功率器件行业特点、竞争要素及发展趋势分析

制造为先，IDM 为长远发展趋势。

前道工艺是功率器件芯片性能的决定性因素。在集成电路中，模拟芯片是晶体管、电阻和电容等元件的有机组合，逻辑芯片是晶体管的堆叠与排列，其芯片功能差异主要来源于 IC 设计，因此包括芯片架构、IP、指令集、设计流程和设计软件工具等在内的设计环节是芯片附加值的核心。与集成电路不同，功率器件的功能实现及差异化来源于不同的器件结构，而器件结构需通过前道制造工艺实现的，制造工艺好坏直接决定了芯片的电子传输等性能表现。因此，为掌握核心工艺环节，全球功率器件龙头制造商多以 IDM 模式为主。

后道封装是保证器件可靠性的关键环节。功率半导体器件是电系统工作的关键，因此产品可靠性是核心参数。通常功率器件要根据应用的实际工况对芯片进行定制化封装以保证其在使用中的可靠性；特别是在工业、汽车等对产品耐压、耐温、耐冲击等可靠性要求较高的应用领域，产品形式以模块为主，厂商需对模块进行热管理、电磁干扰（EMI）等方面进行合理设计以保证多个芯片有机组合进行功能实现，因此在高可靠性 IGBT 模块中，封装环节成本占比可超30%。

应用场景定义器件类型，器件性能定义芯片参数。应用端的个性化需求主要是对芯片特性及模块的电路结构、拓扑结构、外形和接口控制等的设计要求。以汽车主逆变器为例，大功率主驱动通常需要用到多个芯片并联，若使用单管多个并联，管之间电流均流和平衡、同时开断等难度大，且接口较多；通过芯片互连配合保护元件具备较好一致性及稳定性的功率模块成为主流选择。而模块根据汽车工况对耐高温、耐腐蚀、抗氧化及机械振动的要求进行定制化设计，据此再对芯片的动态性能、结温等方面提出要求，并通过制造工艺进行实现。

单管依靠芯片技术拉开差距，模块依靠定制化设计建立客户黏性。单管产品封装形式标准化，以规模化生产为主，产品竞争力来源于芯片结构优化、性能提升以及芯片面积减小带来的成本降低。模块产品是基于应用的定制化产品，而应用系统电路拓扑及空间设计亦均基于模块的电性能、热管理与外部尺寸等参数，因此，模块是与客户建立长期合作关系的桥梁。在此过程中，器件厂商不仅需要芯片设计团队还需要培养强大的应用团队，能快速、准确地理解客户的个性化需求，并将这种需求转化成产品要求进行模块开发，再反馈到芯片端进行对应的设计开发。

功率产品生命周期长且迭代慢，差异化器件产品铸就芯片制造商核心竞争力。功率器件迭代升级的驱动力来源于下游用电量的提升及低功耗的应用需求，可靠耐用的应用要求决定了其产品生命周期长，因此自 20 世纪50 年代功率二极管、功率三极管面世至今功率器件迭代速度较慢。每代产品源于应用的新增要求，故各类型器件非绝对替代关系，而是各有分工和部分竞争的关系。在此过程中，功率器件制造商可通过器件结构设计提升产品性能，减小芯片面积降低制造成本，模块定制化打造差异性，最终实现利润空间与行业壁垒的提升。

可靠性为先，“标准化”产品是系统集成商降低供应链成本的需求。考虑系统故障带来的售后成本，系统集成商将产品可靠性作为首要考量。以高压应用为例，在部分系统设计时会降低单个芯片性能要求，优先考虑选用结构简单面积较大的平面型器件以保证芯片的耐压裕量及散热水平。同时，为降低成本及开发时间，集成商会采用“平台”方式开发(如汽车)，故功率器件产品需在集成商内部有一定通用性且有多家可替换的供应商。在此背景下，功率器件厂商倾向于争取做第一供应商，引领模块参数及器件设计“标准”形成，铸就护城河；对于后进入者，则选择对标“一供”性能，以提升性价比作为主要发力点来赢得更多市场份额。

功率器件是电能传输效率的关键，产品向着高转换效率、高功率密度即小体积方向发展，相应地，芯片向着结构优化以提升传输效率、减小芯片面积以降低成本的方向不断演进。以英飞凌 IGBT 产品为例，7 代产品围绕器件的电场分布、结温、短路能力等参数进行结构的设计优化，其中 3/4/7 代器件实现了变革性的技术突破：IGBT3通过背面注入了一个掺杂浓度略高于 N-衬底的 N 缓冲层，使得电场强度可迅速降低，整体电场呈梯形且漂移区厚度减小，实现了器件关断时拖尾电流及损耗（低导通压降）的降低。IGBT4 则通过薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，提升了器件输出电流的能力。IGBT7 则是增加了多种形式沟槽，综合各沟槽形式的优点，使得器件性能显著提升。此外，沟槽结构使得芯片面积不断减小，在功率密度提升的同时降低了芯片成本。

单管封装向小体积方向发展，模块封装向高可靠性发展。在汽车、工业等温度变化大、振动等动态工况复杂的场景中，模块是保证系统稳定运行的关键。为提升可靠性，未来模块将向着优化组合装配和连接技术、提高抗温度和负载变化的可靠性、改善散热效果、通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性、优化内部连接和外部配件布线、提高功率模块的集成度以降低系统成本的方向发展。

功率器件应用场景逐渐丰富，12 英寸产线可用于生产的需求较大的中低压器件以提升单位产量。晶圆面积增加单位晶圆产出芯片量提升，芯片成本降低，因此，功率器件龙头厂商均布局了 12 英寸产线，将用量较大的中低压功率器件放于12英寸线上生产。此外，由于 12 英寸硅片仅能用直拉法（CZ）生产，因此需要区熔法（FZ）硅片的中高功率器件还是以 8 英寸及以下产线为主。

相比 8 英寸产线，12 英寸线设备更易购买且具备成本优势，芯片数量翻倍，前道成本将降低 20%-30%左右。一条 12 英寸线建设需经历厂房建设、设备安装及验证，投产后还需进行洗线，从简单工艺平台到复杂工艺平台进行调试并达到稳定生产状态，需要 2 年以上的时间。

随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求，具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，应用于新能源汽车、光伏等领域，在电力电子设备中实现对电能的高效管理。以逆变器为例，碳化硅模块代替硅基 IGBT 后，逆变器输出功率可增至硅基系统的2.5倍，体积缩小 1.5 倍，功率密度为原有 3.6 倍，最终实现系统成本整体降低。