功率半導(dǎo)體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的一類器件之一。能夠?qū)崿F(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和電路控制，在電路中主要起著功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）和整流（交流轉(zhuǎn)直流）等作用。

功率半導(dǎo)體包括功率半導(dǎo)體分立器件（含模塊）以及功率 IC 等。其中，功率半導(dǎo)體分立器件，按照器件結(jié)構(gòu)劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。

據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體分立器件中，以 MOSFET 和 IGBT 為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。

從目前市場需求來看，硅基 MOSFET、硅基 IGBT 以及碳化硅為目前功率半導(dǎo)體分立器件的主力產(chǎn)品。本文也將重點圍繞硅基 MOSFET、IGBT 和碳化硅等功率分立器件（含模塊）展開分析和研究。

?MOSFET，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單和輻射強等優(yōu)點，通常被用于放大電路或開關(guān)電路。MOSFET 按照不同的工藝可分為平面型Planar MOSFET、溝槽型 Trench MOSFET、屏蔽柵 SGT MOSFET 和超級結(jié)SJMOSFET。按照導(dǎo)電溝道可分為 N 溝道和 P 溝道，即 N-MOSFET 和 PMOSFET。按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強型。

隨著 MOSFET 技術(shù)和工藝不斷成熟，成本將不斷下調(diào)。中高端產(chǎn)品也將逐漸向中低端產(chǎn)品下沉。比如 Trench MOSFET 將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET 的低端市場。SGT MOSFET 將部分替代 Trench MOSFET 的低壓應(yīng)用市場，從中高端下沉至中端。

SGT MOSFET、SJ MOSFET 和碳化硅 MOSFET 或是 MOSFET 未來三大主力產(chǎn)品。自上世紀70年代 MOSFET 誕生以來，從平面 MOSFET 發(fā)展到 Trench MOSFET，再到 SGT MOSFET 和 SJ MOSFET，再到當下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET 的技術(shù)迭代方向主要圍繞制程、設(shè)計（結(jié)構(gòu)上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實現(xiàn)器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。

? IGBT 俗稱電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?BJT 和 MOSFET 組合而成，是一種全控型、電壓驅(qū)動的功率半導(dǎo)體器件。IGBT 沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當做開路。IGBT 同時具有 BJT和 MOSFET 的優(yōu)點，即高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降、驅(qū)動功率小而飽和壓降低等，IGBT 與 BJT 或 MOS 管相比，其優(yōu)勢是它提供了一個比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的MOS 管輸入損耗。因此廣泛應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路和牽引傳動等場景。

IGBT 相比 MOSFET，可在更高電壓下持續(xù)工作，同時需要兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的IGBT芯片，不僅僅需要在設(shè)計端不斷優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要求。

中國功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

產(chǎn)品由低端逐步走向中高端，國產(chǎn)替代空間廣闊。我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，總體呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈完整、廠家多、發(fā)展迅速等特點。截止 2022 年 4 月，中國功率半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)已超 320 家。主要分布在廣東（130 家）和江蘇（56 家）等東南沿海地區(qū)。

國產(chǎn)功率半導(dǎo)體已在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，特別是低端產(chǎn)品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓 MOSFET（非車規(guī)）等，已初現(xiàn)“規(guī)模化效應(yīng)、國產(chǎn)化率相對較高”等特點。在中高端領(lǐng)域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規(guī)產(chǎn)品，由于起步晚、工藝相對復(fù)雜以及缺乏車規(guī)驗證機會等問題，國內(nèi)廠家依然在追隨海外廠家技術(shù)發(fā)展路線。但近年來，市場逐漸從依賴進口向國內(nèi)自給自足轉(zhuǎn)變，國產(chǎn)替代潛力大。

芯片進口金額持續(xù)處于高位，功率半導(dǎo)體市場空間足夠大。據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)，2021年，中國進口集成電路 6354.8 億個，同比增長 16.92%。全年進口金額累計為4325.54 億美元，同比增漲 23.59%。中國為功率半導(dǎo)體消費大國，2021 年中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為183億美元，同比增長 6.4%，預(yù)計 2022 年將進一步增長至 191億美元。

國家和地方政策支持，加速國產(chǎn)替代進程。受益于國家和地方政府的鼓勵政策，國內(nèi)電動汽車與充電樁、光伏與儲能等領(lǐng)域需求增長，功率半導(dǎo)體競爭格局有望被重塑——國內(nèi)功率半導(dǎo)體的國產(chǎn)化進程有望加速。

圖表 8：截止 2022 年 3 月，國家層面有關(guān)功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的部分重點政策規(guī)劃

功率半導(dǎo)體前景廣闊，

汽車、充電樁和光伏多輪驅(qū)動

功率半導(dǎo)體應(yīng)用前景廣闊，幾乎涵蓋了所有電子產(chǎn)業(yè)鏈。以 MOSFET、IGBT以及SiC MOSFET 為代表的功率器件需求旺盛。根據(jù)性能不同，廣泛應(yīng)用于汽車、充電樁、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、消費電子、軌道交通、工業(yè)電機、儲能、航空航天和軍工等眾多領(lǐng)域。

Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場規(guī)模將分別達到 76 億美元和 113 億美元。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023 年中國大陸地區(qū)IGBT 市場規(guī)模預(yù)計達到 290.8 億元，同比增長 11.6%。據(jù)中國半導(dǎo)體器件行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與未來投資預(yù)測報告數(shù)據(jù)，2023 年中國大陸地區(qū) MOSFET 市場規(guī)模將達到 396.2 億元（56.6 億美元，人民幣兌美元匯率按照 7 計算），同比增長 4.8%。

圖表 10：中國市場 IGBT 和 MOSFET 市場規(guī)模預(yù)測（億元，2020-2023E）

以 MOSFET 為例，據(jù) Yole 預(yù)測，到 2026 年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規(guī)模預(yù)計將達到 94.8 億美元，復(fù)合增長率達 3.8%（2020 年至 2026

年）。?

MOSFET 汽車應(yīng)用（電動汽車和汽車充電樁占比居首位，高達33%，其中電動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應(yīng)用在 220V 系統(tǒng)中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場滲透率在逐步提高。

2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導(dǎo)體增長的三駕馬車。

? 電動汽車：電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據(jù)貝殼投研數(shù)據(jù)，2021年中國車規(guī)級IGBT 市場規(guī)模為 47.8 億元，預(yù)計到 2025 年，其將達到 151.6 億元。據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2021 年和 2025 年中國車規(guī) MOSFET 的市場規(guī)模分別為 73.5 億元（10.5 億美元，匯率按7計算）和 122.5 億元（預(yù)測數(shù)據(jù)，17.5 億美元，匯率按7計算）。

圖表 12：中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模及增速

圖表 13：中國車規(guī)級 MOSFET 市場規(guī)模及增速

? 充電樁：受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。據(jù)億渡數(shù)據(jù)預(yù)測，至 2026 年，中國充電設(shè)施市場規(guī)模將達 2870.2億元，2022 年到 2026 年復(fù)合增長率高達 37.83%。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導(dǎo)體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。

?

? 光伏：據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，至 2025 年，中國新增光伏裝機保守預(yù)測為90GW，同比增長10%。據(jù)未來智庫數(shù)據(jù)預(yù)測，2025 年中國光伏逆變器市場規(guī)模達 196 億元。

逆變器是光伏系統(tǒng)的心臟，中高壓 MOSFET、IGBT 及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、發(fā)電效率以及使用壽命。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導(dǎo)體器件構(gòu)成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。

表 16：中國新增光伏裝機預(yù)測（GW）

圖表 17：光伏逆變器成本分解

綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅(qū)動下，功率器件有望穩(wěn)健增長，為千億賽道奠定堅實路基。

2. 汽車電動化大勢所趨，功率半導(dǎo)體深度受益

汽車的百年史里，數(shù)次技術(shù)變革都極大的推動了汽車消費和汽車工業(yè)的發(fā)展，如發(fā)動機控制、自動變速、底盤、主被動安全、通信及多媒體影音等技術(shù)。雖然這些技術(shù)給汽車的駕駛感受和舒適性都帶來了提升，但汽車能源供給方式、駕駛方式以及驅(qū)動方式都沒有發(fā)生變化。

如今，傳統(tǒng)燃油車動力和傳動系統(tǒng)將被電動車的大、小三電系統(tǒng)取代。自動駕駛、線控底盤、網(wǎng)聯(lián)化和軟件化，車、路和云端協(xié)同等賦予了汽車新的定義和生命力。汽車已不再單單是一個載客的交通工具，而是被定義為一個智能科技終端、可以在其中工作和休閑的第三移動空間。

2.1 電動汽車加速滲透，IGBT、MOSFET 最先受益

電動汽車作為新能源汽車的最重要載體和代表，是承載先進汽車科技的代名詞，也逐漸成為消費者選擇的主流。而中國已成為引領(lǐng)全球電動汽車技術(shù)發(fā)展的最大的新能源汽車產(chǎn)銷市場。2016 年中國電動汽車市場滲透率僅有 1%。而在疫情等外界因素影響之下，2022 年前三季度中國電動汽車市場滲透率已經(jīng)達到 24%，實現(xiàn)了飛躍式增長。

2022 年 1-9 月份，全球新能源汽車銷量再創(chuàng)新高，達 726 萬輛，同比增長 67.56%。其中歐洲銷售 166 萬輛，同比增長 6.68%；美國銷量快速提升，達 72 萬輛，同比增長59.67%；中國新能源汽車銷量繼續(xù)領(lǐng)跑全球，銷量達到 400 多萬輛，同比增長 110%。全球新能源汽車累計銷量突破 2500 萬輛。?

2022 年 1-12 月份，中國新能源汽車銷量共計 688.7 萬輛，同比 2021 年增加 1 倍。可見，即使上半年疫情影響帶來的供應(yīng)鏈中斷、動力電池上游原材料漲價以及多數(shù)汽車芯片依然緊缺的形勢下，新能源汽車銷售市場熱情不減。如比亞迪增長最為顯著，全年累計銷售 186.85 萬輛，同比增長 152.5%，其中純電車型銷量突破 91.1 萬輛。

?

車載功率半導(dǎo)體穩(wěn)健發(fā)展，離不開高壓平臺應(yīng)用的助推。整車動力電池電壓平臺有望將逐漸從現(xiàn)有的 400V 升級到 800V系統(tǒng)，以滿足消費者對電動汽車的長續(xù)航、快速充電等期待，而這將對功率半導(dǎo)體的性能參數(shù)提出了更高的要求，中高壓功率器件如 SJMOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET將會在車端大量應(yīng)用，其單車價值量有望繼續(xù)提升。

據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)縱橫數(shù)據(jù)，混動和純電動汽車上功率半導(dǎo)體價值量分別占單車半導(dǎo)體總價值的 40%和 55%。據(jù)英飛凌統(tǒng)計數(shù)據(jù)，純電動汽車半導(dǎo)體價值量預(yù)估在 1000 美元左右，而功率半導(dǎo)體達 550-600 美元左右。而車載功率半導(dǎo)體中最具代表的即 IGBT 和MOSFET。

車規(guī)功率半導(dǎo)體需求強勁，電動化與高壓化是兩大重要推動力。隨著汽車電動化、高壓化逐步滲透，功率半導(dǎo)體在電動汽車上單車價值量有望進一步提高。

? 在傳統(tǒng)燃油車上，單車功率半導(dǎo)體價值量在 71 美元左右。且主要以中、低壓MOSFET 應(yīng)用為主，比如在車門、車窗、座椅調(diào)節(jié)、后視鏡、儀表、影音、HUD、自動啟停、雨刷、天窗、轉(zhuǎn)向 ECU、制動 ECU、安全氣囊、空調(diào)電動水泵、座艙儀表燈、前后視大燈驅(qū)動等涉及電機等應(yīng)用場景大量使用。MOSFET 單車用量超100 顆。比如單個轉(zhuǎn)向 ECU 中使用數(shù)量達 8 顆。平均單價 2-10 元人民幣不等。

? 電動汽車包括純電動，插電混動，混動（中混和強混）等。在此類汽車上，電機驅(qū)動、照明、熱管理、電動汽車主驅(qū)逆變器、DC/DC、升壓器和 OBC（車載充電器）等產(chǎn)品將依據(jù)各自的工作功率大小，選擇不同的功率半導(dǎo)體器件。高、中、低壓硅基 MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET 均有廣泛使用。

不同類型的功率半導(dǎo)體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應(yīng)用的落腳點。車載功率半導(dǎo)體種類多，在做選型時，成本和效率是最關(guān)鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結(jié)合系統(tǒng)效率和成本最終設(shè)計出一套最優(yōu)方案。功率半導(dǎo)體分立器件和模塊根據(jù)在車上不同的系統(tǒng)應(yīng)用，則選用不同規(guī)格的器件。

由此可見，功率半導(dǎo)體在電動汽車上應(yīng)用場景非常廣泛。不同種類，不同規(guī)格的產(chǎn)品都能匹配到不同的系統(tǒng)應(yīng)用。電動汽車銷量穩(wěn)健增長，最先獲益的有望是當前具代表性的功率半導(dǎo)體——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。

2.2 加快產(chǎn)品開發(fā)驗證，重塑車規(guī)競爭格局

海外廠家依然是供貨主體，本土企業(yè)份額有望持續(xù)擴大。由于車規(guī)芯片對可靠性、安全性、試驗等要求相對苛刻，且汽車行業(yè)供應(yīng)鏈相對封閉，車規(guī)功率半導(dǎo)體國產(chǎn)化率一直以來比較低。歐、美、日等地的廠家憑借多年的技術(shù)積累和先進的制造能力等占據(jù)著市場主導(dǎo)地位。

據(jù) Omdia 數(shù)據(jù)，英飛凌和安森美穩(wěn)居全球功率半導(dǎo)體銷售額第一和第二的位置，而其后排名相對動態(tài)。日本在全球功率半導(dǎo)體前十的榜單中占據(jù)五席，實力非常強勁。安世半導(dǎo)體是國內(nèi)為數(shù)不多的被列入全球第一梯隊的功率半導(dǎo)體廠家，2021 年排名第八，相比 2019 年上升一名。

圖表 25：全球前十大功率半導(dǎo)體廠商排名（億元，人民幣與美元匯率按 7 計算）

? 英飛凌——全球功率半導(dǎo)體龍頭。英飛凌引領(lǐng)全球功率半導(dǎo)體市場，其功率半導(dǎo)體出貨量占全球總市場近 40%，已經(jīng)連續(xù)多年居首位。國內(nèi)多數(shù)車廠都采用英飛凌方案，特別是用于主驅(qū)逆變器里的 IGBT 單管和模塊。同時也有不少做模塊封裝的廠家從英飛凌采購晶圓。

英飛凌在車載 IGBT 產(chǎn)品上取得的不菲成績離不開其多年持續(xù)的研發(fā)投入、技術(shù)創(chuàng)新、戰(zhàn)略投資和并購、與供應(yīng)鏈上下游深度合作以及超前的戰(zhàn)略眼光和對市場未來發(fā)展趨勢的精準預(yù)判。

? 安森美——穩(wěn)坐功率半導(dǎo)體第二把交椅。功率半導(dǎo)體一直占據(jù)安森美總營收的半壁江山。汽車為安森美最大營收來源，2022 年第四季度汽車收入達 9.89億美元，占總營收的 47.01%，同比增長 54%，創(chuàng)下新記錄。

圖表 27：安森美財務(wù)數(shù)據(jù)

美歐日等國功率半導(dǎo)體企業(yè)具備技術(shù)、產(chǎn)能、體系、人才和管理等眾多優(yōu)勢，市場地位依然穩(wěn)固。而中國作為全球最大功率半導(dǎo)體消費市場，近年來發(fā)展勢頭良好。截止 2022 年 4 月份，相關(guān)企業(yè)超 300 家，產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，其中不乏一些技術(shù)實力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企業(yè)。

以安世半導(dǎo)體、比亞迪半導(dǎo)體、斯達半導(dǎo)、中車時代電氣和士蘭微等為代表的功率半導(dǎo)體企業(yè)，在技術(shù)沉淀、車規(guī)認證、制造工藝、試驗測試、技術(shù)支持、體系搭建、上車批量驗證、問題解決以及產(chǎn)能提升和人才培養(yǎng)方面都積累了寶貴經(jīng)驗。

圖表 29：中國功率半導(dǎo)體代表企業(yè)銷售額（億元）

在車規(guī)功率半導(dǎo)體中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。

? 車規(guī) MOSFET：車規(guī) MOSFET 不論在燃油車上還是電動車上，應(yīng)用非常廣泛，且 MOSFET 產(chǎn)品主要被海外企業(yè)壟斷。

自 2020 年以來，海外頭部供應(yīng)商都相繼面臨產(chǎn)能緊張、漲價和斷供等問題。此時，對于一直在等候卻缺乏合適契機進入車載領(lǐng)域的本土廠商來說，正是切入汽車供應(yīng)鏈的絕佳時機。經(jīng)過兩年的蓄勢，國內(nèi)部分相關(guān)企業(yè)在上車批量供貨的同時，同步在加快新的車規(guī) MOSFET 的研發(fā)和驗證。

低壓 MOS——主要以 40V，60V、100V Planar 平面型、Trench 溝槽型和 SGT屏蔽柵 MOSFET 為主。因為單車用量大、應(yīng)用場景多且復(fù)雜，自 2021 年以來，市場缺貨嚴重。

中壓 SGT MOSFET：車規(guī)級 SGT MOSFET 工作電壓范圍通常在 30V-250V 之間的 MOSFET 產(chǎn)品，其中中壓（100V-250V）一般并聯(lián)多個 MOSFET 單管用于 A00 級小型電動汽車或中混車輛（動力電池電壓在 200V 上下）的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC、空調(diào)壓縮機等零部件當中起到逆變、整流等作用。

高壓 SJ MOSFET，車規(guī)級 SJ MOSFET 工作電壓通常在 650V-900V，主要用于當前廣泛搭載的 400V 動力電池平臺汽車的主驅(qū)逆變器、OBC、DCDC 和 PTC等產(chǎn)品上。

? 車規(guī) IGBT：IGBT 通常分為單管、模塊和 IPM 模塊。全球車載 IGBT 和 MOSFET一樣，主要被美歐日等國家的廠家壟斷。如英飛凌、安森美、富士電機、三菱電機和賽米控等。其中，英飛凌占據(jù)車規(guī) IGBT 主要市場份額，英飛凌最早在 2007年推出車規(guī)級 IGBT 模塊——HybridPACK 系列。在國內(nèi)市場，比亞迪、斯達半導(dǎo)和時代電氣穩(wěn)居前十。

IGBT 已發(fā)展至第七代，英飛凌作為 IGBT 龍頭，其技術(shù)早在 2018 年已經(jīng)迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技術(shù)基礎(chǔ)上針對大功率、高開關(guān)頻率等需求進行的設(shè)計優(yōu)化。不同代差對應(yīng)不同的器件設(shè)計，也對應(yīng)著不同的器件性能和應(yīng)用場景。目前國內(nèi)多數(shù)廠家已經(jīng)發(fā)展到了等同英飛凌的第四代和第五代技術(shù)，而第四、五代 IGBT 也正好是目前車規(guī) IGBT 應(yīng)用的主流技術(shù)。

功率半導(dǎo)體器件或模塊是電機控制器的心臟。電機控制器、電機和減速器一起組成電動汽車的電力驅(qū)動總成。其中，電機控制器是功率半導(dǎo)體器件和模塊的重要應(yīng)用領(lǐng)域，其主要用途是將動力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機所需要的三相交流電。

電機控制器由功率半導(dǎo)體器件或模塊、電容、驅(qū)動電路板和控制電路板等零部件組成。其中功率半導(dǎo)體器件或模塊占總成本的 37%左右，是電機控制器最為核心的零部件之一。

圖表 32：電驅(qū)動總成示意圖和電機控制器成本分解

由于電機控制器是功能安全件，通常消費級或工規(guī)級的功率半導(dǎo)體器件和模塊不滿足上車條件。因此長期以來，電機控制器中的功率半導(dǎo)體器件和模塊一直依賴進口。

近年來，電機控制器格局發(fā)生變化，本土電機控制器廠家市場份額快速增長，這讓國產(chǎn)功率半導(dǎo)體擁有更多驗證和上車機會，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體市場份額將有望進一步擴大。2022 年 Q1，斯達半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體和時代電氣市占率分別穩(wěn)居國內(nèi)市場第二、第三和第五，分別占比 16.4%、14.5%和 9%。

本土電機控制器廠商引領(lǐng)市場，對車載功率半導(dǎo)體競爭格局有著積極影響。2022年，排名前 20 的電控廠家中，本土廠家占據(jù) 12 席。包括 5 家整車廠自制企業(yè)、9 家本土第三方非自制企業(yè)（包括聯(lián)合電子）以及 6 家海外廠家（包括日本的電裝、電產(chǎn)、三菱、日立等四家、法國法雷奧和美國博格華納）。包括整車企業(yè)在內(nèi)（除特斯拉外），總共有 14 家本土企業(yè)入圍前 20，占比 7 成。

圖表 34：2022 年 xEV 電控供應(yīng)商供貨量分布（萬套）

國產(chǎn)電控引領(lǐng)市場，有望助力國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車。目前國內(nèi)電控產(chǎn)品競爭相對充分，且由本土廠家引領(lǐng)。而國內(nèi)企業(yè)在電控市場上份額的提升，則有望助力國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車。原因如下：?

1）供應(yīng)鏈安全考慮：當功率半導(dǎo)體缺貨時，為保證供應(yīng)鏈安全，車廠通常采取一品多點采購戰(zhàn)略，即一個電控產(chǎn)品，多家功率半導(dǎo)體供應(yīng)商按照與車廠約定好的份額供貨。對車廠而言，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體通常是此時的選項之一；

2）電控廠家成本控制需要：國產(chǎn)功率半導(dǎo)體成本相比進口器件具備一定優(yōu)勢。特別是 A00 級和 A0 級這類電動車，其對整車成本控制要求相對較高，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)電控廠家在面臨海外競爭者壓力的時候，成本是其核心優(yōu)勢之一。功率半導(dǎo)體作為電控中占比最高的核心器件，國內(nèi)電控廠家在獲取整車廠項目的時候，通常也會偏愛選用同樣具有成本優(yōu)勢的國產(chǎn)功率半導(dǎo)體。

3）多數(shù)國內(nèi)車廠和電控廠家加強和國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠家合作，通過投資或戰(zhàn)略合作或成立合資公司的方式，形成優(yōu)勢互補，共同開發(fā)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。這將對國產(chǎn)功率半導(dǎo)體上車應(yīng)用起著很強推動作用。

圖表 35：2022 年中國純電動汽車電機控制器與功率模塊供應(yīng)鏈關(guān)系

缺芯緩解過后，功率半導(dǎo)體的“技術(shù)和成本”或成核心主線。隨著缺芯緩解，海外頭部廠家產(chǎn)能恢復(fù)，國內(nèi)廠家或面臨一定程度上的市場競爭。如何突破重圍，長期來看，技術(shù)提升和持續(xù)成本優(yōu)化，以及加快車規(guī)產(chǎn)品研發(fā)和驗證速度，將有助于重塑市場格局，這將成為國內(nèi)廠家可持續(xù)發(fā)展的兩條核心主線。

2.3 車規(guī)器件壁壘重重，國產(chǎn)龍頭曙光破曉

在電動汽車銷量快速增長和缺芯的大背景下，國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠家趁勢在上車驗證和批量供貨上取得不菲成績。但由于國內(nèi)車載功率半導(dǎo)體發(fā)展起步較晚、器件開發(fā)經(jīng)驗不足、上車驗證機會不多和可靠性要求高等原因，在“以下諸多方面”與全球第一梯隊的車規(guī)功率半導(dǎo)體企業(yè)尚存差距，這也正是車規(guī)功率半導(dǎo)體壁壘所在。諸多壁壘呈現(xiàn)復(fù)雜性、多樣性、綜合性以及普遍性等特點。

設(shè)計和制造工藝。車規(guī)功率半導(dǎo)體的設(shè)計和制造工藝相對成熟，結(jié)構(gòu)相對簡單，對工藝制程要求不高（通常大于 90nm）。車規(guī)功率半導(dǎo)體與其他芯片比較，結(jié)構(gòu)和制造工藝有一定差別，且逐漸融合更多的特色工藝（微溝槽、深溝槽和屏蔽柵等）。車規(guī)功率半導(dǎo)體在芯片面積、線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時間、功率損耗和封裝等方面在持續(xù)做設(shè)計和工藝優(yōu)化，以達到大電流、高電壓、低損耗、高開關(guān)頻率、魯棒性、散熱快等性能目標。

圖表 36：功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展趨勢

目前全球車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件設(shè)計、制造工藝和封裝測試等主要由英飛凌等海外廠商引領(lǐng)。

? 器件設(shè)計：功率半導(dǎo)體自誕生以來，從半導(dǎo)體基材的迭代、微溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、先進封裝、大尺寸晶圓的應(yīng)用等多個方面進行技術(shù)創(chuàng)新。據(jù) Yole數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體器件每隔二十年將進行一次產(chǎn)品迭代。相比其他半導(dǎo)體，迭代周期相對慢，這將給國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠家留有充足的發(fā)展時間。

目前國內(nèi)廠商面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1）低功耗與高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）滿足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）產(chǎn)品平臺化和客戶定制要求之間的沖突和平衡；4）車規(guī)產(chǎn)品設(shè)計、制造等管理體系和流程不健全；

? 晶圓制造工藝：這方面的挑戰(zhàn)有：1）半導(dǎo)體設(shè)備長期依賴進口，采購周期長且成本高，設(shè)備調(diào)試時間長，缺乏經(jīng)驗；2）生產(chǎn)過程管控以達到晶圓一致性和可靠性的目的；3）適用于車規(guī)的材料選型，以達到散熱、高結(jié)溫要求；4）小尺寸、先進封裝與成本之間的沖突等。

? 封裝測試：這方面的挑戰(zhàn)有：1）封裝環(huán)節(jié)，鍵合引線、模具、框架等材料的選擇；2）功率半導(dǎo)體模組的散熱問題和可靠性兩者的平衡；2）缺乏車規(guī)試驗條件或測試經(jīng)驗，具體試驗參數(shù)如何設(shè)定沒有經(jīng)驗。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作為中高端功率半導(dǎo)體器件，國內(nèi)廠家在器件設(shè)計、晶圓制造工藝和封測環(huán)節(jié)都面臨不同程度上的挑戰(zhàn)和壁壘。對于追趕者的國產(chǎn)功率半導(dǎo)體廠家而言，技術(shù)作為發(fā)展的第一要素，技術(shù)持續(xù)迭代和技術(shù)方案的創(chuàng)新或是超越國際巨頭、主導(dǎo)市場地位的最重要條件之一。

質(zhì)量管理體系。車規(guī)功率半導(dǎo)體相比消費和工業(yè)產(chǎn)品，對可靠性、質(zhì)量一致性、環(huán)境（耐久、高低溫）、供貨周期以及驗證試驗等要求更高。需要嚴格遵守車規(guī)芯片開發(fā)流程、質(zhì)量管理體系、驗證要求等進行以確保車輛行駛安全。

車載功率半導(dǎo)體與其他車規(guī)芯片一樣，從芯片定義、設(shè)計、原材料采購、供應(yīng)商管理、生產(chǎn)制造過程、小批量和批量供貨以及售后等，都需要嚴格按照 AECQ-100 試驗要求和 IATF16949 生產(chǎn)制造過程中的要求執(zhí)行。對于主驅(qū)逆變器中的功率半導(dǎo)體單管或模塊，甚至要求按照 ISO 26262 對系統(tǒng)和流程體系進行功能安全認證。

比如，在車規(guī) IGBT 模塊的安全性方面，IGBT 模塊通常由多個 IGBT 單管、SBD以及散熱板等結(jié)構(gòu)組成。IGBT 單管由成百上千個 IGBT 元胞構(gòu)成。IGBT 模塊實際上車后，若其中一個元胞出現(xiàn)質(zhì)量問題，則將直接危及整車安全。

國內(nèi)從事車載功率半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)制造的廠商，具有數(shù)量多、分布地域廣、產(chǎn)品種類多、技術(shù)能力水平參差不齊等特點。除了少數(shù)幾家頭部廠家外，車載領(lǐng)域起步相對晚，從事車規(guī)產(chǎn)品開發(fā)累計時間不長。對車規(guī)產(chǎn)品質(zhì)量管理體系認知仍有待提高，需要未來更長時間上車實踐以提升。

上車機會。傳統(tǒng)燃油車時代，汽車銷量和核心零部件技術(shù)均由頭部車廠和供應(yīng)商把握，海外整車廠和頭部 Tier1 話語權(quán)大，故汽車供應(yīng)鏈相對封閉，新玩家進入大廠供應(yīng)鏈體系相對困難。

國內(nèi)車規(guī)功率半導(dǎo)體廠家起步晚、技術(shù)經(jīng)驗少、對車規(guī)產(chǎn)品認知缺乏。由于缺乏批量上車驗證機會。即使部分有很強研發(fā)實力的企業(yè)，同樣缺乏批量供貨、驗證產(chǎn)品長期可靠性的機會，從而技術(shù)能力一直處在進步緩慢的窘境。且高投入和長期低回報導(dǎo)致部分廠家信心不足甚至放棄車載產(chǎn)品的開發(fā)。在此背景下，即形成了對國內(nèi)功率半導(dǎo)體玩家極為不友好的惡性循環(huán)。

新能源汽車的快速上量以及疫情以來的汽車缺芯，特別是特斯拉以及國內(nèi)的造車新勢力們，打破了汽車供應(yīng)鏈封閉的外墻，愿意嘗試多條腿走路，這給予了國內(nèi)包括車載功率半導(dǎo)體廠家在內(nèi)的汽車零部件供應(yīng)商們充足的上車機會，也增強了國產(chǎn)替代的確定性，國產(chǎn)車規(guī)功率半導(dǎo)體有望迎來份額進一步提升的機會。

圖表 41：汽車供應(yīng)鏈上、下游格局在逐漸演變

成本。在汽車客戶面臨器件選型時，成本將是一項重要考量的點，同樣滿足客戶需求的產(chǎn)品，分別來自海外廠家和國內(nèi)廠家，在不缺芯和沒有國產(chǎn)替代要求下，通常客戶可能考慮定點給價優(yōu)者。

車規(guī)功率半導(dǎo)體和其他***類似，因為起步晚、經(jīng)驗缺乏、產(chǎn)業(yè)鏈相對不成熟等特點，研發(fā)成本（人工、IP、軟件和工具鏈等）攤銷相對較高、核心原材料依賴進口（框架、模具、引線鍵合相關(guān)工藝等）、工藝相對不成熟、良率相對不高、規(guī)模化效應(yīng)相對不突出、車規(guī)器件試驗經(jīng)驗相對缺乏以及固定資產(chǎn)尚處在攤銷初期等，而上述或是造成器件成本相對較高的主要因素。

半導(dǎo)體從業(yè)人才。截止 2020 年，國內(nèi)半導(dǎo)體從業(yè)人員人數(shù)約 54.1 萬，同比增長 5.7%。預(yù)計到 2023 年，人才需求將達 76.7 萬人，人才缺口將近 23 萬人。依前文所述，功率半導(dǎo)體已超 300 多家。需求旺盛背后也隱藏著行業(yè)對專業(yè)人才的求賢若渴。人才競爭也同樣是半導(dǎo)體企業(yè)間實力競爭的重要組成部分。成熟、經(jīng)驗豐富的人才隊伍是行業(yè)發(fā)展基石。

3. 供應(yīng)鏈安全迫在眉睫，國產(chǎn)廠商乘勢而上

2023 年 3 月 3 日，美國商務(wù)部將 28 家中國實體加入“EL（Entity List，實體清單）”。自 2018 年中興和華為相繼被制裁以來，美國對中國企業(yè)和科研機構(gòu)等實施多次貿(mào)易限制和打壓，目標直指多家半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)。

3.1 地緣政治+芯片短缺，產(chǎn)業(yè)尋求破局之道

2020 年以來，在多重因素影響下，汽車芯片面臨大缺貨。芯片供求不平衡導(dǎo)致芯片期貨交期延后，價格漲價，現(xiàn)貨價格更是一路高走。至今，汽車缺芯雖然已有所緩解，但依然還存在部分芯片供應(yīng)緊張狀況。

長安汽車領(lǐng)導(dǎo)層就曾公開表示，因缺芯等因素影響，2022 年前三季度，已經(jīng)減產(chǎn) 60.6 萬輛。據(jù) AFS 預(yù)測數(shù)據(jù)，2022 年因缺芯致汽車減產(chǎn)預(yù)計達 450 萬輛，而2021 年這一數(shù)據(jù)是 1050 萬輛。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈全球化受阻。長期以來，半導(dǎo)體行業(yè)高度依賴全球化產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同，彼此分工明確，從設(shè)計、制造、封裝、設(shè)備、材料、軟件等全球通力合作，得以成就全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)碩果。但是，近年來國際局勢已經(jīng)徹底改變了半導(dǎo)體制造商面臨的處境，全球化和自由貿(mào)易變得舉步維艱。

國產(chǎn)替代，功率半導(dǎo)體先行。在缺芯之下，功率半導(dǎo)體因為需求大、技術(shù)門檻相對較低、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)好，且在消費和工業(yè)等有多數(shù)產(chǎn)品量產(chǎn)和應(yīng)用，將有望成為最先被國產(chǎn)化的領(lǐng)域之一。

***產(chǎn)量逐年增加，國產(chǎn)替代內(nèi)部驅(qū)動力增強。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2021年中國集成電路累計產(chǎn)量達 3594 億塊，同比增長 37.48%。從 2011 年至今的國內(nèi)集成電路產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以看出，面對日益增長的市場需求，國內(nèi)集成電路行業(yè)發(fā)展穩(wěn)健，產(chǎn)量逐年提高。

圖表 46：2011-2021 年中國集成電路產(chǎn)量（億顆）

3.2 IDM 及 Fabless 齊發(fā)力，國產(chǎn)替代穩(wěn)步前行

汽車受智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化和軟件化等產(chǎn)業(yè)趨勢驅(qū)動。芯片作為智能硬件和軟件的基石和載體，其重要性不言而喻。功率半導(dǎo)體在汽車電子中價值量高，且產(chǎn)業(yè)鏈相對完整，具備國產(chǎn)替代的現(xiàn)實意義和可操作性。

3.2.1 車企投資不斷，IDM 和 Fabless 齊頭并進

當下，車規(guī)功率半導(dǎo)體已然成為車企重點布局和投資熱門領(lǐng)域之一。車載芯片種類多、型號多、持續(xù)“缺芯”和車廠重要控制器自研，使得車廠開始建立控制器硬件設(shè)計和供應(yīng)鏈部門。車廠將直接參與芯片選型，直接建立與芯片廠家溝通渠道，打破原有供應(yīng)鏈的合作模式。車廠和 Tier1 都在開始往半導(dǎo)體設(shè)計和制造領(lǐng)域下沉，通過投資或與芯片企業(yè)成立合資的形式進入半導(dǎo)體行業(yè)。他們主要聚焦重要、價值高的車規(guī)級芯片并進行布局，與芯片企業(yè)共同合作開發(fā)，化被動為主動，以應(yīng)對將來可能會面臨的汽車芯片供應(yīng)鏈安全問題。而其中功率半導(dǎo)體，特別是 IGBT 和 SiC，成為車企投資熱門之一。

圖表 47：部分車企布局芯片產(chǎn)業(yè)

IDM 和 Fabless 各顯其能。在功率半導(dǎo)體設(shè)計制造環(huán)節(jié)，目前主要有 IDM 模式和垂直分工模式，兩方競爭力孰強孰弱尚未分明，都在發(fā)揮各自優(yōu)勢。IDM 在缺芯時，可以靈活協(xié)調(diào)產(chǎn)能以滿足不同客戶需求。在產(chǎn)品迭代上，IDM 也頗具優(yōu)勢。而代工模式下，設(shè)計公司和 Foundry 可以共同合作開發(fā)先進工藝以提升產(chǎn)品競爭力。

IDM 模式一般重資產(chǎn)，工廠投入相對較大，對產(chǎn)能規(guī)劃要求相對精準可控，對各類專業(yè)人才需求大，在產(chǎn)能協(xié)同、成本控制、需求響應(yīng)速度等多方面或具有較強優(yōu)勢。國內(nèi)功率半導(dǎo)體 IDM 有時代電氣、華潤微、士蘭微、華微以及揚杰科技等。

國內(nèi)部分 Fabless 選擇與頭部 Foundry 深度合作，在產(chǎn)品設(shè)計、工藝融合優(yōu)化、產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)能調(diào)配等方面能達到良好效果。且該模式下，兩方既有各自分工合作，又能做到優(yōu)勢互補。設(shè)計公司可以專注于產(chǎn)品設(shè)計與推廣、可以更精準把握市場需求和供應(yīng)節(jié)奏，而 Foundry 可以專注于工藝控制和優(yōu)化。國內(nèi)成功案例如新潔能與華虹宏力的合作、捷捷微電與中芯紹興的合作。

目前，全球功率半導(dǎo)體市場上，頭部的功率半導(dǎo)體多數(shù)是“IDM 模式”或“IDM加委外代工混合模式”。后者即部分 IDM 將部分低端制程、即將EOP（End Of Production）的產(chǎn)品委外專業(yè)代工廠加工，比如國內(nèi)部分晶圓代工企業(yè)就接到不少此類海外客戶的訂單。

據(jù) ittbank 數(shù)據(jù)統(tǒng)計：中國大陸地區(qū) Top60 的功率半導(dǎo)體（不含功率 IC）企業(yè)里，其中 IDM 有 43 家，F(xiàn)oundry 有 5 家，以及 12 家 Fabless。

3.2.2 單車價值名列前茅，“國產(chǎn)替代”率先突圍

據(jù)英飛凌統(tǒng)計，在傳統(tǒng)燃油車上，MCU 是其中價值量最高的半導(dǎo)體器件，占比約 30%，功率半導(dǎo)體（包括功率半導(dǎo)體器件和功率半導(dǎo)體芯片）占比 20%。而對于電動汽車來說，MCU 和功率的價值占比有所變化。細分來看，混動車型和純電動車型，功率半導(dǎo)體用量和價值存在差異。混動又分輕中混、強混和插混，純電動也要看動力電池電壓平臺，200V 和 800V 對選用的功率半導(dǎo)體分立器件和模塊差異較大，成本也存在差異。

從英飛凌數(shù)據(jù)看出，中混電動汽車（MHEV）單車功率半導(dǎo)體價值 150-200 美元，自動充電混動汽車（FHEV）單車功率半導(dǎo)體價值在400-470美元，純電動汽車（BEV）單車功率半導(dǎo)體價值在 550-600 美元。可見在各類電動汽車上，功率半導(dǎo)體價值量高居榜首。

在我國大力發(fā)展新能源汽車的當下，車規(guī)級功率半導(dǎo)體具備政策支持、產(chǎn)業(yè)鏈完整等優(yōu)勢，或?qū)⒙氏韧粐瑢崿F(xiàn)國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升。

4. 碳化硅器件厚積薄發(fā)，產(chǎn)業(yè)布局多點開花

4.1 新材料、新機遇、新趨勢

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，相較于硅，碳化硅具有禁帶寬度更大（是硅的3倍）、熱導(dǎo)率更高（是硅的 4-5 倍）、擊穿電壓更大（是硅的 8- 10 倍)等優(yōu)勢。

圖表 52：碳化硅性能優(yōu)勢

碳化硅功率器件主要包括碳化硅二極管（主要是肖特基勢壘二極管 SBD 等）、碳化硅晶體管（主要是碳化硅 BJT、MOSFET 等）以及碳化硅功率模塊等。碳化硅功率器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等眾多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動汽車及充電樁、光伏、電網(wǎng)、軌道交通和儲能等領(lǐng)域。

據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，碳化硅功率器件 2021 年全球市場規(guī)模 10.9 億美金。預(yù)計到 2027年將達到 62.97 億美金，2021-2027 CAGR 達 34%。發(fā)展勢頭強勁，未來市場空間可觀。

圖表 54：碳化硅功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模預(yù)測 2021-2027E

全球各國對碳化硅投資熱度不減，目前碳化硅器件市場龍頭依然以海外企業(yè)為主，國內(nèi)90%需求依賴進口。我國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈布局相對完整，部分頭部企業(yè)技術(shù)實力不可小覷，在半絕緣襯底、外延片、射頻器件和碳化硅器件均已量產(chǎn)并批量供貨。

碳化硅性能優(yōu)于 IGBT，兩者在多個領(lǐng)域或存在應(yīng)用重疊。從成本變化和晶圓尺寸發(fā)展趨勢分析：

碳化硅與 IGBT 成本比較。目前碳化硅功率器件由于技術(shù)和工藝尚不成熟、襯底良率低以及尚未規(guī)模化應(yīng)用等因素，導(dǎo)致當前碳化硅成本居高不下。同等規(guī)格、滿足同個終端應(yīng)用需求的碳化硅 MOSFET 的價格是 IGBT 的 2.5-3 倍。而硅基 IGBT 技術(shù)成熟，規(guī)模化效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)，成本下探空間有限。隨著上述對碳化硅成本不利因素日漸改善，其價格有望逐年下調(diào)。對于長續(xù)航電動汽車，當前碳化硅功率器件的應(yīng)用帶來的其他周邊零部件的降本，或?qū)⑦M一步縮小、或打平與選用IGBT帶來的價格差。

圖表 56：碳化硅功率半導(dǎo)體器件成本變化趨勢

碳化硅晶圓制造。目前已量產(chǎn)碳化硅襯底多是基于 2 英寸、4 英寸和 6 英寸晶圓制造，其中 6 英寸逐漸將成為主流。據(jù) NE 時代數(shù)據(jù)，安森美 8 英寸襯底于 2021 年已經(jīng)投產(chǎn)。未來，隨著 8 英寸晶圓的襯底逐步量產(chǎn)，單片晶圓產(chǎn)量提升，相比 4 英寸和 6 英寸晶圓，理論上碳化硅器件價格或?qū)兴抡{(diào)。

當前碳化硅 MOSFET 主要應(yīng)用于一些中高端場景，這些應(yīng)用往往追求更高的性能表現(xiàn)。如售價 30 萬以上的中高端智能電動汽車，其對續(xù)航、瞬間加速以及充電時間有著更高要求，通常其主逆變器中會采用碳化硅方案。短時間內(nèi)，IGBT 或依然是市場主流。長期來看，碳化硅 MOSFET 和 IGBT 市場需求或達到一個相對平衡，兩者將共存以供不同應(yīng)用場景所使用。

4.2 襯底和外延占據(jù)價值高地

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈相對復(fù)雜，主要包括襯底、外延、器件設(shè)計、晶圓制造以及封裝測試和終端應(yīng)用等。

截至 2021 年，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)線已經(jīng)投入超 20 條，產(chǎn)業(yè)鏈上、下游都有相關(guān)企業(yè)參與。其中襯底代表企業(yè)有天岳先進、天科合達等；外延片代表企業(yè)有東莞天域半導(dǎo)體、瀚天天成等；布局碳化硅器件的企業(yè)以 IDM 為主，也有少數(shù)幾家 Foundry，還有多數(shù)設(shè)計公司。

襯底和外延占據(jù)碳化硅器件的價值高地，存在較高技術(shù)壁壘。據(jù)未來智庫數(shù)據(jù)，襯底和外延占碳化硅器件總成本近 70%（其中襯底占 46%，外延占 23%）。兩者同為碳化硅器件最核心、也是最具瓶頸的兩道制造工藝環(huán)節(jié)。襯底和外延的技術(shù)提升快慢和良率高低都將對碳化硅器件的應(yīng)用和推廣產(chǎn)生直接影響。

? 襯底是碳化硅器件的第一內(nèi)核。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，預(yù)計到 2027 年，全球應(yīng)用于電動汽車和充電樁的碳化硅襯底數(shù)量將達到 140 萬片，占市場總量的78.23%。

碳化硅襯底分類——碳化硅襯底按照電阻率大小，碳化硅可以分為導(dǎo)電型和半絕緣型。導(dǎo)電型襯底常用于制作碳化硅功率器件，應(yīng)用于電動汽車、光伏、儲能等領(lǐng)域。而半絕緣型碳化硅襯底則被常用于制作氮化鎵微波射頻器件和功率放大器等（GaN-on-SiC），應(yīng)用于 5G 通信等。

目前導(dǎo)電型襯底市場依然由歐、美、日企業(yè)主導(dǎo)，美國 Wolfspeed 占全球份額超 60%以上，其他如美國高意集團（II-VI）、德國 SiCrystalAG（被日本Rohm收購）、美國 DowCorning 和日本新日鐵住金等緊隨其后，市占率位居前列。國內(nèi)做導(dǎo)電型襯底起步較晚，整體發(fā)展處于初期階段，該領(lǐng)域國內(nèi)主要企業(yè)有天科合達、天岳先進等。

國產(chǎn)廠家在半絕緣型襯底產(chǎn)品開發(fā)相對起步較早，有一定經(jīng)驗積累。2020年，天岳先進的半絕緣型碳化硅襯底在全球市占率已高達 30%，位居全球第三，僅次于海外龍頭企業(yè) II-VI 和 Wolfspeed，形成三足鼎立的局面。

襯底制作方法——襯底的形成通常使用物理氣相傳輸法，在高溫下（＞2000℃），碳化硅粉體分解成硅原子等氣相物質(zhì)，在高低溫形成的溫度梯度下，氣相物質(zhì)慢慢在低溫區(qū)的碳化硅籽晶表面生長形成碳化硅晶體。再通過定向、整形、切片、研磨、拋光、檢測和清洗等工藝過程，最后制成碳化硅襯底。

制作優(yōu)良的碳化硅襯底，存在較高的技術(shù)壁壘。碳化硅襯底生長難度大，對工藝控制和襯底的厚度、翹曲度和彎曲度都有較高要求。其制備過程中，主要存在以下難點和壁壘：1）碳化硅粉體純度控制要求高，碳和硅的比例控制要精準；2）溫度要求高，高溫與低溫需控制精準；3）長晶時，生長速率等需要嚴格控制；4）襯底生長為物理時間，且很難加速，時間成本高，產(chǎn)能因此受限；5）碳化硅硬度強，切片時損耗高，產(chǎn)出低；6）涉及設(shè)備種類多、要求高，如長晶爐，切片機、研磨機、拋光機和清洗設(shè)備等，總投入大。以上眾多壁壘導(dǎo)致目前碳化硅良率較低，單片價格較高。

? 外延工藝是碳化硅器件的第二內(nèi)核。由于碳化硅襯底表面或多或少因為生長過程或加工過程中引入微顆粒，直接基于其表面進行晶圓制造，或?qū)?dǎo)致最終器件良率低、性能差等后果。故通常引入外延工藝，即在襯底表面通過化學(xué)氣相沉積（CVD）生長出一層 4H-SiC 單晶薄膜以提高器件良率和性能，這一層單晶材料即稱為“外延”。在制作過程中，工藝控制不良會直接造成各類缺陷產(chǎn)生而影響良率和產(chǎn)出。

據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，預(yù)計到 2027 年，碳化硅外延片全球市場規(guī)模將達 8.51 億美元，2021 年到 2027 年，CAGR 為 28%。全球外延片市場主要被美國Wolfspeed 和日本昭和電工是碳化硅外延片兩家龍頭企業(yè)壟斷。其他廠家有II-VI、Cree、Norstel、Rohm 和英飛凌等。國內(nèi)從事碳化硅外延片企業(yè)主要有瀚天天成、東莞天域、中電 55 所和三安光電等。

4.3 碳化硅加速上車，緩解里程焦慮

據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，電動汽車和汽車充電樁為碳化硅第一大應(yīng)用市場。預(yù)計到 2027年，碳化硅器件在電動汽車和汽車充電樁上應(yīng)用，全球市場規(guī)模將分別達 49.86 億美金和 1.35 億美金，兩者之和占市場總規(guī)模的 81.32%。

碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET 可應(yīng)用于電動汽車主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC以及充電樁等產(chǎn)品中。自 2019 年 Tesla 首次將碳化硅器件（供應(yīng)商：STM）應(yīng)用于其 Model 3 車型上，碳化硅便正式開啟了上車之路。自 2021 年以來，國內(nèi)自主品牌車企紛紛在其新車型上應(yīng)用碳化硅器件，如蔚來汽車 ET5 和 ET7（主驅(qū)，自研模塊，晶圓從安森美采購），吉利 SMART 精靈(主驅(qū)，供應(yīng)商：芯聚能)、小鵬 G9（主驅(qū)，供應(yīng)商：英飛凌）、比亞迪海豹（主驅(qū)，自研自產(chǎn)模塊，部分晶圓外購）等。

碳化硅將提升電動汽車續(xù)航能力和縮短電動汽車充電時間。相較于燃油車，電動汽車消費者對當前有限的續(xù)航里程和相對漫長的充電時間常常感到焦慮。雖然車企在動力電池、BMS、電機、電控和 OBC 等產(chǎn)品技術(shù)上做了很多優(yōu)化和提升，但相比燃油車，續(xù)航里程受限和充電時間長是電動汽車推廣的兩大痛點。

? 續(xù)航里程。相比硅基 IGBT，碳化硅 MOSFET 有著眾多優(yōu)點：1）碳化硅在關(guān)斷時無拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開關(guān)頻率特性，不僅可降低損耗，由于對散熱效率要求相對低，還可減輕和驅(qū)動零部件和散熱零部件重量和體積，周邊器件的成本隨之降低；3）在車輛勻速和輕載情況下，因為低損耗，可提升 5%-10%的續(xù)航里程。另外，采用 800V 高壓平臺的電動汽車，同等功率下，系統(tǒng)電流可以比 400V 電壓平臺更小，故高壓線束直徑可以做的更細，線束重量和體積可以更小，電動汽車變的更輕，續(xù)航能力也會得到相應(yīng)提升。

圖表 64：碳化硅在電動汽車上各產(chǎn)品應(yīng)用市場規(guī)模預(yù)測 2021-2027（百萬美元）

充電時間。汽車充電樁一般分為交流慢充和直流快充。

交流慢充指的是電動汽車通過公共或個人充電樁，需要借用車載充電器（OBC）交直流轉(zhuǎn)換給汽車充電。交流慢充的優(yōu)點是成本低，電池損耗慢；缺點是充電時間長，充電時間長短取決于 OBC 的額定功率（常規(guī)在 3kW9kW）。目前OBC 主要采用硅基 IGBT 或 SJ MOSFET 方案，電池充滿電時間一般需要 4-8 小時。相比之下，碳化硅 MOSFET 可以耐受更高電壓，使得 OBC 擁有更高的額定功率。例如采用意法半導(dǎo)體的碳化硅技術(shù)，可以將 OBC 的額定功率提升至 22kW 甚至更高，充電時間可以大大縮短。

直流快充是指充電樁自身內(nèi)部實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換模塊，無需借用 OBC，將電網(wǎng)或儲能設(shè)備中的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直接給汽車充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和 BMS（電池管理系統(tǒng)），如電池電壓升級至 800V，直流快充功率通常將超過 120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，進而提高充電效率和縮短充電時間。

另外，800V 動力電池平臺相比 400V 動力電池平臺，在相同的系統(tǒng)電流和高壓線束直徑下，電池的充電時間或?qū)⒖s短一半。

圖表 65：碳化硅對電動汽車充電時間的影響

編輯：黃飛

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