在世界各國針對(duì)脫碳、可再生能源需求不斷增加以及提高電源效率的背景下，功率半導(dǎo)體市場持續(xù)增長，據(jù)Yole Group報(bào)告顯示，2022年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到209億美元，2022年至2028年將以8.1%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，意味著到2028年將達(dá)到333億美元。
中國是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，近年來在碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展規(guī)劃等政策驅(qū)動(dòng)以及產(chǎn)業(yè)投資增加多重因素推動(dòng)下，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈日漸完善，下游應(yīng)用市場加速拓展，特別是新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等新興產(chǎn)業(yè)的崛起，成為拉動(dòng)功率半導(dǎo)體持續(xù)增長的新引擎，未來市場前景十分廣闊。
在功率半導(dǎo)體市場，IGBT是主要代表器件，占據(jù)了絕大部分市場，雖有說法基于硅基的IGBT正在達(dá)到其性能極限，潛力愈來愈小，但短時(shí)間來看其地位依舊不可動(dòng)搖，一方面是技術(shù)仍在突破，目前主流迭代的技術(shù)是第七代，但實(shí)際第八代技術(shù)也已開發(fā)完成，只是尚未大規(guī)模推廣市場；另一方面則是還有汽車、光伏、儲(chǔ)能以及新興消費(fèi)電子等領(lǐng)域，對(duì)IGBT的應(yīng)用需求在持續(xù)增長，可以說IGBT的整體潛力還有較大的挖掘空間。
此外，則是以第三代半導(dǎo)體材料碳化硅為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件，正憑借其耐高壓高溫、低導(dǎo)通電阻、低能量損耗等優(yōu)異性能，開始廣泛應(yīng)用于大功率電力電子場景，特別是在新能源汽車上正快速滲透，呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長態(tài)勢，是功率半導(dǎo)體市場未來增長的主要?jiǎng)恿Α?/p>
不久前，由艾邦智造主辦的第二屆功率半導(dǎo)體 IGBT/SiC 產(chǎn)業(yè)論壇在深圳順利舉行，圍繞功率半導(dǎo)體行業(yè)的各方面問題，多家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)及科研院所在會(huì)上發(fā)表了自己的見解，本文參考各嘉賓的演講內(nèi)容，對(duì)目前IGBT、SiC等產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行深入探討，助力功率半導(dǎo)體行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
新能源市場需求旺盛，IGBT發(fā)展空間依然廣闊
IGBT作為一種新型功率半導(dǎo)體器件，是電力電子行業(yè)的核心元器件，其能夠根據(jù)工業(yè)裝置中信號(hào)指令來調(diào)節(jié)電路中電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的，因此被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、工業(yè)控制、白色家電、新能源發(fā)電、軌道交通等領(lǐng)域。
自問世以來，IGBT技術(shù)不斷迭代，路徑方向主要是降低導(dǎo)通損耗、降低開關(guān)損耗以及提高在更大電壓、電流、溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的能力，其縱向結(jié)構(gòu)、柵極結(jié)構(gòu)以及硅片加工工藝等方面也在持續(xù)升級(jí)改進(jìn)，到如今已經(jīng)歷了七次大型技術(shù)演變，從核心指標(biāo)來看，功率密度至少提高了3倍，能耗也降低到了剛開始的1/3。
另外，如英飛凌等國外巨頭還完成了第八代IGBT技術(shù)的開發(fā)，據(jù)了解，1200V整流器第8代IGBT采用IR最新一代有溝槽柵、場終止技術(shù)以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO-24封裝，能提供軟關(guān)斷特性，盡量減小dv/dt來降低EMI和過電壓，提高了可靠性和耐用性，擁有同類型最佳性能；國內(nèi)企業(yè)也有相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備，如林眾電子表示，其第八代IGBT正在預(yù)演，明年或可面世。
不過新技術(shù)能出來不代表就能適用，就像IGBT雖然經(jīng)過了多次迭代，但目前應(yīng)用最廣泛的依然是第四代產(chǎn)品，就用戶而言，自然希望IGBT有更高的功率密度、更低的損耗，還有更小的體積等等，然而這些需求根本是相互矛盾的，技術(shù)迭代確實(shí)是沿著這一理想狀態(tài)前進(jìn)，在實(shí)際應(yīng)用中，卻要在真實(shí)需求、價(jià)格成本、產(chǎn)業(yè)供應(yīng)等方面覓得平衡，這也是新一代IGBT尚未推廣的主要原因，但從另一個(gè)角度來看的話，也意味著IGBT還有較大的潛力沒有被完全挖掘。
電動(dòng)汽車及光伏是IGBT主要增量市場
目前市場上IGBT依然處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，這一輪IGBT需求的高漲，主要是靠電動(dòng)汽車、光伏儲(chǔ)能等行業(yè)的帶動(dòng)，在消費(fèi)電子應(yīng)用市場尚未回暖的當(dāng)下，只有這些新興領(lǐng)域需求保持旺盛。
電動(dòng)汽車將是未來IGBT應(yīng)用的最大市場，IGBT主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主逆變器、充電相關(guān)的車載充電器（OBC）與直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC），另外還在一些輔逆變器中完成小功率DC-AC轉(zhuǎn)換。據(jù)了解，一輛電動(dòng)汽車使用的IGBT數(shù)量高達(dá)上百顆，是傳統(tǒng)燃油車的七到十倍，能占到整車成本的7%-10%。
據(jù)中國汽車協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年中國新能源汽車銷量達(dá)688.7萬輛，同比增長 95.60%，預(yù)計(jì)2023年銷量將超過850萬，而整車預(yù)計(jì)是2700萬，占比已超過30%，以目前IGBT新能源汽車單車價(jià)值量1900元計(jì)算，今年我國新能源汽車IGBT市場規(guī)?？蛇_(dá)161.5億元，可以預(yù)見，未來幾年我國新能源車市場將繼續(xù)保持高景氣度，預(yù)計(jì)到2025年，IGBT市場規(guī)?？煞槐叮_(dá)到320億元。
IGBT是光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器的核心半導(dǎo)體部件，對(duì)電能起到整流、逆變等作用，以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的交流并網(wǎng)、儲(chǔ)能電池的充放電等功能。其中光伏逆變器是主要應(yīng)用場景，光伏IGBT占到逆變器成本的10%-15%，基本發(fā)電并網(wǎng)的需求，光伏IGBT對(duì)可靠性的要求非常高，光伏電池板發(fā)出的電能要輸入到電網(wǎng)中，需要最大化的發(fā)揮出IGBT模塊的性能以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
光伏也將是IGBT的第二大增量市場，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2023年前三季度，全國光伏新增裝機(jī)12894萬千瓦，同比增長145%，遠(yuǎn)超過去年全年，以0.16元/W價(jià)格來計(jì)算的話，光伏逆變器IGBT市場規(guī)模已達(dá)20.63億元，未來隨著光伏裝機(jī)量的增長，對(duì)IGBT的需求也將繼續(xù)攀升，另外，光伏逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10-15年，而光伏組件的運(yùn)營周期是25年，意味著在生命周期內(nèi)至少要更換一次，這也進(jìn)一步擴(kuò)大了IGBT在光伏上的使用量。
受益于新能源汽車和新能源發(fā)電的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長，據(jù)東海證券報(bào)告，到2026年，中國IGBT市場規(guī)模有望達(dá)到685.78億人民幣，年復(fù)合增長率達(dá)21.48%，從下游占比來看，2026年預(yù)計(jì)新能源汽車、工業(yè)控制、變頻白電、新能源發(fā)電、軌道交通分別為60%、18%、15%、6%以及 1%，工業(yè)控制與變頻白電市場雖大，但已然發(fā)展成熟，成長空間有限，而軌道交通則市場太小影響有限。
國產(chǎn)IGBT產(chǎn)能快速上漲，自給率已達(dá)三成
目前全球IGBT市場的集中度較高，海外廠商英飛凌、富士電機(jī)、三菱共占據(jù)了超過50%的市場份額，根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2021年全球IGBT單管市場中，中國大陸企業(yè)只有士蘭微以4%的市場份額進(jìn)入前十；在模塊市場，則有斯達(dá)半導(dǎo)和中車時(shí)代進(jìn)入前十大廠商，分別占據(jù)3%和2%的市場。
這主要是國內(nèi)企業(yè)起步較晚，幾大廠商基本在2000年左右進(jìn)入IGBT賽道，而IGBT擁有較高的技術(shù)壁壘，芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封測與模塊設(shè)計(jì)三大主要環(huán)節(jié)都各有難點(diǎn)，想要突破并不容易，國內(nèi)廠商也基本集中在中低壓領(lǐng)域，只有時(shí)代電氣和斯達(dá)半導(dǎo)有高壓3300V及以上的產(chǎn)品應(yīng)用。
近年來國內(nèi)廠商也在加快IGBT的技術(shù)迭代，同時(shí)積極擴(kuò)張產(chǎn)能，據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)，2023年中國IGBT產(chǎn)量有望快速增長達(dá)到3624萬只，自給率將達(dá)到32.90%，已逐步突破產(chǎn)能受限問題。
下游應(yīng)用市場也從消費(fèi)電子拓展到工控，并瞄準(zhǔn)光伏需求，包括斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體、新潔能等都已實(shí)現(xiàn)了在光伏領(lǐng)域的批量供貨，車規(guī)級(jí)IGBT則由于認(rèn)證周期長暫時(shí)沒有太大進(jìn)展，綜合來看，國內(nèi)廠商基于本土優(yōu)勢，售價(jià)較海外可降低20%左右，擁有價(jià)格優(yōu)勢，如今在產(chǎn)能不缺的情況下，將進(jìn)入加快國產(chǎn)替代的增長階段。
碳化硅市場產(chǎn)銷增長，注意供需結(jié)構(gòu)性失衡
隨著市場對(duì)高頻、大功率電力電子需求的快速增長，硅基半導(dǎo)體器件的物理極限瓶頸逐漸凸顯，由此以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸走向產(chǎn)業(yè)化。從材料性能來看，碳化硅擁有3倍于硅材料的禁帶寬度、10倍的臨界擊穿電場強(qiáng)度、3倍的熱導(dǎo)率，因此碳化硅功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場合，有助于提高電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度。
目前SiC二極管以及 SiC MOSFET已逐步走向市場，有了較為成熟的產(chǎn)品，其中SiC二極管因?yàn)椴淮嬖诜聪蚧謴?fù)電荷的優(yōu)點(diǎn)，在一些領(lǐng)域開始替代硅基二極管得到廣泛應(yīng)用；SiC MOSFET也逐漸應(yīng)用于汽車、儲(chǔ)能、充電樁、光伏等領(lǐng)域；在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，模塊化趨勢越發(fā)凸顯，SiC的優(yōu)越性能需要依靠先進(jìn)的封裝工藝來實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上以相對(duì)成熟的殼封為主流，未來或向塑封發(fā)展，其定制化開發(fā)的特性更適合SiC模塊。
碳化硅價(jià)格下降速度或超想象
碳化硅器件的應(yīng)用主要受到成本高昂的限制，同一級(jí)別下SiC MOSFET的價(jià)格比Si基IGBT高4倍，這是因?yàn)樘蓟璧墓に噺?fù)雜，其中單晶與外延的生長不僅對(duì)環(huán)境要求苛刻，而且生長速度慢，單晶加工成襯底又要經(jīng)過切拋磨環(huán)節(jié)，基于自身材料特性和加工技術(shù)不成熟，國內(nèi)襯底的良率還不到50%，種種因素導(dǎo)致襯底、外延價(jià)格居高不下。
然而碳化硅器件與硅基器件的成本構(gòu)成又截然相反，前道的襯底、外延成本分別占整個(gè)器件的47%、23%，合計(jì)約70%，后道的器件設(shè)計(jì)、制造、封測環(huán)節(jié)僅占30%，硅基器件生產(chǎn)成本則主要集中在后道的晶圓制造約50%，襯底成本反而只占7%，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量倒掛的現(xiàn)象意味著上游襯底外延廠商掌握著核心話語權(quán)，是國內(nèi)外企業(yè)布局的關(guān)鍵所在。
從市場上的動(dòng)態(tài)來看，降低碳化硅成本，除了改進(jìn)碳化硅長晶及切片工藝外，就是擴(kuò)大晶圓尺寸，這也是過往半導(dǎo)體發(fā)展的成熟路徑，Wolfspeed數(shù)據(jù)顯示，碳化硅襯底從6英寸升級(jí)到8英寸，合格芯片產(chǎn)量可以增加 80%-90%，并且有助于提高良率，可以將單位綜合成本降低50%。
2023年被稱為“8英寸SiC元年”，今年國內(nèi)外碳化硅廠商都在加快對(duì)8英寸碳化硅的布局，如Wolfspeed瘋狂的投資了145.5億美元用于碳化硅擴(kuò)產(chǎn)，其中重要部分就是建設(shè)8英寸SiC襯底制造工廠，以保障未來對(duì)多家企業(yè)的200毫米SiC裸片供應(yīng)；國內(nèi)天岳先進(jìn)和天科合達(dá)也都與英飛凌簽訂了長期協(xié)議，未來將供應(yīng)8英寸碳化硅襯底。
從今年開始，碳化硅將加速從6英寸邁向8英寸，Wolfspeed預(yù)計(jì)到2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于2022年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，成本的下降將進(jìn)一步打開應(yīng)用市場，集邦咨詢研究數(shù)據(jù)指出，目前8英寸的產(chǎn)品市占率不到2%，預(yù)計(jì)到2026年市場份額將增長到15%左右。
事實(shí)上，碳化硅襯底價(jià)格的下降速度或許超乎很多人的想象，當(dāng)前市場上6英寸襯底的報(bào)價(jià)是4000-5000元/片，較年初已下降許多，預(yù)計(jì)明年可降至4000元以下，值得注意的是，有些廠商為了搶先獲得市場，已將銷售價(jià)格降至成本線以下，開啟了價(jià)格戰(zhàn)的模式，主要集中在碳化硅襯底供貨已經(jīng)相對(duì)充足的中低壓領(lǐng)域，國內(nèi)外廠商都在大肆擴(kuò)張的產(chǎn)能，或讓碳化硅襯底供過于求階段來的比想象中更早。
電動(dòng)汽車是碳化硅主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比最高能達(dá)8成
電動(dòng)汽車領(lǐng)域會(huì)是未來導(dǎo)電型碳化硅器件的主要應(yīng)用場景，包括主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC/DC）和非車載充電樁等，碳化硅器件也非常適合電動(dòng)汽車，其能在更高的溫度下實(shí)現(xiàn)高功率密度，提高汽車系統(tǒng)工作效率，同時(shí)超低的RDSon能有效降低功率損耗，并且還能顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量，綜合起來能提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程達(dá)10%左右。
目前各大主流新能源汽車廠商都在積極布局碳化硅車型，如比亞迪漢EV、蔚來ES6、理想L9、小鵬G9、保時(shí)捷Tayan和現(xiàn)代ioniq5等車型都已經(jīng)采用了碳化硅器件，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年上半年，全球已有40款SiC車型進(jìn)入量產(chǎn)交付，可查到交付數(shù)據(jù)的SiC車型上半年累計(jì)銷售達(dá)118.7萬輛。
此外，電動(dòng)汽車想要全面普及，目前的充電速度是完全不夠的，就像手機(jī)一樣，加快充電速度是必然的趨勢，可以看到如今許多廠商都在推出支持800V高壓快充的車型，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有超過20家汽車品牌或計(jì)劃或已經(jīng)推出了800V高壓平臺(tái)，比較知名的有比亞迪e平臺(tái)3.0、小鵬扶搖架構(gòu)、吉利SEA浩瀚架構(gòu)等。高壓快充技術(shù)不管是對(duì)汽車本身的零部件質(zhì)量，還是對(duì)充電樁設(shè)備的高效性和安全性，都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的IGBT很難滿足要求，只有碳化硅器件能解決行業(yè)痛點(diǎn)，這也將大幅提高碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模。
根據(jù)Yole的預(yù)測，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌鲆?guī)模有望達(dá)62.97億美元，2021-2027年復(fù)合增長率達(dá)34%；其中汽車市場導(dǎo)電型碳化硅功率器件規(guī)模有望達(dá)49.86億美元，占比達(dá)79.2%，是導(dǎo)電型碳化硅功率器件第一大應(yīng)用市場。
光伏儲(chǔ)能是碳化硅應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，如今光伏電站直流端電壓等級(jí)逐漸從1000V提升到1500V，未來甚至有望提升到2000V，光伏大功率高電壓的發(fā)展趨勢非常明顯，傳統(tǒng)硅基器件無法滿足要求，因此各方面性能更優(yōu)越的碳化硅器件脫穎而出，碳化硅器件具有低損耗、高開關(guān)頻率、高適用性、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)點(diǎn)，使得光伏逆變器在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率方面能夠很好的保持在96%以上，甚至可以達(dá)到99%，從而減少能量損耗以及提高設(shè)備使用壽命。
雖然碳化硅器件可以有效提高光伏的整體性能，但目前碳化硅價(jià)格還處于較高位置，SiC SBD價(jià)格比同等級(jí)硅基二極管高3倍，SiC MOS更是在5倍以上，而光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近幾年的大力發(fā)展成本幾乎降無可降，利潤空間狹小導(dǎo)致光伏逆變器對(duì)價(jià)格也非常敏感，是以應(yīng)用SiC MOS還比較少，未來如果價(jià)格逐步降低至硅基器件的2倍左右，將能有足夠的性價(jià)比，預(yù)計(jì)要到2025年才能開始放量。
圖源：東吳證券
碳化硅規(guī)劃產(chǎn)能暴增，供需結(jié)構(gòu)性失衡難避免
新能源車、光伏等行業(yè)的發(fā)展將持續(xù)加大對(duì)碳化硅的需求，由于各種因素的影響，想要得到精確的數(shù)字較為困難，各大券商機(jī)構(gòu)給出的預(yù)測也各有說法，國泰君安預(yù)計(jì)至2026年全球碳化硅襯底市場需求為455萬片，其中新能源需求347萬片，光伏領(lǐng)域需求108萬片；東吳證券預(yù)計(jì)到2025年，全球6英寸襯底片需求量為475萬片，中國需求量為197萬片，綜合來看，到2025年，全球折合6英寸碳化硅襯底片需求量是400-500萬片。
基于未來需求的高景氣預(yù)期以及供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，國內(nèi)外廠商都在大幅投資擴(kuò)張?zhí)蓟璁a(chǎn)能，如英飛凌要在2030年占據(jù)全球30%的碳化硅市場份額；安森美計(jì)劃將碳化硅晶圓產(chǎn)能擴(kuò)大4倍；羅姆則打算到2025年碳化硅產(chǎn)能增至2021年時(shí)的6倍；Wolfspeed更是想到2026年實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電型襯底的產(chǎn)能超百萬片；國內(nèi)企業(yè)同樣激進(jìn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如今至少有超40個(gè)碳化硅項(xiàng)目在建設(shè)，包括了襯底、外延和器件、模塊等環(huán)節(jié)，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈正在加速完善、成長。
根據(jù)已發(fā)布的公告統(tǒng)計(jì)，到2026年，國內(nèi)外廠商擬建設(shè)的碳化硅襯底產(chǎn)能，折合6英寸合計(jì)超1000萬片/年，其中海外400-500萬片/年，國內(nèi)500-600萬片/年；在碳化硅外延方面，截至目前國內(nèi)產(chǎn)能約為45萬片/年，到2025年，將擴(kuò)大至300萬片，其中瀚天天成產(chǎn)能將達(dá)140萬片/年，天域半導(dǎo)體在建項(xiàng)目2025年竣工，2028年全面達(dá)產(chǎn)后產(chǎn)能100萬片/年。
可以看到關(guān)于碳化硅襯底的產(chǎn)能規(guī)劃還是非常巨大的，不過由于技術(shù)工藝不成熟等原因，良率始終難以提升，海外廠商碳化硅襯底良率在70%左右，而國內(nèi)一線襯底廠商的良率則僅在50%左右，未來良率即使能有提高，但綜合來看規(guī)劃的產(chǎn)能并未超出實(shí)際需求太多，如果再算上規(guī)劃的產(chǎn)能大概無法全部如期完成建設(shè)，則基本可以算作供需平衡。
不過這并不是說就萬事大吉了，碳化硅最大的應(yīng)用市場是電動(dòng)汽車，而車載碳化硅器件對(duì)襯底有著更高的要求，國內(nèi)目前真正可用于車載碳化硅器件的襯底良率甚至只在10%左右，國外相關(guān)的襯底良率也提升艱難，因此可以預(yù)見，未來碳化硅襯底供需將出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失衡，用于電動(dòng)汽車的碳化硅襯底長期缺貨，而中低端的碳化硅襯底則會(huì)產(chǎn)能過剩，此現(xiàn)象最快明年就會(huì)出現(xiàn)，這大概也是前文所述出現(xiàn)價(jià)格戰(zhàn)跡象的原因所在。
未來幾年，碳化硅都將是一個(gè)快速增長的市場，有望進(jìn)入包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，帶來無限的市場機(jī)遇，而站在目前的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，中國企業(yè)想要抓住這些機(jī)會(huì)，需要有足夠長遠(yuǎn)的視野，不斷提高技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，也要及時(shí)根據(jù)市場變化調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，如此才能在競爭中立于不敗之地。
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