雙輪驅動下的功率半導體市場將迎來井噴｜半導體行業觀察
來源：內容由 公眾號 半導體行業觀察 （ID：icbank）原創，謝謝！
受益於新能源汽車、工業控制等市場需求大量增加，MOSFET、IGBT等功率半導體產品持續缺貨和漲價，帶動2018年中國功率半導體市場規模大幅增長12.76%，達到2591億元人民幣。
來自TrendForce的分析指出，作為需求驅動型產業，功率半導體在2019年的景氣度仍然持續向上，雖然仍有貿易戰等不利因素影響，但在需求驅動下，其受影響程度要小於其它IC產品，預計2019年中國功率半導體市場規模將達到2907億元人民幣，較2018年增長12.17%。
中國市場搶眼，在很大程度上體現出了全球功率半導體市場的狀況：增長強勁，總體向好。
據WSTS統計，2018年全球分立器件市場規模達到231億美元，較2017年增長7.4%。受益於工業、新能源汽車、通信和消費電子領域新興應用不斷出現，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，在新能源應用（電動汽車、光伏、風電）、變頻家電、物聯網設備等需求拉動下，功率半導體呈現淡季不淡的良好趨勢，根據富昌電子 2019年Q1的市場行情報告，MOSFET、IGBT的產品交期依然普遍在30周以上，且價格有所上調。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模將達到426億美元。英飛凌以12%的市場佔有率排名第一。歐美日廠商憑藉其技術和品牌優勢，佔據了全球功率半導體器件市場的70%。
下面，我們就從應用和新工藝技術這兩方面，看一下全球功率半導體市場的火爆情況。
汽車應用是第一牽引力
在應用層面，汽車是功率半導體未來發展的最大驅動力。
近5年，全球汽車產量從2012年的8213萬輛，增長至2017年的9704萬輛，根據中國信息產業網預估，從2018到2022年，全球汽車銷量年均複合年增長率約為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EV sales統計，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%，銷量呈現出加速增長的態勢。
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。在傳統汽車中，功率半導體主要應用在啟動、發電、安全等領域，佔傳統汽車半導體總量的20%，單車價值約為60美元。
由於新能源汽車普遍採用高壓電路，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對功率器件需求的增加。
根據麥肯錫的統計，純電動汽車的半導體成本為704美元，比傳統汽車的350美元增加了1倍，其中功率器件成本高達387美元，佔55%。純電動汽車相比傳統汽車新增的半導體成本中，功率器件成本約為269 美元，佔新增成本的76%。
市場格局
在當今的功率半導體市場，中國大陸、臺灣地區主要集中在二極管、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佔據。
在新能源汽車用功率半導體領域，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。
圖：全球汽車功率半導體廠商排名，資料來源：strategy analytics
從汽車用功率半導體廠商排名來看，來自strategy analytics的數據顯示，英飛凌以25.6%的市佔率排第一，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，緊隨其後的是德州儀器，市佔率為8.2%。
而作為功率半導體行業霸主，英飛凌於近期收購了Cypress（賽普拉斯），而後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，得益於國產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，並擴大布局腳步。其中，比亞迪微電子憑藉擁有終端的優勢，在車用IGBT市場快速崛起，取得中車用IGBT市場超過兩成的市佔率，一躍成為銷售額位於中國前三的IGBT供應商。此外，MOSFET廠商華微電子和揚傑科技營收大增，並且逐漸導入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%；歸屬於上市公司股東淨利潤為1.7億元。雖然這一整體財報數字受到了業界的一些質疑，但其功率半導體的業績確實亮眼。其功率器件產品營收14.75億元，同比增長28.65%。在士蘭微功率器件產品中，低壓MOSFET、超結MOSFET、IGBT、IGBT大功率模塊（PIM）、快恢復管等產品增長較快。而在這些產品當中，大部分都可以用於汽車。
此外，臺基股份在功率半導體市場的表現穩定向好，2019年第一季度，該公司功率半導體高端產品、高毛利產品比重有所上升，半導體板塊收入及淨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——上汽英飛凌半導體公司，上汽集團持股 51%，英飛凌持股49%。
據悉，上汽英飛凌半導體聚焦IGBT模塊封裝業務，旨在服務上汽集團及其他國內新能源汽車廠商，項目一期投資16億元，預計未來2~3年實現100萬套的年產能。
另外，不久前，聞泰科技已取得安世半導體控股權，安世半導體源於NXP的標準產品業務，在汽車功率半導體器件領域有著深厚的積累，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%的產品應用在汽車領域，按照規劃，安世半導體未來有望在中國大陸擴產，這可以說是給我國本土汽車功率半導體產業的發展打了一針強心劑。
IGBT增長強勁
功率半導體是電動車成本佔比僅次於電池的第二大核心零部件。新能源電動車動力產生和傳輸過程與汽油發動機有較大差異，需要頻繁進行電壓變換和直流-交流轉換。加之純電動車對續航里程的高需求，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於傳統汽車。而作為新興功率器件，IGBT在汽車需求的帶動下，將出現爆發式增長。
隨著新能源汽車的普及，IGBT作為重要的功率器件，受到了廣泛的關注。IGBT 模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心部件。有統計顯示，IGBT模塊佔電動汽車成本將近10%，佔充電樁成本約20%。
IGBT 廣泛運用於汽車電機控制系統，目前，汽車電機控制系統需要用到數十個IGBT。以特斯拉為例，特斯拉後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，電動車尚處於滲透率較低的產業化初期，汽車半導體用量需求的成長空間很大，這些將帶動硅片產業進入長期、持續的供需緊張狀態。
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。混合動力汽車的功率半導體用量相對較少，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），其決定了車用電驅動系統的關鍵性能，同時佔電機逆變器成本的40%以上，是核心部件。
IGBT約佔電機驅動器成本的三分之一，而電機驅動器約佔整車成本的15~20%，也就是說，IGBT佔整車成本的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。
在技術層面，IGBT芯片經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，並提升了Tj；IEGT、CSTBT和MPT的引入，持續降低了Vce，並提高了功率密度；通過表面金屬及鈍化層優化，可滿足車用的高可靠性要求。
除了技術層面，IGBT在結構上也有創新，如出現了RC-IGBT，以及將FWD與IGBT集成到一起的設計；此外，在功能上也有集成，如集成電流、溫度傳感器等。
新工藝技術推動功率半導體加速前進
以上講的是汽車應用對於功率半導體發展的重要作用，下面看一下新工藝技術的推動作用。
傳統的功率半導體，採用的是MOS技術，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，正在給功率半導體的發展增添新的動力。
許多公司都在研發SiC MOSFET，領先企業包括美國科銳（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，市場規模約在2.1億~2.4億美金之間。而據Yole預測，SiC市場規模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的複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域擁有SiC、GaN相關產品的生產、設計、製造和銷售能力。
SiC在低壓領域，如高端的白色家電、電動汽車等，由於成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領域，如高速列車、風力發電以及智能電網等，SiC具有不可替代性的優勢。
全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，居於領導地位，佔有全球SiC產量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權；日本則是設備和模塊開發方面的絕對領先者。
中國市場表現
我們習慣把SiC和GaN稱為第三代半導體技術，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，創新能力還不足。
雖然落後，我國也在積極推進，國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金髮展第三代半導體產業：地方政策在2016年大量出臺，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出臺第三代半導體相關政策（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”相關規劃，另一方面，不少地方政府有針對性地對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。
國內企業方面，在LED芯片領域已有深厚積累的三安光電，在第三代半導體材料的研發投入達到了330億元。
除三安光電外，揚傑科技、國民技術、海特高新等多家上市公司均開始佈局第三代半導體業務。
揚傑科技曾透露，其SiC芯片技術已達到國內領先水平。海特高新通過其子公司海威華芯開始建設6英寸的第二代/第三代集成電路生產線。中車時代電氣（中國中車子公司）在高功率SiC器件方面處於國內領先地位。國民技術也開始佈局這個領域，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《化合物半導體生態產業園項目投資協議書》，研發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展第三代半導體材料的代表企業。
氧化鎵
SiC和GaN並不是最新的技術，憑藉比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用方面具有獨特優勢。因此，近幾年關於氧化鎵的研究又熱了起來。
實際上，氧化鎵並不是很新的技術，多年前就有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鑽研，但就實際應用場景來看，過去不如SiC和GaN的應用面廣，所以相關研發工作的風頭都被後二者搶去了。而隨著應用需求的發展愈加明朗，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勢和前景，相應的研發工作又多了起來，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，其導電性能和發光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作於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應用領域，而其在未來的功率、特別是大功率應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。由於禁帶寬度可衡量使電子進入導通狀態所需的能量。採用寬禁帶材料製成的系統可以比由禁帶較窄材料組成的系統更薄、更輕，並且能應對更高的功率，有望以低成本製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，其禁帶寬度大於硅，SiC和GaN，在高功率領域的應用優勢愈加明顯。但氧化鎵不會取代SiC和GaN，更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓範圍方面發揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統。
結語
從全球集成電路市況來看，功率半導體已經成為未來幾年全球IC產品中最具發展潛力的品類，得到了各國越來越多廠商的重視。在汽車應用和新工藝技術雙輪驅動下，其強勁的發展勢頭及前景非常值得期待。