汽车功率半导体市场研究报告

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。

报告节选:… https://t.cn/R9600FI

【斯达半导】最新调研纪要电话会纪要

近期情况?
芯片供应还不错,foundry厂给了很大支持,在华虹的12英寸进展非常顺利,也倒入了其他代工厂,但还是华虹为主
华虹目前给了3千片12-inch相当于7-8千片8吋的产能(年初的时候几百片),现在瓶颈可能是在公司自己模块的产能
8英寸的产能大概在1W片左右
Q1的情况还不错吧,Q2达到满产,所以会比Q1更好

模块的产能同比去年应该有50%的增长,但因为产品结构有调整,产值增长的比例不是50%
模块的产能瓶颈主要在设备上,人员可能也是个瓶颈
模块的产能计划到年底比去年底提升50%,整体产出肯定是没办法增加50%那么多,明年整体能增加50%

华虹的工艺刚开始起步,是否可以用在汽车上?
转移到12吋的产能是成熟产品(ie工控模块的芯片)

风电光伏加起来2020年才3千万收入,今年情况完全变了,因为行业特别缺货,客户只看供应保障
光伏的应用很大一部分是用分立器件,所以没有模块产能瓶颈的问题
今年的收入规模大几千万,应该不会过亿元,毕竟客户导入也是需要时间的
阳光、华为、锦浪、固德威
光伏的导入周期,一般需要半年到一年,现在有些比较着急的客户可能3个月就能完成测试

新能源A00级做的很成熟了,你们可以用排除法,市场上已知没有用我们的那几款排除掉以后,其他都是斯达做的
A+B级车,去年定点的很多平台很多是160kW的,一般来说130kW是A级,160kW就算是B级了
模块的价格基本跟功率成正比

模块产能紧缺的情况什么时候能缓解?
3Q末可能有希望,因为一般来说工控在3Q稍微淡一点,另外公司自己的设备move in,但也说不定4Q又更紧张了呢,不好说

自建产能进展?
6吋,SiC和3300V的芯片,预计到明年年底可以投产
进展很顺利,公司希望可以尽早把产品做出来放到市场上去认证
SiC公司大概率会从Cree买6-inch外延片,做mosfet
两张6吋SiC的芯片的用量=一张8吋的IGBT的用量
公司做这个产能的考量:首先肯定不是为了做IDM(安抚一下华虹)。主要原因是市场上找不到合适的6吋的工艺平台,公司想做出一些特色产品,以后再逐渐往8吋转移,也可能转移到华虹的8寸线呀
规划的产能是每月3万片,其中SiC起量会慢一点,因为SiC一片顶四片

IGBT的竞争格局?
公司去年排全球第七,今年有希望提升一点,目标是IGBT模块收入至少在国内市场做到第一
英飞凌在国内的份额大概不到30%,接下来几年是一个格局变化的关键时间
2021年公司的份额也接近10%
公司在国内市场的优势是已经有口碑,只要抓住英飞凌缺货的机会就好
中车,因为它可以做的下游太多了,想做工控、想做新能源车,在展会上能见到它的各种产品,但是一直没什么动静。感觉相比工控,中车在新能源车的领域里还稍微积极点
比亚迪去年就有从公司采购,今年量更大了。因为byd做平面型igbt,跟英飞凌的匹配性不好

SiC在客户端的需求怎么样?
去年定点了几个新能源车的sic,其中几个商用车
价格差从过去的10倍,现在降到4-5倍,估计长期稳定的价格差是在2倍

以现有产能估计,今年能做40万辆,以纯电为主。
同等级别的车,混动的模块价格会比纯电更贵一点,因为它动力+发电的需求量是纯电的需求量的1.5倍

核心技术在哪?
芯片的设计、工艺,封装
宏微也是找华虹代工的,但是它的产品性能就是不如斯达
斯达的第二代产品对标英飞凌的第四代产品,有些性能指标甚至比英飞凌好
公司最新的产品对标英飞凌第七代,在逐渐推出产品,下半年会更完善以后再公布
第三代产品会比第二代芯片面积小20%,转换效率更高,并且长期去看的话成本会低
从产品的应用环境来看,新能源车的工况是要求最高的,并且是人命关天的,风电光伏顶多是花钱解决问题。工控里面,电梯控制器是最难进入的,也是因为人命关天

价格vs英飞凌?
差个5-10%,个别领域里10%+,但是在逐渐缩小

未来四五年,SiC MOS vs IGBT?
就是在NEV里有一些互相竞争的关系,用SiC和用IGBT目前大概差个3%左右的综合续航,但是可以通过增加电池容量去弥补呀
所以可能就是高端车型用SiC多一点

工控的情况有什么变?
比较稳定,国内的客户都在用,有些比例比较高,有些低一点;在汇川去年占到20%,今年会高一点
接下来会去重点推进国外的那些客户ABB西门子台达这些
国内客户每年10%+的增长
公司预期1H21的工控收入增速30%左右

华虹给的价格有涨,公司也有一些产品涨价了,整体毛利率维持稳定

公司现在对自己的新能源车越来越有信心。以前的10万辆里面,有一些是to B的网约车、出租车,今年你发现很多是老百姓买单的车型,在一些大城市可能有政策导向,但是公司的下游车型其实也不是在这些大城市,所以需求很真实的反应了产品力和老百姓的需求。

1张8吋的wafer切出来的芯片可以做5-6台车

芯片自给率今年能到80%+,还在用外购的都是老的项目for工控

公司今年在涨价上非常克制,因为市场是有周期的,现在客户有困难,公司又在抢占市场的阶段,所以不想去涨价。但是跟客户沟通如果可以通过涨价给客户保障供应,那也会涨一些啦。
公司很少做IPM,因为不赚钱呀,而且缺产能的时候肯定要砍掉这部分。

充电桩上,公司没怎么做,因为充电桩用SiC的比较多,并且不赚钱

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8英寸的产能大概在1W片左右
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模块的产能瓶颈主要在设备上,人员可能也是个瓶颈
模块的产能计划到年底比去年底提升50%,整体产出肯定是没办法增加50%那么多,明年整体能增加50%

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转移到12吋的产能是成熟产品(ie工控模块的芯片)

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光伏的应用很大一部分是用分立器件,所以没有模块产能瓶颈的问题
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英飞凌在国内的份额大概不到30%,接下来几年是一个格局变化的关键时间
2021年公司的份额也接近10%
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SiC在客户端的需求怎么样?
去年定点了几个新能源车的sic,其中几个商用车
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核心技术在哪?
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