2024年，功率半導(dǎo)體怎么走？

作者：九林

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)鏈中最核心的器件之一。中國(guó)作為全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，貢獻(xiàn)了約40%的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。MOSFET和IGBT為功率半導(dǎo)體產(chǎn)品主力。

2023年，半導(dǎo)體正式步入下行周期。在下行的背景下，整個(gè)行業(yè)都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。功率半導(dǎo)體在瑟瑟的寒風(fēng)中，卻顯得與眾不同。本文中，我們將一起看看功率半導(dǎo)體的2023以及2024的變化情況。

MOSFET的2023

先來看看MOSFET的情況。MOSFET器件具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應(yīng)用最多的功率器件之一。

今年，低、高壓MOSFET市場(chǎng)分化。從供應(yīng)中，低壓MOSFET供貨情況緩解，低壓MOSFET的交付周期約為46周或更長(zhǎng)時(shí)間；高壓MOSFET的交付周期為50周以上；中高壓汽車MOSFET的短缺問題一直持續(xù)到年底。

高、低壓MOSFET的整體貨期和價(jià)格趨勢(shì)略有不同，與下游需求結(jié)構(gòu)性分化不無關(guān)系。低壓MOSFET大量應(yīng)用于消費(fèi)性電子中，中、高壓MOSFET則用于工業(yè)、通訊、電動(dòng)車等產(chǎn)業(yè)，技術(shù)要求與產(chǎn)品需求有不斷提高的趨勢(shì)。從目前的市場(chǎng)來看，消費(fèi)、部分工業(yè)類需求偏弱，汽車、光伏等新能源需求仍強(qiáng)勁。因此市場(chǎng)對(duì)低、高壓MOSFET的需求也不一致。

IGBT的2023

再來看看IGBT的情況。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，至2026年，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到121億美元，2019年至2026年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)13.1%。中國(guó)是全球IGBT最大的消費(fèi)市場(chǎng)，根據(jù)預(yù)測(cè)，至2026年，國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到35億美元。

自問世以來，IGBT不斷進(jìn)行技術(shù)迭代，主要向著降低開關(guān)損耗和創(chuàng)建更薄的結(jié)構(gòu)方向改善和發(fā)展。其在縱向結(jié)構(gòu)、柵極結(jié)構(gòu)以及硅片加工工藝方面不斷升級(jí)改進(jìn)，共經(jīng)歷了七次大型技術(shù)演變，各項(xiàng)指標(biāo)在演變中不斷優(yōu)化。目前，IGBT芯片已經(jīng)迭代至第七代精細(xì)溝槽柵場(chǎng)截止型IGBT，但考慮成本后，應(yīng)用最廣泛的仍是IGBT第四代產(chǎn)品。

市場(chǎng)表現(xiàn)

3月份IGBT出現(xiàn)大缺貨，不僅價(jià)格漲翻天，業(yè)界更以“不是價(jià)格多高的問題，而是根本買不到”來形容缺貨盛況。之后特斯拉宣布要大砍SIC用量，IGBT更是成為了潛在方案。可以說，今年全球IGBT持續(xù)緊缺。

導(dǎo)致IGBT缺貨、漲價(jià)的原因主要有四點(diǎn)：其一，需求旺盛，車用、工業(yè)應(yīng)用所需IGBT用量大增；其二，供給不足，產(chǎn)能擴(kuò)增緩慢；其三，風(fēng)光儲(chǔ)需求旺盛帶動(dòng)IGBT需求強(qiáng)勁；其四，特斯拉大砍75%碳化硅用量。

光伏方面，光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的心臟，而IGBT是光伏逆變器的核心器件。從需求側(cè)看，2023年光伏產(chǎn)業(yè)還在持續(xù)發(fā)展，今年前三季度，全球光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度都超過了多數(shù)行業(yè)分析師的預(yù)期。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023年全球?qū)⑿略?80-330GW，其中中國(guó)裝機(jī)量有望達(dá)95-120GW，繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。

來源：中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)

IGBT作為光伏逆變器的核心元器件，一定會(huì)受到這一市場(chǎng)發(fā)展的直接帶動(dòng)。光伏儲(chǔ)能用IGBT模塊尤其是大功率模塊、大電流單管等產(chǎn)品，非常緊俏。由于國(guó)內(nèi)廠商暫時(shí)只導(dǎo)入了IGBT單管，在模塊方面還沒有太多份額，基本由海外巨頭主導(dǎo)，英飛凌和安森美占據(jù)了全球光伏IGBT 80%以上的份額。

不過，今年國(guó)內(nèi)廠商也有所動(dòng)作，士蘭微在三季度財(cái)報(bào)交流會(huì)上表示，已經(jīng)在用新一代IGBT產(chǎn)品去爭(zhēng)取光伏市場(chǎng)更多的份額，已經(jīng)有很好的方案，預(yù)計(jì)2024上半年會(huì)有突破性進(jìn)展。新潔凈能在光伏領(lǐng)域增速很快，在光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域，公司的IGBT產(chǎn)品已經(jīng)大量供應(yīng)國(guó)內(nèi)80%以上的TOP10企業(yè)。從上年財(cái)報(bào)來看，新潔能的新品大電流IGBT單管逐漸上量，IGBT模塊產(chǎn)品在客戶端的驗(yàn)證順利推進(jìn)，更大功率的IGBT模塊產(chǎn)品亦在有序開發(fā)中。

汽車方面，IGBT與動(dòng)力電池電芯并稱為電動(dòng)車“雙芯”，是影響電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵元器件。電動(dòng)汽車所使用的IGBT數(shù)量高達(dá)上百顆，是傳統(tǒng)燃油車的7~10倍。其成本占整車成本的7%~10%。

中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)狂飆。據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2023年1-11月，中國(guó)汽車產(chǎn)銷分別完成2711.1萬輛和2693.8萬輛，同比分別增長(zhǎng)10%和10.8%。其此前預(yù)計(jì)，2023年我國(guó)汽車總銷量為3000萬輛左右。

今年，車規(guī)級(jí)IGBT年內(nèi)的訂單基本都被鎖定，供不應(yīng)求極為嚴(yán)重。作為IGBT全球龍頭，英飛凌目前積壓的汽車訂單為290億歐元，是汽車行業(yè)預(yù)期收入的2倍。時(shí)代電氣在與機(jī)構(gòu)交流中直言，從市場(chǎng)的訂單狀況來看，目前IGBT的需求很旺盛，很多重要客戶選擇簽了3年的長(zhǎng)約（2024-2026年）。宏微科技在接受機(jī)構(gòu)調(diào)研時(shí)表示，公司在電動(dòng)汽車主驅(qū)IGBT模塊產(chǎn)品上形成了批量化供應(yīng)，主要出貨給整車和Tier1客戶，汽車端訂單飽滿。

IGBT的現(xiàn)貨與交期

再來看看今年IGBT的現(xiàn)貨和交期情況。從庫(kù)存周轉(zhuǎn)天數(shù)來看，自2022年Q4開始，頭部IGBT廠商的庫(kù)存天數(shù)始終在升，這個(gè)趨勢(shì)從年頭一直持續(xù)到年尾。

具體來看，去年四季度，英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美的IGBT存貨周轉(zhuǎn)天數(shù)分別為117天、97天、127天；到了今年三季度升至143、110、152天。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，整體的庫(kù)存有所波動(dòng)，但大趨勢(shì)和國(guó)際大廠相差不大。不過，隨著連續(xù)2個(gè)季度的庫(kù)存管控，相關(guān)廠商的庫(kù)存整體和Q1相比，已經(jīng)有了明顯的下降。

從訂單、交期和價(jià)格來看，頭部IGBT大廠整體狀態(tài)全年處于飽滿。相較于2022年英飛凌超負(fù)荷接單，排期超過一看年；安森美一季度全年產(chǎn)能售罄的狀態(tài)，今年交期基本持續(xù)在39-50周左右。但是風(fēng)光儲(chǔ)IGBT等部分緊缺料交期還在52周以上。

SIC的2023

SIC一直被歸類于第三代半導(dǎo)體中，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

自從特斯拉大規(guī)模使用碳化硅模組以來，國(guó)內(nèi)外眾多車企跟進(jìn)上車。從應(yīng)用情況來看，SiC功率半導(dǎo)體首先在高性能車型中取得應(yīng)用。國(guó)內(nèi)如比亞迪漢EV、蔚來ET7、小鵬G9、吉利Smart精靈#1等量產(chǎn)車型均有搭載碳化硅器件。

不過，SIC器件的成本不便宜。安森美的數(shù)據(jù)顯示，在650V產(chǎn)品上，SiC MOSFET的原廠報(bào)價(jià)，是硅基IGBT的3.2倍。在1200V產(chǎn)品上，硅基器件的原廠報(bào)價(jià)為后者的2.2倍。這也就是3月份，特斯拉宣布下一代電動(dòng)車將削減75%的SiC(碳化硅)用量的原因。

實(shí)際上，碳化硅產(chǎn)業(yè)能否實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破，其根本在于性價(jià)比能否優(yōu)于IGBT。芯聯(lián)集成趙奇表示：“只有當(dāng)碳化硅器件的成本達(dá)到對(duì)應(yīng)IGBT器件成本的2.5倍以下時(shí)，才是碳化硅器件大批量進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的時(shí)代?！彪S著SiC器件的工藝升級(jí)，成本進(jìn)一步下降后，將逐步滲透到B級(jí)車和部分A級(jí)轎車。

不管怎么說，SIC還是引起了諸多大廠的興趣，意法半導(dǎo)體甚至因此賺得盆滿缽滿。意法半導(dǎo)體從2017年開始量產(chǎn)碳化硅器件，已應(yīng)用于特斯拉、華為、現(xiàn)代、雷諾、寶馬、小鵬、比亞迪、 Rivian、吉利、長(zhǎng)城汽車等多個(gè)Tier1廠商和汽車制造商產(chǎn)品中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球已搭載意法半導(dǎo)體的碳化硅產(chǎn)品的量產(chǎn)乘用車已經(jīng)超 300 萬輛，車規(guī)級(jí)碳化硅出貨量已經(jīng)突破一億。

今年的2023碳化硅器件可以說是擴(kuò)產(chǎn)之年。博世、意法半導(dǎo)體、英飛凌等都與中國(guó)企業(yè)簽訂碳化硅合約。

今年5月，天岳先進(jìn)、天科合達(dá)兩大廠商均在其官微宣布，與國(guó)際半導(dǎo)體大廠英飛凌簽訂了供貨協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，天科合達(dá)和天岳先進(jìn)將為英飛凌供應(yīng)用于生產(chǎn)SiC半導(dǎo)體的6英寸（150mm）碳化硅晶圓和晶錠，兩家企業(yè)的供應(yīng)量均將占到英飛凌未來長(zhǎng)期預(yù)測(cè)需求的兩位數(shù)份額。未來也將提供200mm直徑碳化硅材料，助力英飛凌向200mm直徑晶圓的過渡。

今年6月，意法半導(dǎo)體在官網(wǎng)宣布，將同三安光電在中國(guó)重慶建立一個(gè)新的8英寸碳化硅器件合資制造廠。新的SiC制造廠計(jì)劃于2025年第四季度開始生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將于2028年全面落成，屆時(shí)將更好地支持中國(guó)的汽車電氣化、工業(yè)電力和能源等應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。同時(shí)，三安光電將利用自有SiC襯底工藝，單獨(dú)建造和運(yùn)營(yíng)一個(gè)新的8英寸SiC襯底制造廠，以滿足該合資廠的襯底需求。

功率半導(dǎo)體的2024

IGBT供不應(yīng)求，中國(guó)大陸是擴(kuò)產(chǎn)主力

IGBT產(chǎn)能緊缺下，不少企業(yè)都選擇擴(kuò)產(chǎn)。一條新的芯片產(chǎn)線從開始建設(shè)到最后投產(chǎn)需要3年時(shí)間，長(zhǎng)于大部分科技產(chǎn)品的擴(kuò)產(chǎn)周期。

大部分6英寸、8英寸的晶圓廠折舊，由于成本效益問題，很少有6英寸、8英寸晶圓廠會(huì)擴(kuò)大IGBT的產(chǎn)能。

不過有部分12英寸的晶圓廠已經(jīng)開始生產(chǎn)IGBT，比如電裝和聯(lián)電子公司聯(lián)合半導(dǎo)體日本有限公司（USJC）合作，今年正式進(jìn)入量產(chǎn)。據(jù)介紹，新一代IGBT，與早期元件相比，新一代IGBT可減少20%的功率耗損。預(yù)計(jì)到2025年，兩家合作的IGBT每月產(chǎn)量將達(dá)到10,000片晶圓。還有英飛凌、安森美在12英寸晶圓廠 IGBT生產(chǎn)上有所進(jìn)展。2023年，英飛凌的IGBT擴(kuò)產(chǎn)選在了中國(guó)。11月，英飛凌決定擴(kuò)大其無錫工廠的IGBT模塊生產(chǎn)線。無錫工廠擴(kuò)產(chǎn)后，將成為英飛凌最大的IGBT生產(chǎn)基地之一。

在龐大市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，新潔能、宏微科技、士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)、時(shí)代電氣等本土IGBT企業(yè)出貨量大增，同時(shí)不斷迭代新產(chǎn)品。

士蘭集昕公司“年產(chǎn)36萬片12英寸芯片生產(chǎn)線項(xiàng)目”已有部分設(shè)備到廠并投入生產(chǎn)，并且加快轉(zhuǎn)12吋產(chǎn)線量產(chǎn)的進(jìn)度；士蘭集科加快車規(guī)級(jí)IGBT芯片、超結(jié)MOSFET、高性能低壓分離柵MOSFET芯片的產(chǎn)出和上量，已具備月產(chǎn)2萬片IGBT芯片的生產(chǎn)能力。

捷捷微電宣布對(duì)全資子公司捷捷半導(dǎo)體有限公司投建的“功率半導(dǎo)體6英寸晶圓及器件封測(cè)生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目”增加投資，由最初的5.1億元上調(diào)至8.1億元。

中芯集成在今年6月表示，將發(fā)力高端功率半導(dǎo)體代工市場(chǎng)。中芯集成已經(jīng)建成了國(guó)內(nèi)最大車規(guī)級(jí)IGBT制造基地，預(yù)計(jì)IGBT產(chǎn)能在今年底前超過12萬片/月。

低、高壓MOSFET將進(jìn)一步分化

未來低、高壓MOSFET市場(chǎng)或?qū)⑦M(jìn)一步分化。中低MOSFET技術(shù)相對(duì)成熟，市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻較低。伴隨著終端市場(chǎng)的快速發(fā)展，下游需求的激增將不斷推動(dòng)更多廠家涌入中低壓MOSFET領(lǐng)域，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，最終出現(xiàn)產(chǎn)品拼價(jià)局面，導(dǎo)致利潤(rùn)空間受擠壓。

反觀高壓MOSFET市場(chǎng)則有望持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)Omdia統(tǒng)計(jì)，2020年度全球/中國(guó)高壓超級(jí)結(jié)MOSFET產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模為9.4/4.2億美元，并將于2024年達(dá)到10/4.4億美元。伴隨下游高壓領(lǐng)域需求增長(zhǎng)，高壓MOSFET將迎市場(chǎng)份額提升。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，汽車將成為MOSFET最大增量市場(chǎng)，至2026年占MOSFET市場(chǎng)份額有望超30%，從而帶動(dòng)高壓MOSFET市場(chǎng)增長(zhǎng)。其中電動(dòng)汽車和充電樁分別占比25%和8%。

SiC，加快上

在已上市車型中，800V快充技術(shù)大多只“標(biāo)配”在高版本車型上，而入門或主打銷量的中低版本車型依然沿用400V電池包。但今年，多款搭載800V平臺(tái)的車型發(fā)布，包括哪吒S、小米MS11、智己LS6、阿維塔12、理想MEGA、極星5。

因此隨著800V平臺(tái)的車型發(fā)布，碳化硅會(huì)迎來更大的需求。明年SIC將加快上車，隨著工廠的進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)和建設(shè)，SIC的產(chǎn)能將日益充足。

前文提到的天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、三安光電等公司均斥資提高碳化硅晶圓/襯底產(chǎn)能，目前這些中國(guó)企業(yè)每月的總產(chǎn)能約為6萬片。隨著各公司產(chǎn)能釋放，預(yù)計(jì)2024年月產(chǎn)能將達(dá)到12萬片，年產(chǎn)能150萬。業(yè)界樂觀預(yù)計(jì)，2024年中國(guó)碳化硅晶圓在全球的占比有望達(dá)到50%。