?雙輪驅(qū)動下的功率半導體市場將迎來井噴

受益于新能源汽車、工業(yè)控制等市場需求大量增加，MOSFET、IGBT等功率半導體產(chǎn)品持續(xù)缺貨和漲價，帶動2018年中國功率半導體市場規(guī)模大幅增長12.76%，達到2591億元人民幣。

來自TrendForce的分析指出，作為需求驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)，功率半導體在2019年的景氣度仍然持續(xù)向上，雖然仍有貿(mào)易戰(zhàn)等不利因素影響，但在需求驅(qū)動下，其受影響程度要小于其它IC產(chǎn)品，預計2019年中國功率半導體市場規(guī)模將達到2907億元人民幣，較2018年增長12.17%。

中國市場搶眼，在很大程度上體現(xiàn)出了全球功率半導體市場的狀況：增長強勁，總體向好。

據(jù)WSTS統(tǒng)計，2018年全球分立器件市場規(guī)模達到231億美元，較2017年增長7.4%。受益于工業(yè)、新能源汽車、通信和消費電子領(lǐng)域新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，功率半導體市場將會不斷擴大。

2019年第一季度，功率半導體仍維持高景氣度，在新能源應(yīng)用（電動汽車、光伏、風電）、變頻家電、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等需求拉動下，功率半導體呈現(xiàn)淡季不淡的良好趨勢，根據(jù)富昌電子 2019年Q1的市場行情報告，MOSFET、IGBT的產(chǎn)品交期依然普遍在30周以上，且價格有所上調(diào)。高低壓MOSFET、IGBT方面，英飛凌交期最長，達到39~52周，供給緊缺情況依然嚴峻。

預計到2022年，全球功率半導體市場規(guī)模將達到426億美元。英飛凌以12%的市場占有率排名第一。歐美日廠商憑借其技術(shù)和品牌優(yōu)勢，占據(jù)了全球功率半導體器件市場的70%。

下面，我們就從應(yīng)用和新工藝技術(shù)這兩方面，看一下全球功率半導體市場的火爆情況。

汽車應(yīng)用是第一牽引力

在應(yīng)用層面，汽車是功率半導體未來發(fā)展的最大驅(qū)動力。

近5年，全球汽車產(chǎn)量從2012年的8213萬輛，增長至2017年的9704萬輛，根據(jù)中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)預估，從2018到2022年，全球汽車銷量年均復合年增長率約為3.2%，預計2022年，全球汽車銷量將增加至1.14億輛。

未來幾年，電動汽車的銷量增速有望超過50%。據(jù)EV sales統(tǒng)計，2017年全球電動車銷量超過122萬輛，同比增長了58%。2018 年，電動車銷量明顯提速，1~4月，全球電動車銷售達到43.55萬輛，較2017年同期增長了68.18%，銷量呈現(xiàn)出加速增長的態(tài)勢。

功率半導體主要運用在汽車的動力控制、照明、燃油噴射、底盤安全等系統(tǒng)當中。

新能源汽車新增半導體用量中大部分是功率半導體。在傳統(tǒng)汽車中，功率半導體主要應(yīng)用在啟動、發(fā)電、安全等領(lǐng)域，占傳統(tǒng)汽車半導體總量的20%，單車價值約為60美元。

由于新能源汽車普遍采用高壓電路，當電池輸出高電壓時，需要頻繁進行電壓變換，這時電壓轉(zhuǎn)換電路（DC-DC）用量大幅提升，此外，還需要大量的DC-AC逆變器、變壓器、換流器等，這些對IGBT、MOSFET、 二極管等半導體器件的需求量也有大幅增加。以上這些極大帶動了汽車電子系統(tǒng)對功率器件需求的增加。

根據(jù)麥肯錫的統(tǒng)計，純電動汽車的半導體成本為704美元，比傳統(tǒng)汽車的350美元增加了1倍，其中功率器件成本高達387美元，占55%。純電動汽車相比傳統(tǒng)汽車新增的半導體成本中，功率器件成本約為269 美元，占新增成本的76%。

市場格局

在當今的功率半導體市場，中國大陸、***地區(qū)主要集中在二極管、低壓 MOSFET 等低端功率器件市場；IGBT、中高壓MOSFET 等高端器件市場主要由歐美日廠商占據(jù)。

在新能源汽車用功率半導體領(lǐng)域，歐美日廠商三足鼎立。歐洲廠商主要包括英飛凌、意法半導體、博世、恩智浦等；美國廠商主要包括德州儀器、安森美半導體、威世半導體等；日本廠商則主要包括東芝、三菱電機、瑞薩、羅姆半導體等。

從汽車用功率半導體廠商排名來看，來自strategy analytics的數(shù)據(jù)顯示，英飛凌以25.6%的市占率排第一，意法半導體13.4%排第二，博世9.2%排第三，恩智浦8.8%排第四，緊隨其后的是德州儀器，市占率為8.2%。

而作為功率半導體行業(yè)霸主，英飛凌于近期收購了Cypress（賽普拉斯），而后者主攻的就是汽車半導體市場，這使得英飛凌在汽車半導體市場的實力更強了。

在中國，得益于國產(chǎn)替代的政策推動和缺貨漲價的狀況，2018年多家中國本土功率半導體廠商取得了亮眼的成績，并擴大布局腳步。其中，比亞迪微電子憑借擁有終端的優(yōu)勢，在車用IGBT市場快速崛起，取得中車用IGBT市場超過兩成的市占率，一躍成為銷售額位于中國前三的IGBT供應(yīng)商。此外，MOSFET廠商華微電子和揚杰科技營收大增，并且逐漸導入IGBT市場。

士蘭微電子2018財報顯示，全年營收30.26億元，較2017年同期增長10.36%；歸屬于上市公司股東凈利潤為1.7億元。雖然這一整體財報數(shù)字受到了業(yè)界的一些質(zhì)疑，但其功率半導體的業(yè)績確實亮眼。其功率器件產(chǎn)品營收14.75億元，同比增長28.65%。在士蘭微功率器件產(chǎn)品中，低壓MOSFET、超結(jié)MOSFET、IGBT、IGBT大功率模塊（PIM）、快恢復管等產(chǎn)品增長較快。而在這些產(chǎn)品當中，大部分都可以用于汽車。

此外，臺基股份在功率半導體市場的表現(xiàn)穩(wěn)定向好，2019年第一季度，該公司功率半導體高端產(chǎn)品、高毛利產(chǎn)品比重有所上升，半導體板塊收入及凈利潤較去年同期均有所增長。

而在中外合作方面，中國本土市場也是動作頻頻。

2018年3月，上汽集團與英飛凌成立合資企業(yè)——上汽英飛凌半導體公司，上汽集團持股 51%，英飛凌持股49%。

據(jù)悉，上汽英飛凌半導體聚焦IGBT模塊封裝業(yè)務(wù)，旨在服務(wù)上汽集團及其他國內(nèi)新能源汽車廠商，項目一期投資16億元，預計未來2~3年實現(xiàn)100萬套的年產(chǎn)能。

另外，不久前，聞泰科技已取得安世半導體控股權(quán)，安世半導體源于NXP的標準產(chǎn)品業(yè)務(wù)，在汽車功率半導體器件領(lǐng)域有著深厚的積累，其有兩座晶圓廠（6英寸、8英寸）及三座封測廠，2017年銷售額超過13億美元，該公司超過50%的產(chǎn)品應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，按照規(guī)劃，安世半導體未來有望在中國大陸擴產(chǎn)，這可以說是給我國本土汽車功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打了一針強心劑。

IGBT增長強勁

功率半導體是電動車成本占比僅次于電池的第二大核心零部件。新能源電動車動力產(chǎn)生和傳輸過程與汽油發(fā)動機有較大差異，需要頻繁進行電壓變換和直流-交流轉(zhuǎn)換。加之純電動車對續(xù)航里程的高需求，使得電能管理需求更精細化，這些對IGBT、MOSFET、二極管等功率分立器件的需求遠高于傳統(tǒng)汽車。而作為新興功率器件，IGBT在汽車需求的帶動下，將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

隨著新能源汽車的普及，IGBT作為重要的功率器件，受到了廣泛的關(guān)注。IGBT 模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心部件。有統(tǒng)計顯示，IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。

IGBT 廣泛運用于汽車電機控制系統(tǒng)，目前，汽車電機控制系統(tǒng)需要用到數(shù)十個IGBT。以特斯拉為例，特斯拉后三相交流異步電機每相要用到28個IGBT，總計要用84個IGBT，加上電機其他部位的IGBT，特斯拉共計使用了96個IGBT（雙電機還要加前電機的36個）。按照 4~5美元/個的價格計算，雙電機IGBT價值大概在650美元左右。

半導體元器件在汽車中的用量成倍增長，而功率半導體對硅片的消耗量巨大，一般情況下，一片8英寸硅片僅能切割70~80顆IGBT芯片。目前，電動車尚處于滲透率較低的產(chǎn)業(yè)化初期，汽車半導體用量需求的成長空間很大，這些將帶動硅片產(chǎn)業(yè)進入長期、持續(xù)的供需緊張狀態(tài)。

例如在純電動車方面，一輛tesla model x汽車需要使用84顆IGBT，這樣算來，基本上一輛車就要消耗掉一片硅片?；旌蟿恿ζ嚨墓β拾雽w用量相對較少，以寶馬i3為例，單輛汽車的功率半導體硅片消耗量約為1/4片。

下面看一下車用功率模塊（當前的主流是IGBT），其決定了車用電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，同時占電機逆變器成本的40%以上，是核心部件。

IGBT約占電機驅(qū)動器成本的三分之一，而電機驅(qū)動器約占整車成本的15~20%，也就是說，IGBT占整車成本的5~7%。2018年，中國新能源汽車銷量按125萬輛計算的話，平均每輛車大約消耗450美元的IGBT，所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT。

在技術(shù)層面，IGBT芯片經(jīng)歷了一系列的迭代過程，包括從PT向NPT，再到FS的升級，這些使芯片變薄，降低了熱阻，并提升了Tj；IEGT、CSTBT和MPT的引入，持續(xù)降低了Vce，并提高了功率密度；通過表面金屬及鈍化層優(yōu)化，可滿足車用的高可靠性要求。

除了技術(shù)層面，IGBT在結(jié)構(gòu)上也有創(chuàng)新，如出現(xiàn)了RC-IGBT，以及將FWD與IGBT集成到一起的設(shè)計；此外，在功能上也有集成，如集成電流、溫度傳感器等。

新工藝技術(shù)推動功率半導體加速前進

以上講的是汽車應(yīng)用對于功率半導體發(fā)展的重要作用，下面看一下新工藝技術(shù)的推動作用。

傳統(tǒng)的功率半導體，采用的是MOS技術(shù)，主要器件是MOSFET和IGBT。而新興的SiC和GaN，以及最新的氧化鎵技術(shù)，正在給功率半導體的發(fā)展增添新的動力。

許多公司都在研發(fā)SiC MOSFET，領(lǐng)先企業(yè)包括美國科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、德國的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。而進入GaN市場中的玩家較少，起步也較晚。

SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規(guī)模約在2.1億~2.4億美金之間。而據(jù)Yole預測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復合年均增長率預計將達19%。

目前，全球已有超過30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計、制造和銷售能力。

SiC在低壓領(lǐng)域，如高端的白色家電、電動汽車等，由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。

全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，居于領(lǐng)導地位，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權(quán)；日本則是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。

中國市場表現(xiàn)

我們習慣把SiC和GaN稱為第三代半導體技術(shù)，中國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，創(chuàng)新能力還不足。

雖然落后，我國也在積極推進，國家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導體產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區(qū)出臺第三代半導體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。一方面，多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面，不少地方政府有針對性地對當?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢的SiC和GaN材料企業(yè)進行扶持。

國內(nèi)企業(yè)方面，在LED芯片領(lǐng)域已有深厚積累的三安光電，在第三代半導體材料的研發(fā)投入達到了330億元。

除三安光電外，揚杰科技、國民技術(shù)、海特高新等多家上市公司均開始布局第三代半導體業(yè)務(wù)。

揚杰科技曾透露，其SiC芯片技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。海特高新通過其子公司海威華芯開始建設(shè)6英寸的第二代/第三代集成電路生產(chǎn)線。中車時代電氣（中國中車子公司）在高功率SiC器件方面處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。國民技術(shù)也開始布局這個領(lǐng)域，其全資子公司深圳前海國民公司與成都邛崍市人民政府簽訂了《化合物半導體生態(tài)產(chǎn)業(yè)園項目投資協(xié)議書》，研發(fā)第三代半導體外延片。

此外，華潤華晶微電子和華虹宏力也是發(fā)展第三代半導體材料的代表企業(yè)。

氧化鎵

SiC和GaN并不是最新的技術(shù)，憑借比SiC和GaN更寬的禁帶，氧化鎵（Ga2O3）走入了人們的視野，該種化合物半導體在更高功率的應(yīng)用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來。

實際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，多年前就有公司和研究機構(gòu)對其在功率半導體領(lǐng)域的應(yīng)用進行鉆研，但就實際應(yīng)用場景來看，過去不如SiC和GaN的應(yīng)用面廣，所以相關(guān)研發(fā)工作的風頭都被后二者搶去了。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。而我國在這方面還是比較欠缺的。

氧化鎵是一種寬禁帶半導體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導電性能和發(fā)光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，而其在未來的功率、特別是大功率應(yīng)用場景才是更值得期待的。

雖然氧化鎵的導熱性能較差，但其禁帶寬度（4.9eV）超過碳化硅（約3.4eV），氮化鎵（約3.3eV）和硅（1.1eV）的。由于禁帶寬度可衡量使電子進入導通狀態(tài)所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且能應(yīng)對更高的功率，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

氧化鎵是一種新興的功率半導體材料，其禁帶寬度大于硅，SiC和GaN，在高功率領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢愈加明顯。但氧化鎵不會取代SiC和GaN，更有可能在擴展超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面發(fā)揮作用。而最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)。

結(jié)語

從全球集成電路市況來看，功率半導體已經(jīng)成為未來幾年全球IC產(chǎn)品中最具發(fā)展?jié)摿Φ钠奉悾玫搅烁鲊絹碓蕉鄰S商的重視。在汽車應(yīng)用和新工藝技術(shù)雙輪驅(qū)動下，其強勁的發(fā)展勢頭及前景非常值得期待。