2024年,功率半导体会迎来怎样的发展?

发布日期:2024-01-22     291 次

功率半导体,又称电力电子器件或功率电子器件,是电子产业链中最核心的器件之一。中国作为全球最大的功率半导体消费国,贡献了约 40% 的功率半导体市场。MOSFET 和 IGBT 为功率半导体产品主力。

2023 年,半导体正式步入下行周期。在下行的背景下,整个行业都面临着前所未有的挑战。功率半导体在瑟瑟的寒风中,却显得与众不同。本文中,我们将一起看看功率半导体的 2023 以及 2024 的变化情况。

MOSFET 的 2023

先来看看 MOSFET 的情况。MOSFET 器件具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等特点,广泛应用于低中高压的电路中,是覆盖电压范围最广,下游应用最多的功率器件之一。

今年,低、高压 MOSFET 市场分化。从供应中,低压 MOSFET 供货情况缓解,低压 MOSFET 的交付周期约为 46 周或更长时间;高压 MOSFET 的交付周期为 50 周以上;中高压汽车 MOSFET 的短缺问题一直持续到年底。

高、低压 MOSFET 的整体货期和价格趋势略有不同,与下游需求结构性分化不无关系。低压 MOSFET 大量应用于消费性电子中,中、高压 MOSFET 则用于工业、通讯、电动车等产业,技术要求与产品需求有不断提高的趋势。从目前的市场来看,消费、部分工业类需求偏弱,汽车、光伏等新能源需求仍强劲。因此市场对低、高压 MOSFET 的需求也不一致。

IGBT 的 2023

再来看看 IGBT 的情况。根据 Yole 预测,至 2026 年,全球 IGBT 市场规模将达到 121 亿美元,2019 年至 2026 年复合增长率达 13.1%。中国是全球 IGBT 最大的消费市场,根据预测,至 2026 年,国内 IGBT 市场规模将达到 35 亿美元。

自问世以来,IGBT 不断进行技术迭代,主要向着降低开关损耗和创建更薄的结构方向改善和发展。其在纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺方面不断升级改进,共经历了七次大型技术演变,各项指标在演变中不断优化。目前,IGBT 芯片已经迭代至第七代精细沟槽栅场截止型 IGBT,但考虑成本后,应用最广泛的仍是 IGBT 第四代产品。

市场表现

3 月份 IGBT 出现大缺货,不仅价格涨翻天,业界更以「不是价格多高的问题,而是根本买不到」来形容缺货盛况。之后特斯拉宣布要大砍 SIC 用量,IGBT 更是成为了潜在方案。可以说,今年全球 IGBT 持续紧缺。

导致 IGBT 缺货、涨价的原因主要有四点:其一,需求旺盛,车用、工业应用所需 IGBT 用量大增;其二,供给不足,产能扩增缓慢;其三,风光储需求旺盛带动 IGBT 需求强劲;其四,特斯拉大砍 75% 碳化硅用量。

光伏方面,光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏,而 IGBT 是光伏逆变器的核心器件。从需求侧看,2023 年光伏产业还在持续发展,今年前三季度,全球光伏市场的增长速度都超过了多数行业分析师的预期。根据中国光伏行业协会统计数据,2023 年全球将新增 280-330GW,其中中国装机量有望达 95-120GW,继续保持快速增长势头。

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来源:中国光伏行业协会

IGBT 作为光伏逆变器的核心元器件,一定会受到这一市场发展的直接带动。光伏储能用 IGBT 模块尤其是大功率模块、大电流单管等产品,非常紧俏。由于国内厂商暂时只导入了 IGBT 单管,在模块方面还没有太多份额,基本由海外巨头主导,英飞凌和安森美占据了全球光伏 IGBT 80% 以上的份额。

不过,今年国内厂商也有所动作,士兰微在三季度财报交流会上表示,已经在用新一代 IGBT 产品去争取光伏市场更多的份额,已经有很好的方案,预计 2024 上半年会有突破性进展。新洁净能在光伏领域增速很快,在光伏储能领域,公司的 IGBT 产品已经大量供应国内 80% 以上的 TOP10 企业。从上年财报来看,新洁能的新品大电流 IGBT 单管逐渐上量,IGBT 模块产品在客户端的验证顺利推进,更大功率的 IGBT 模块产品亦在有序开发中。

汽车方面,IGBT 与动力电池电芯并称为电动车「双芯」,是影响电动汽车性能的关键元器件。电动汽车所使用的 IGBT 数量高达上百颗,是传统燃油车的 7~10 倍。其成本占整车成本的 7%~10%。

中国汽车产业持续狂飙。据中汽协数据显示,2023 年 1-11 月,中国汽车产销分别完成 2711.1 万辆和 2693.8 万辆,同比分别增长 10% 和 10.8%。其此前预计,2023 年我国汽车总销量为 3000 万辆左右。

今年,车规级 IGBT 年内的订单基本都被锁定,供不应求极为严重。作为 IGBT 全球龙头,英飞凌目前积压的汽车订单为 290 亿欧元,是汽车行业预期收入的 2 倍。时代电气在与机构交流中直言,从市场的订单状况来看,目前 IGBT 的需求很旺盛,很多重要客户选择签了 3 年的长约(2024-2026 年)。宏微科技在接受机构调研时表示,公司在电动汽车主驱 IGBT 模块产品上形成了批量化供应,主要出货给整车和 Tier1 客户,汽车端订单饱满。

IGBT 的现货与交期

再来看看今年 IGBT 的现货和交期情况。从库存周转天数来看,自 2022 年 Q4 开始,头部 IGBT 厂商的库存天数始终在升,这个趋势从年头一直持续到年尾。

具体来看,去年四季度,英飞凌、意法半导体、安森美的 IGBT 存货周转天数分别为 117 天、97 天、127 天;到了今年三季度升至 143、110、152 天。国内市场方面,整体的库存有所波动,但大趋势和国际大厂相差不大。不过,随着连续 2 个季度的库存管控,相关厂商的库存整体和 Q1 相比,已经有了明显的下降。

从订单、交期和价格来看,头部 IGBT 大厂整体状态全年处于饱满。相较于 2022 年英飞凌超负荷接单,排期超过一看年;安森美一季度全年产能售罄的状态,今年交期基本持续在 39-50 周左右。但是风光储 IGBT 等部分紧缺料交期还在 52 周以上。

SIC 的 2023

SIC 一直被归类于第三代半导体中,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

自从特斯拉大规模使用碳化硅模组以来,国内外众多车企跟进上车。从应用情况来看,SiC 功率半导体首先在高性能车型中取得应用。国内如比亚迪汉 EV、蔚来 ET7、小鹏 G9、吉利 Smart 精灵 #1 等量产车型均有搭载碳化硅器件。

不过,SIC 器件的成本不便宜。安森美的数据显示,在 650V 产品上,SiC MOSFET 的原厂报价,是硅基 IGBT 的 3.2 倍。在 1200V 产品上,硅基器件的原厂报价为后者的 2.2 倍。这也就是 3 月份,特斯拉宣布下一代电动车将削减 75% 的 SiC(碳化硅) 用量的原因。

实际上,碳化硅产业能否实现实质性突破,其根本在于性价比能否优于 IGBT。芯联集成赵奇表示:「只有当碳化硅器件的成本达到对应 IGBT 器件成本的 2.5 倍以下时,才是碳化硅器件大批量进入商业化应用的时代。」随着 SiC 器件的工艺升级,成本进一步下降后,将逐步渗透到 B 级车和部分 A 级轿车。

不管怎么说,SIC 还是引起了诸多大厂的兴趣,意法半导体甚至因此赚得盆满钵满。意法半导体从 2017 年开始量产碳化硅器件,已应用于特斯拉、华为、现代、雷诺、宝马、小鹏、比亚迪、 Rivian、吉利、长城汽车等多个 Tier1 厂商和汽车制造商产品中。据统计,目前全球已搭载意法半导体的碳化硅产品的量产乘用车已经超 300 万辆,车规级碳化硅出货量已经突破一亿。

今年的 2023 碳化硅器件可以说是扩产之年。博世、意法半导体、英飞凌等都与中国企业签订碳化硅合约。

今年 5 月,天岳先进、天科合达两大厂商均在其官微宣布,与国际半导体大厂英飞凌签订了供货协议。根据协议,天科合达和天岳先进将为英飞凌供应用于生产 SiC 半导体的 6 英寸(150mm)碳化硅晶圆和晶锭,两家企业的供应量均将占到英飞凌未来长期预测需求的两位数份额。未来也将提供 200mm 直径碳化硅材料,助力英飞凌向 200mm 直径晶圆的过渡。

今年 6 月,意法半导体在官网宣布,将同三安光电在中国重庆建立一个新的 8 英寸碳化硅器件合资制造厂。新的 SiC 制造厂计划于 2025 年第四季度开始生产,预计将于 2028 年全面落成,届时将更好地支持中国的汽车电气化、工业电力和能源等应用日益增长的需求。同时,三安光电将利用自有 SiC 衬底工艺,单独建造和运营一个新的 8 英寸 SiC 衬底制造厂,以满足该合资厂的衬底需求。

功率半导体的 2024

IGBT 供不应求,中国大陆是扩产主力

IGBT 产能紧缺下,不少企业都选择扩产。一条新的芯片产线从开始建设到最后投产需要 3 年时间,长于大部分科技产品的扩产周期。

大部分 6 英寸、8 英寸的晶圆厂折旧,由于成本效益问题,很少有 6 英寸、8 英寸晶圆厂会扩大 IGBT 的产能。

不过有部分 12 英寸的晶圆厂已经开始生产 IGBT,比如电装和联电子公司联合半导体日本有限公司(USJC)合作,今年正式进入量产。据介绍,新一代 IGBT,与早期元件相比,新一代 IGBT 可减少 20% 的功率耗损。预计到 2025 年,两家合作的 IGBT 每月产量将达到 10,000 片晶圆。还有英飞凌、安森美在 12 英寸晶圆厂 IGBT 生产上有所进展。2023 年,英飞凌的 IGBT 扩产选在了中国。11 月,英飞凌决定扩大其无锡工厂的 IGBT 模块生产线。无锡工厂扩产后,将成为英飞凌最大的 IGBT 生产基地之一。

在庞大市场需求带动下,新洁能、宏微科技、士兰微、斯达半导、时代电气等本土 IGBT 企业出货量大增,同时不断迭代新产品。

士兰集昕公司「年产 36 万片 12 英寸芯片生产线项目」已有部分设备到厂并投入生产,并且加快转 12 吋产线量产的进度;士兰集科加快车规级 IGBT 芯片、超结 MOSFET、高性能低压分离栅 MOSFET 芯片的产出和上量,已具备月产 2 万片 IGBT 芯片的生产能力。

捷捷微电宣布对全资子公司捷捷半导体有限公司投建的「功率半导体 6 英寸晶圆及器件封测生产线建设项目」增加投资,由最初的 5.1 亿元上调至 8.1 亿元。

中芯集成在今年 6 月表示,将发力高端功率半导体代工市场。中芯集成已经建成了国内最大车规级 IGBT 制造基地,预计 IGBT 产能在今年底前超过 12 万片/月。

低、高压 MOSFET 将进一步分化

未来低、高压 MOSFET 市场或将进一步分化。中低 MOSFET 技术相对成熟,市场准入门槛较低。伴随着终端市场的快速发展,下游需求的激增将不断推动更多厂家涌入中低压 MOSFET 领域,市场竞争愈发激烈,最终出现产品拼价局面,导致利润空间受挤压。

反观高压 MOSFET 市场则有望持续增长。据 Omdia 统计,2020 年度全球/中国高压超级结 MOSFET 产品的市场规模为 9.4/4.2 亿美元,并将于 2024 年达到 10/4.4 亿美元。伴随下游高压领域需求增长,高压 MOSFET 将迎市场份额提升。根据 Yole 数据,汽车将成为 MOSFET 最大增量市场,至 2026 年占 MOSFET 市场份额有望超 30%,从而带动高压 MOSFET 市场增长。其中电动汽车和充电桩分别占比 25% 和 8%。

SiC,加快上车

在已上市车型中,800V 快充技术大多只「标配」在高版本车型上,而入门或主打销量的中低版本车型依然沿用 400V 电池包。但今年,多款搭载 800V 平台的车型发布,包括哪吒 S、小米 MS11、智己 LS6、阿维塔 12、理想 MEGA、极星 5。

因此随着 800V 平台的车型发布,碳化硅会迎来更大的需求。明年 SIC 将加快上车,随着工厂的进一步扩产和建设,SIC 的产能将日益充足。

前文提到的天岳先进、天科合达、三安光电等公司均斥资提高碳化硅晶圆/衬底产能,目前这些中国企业每月的总产能约为 6 万片。随着各公司产能释放,预计 2024 年月产能将达到 12 万片,年产能 150 万。业界乐观预计,2024 年中国碳化硅晶圆在全球的占比有望达到 50%。


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