一文看懂半导体功率器件

时间: 2024-05-12 18:35:33 |   作者: 产品类型

  由于近期功率器件、电源管理芯片、面板驱动IC、传感器等使用8英寸成熟制程的芯片需求强劲，导致8英寸晶圆产能吃紧，除大陆晶圆代工厂产能全开外，台湾晶圆代工厂台积电、联电、世界先进等产能也都满载。

  MOSFET等功率器件芯片产能优先级靠后，往往只能加价抢产能，导致目前成本传导至下游客户身上，MOSFET的价格开始调涨。

  IGBT、MOSFET等功率器件是新能源汽车、充电桩、光伏风力发电逆变器的核心部件，新能源汽车的强劲复苏以及光伏风电高景气将带动大量功率器件需求。

  很多人一说半导体就觉得都是芯片之类的核心部件，殊不知功率器件也是很重要的一环。

  功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路（功率IC）和分立器件三大类。

  其中，功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成；而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

  功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件，主要包含二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。

  二极管和晶闸管都属于比较老的技术，由于技术相对来说还是比较成熟，附加值较低，正在逐渐被国际大厂抛弃。

  而MOSFET和IGBT是目前最主要、价值含量最高、技术壁垒最高的功率器件，对应的是中低压与高压大功率，大范围的应用于新能源汽车、工业控制、家电、消费电子等领域。

  功率半导体器件是一个规模高度集中的行业，根据IHS的分析，全球前10大厂商清一色为欧美日企业，供应规模占比达到了全球的60％以上，其中英飞凌（18.5％）、安森美（9.2％）、意法半导体（5.3％）分别位列第一、二、三位。

  中国大陆企业受起步晚、技术水平较低、产品线不齐全、企业规模小等因素制约，目前还处于追赶阶段。

  从MOSFET这里的市场占有率来看，MOSFET几乎都集中在国际大厂手中，其中英飞凌自2015年收购美国国际整流器公司后超越富士电机一跃成为行业龙头；安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后，市占率跃升至第二位，排名前五的企业合计占据了全球62％的市场占有率。

  国内企业华润微，士兰微以及被闻泰科技收购的安世半导体表现较好，整体落后一代左右的差距有追赶的可能。

  从IGBT这里的市场份额来看，目前全球IGBT市场结构与MOSFET类似，主要被5大厂长期垄断，排名前五的企业占据了全球超过70％的市场份额。

  随着技术的发展，作为全控型功率半导体器件的代表，IGBT的重要性日益显著，已成为全世界工业的最重要基础元件之一，它的应用前景市场空间也比其他的功率器件要高不少。

  国内企业只有斯达半导在全球IGBT中占据了2.2%的市场占有率，排名第八。

  功率器件的下游应用最重要的包含新能源汽车、充电桩、工业控制光伏和风电、消费电子、家电、通信等领域，其中新能源汽车和工业控制是最大也是增长最快的两个细分领域。

  功率器件是新能源汽车电控系统中最核心的电子器件之一，新能源汽车中功率器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上，尤其是IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%。

  目前国内新能源汽车IGBT市场主要由英飞凌高达58%的市场率占据。比亚迪是国内第一大供应商技术到达国际IGBT第五代水准，绝大部分都是自供；斯达半导技术到达国际IGBT第六代水准，华润微量产处于第四代水平。

  未来新能源汽车市场规模的增长有望持续带动IGBT等功率器件的需求，预计2020年中国新能源汽车功率器件市场规模将达到160亿元，2030年将增长至275亿元。

  充电桩是与新能源汽车产业相关的一大应用领域，也是IGBT或MOSFET重要应用高地。

  目前充电桩的功率模块有两种解决方案，一是采用MOSFET芯片，另一种是采用IGBT芯片。

  其中IGBT适用于1000V以上、350A以上的大功率直流快充，其成本可达充电桩总成本的20-30％；只是当下基于充电桩性价比等综合因素考量，MOSFET暂时成为充电桩的主流应用功率半导体器件。

  充电桩随着新能源汽车发展同样处在快速地增长阶段。目前国内充电桩保有量约为130万个，预计2025年将达到920万个，预计国内充电桩IGBT市场2020-2025年累计需求约140亿元。

  工业控制为功率器件运用最大的领域，数字控制机床、鼓风机、发电系统、轧钢机等工业设施均需要用功率器件。

  全球工业控制功率半导体市场规模在2017年为98亿美元，2020年将增长至125亿美元，复合增速为8.6%，工业4.0将带动功率器件需求保持高速增长。

  同样IGBT是光伏和风电逆变器核心零部件，随着光伏和风电装机量的迅速增加，将带来大量IGBT需求，目前这一领域基本被英飞凌霸占，国内斯达半导有产线布局，现阶段营收级别较小只有千万级，追赶空间比较大。

  国内功率器件整体自给率不足10%，国产替代空间巨大。尤其是高端器件方面，MOSFET和IGBT在2018年国内市场规模约310亿人民币，按90%的进口替代空间计算，对应市场规模约280亿元，是实现国产替代的核心。

  半导体行业从诞生至今，先后经历了三代材料的变更历程，不过功率半导体器件领域仍主要是采用以Si为代表的第一代半导体材料。

  随着功率半导体器件逐渐往高压、高频方向发展，传统的硅基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限，再加上第二代化合物半导体在成本，毒性上均不适合，国际大厂已经将产业未来聚焦到了第三代化合物半导体身上。

  在之前这篇《在不确定中寻找确定的产业趋势》文章中有提及过，SiC和GaN是第三代半导体材料，与第一、二代半导体相比，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

  据报道，我国计划把大力支持发展第三代半导体产业，写入正在制定中的十四五规划，说明高层已经看到了国内这块的短板以及弯道超车的机会，在政策大力驱动下将带动功率器件的长远发展。