛入局。放眼市場，不論是傳統Si功率器件IGBT、MOSFET，還是以SiC、GaN等為代表的第三代半導體，國內都有企業布局。
目前，不同功率器件的現狀如何？發展有何困境？何時能跑出中國的英飛凌？
01
IGBT行業概覽
資料顯示，功率半導體是控制電壓和電流的半導體，其作用主要為功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護和整流等，包括功率器件和功率IC。
功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。
其中，IGBT是電力電子裝置的"CPU"，新能源大發展的基石。其用途包括變頻、整流、變壓、放大功率與功率控制等，是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心。
IGBT又稱絕緣柵雙極性晶體管，是由BJT（雙極型三極管）與MOSFET（絕緣型場效應管）組成的復合型全控電壓驅動式功率半導體器件，在電路中作為電路開關，通過開關控制改變電壓。
自20世紀80年代發展至今，IGBT芯片經歷了7代技術及工藝的升級，從平面穿通型（PT）到微溝槽場截止型，IGBT從芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標都進行了不斷的優化，斷態電壓從600V提高到7000V，關斷時間從0.5微秒降低至0.12微秒，工藝線寬由5um降低至0.3um。
此外，由于IGBT產品對可靠性和質量穩定性要求較高，下游客戶認證周期較長，所以產品的生命周期較一般集成電路產品較長，對不同代際的IGBT產品，由于性能和需求差異導致應用領域略有不同。
國內廠商對標英飛凌的IGBT產品技術，當前英飛凌IGBT技術已迭代至第七代，第四代為當前市場主流，產品向小型化、高功率、高可靠性發展。
02
IGBT市場爆發
2022年中國IGBT產業進入爆發期。
根據中國汽車工業協會最新統計顯示，2022年中國新能源汽車持續爆發式增長，產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續8年保持全球第一。
IGBT作為新能源汽車核心零部件，需求量持續高漲。IGBT芯片廠商包括英飛凌和安森美等，這些大廠的交期平均都在一年以上，同時海外如歐洲和美國的電動車市場也開始進入高速增長期，他們會優先保障本土供應。因此，在供需偏緊的情況下，國產IGBT廠商在車載IGBT領域的替代進程加速。
2021年底，時代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠商的IGBT產能相繼投產，相關企業利潤也迅速增厚。比如：斯達半導、士蘭微、比亞迪半導體、時代電氣、宏微科技、華潤微、新潔能等半導體企業IGBT業務均實現了極大提升，車規級IGBT產品在市場上也實現了極大突破。
根據DIGITIMES Research統計與分析，2022年IGBT因電動車與光伏發電市場的強勁需求，在供應端產能有限的情況下，整體供需缺口達13.6%。對于中國市場來說，IGBT是近年來半導體和電動汽車的布局熱點，不過至今車規級IGBT產品國產化率仍然較低。
03
MOSFET營收超億
MOSFET器件具有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好等特點，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。
隨著新能源汽車加速發展，汽車功率器件供應缺口拉大，以及以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓 MOSFET 部分市場。在供給優化與需求增加的雙重驅動下，國產車規級功率器件廠商開始加速進入汽車供應鏈。
目前士蘭微、安世半導體在 MOSFET 市場份額上位列國內廠商前列。此外，華潤微、揚杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導、捷捷微電等國內廠商近年來在車規級 MOSFET 領域持續發展。
以士蘭微、華潤微、揚杰科技為代表的 IDM 公司已覆蓋高壓超級結產品，并逐步擴大產品占有率：士蘭微已完成 12 英寸高壓超結 MOS 工藝平臺開發；華潤微2022年Q1高壓超結產品收入超億元；揚杰科技2022年Q1汽車 MOS 訂單實現大幅增長。
在設計公司端，東微半導、新潔能為代表的 MOSFET 廠商發展迅速：東微半導 2022年Q1高壓超結 MOS 產品收入占比達 78.1%，車載充電機收入占比超14%；新潔能2022年Q1 超結MOS 收入近億元(占11.5%)，汽車電子收入占比達 13%。
04
SiC持續加碼
SiC作為第三代半導體材料，具有比硅更優越的性能。不僅禁帶寬度較大，還兼具熱導率高、飽和電子漂移速率高、抗輻射性能強、熱穩定性和化學穩定性好等優良特性。
SiC器件廣泛用于光伏逆變器、工業電源和充電樁市場，已成為中國功率半導體廠商的必爭之地。目前斯達半導車規級 SiC MOSFET 模塊開始大批量裝車應用，并新增多個使用車規級 SiC MOSFET 模塊的主電機控制器項目定點；三安光電、華潤微等企業在 SiC 二極管、SiC MOSFET 等器件領域已逐步實現產品系列化；士蘭微、聞泰科技等企業也積極布局 SiC 器件研發，并已取得階段性進展。
面對市場需求轉變，功率半導體被認為是中國半導體產業崛起的可能突破口之一，中國廠商也投入了大量資金進行布局，相關計劃也陸續傳出進度更新的消息。
05
當下困局
可以看到，中國功率半導體的發展如火如荼，各大廠商正在大舉進軍，然而功率半導體行業仍存在著諸多難題需要克服。
整體國產率依舊較低。中國的功率半導體產業規模增速快于全球，但總的來說，本土功率半導體器件自給率依舊較低，在器件的生產制造和自身消費之間存在巨大供需缺口。據中商產業研究院數據顯示，2020年國內功率半導體市場需求規模達到56億美元，占全球需求比例約為39%。中國是全球最大的功率器件消費國，但國內功率器件整體自給率不足10%，自給率很低，超過90%的需求還依靠進口。
缺乏行業龍頭。根據Omdia公布的2021年功率半導體市場前十大廠商銷售額排名，英飛凌排名第一，安森美排名第二，意法半導體排名第三，中國則只有聞泰科技旗下安世半導體上榜，排名第八。可以看到，相比美日歐強勢的市占率，中國還與之存在較大差距。
產品處于劣勢。功率半導體器件真正實現“上車”需要經過多重驗證。目前意法半導體、英飛凌等設計生產的SiC MOSFET已經大規模上車。中國廠商的斯達半導、比亞迪半導體等，尚處于少量供應階段。不過隨著技術逐步突破，國內功率半導體產品正在陸續完成車規認證。
06
本土廠商發展時機已至
在價格和交期趨勢向上的背景下，本土化替代成為功率半導體產業在供需緊缺環境下的強邏輯。這也意味著本土功率半導體公司的未來已來：國產加速替代進程，頭部企業迎來產品和客戶結構的持續升級。
在此輪高景氣度下，受益下游新能源產業發展，功率器件的需求有強支撐。以新能源汽車為例，2022年，以國內500萬輛新能源汽車估算，考慮平均單車用1.3只IGBT模塊，折算需求量約達650萬只。
國內幾大功率半導體龍頭企業也釋放了積極擴產的信號。
一方面，功率半導體的襯底材料朝大尺寸和新材料方向發展。從6英寸到8英寸再到12英寸更先進的產線投入，士蘭微領先推向12英寸產線，預計今年將達6萬片/月，而聞泰科技、華潤微等企業的12英寸亦正迎來爬坡，產線升級將助推工藝水平、產品能力的提升；同時，隨著第三代寬禁帶材料半導體迅速發展，SiC與GaN器件的應用規模開始持續增長。
另一方面，功率半導體器件結構朝復雜化演進，功率半導體廠商正迎來產品結構快速升級，以IGBT、SiC為代表的高端功率器件占營收結構持續提升。
聞泰科技IGBT系列產品也已流片成功，從2021年聞泰科技就開始籌備IGBT系列產品，未來幾年聞泰科技半導體業務板塊研發投入預計將達到15%以上，主要投向中高壓MOSFET、第三代半導體和IGBT等領域。
07
何時能跑出中國的英飛凌？
近日，士蘭微發布了向特定對象融資65億元，以發展包括SiC和IGBT等功率器件在內的多項產品的報告。在報道中，士蘭微分享了他們對功率半導體，特別是中國功率半導體行業的看法。
士蘭微在報告中指出：
近年來，功率半導體行業呈現穩健增長的態勢，根據 IHS Markit 的統計，2021 年全球功率半導體市場規模約為 462 億美元。隨著下游應用領域的不斷拓展延伸 以及物聯網、通信和新能源汽車等新興應用領域的蓬勃發展，未來功率半導體市場仍將保持增長態勢。根據 IHS Markit 預測，到 2024 年全球功率半導體市場規模將達到 522 億美元。
中國作為全球最大的新能源汽車市場，在車規級功率半導體市場領域一直被國際巨頭占據，國內自給率不足 10%，存在巨大的供需缺口。但功率半導體器件技術迭代速度較慢，使用周期較長，國內廠商擁有充足的發展和追趕時間。
正如士蘭微所言，功率半導體采用非尺寸依賴的特色工藝，不追求7nm、5nm等先進制程，因此功率半導體相對邏輯IC工藝技術難度低，同時不需要動輒百億美金的產線投入，國產廠商更容易實現技術追趕。
根據中國半導體行業協會的數據，2021年中國功率半導體前十大企業為安世半導體、華潤微、揚杰科技、士蘭微、華微電子、捷捷微電、斯達半導、新潔能、比亞迪半導體、時代電氣。前十大企業中，安世半導體產品覆蓋最為全面，基本上涵蓋了二極管、MOS、IGBT、SiC等主要產品線；此外，士蘭微、華潤微、揚杰科技等老牌功率器件廠商產品也基本上覆蓋了市場主流的MOS和IGBT產品；而比亞迪半導體和時代電氣，背靠母公司擁有強大的終端市場，相關功率器件產品除了自用外，也走向市場開始向其他大客戶實現了批量出貨。
中國擁有功率半導體應用增長最快、潛力最大的特色市場，市場的比重也在繼續提升，未來，隨著技術水平的提升以及管理經驗的積累，國內相關企業有望進一步對國外企業形成競爭優勢，占據更大的市場空間。
