功率半導(dǎo)體用于包括電動汽車、家用電器、太陽能電池板和數(shù)據(jù)中心等所有類型的設(shè)備中以控制電力。預(yù)計全球需求將會增加。

由于向電動汽車的轉(zhuǎn)變和工業(yè)設(shè)備數(shù)字化的進步，對功率半導(dǎo)體的需求正在增加。據(jù)研究公司Fuji Keizai稱，全球市場規(guī)模預(yù)計將從2022年的26,827億日元增長到2035年的134,302億日元，增長五倍。


日本廠商發(fā)力SiC功率器件

由于預(yù)計需求增加，日本制造商正在增加產(chǎn)量。

大型半導(dǎo)體公司瑞薩電子已向山梨縣一家曾經(jīng)關(guān)閉的工廠投資了 900 億日元，并計劃于 2024 年重新啟動。此外，三菱電機還計劃在熊本縣建設(shè)一座新工廠生產(chǎn)功率半導(dǎo)體，并升級現(xiàn)有工廠的設(shè)施，總投資約1000億日元。

上月，東芝和羅姆宣布利用兩家公司的工廠進行聯(lián)合生產(chǎn)。當(dāng)中，羅姆將管理資源集中在SiC功率半導(dǎo)體上，而東芝將管理資源集中于Si（傳統(tǒng)）功率半導(dǎo)體，羅姆子公司將在德國和日本生產(chǎn)SiC晶圓。合作的關(guān)鍵是共享各公司擅長的產(chǎn)品生產(chǎn)，以增強競爭力。

當(dāng)東芝將管理資源集中于使用傳統(tǒng)Si（硅）生產(chǎn)功率半導(dǎo)體時，羅姆則專注于生產(chǎn)使用SiC（碳化硅）的產(chǎn)品，總業(yè)務(wù)價值將攀升至3883億日元。盡管使用SiC的半導(dǎo)體的制造成本高于硅產(chǎn)品，但由于其優(yōu)異的節(jié)能性能，作為旨在實現(xiàn)脫碳的下一代半導(dǎo)體，特別是在電動汽車中的應(yīng)用的期望正在不斷提高。

羅姆在SiC功率半導(dǎo)體的研發(fā)方面具有優(yōu)勢，而東芝則通過多年來向鐵路和汽車等領(lǐng)域提供傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體來積累專業(yè)知識。一家半導(dǎo)體相關(guān)公司的高管對兩家公司的合作表示了很高的期望。

“雖然是一小步，但我們終于邁出了一步。如果我們能在日本建立一家強大的半導(dǎo)體制造商，那么材料和設(shè)備的開發(fā)就會更容易，這也將有利于半導(dǎo)體行業(yè)。”經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省也將為此次合作提供高達1294億日元的巨額補貼。政府的目標是加強半導(dǎo)體行業(yè)的競爭力，這對于經(jīng)濟安全變得越來越重要。


全球功率器件需求

受電動和混合動力電動汽車(xEV)、可再生能源和工業(yè)電機等應(yīng)用推動，Yole預(yù)計到2028年，全球功率器件市場將增長至333億美元，中國廠商將在電動汽車產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢下迅猛發(fā)展。

Yole最新數(shù)據(jù)顯示，全球功率器件市場將從2023年的約230億美元快速增長到2028年的333億美元，這一需求需要建立更多的硅、SiC和GaN功率器件制造產(chǎn)能來支撐。

在SiC功率器件領(lǐng)域，主要受電動汽車的推動，預(yù)計到2028年電子電力器件的市場規(guī)模占比將達25%左右；在GaN功率器件領(lǐng)域，主要受到消費類快充以及智能手機、電腦適配器需求推動。SiC功率器件在下游應(yīng)用中的采用速度比GaN快，后者起步晚，但是兩者都將從傳統(tǒng)硅器件市場中取得份額。

就SiC器件而言，SiC晶圓成本和可用性一直是影響其發(fā)展速度的主要因素。從晶圓到器件之間的供應(yīng)鏈存在大量垂直整合的廠商。大型企業(yè)如Wolfspeed、安森美、羅姆和意法半導(dǎo)體等覆蓋了整個供應(yīng)鏈，包括晶錠/襯底、外延、芯片加工和二極管/晶體管設(shè)計；中國的小型企業(yè)，如天科合達、天岳先進聚焦在SiC晶錠/襯底領(lǐng)域。一些SiC器件制造商如英飛凌、博世等依賴外部SiC晶圓供應(yīng)，中國企業(yè)在SiC晶圓領(lǐng)域的市場份額在逐步擴大，并計劃在未來五年內(nèi)大幅增加產(chǎn)能，目標是到2027年占全球產(chǎn)能的40%以上。

Yole預(yù)計中國供應(yīng)商可能會以較低價格大量供貨，而SiC晶圓的供需狀況逆轉(zhuǎn)將顯著改變SiC和硅功率器件行業(yè)的游戲規(guī)則，更便宜的SiC器件的出現(xiàn)不僅會影響成本高的SiC廠商，還會加速SiC器件在許多應(yīng)用中對硅器件的替代。

此外，裸芯片產(chǎn)能的大幅提升，封裝領(lǐng)域的投資也將隨之增加，以免形成未來潛在的產(chǎn)能瓶頸，尤其是功率模塊。一些公司已經(jīng)開始進行封裝領(lǐng)域的合作，而另一些公司則自己投資封裝產(chǎn)能，例如英飛凌、意法半導(dǎo)體和日月光等公司在封裝領(lǐng)域的投資額從20——40億元不等，預(yù)計這一數(shù)字還將持續(xù)增加以滿足功率器件需求。


軌道交通IGBT國產(chǎn)替代空間較大

功率半導(dǎo)體除了在新能源汽車廣泛使用外，在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐步加大。

以高鐵為例，高鐵將高壓交流電經(jīng)過牽引變流器轉(zhuǎn)換成可調(diào)幅調(diào)頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機，并通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運行，而IGBT 則是牽引電轉(zhuǎn)動的核心。截止2021 年4 月，全國鐵路營業(yè)里程從2012 年的9.8 萬公里上升到了14.63 萬公里，增長率高達49.29%。此外，還有地鐵、輕軌等一系列軌道交通應(yīng)用場景，IGBT 在此領(lǐng)域仍存在較大的增長空間。

值得注意的是，雖然中國已成為世界上高鐵系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規(guī)模最大的國家，但目前我國在該領(lǐng)域的IGBT器件主要還是采用ABB、三菱、英飛凌、東芝等大廠的產(chǎn)品，國內(nèi)僅有時代電氣等少數(shù)廠商能夠擁有該方面的技術(shù)及產(chǎn)品儲備。不過這是挑戰(zhàn)也是機遇，隨著我國功率器件廠商的技術(shù)的逐步發(fā)展，未來這一塊國產(chǎn)替代空間較為廣闊。

半導(dǎo)體功率器件起源于歐美，日本后來居上占了半壁江山。和國外廠商相比，國內(nèi)功率器件行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平和創(chuàng)新能力仍存在較大的差距，部分高端MOSFET、IGBT產(chǎn)品仍大量依賴進口。

不過，好消息是功率器件和數(shù)字芯片有所不同，其技術(shù)迭代速度較慢，使用周期較長，且客戶主要追求的是產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，對新技術(shù)的追求意愿不高。因此，雖然目前差距較大，但是行業(yè)留給了本土功率器件廠家充足的發(fā)展和追趕的時間。

通過對國際先進技術(shù)的持續(xù)引進以及自主創(chuàng)新，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)企業(yè)在技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量等方面已經(jīng)取得重大突破，并憑借其成本、區(qū)域優(yōu)勢逐步實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的進口替代。未來，隨著技術(shù)水平的提升以及管理經(jīng)驗的積累，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)有望進一步對國外企業(yè)形成競爭優(yōu)勢，占據(jù)更大的市場空間。