汽车功率半导体市场研究报告：智能汽车时代的发展新机遇

1. 为什么要关注汽车功率半导体？

1.1 从传统燃油车到智能电动车，核心零部件出现巨大变化

电动车以驱动电机、动力电池、电控取代了传统汽油车“三大件”（发动机、变速箱和底盘），功率半导体成重要增量。

1.2 功率器件是电能转换与电路控制的核心

功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电压和频率。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功 率控制等，同时具有节能功效。功率半导体器件广泛应用于移动通讯、消费电子、新能源汽车、轨道交通、工业控制、发电与 配电等电力、电子领域，涵盖低、中、高各个功率层级。

2. 当前关注的重点细分赛道是？

2.1 IGBT是功率器件最具发展前景的细分赛道

IGBT是功率半导体器件的一种：用于交流电和直流电的转换、变频，相当于电力电子领域的“CPU”，也是新能源应用的心脏， 属于功率器件领域门槛相对较高的赛道。

IGBT属于双极型、硅基功率半导体，具有耐高压特性。融合了BJT（Bipolar junction transistor，双极型三极管）和MOSFET 的性能优势，结构为MOSFET+一个BJT，高耐压为其优势，自落地以来在工业领域逐步替代MOSFET和BJT，目前广泛应用 于650-6500V的中高压领域，属于Si基功率器件领域最具发展前景的赛道。

2.2 IGBT属于功率器件领域壁垒相对较高的细分赛道

IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节，其中设计环节技术突破难度略高于其他功率器 件，制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发，封装环节对产品可靠性要求高，应用环节客户验证周期长，综合看IGBT 属于壁垒较高的细分赛道。

2.2.1 芯片设计：

已迭代7代，核心是高功率密度和高稳定性。IGBT 芯片由于其工作在大电流、高电压的环境下，对可靠性要求较高，同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降 （控制热量）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂，因而对于新进入者而言研发门槛较高（看重研发 团队的设计经验）。

应用端迭代慢于研发端。IGBT应用端迭代节奏慢于研发端，目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。由于IGBT属于电力电子领域的核心元器件， 客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期，且并非所有应用场景都追求极致性能，因此每一代 IGBT芯片都拥有较长的生命周期。

2.2.2 晶圆制造：

IGBT制造的三大难点：背板减薄、激光退火、离子注入。IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大，但背面工艺要 求严苛（为了实现大功率化）。具体来说，背面工艺是在基于已 完成正面Device和金属Al层的基础上，将硅片通过机械减薄或特 殊减薄工艺（如Taiko、Temporary Bonding 技术）进行减薄处理， 然后对减薄硅片进行背面离子注入，在此过程中还引入了激光退 火技术来精确控制硅片面的能量密度。

特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度需要减薄到100-200μm， 对于要求较高的器件，甚至需要减薄到60~80μm。当硅片厚度减 到100-200μm的量级，后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎 和翘曲。

从8寸到12寸有两个关键门槛：芯片厚度从120微米降低到80微米，翘曲现象更严重；背面高能离子注入（氢离子注入），容易导致裂片，对设备和 工艺要求更高。

2.2.3 模块封装：

IGBT模块重视散热及可靠性，封装环节附加值高。IGBT模块在实际应用中高度重视散热性能及产品可靠性，对模块 封装提出了更高要求。此外，不同下游应用对封装技术要求存在差异，其中车规级由于工作温度高同时还需考虑强振 动条件，其封装要求高于工业级和消费级。

设计优化、材料升级是封装技术进化的两个维度：

设计升级方面主要是：1）采用聚对二甲苯进行封装。聚对二甲苯具有极其优良的导电性能、耐热性、耐候性和化学稳定 性。2）采用低温银烧结和瞬态液相扩散焊接。在焊接工艺方面，低温银烧结技术、瞬态液相扩散焊接与传统的锡铅合金 焊接相比，导热性、耐热性更好，可靠性更高。

材料升级方面主要是：1）通过使用新的焊材，例如薄膜烧结、金烧结、胶水或甚至草酸银，来提升散热性能；2）通过 使用陶瓷散热片来增加散热性能；3）通过使用球形键合来提升散热性能。

3. 未来产业发展新趋势是？

3.1 SiC具有性能优

降低损耗、小型化、耐高温高压。

3.2 应用场景：导电型SiC主要应用于中高压功率器件。

目前 SiC 功率器件主要定位于功率在 1kw-500kw 之间、工作频率在 10KHz-100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空 间尺寸要求较高的应用。

3.3 行业痛点：价格远高于Si基器件，目前仍处于普及初期

尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化，但可靠性和高成本限制了行业普及 。SiC功率器件成本远高于Si基功率器件，成本降低驱动逐步渗透：SiC 二极管：应用相对容易，和 Si 基产品价格差在3~5倍（650V价格差距小于1200V产品）。在比特币的蚂蚁挖矿机 的电源中有批量的商业应用，在高效能的(数据中心)电源、 PV、充电桩中已有不少应用。SiC MOSFET ：应用相对较难（如过快的开关带来高 dv/dt 问题），和 Si基产品价格差在6~8倍（1200V产品价格差 小于650V产品），在 PV 逆变器、充电桩、电动汽车充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。

3.4 空间：18年SiC器件需求约4亿$，预计10年35倍扩张。

根据Omdia数据，2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元。预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美 元，对应9年CAGR为43%。驱动力包括：

需求端：1）特斯拉引领下，新能源汽车逐步开始使用SiC MOSFET，拉动庞大需求（我们预计是最大也是最重要的市场）， 2）电力设备等领域的带动。

供给端：1）产品技术升级，SiC衬底尺寸从4寸转向6寸，再向8寸升级；2）产能扩张后产生规模效应。

3.5 电动车：SiC优点在于可降低综合成本

直接成本增加：在逆变器中用SiC MOS替换IGBT，会增加约1~200美金的器件成本。其他成本降低：1）SiC 可使控制器效率提升 2%~8，进而降低电池成本。根据CASA，电动车每百公里电耗减少1kWh，电池 成本节约1500元（反之，同样的电池成本续航能力更强）。 2）由于高频特性，配套的变压器、电感等磁性元件成本降低（电 感成本与频率成反比）。3）逆变器体积减小，降低其他材料成本。4）低功耗、高工作结温降低散热要求。电池容量更大的高端车型或电动大巴车，更容易率先引入SiC MOSFET。

3.6 产业链条：关键为衬底＋外延，约占器件成本的70%

制备需多道工艺，其中衬底和外延生长最关键。SiC器件的制备过程为：将SiC籽晶置于生长炉中制备晶体，通过切磨抛数道工 艺将其加工成SiC晶片作为衬底，后续在衬底基础上生长SiC外延或是GaN外延，最终经历IC设计、制造、封测三个环节形成相 应器件。

衬底制备难度最高，叠加外延后构成70%器件成本。SiC衬底的长晶温度需要2500℃，高温下的热场控制和均匀度控制难度极 高，非平衡态合成过程容易产生晶体缺陷，同时其制备过程缓慢（主流气相法需要3-4天），进而导致衬底的制备困难且高成 本，衬底（47%）和外延（23%）占器件总价值的70%。

3.7 产业格局：西方垄断衬底市场，Cree处于领先地位

Cree、II-VI及Rohm在SiC衬底领域居于领先位置。Cree、II-VI、Rohm为衬底研发及生产最早的企业，目前其工艺已 普遍转为6英寸晶片生产和8英寸研制工作，而国内厂商则以4英寸生产为主，6英寸技术尚未规模化生产。衬底尺寸提 升可有效降低器件制备成本，大直径晶片始终为市场发展方向。

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