芯片小白必讀中國“功率器件半導體”

一、功率器件在半導體產業(yè)中的位置

功率半導體器件，簡稱功率器件，又稱電力電子器件，屬于半導體產品中的分立器件。功率集成電路也就是如下圖的【功率IC】，典型產品有【電源管理芯片】和【各類驅動芯片】等，屬于半導體產品中的集成電路。【功率器件】和【功率IC】共同組成規(guī)模數(shù)百億美元的功率半導體市場，其重要性相當，市場規(guī)模也比較接近，基本上穩(wěn)定在各占一半的比重。

二、功率半導體是電力控制的核心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。放眼一條完整的從電能產生到電能最終被用電終端應用的電力傳輸鏈時，功率半導體則更類似于一名“廚師”的角色。它負責將發(fā)電設備產生的電壓和頻率雜亂不一的粗電“加工”成電壓、頻率統(tǒng)一的工頻電，再將“加工好”的工頻電“烹飪”成擁有不同電壓、電流、頻率等電能參數(shù)的特定電來滿足各個用電終端的不同“口味”。

功率半導體可以從五個角度去分類：控制類型、材料特性、驅動方式、載流子類型以及半導體的集成度。1）、按照控制類型分類：控制類型是通過判斷該功率半導體是否主動可控制其打開、關閉來進行分類，一般情況下分為三類：不可控，半可控以及全控型。

不控器件：典型器件是電力二極管，主要應用于低頻整流電路；半控器件：典型器件是晶閘管，又稱可控硅，廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電路中，應用場景多為低頻；全控器件：應用領域最廣，典型為GTO、GTR、IGBT、MOSFET，廣泛應用于工業(yè)、汽車、軌道牽引、家電等各個領域。

2）、按照材料來分類：制作功率半導體器件的材料必須擁有一個足夠大的禁帶寬度，以確保在較高的工作溫度下，本征載流子濃度也不會超過輕摻雜區(qū)的濃度，避免器件紊亂。而隨著禁帶寬度的增加，臨界擊穿電場也會增高，器件可以做到更高的耐壓。當然，過大的禁帶寬度會導致雜質電離更困難，使自建電勢和閾值電壓增高。除去物理性質，制作功率半導體器件的材料還被要求化學狀態(tài)穩(wěn)定。在功率半導體發(fā)展歷史上，功率半導體可以分為三代：第一代：Si、Ge等元素半導體材料，促進計算機及IT技術的發(fā)展，也是目前功率半導體器件的基礎材料；

第二代：GaAs、InP等化合物半導體材料，主要用于微波器件、射頻等光電子領域；第三代：SiC、GaN等寬禁帶材料，未來在功率電子、射頻通信等領域非常有應用前景。

3）、按照驅動方式分類：驅動方式是指該功率器件受何種動力因素而打開或者關閉，常見分為：電流驅動、電壓驅動與光控。

4）、按照載流子類型：載流子類型分類通常僅僅用在對功率器件運作機理的理論分析上，在市場上較少采取此種分類方式。5）、按照集成度分類：按照集成度可以分為功率半導體分立器件、功率模組和功率集成電路三類。功率分立器件由功率二極管、晶閘管等器件組成,為電路中最基本的元件。功率模組往往為實現(xiàn)特定功能(如開關、電路保護等)而將一些紛立器件的芯片組合并重新組合絕緣得到。若將分立器件簡單集中在-起.由于每個元件的散熱片是同半導體器件的一個主要端口相連接,因此必須相互隔離并用導線連接。這樣在材料、體積、生產工時等方面會產生浪費。功率集成電路,是模擬集成電路的主要構成,主要是指由電容、晶體管、其他功率分立器件等組成的模擬電路集成在一起用來處理模擬信號的集成電路。功率集成電路的主要構成電路有:放大器、濾波器、反饋電路、基準源電路、開關電容電路等。功率集成電路,有著體積小、量輕、引出線和焊接點少、壽命長、可靠性高、性能好、成本低、便于大規(guī)模量產等優(yōu)點。

三、功率半導體的市場應用

作為一個從1956年發(fā)展至今的成熟產業(yè)，功率半導體行業(yè)每年的市場空間可以被很容易地拆解成兩個方面：折舊帶來的替換市場以及電氣化程度加深帶來的新增市場。既然新增市場源于電器化程度的加深，那么能對功率半導體市場規(guī)模造成較大影響的下游行業(yè)無疑又將符合兩個條件：應用市場具備一定的規(guī)?；鶖?shù)；以及相應新產品對功率半導體的需求大幅增加。經過觀察，有三個行業(yè)顯著符合這兩個條件：清潔能源行業(yè)、電動汽車行業(yè)以及物聯(lián)網行業(yè)。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(jù)著主導地位，隨著近年來新能源汽車的發(fā)展，許多本土企業(yè)也紛紛入局。放眼市場，不論是傳統(tǒng)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(yè)布局。

1）、IGBT供需缺口達13.6%IGBT是一種功率半導體芯片，是絕緣柵雙極晶體管的簡稱。

IGBT 功率模塊用作電子開關設備。通過交替開關，直流電(DC) 可以轉換為交流電(AC)，反之亦然。IGBT 適用于高電壓、高電流應用。它們旨在以低功率輸入驅動高功率應用。根據(jù)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，產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛,同比分別增長969%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,需求量持續(xù)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(yōu)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(yè)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(yè)IGBT業(yè)務均實現(xiàn)了極大提升,車規(guī)級IGBT產品在市場.上也實現(xiàn)了極大突破。根據(jù)DIGITIMES Research統(tǒng)計與分析, 2022年IGBT因電動車與光伏發(fā)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(guī)級IGBT產品國產化率仍然較低。

2）、車規(guī)級MOSFET持續(xù)發(fā)展MOSFET具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好；制造工藝簡單、輻射強，因而通常被用于放大電路或開關電路。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。隨著新能源汽車加速發(fā)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(yōu)化與需求增加的雙重驅動下，國產車規(guī)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(guī)級MOSFET領域持續(xù)發(fā)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(fā);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(xiàn)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(fā)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%。

3）、第三代半導體成為必爭之地

SiC作為第三代半導體材料,具有比硅更優(yōu)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(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性。SiC器件廣泛用于光伏逆變器、工業(yè)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(guī)級SiC MOSFET模塊開始大批量裝車應用,并新增多個使用車規(guī)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(yè)在SiC二極管、SiC MOSFET等器件領域已逐步實現(xiàn)產品系列化;士蘭微、聞泰科技等企業(yè)也積極布局SiC器件研發(fā),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(yè)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(xù)傳出進度更新的消息。

四、中國功率半導體市場的進展與困惑

去年12月，華潤微電子重慶12英寸晶圓制造生產線以及先進功率封測基地實現(xiàn)通線。其12英寸晶圓制造生產線項目總投資75.5億元，功率半導體封測基地項目總投資42億元，成功通線標志著華潤微車用功率裝置產業(yè)基地已初步成形，將持續(xù)支持產品應用升級，進一步完善在車用功率半導體領域的布局。去年10月，中車時代功率半導體器件核心制造產業(yè)園項目開工。該項目計劃總投資逾52億元。項目建成達產后，可新增年產36萬片8英寸中低壓組件基材的生產能力，產品主要面向新能源發(fā)電及工控家電領域。去年6月，士蘭微投資建設“年產720萬塊汽車級功率模塊封裝項目”該項目總投資30億元。隨后在10月，又投資65億元，用于年產36萬片12英寸芯片生產線項目（39億元）、SiC功率器件生產線建設項目（15億元）、汽車半導體封裝項目（一期）（30億元）等。可以看到，中國功率半導體的發(fā)展如火如荼，各大廠商正在大舉進軍，然而功率半導體行業(yè)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(yè)規(guī)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(jù)中商產業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2020年國內功率半導體市場需求規(guī)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(yè)龍頭。

根據(jù)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(xiàn)“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(guī)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(xù)完成車規(guī)認證。五、中國功率半導體公司布局中國主要功率半導體公司有斯達半導、士蘭微、時代電氣、比亞迪半導體、東微科技、宏微科技、揚杰科技、新潔能、聞泰科技、華潤微。功率半導體行業(yè)投融資集中高性能功率器件及第三代材料研發(fā)：

今年2月初，第三代半導體行業(yè)新銳昕感科技宣布連續(xù)完成B輪、B+輪兩輪融資，金額數(shù)億元人民幣。本次融資由新潮集團及金浦新潮領投，安芯投資、耀途資本、達武創(chuàng)投、芯鑫租賃等機構共同參與，老股東藍馳創(chuàng)投、萬物資本持續(xù)加碼。2月22日，集微網消息，譜析光晶已于1月完成數(shù)千萬元A輪融資，由北京亦莊創(chuàng)投領投，上海脈尊、杭州長江創(chuàng)投等跟投。目前，譜析光晶已批量出產數(shù)款1200V、30毫歐以內的高端碳化硅SBD和車規(guī)級MOS芯片；在模塊層面，譜析光晶的系統(tǒng)級工藝能將碳化硅電驅系統(tǒng)和模組做到高度小型化、輕量化、高功率密度和高溫高可靠性等特性。另外，美浦森半導體完成A+輪融資，由卓源資本領投，本輪融資資金將進一步用于產品迭代升級。據(jù)了解，美浦森半導體成立于2014年，是一家硅高功率半導體MOSFET/IGBT廠商，核心主創(chuàng)團隊來自于中芯國際、華虹半導體、美國AOS、韓國Power Devices等業(yè)內知名廠家，目前8 英寸月產能12000片，6寸產能10000片，是東亞地區(qū)唯一的PLANNER 8英寸晶圓生產線。

六、中國功率半導體產業(yè)園布局根據(jù)前瞻智慧招商系統(tǒng)統(tǒng)計，截止2022年4月，中國功率半導體相關產業(yè)園區(qū)建設共計30個，分布廣泛，全國遍地開花，其中廣東省、山東省、浙江省相關產業(yè)園區(qū)數(shù)量最多，均多達4個。

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