4月24日，東芝電子元器件及存儲(chǔ)裝置株式會(huì)社宣布，在石川縣能美市的加賀東芝電子公司舉行了一座可處理300毫米晶圓的新功率半導(dǎo)體制造工廠的奠基儀式。該工廠是其主要的分立半導(dǎo)體生產(chǎn)基地。施工將分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段的生產(chǎn)計(jì)劃在2024財(cái)年內(nèi)開始。東芝還將在新工廠附近建造一座辦公樓，以應(yīng)對(duì)人員的增加。
此外，今年2月下旬，日經(jīng)亞洲報(bào)道，東芝計(jì)劃到2024年將碳化硅功率半導(dǎo)體的產(chǎn)量增加3倍以上，到2026年增加10倍。而據(jù)日媒3月16日最新消息，東芝又宣布要增加SiC外延片生產(chǎn)環(huán)節(jié)，布局完成后將形成：外延設(shè)備+外延片+器件的垂直整合模式。
除了東芝，國(guó)內(nèi)外代表企業(yè)如英飛凌、安世半導(dǎo)體等也在通過(guò)適時(shí)的投資和研發(fā)來(lái)擴(kuò)大其功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)并提高競(jìng)爭(zhēng)力，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)在今年步入放量之年。
功率半導(dǎo)體品類多，MOSFET和IGBT為主流
公開資料顯示，功率半導(dǎo)體器件又被稱為電力電子器件，是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件各代產(chǎn)品特點(diǎn)及市場(chǎng)狀況如下圖所示：
資料來(lái)源：新潔能財(cái)報(bào)截圖
功率器件發(fā)展至今，按照類別的不同，功率半導(dǎo)體逐漸形成了功率IC和功率器件兩大類。其中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關(guān)器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開關(guān)器件，具有易于驅(qū)動(dòng)、開關(guān)速度快、損耗低等特點(diǎn)，逐漸成為功率器件的主流產(chǎn)品，目前二者合計(jì)市場(chǎng)占比約七成。
從全球功率半導(dǎo)體下游應(yīng)用分布來(lái)看，業(yè)界指出，汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子為主要的需求來(lái)源，三者連續(xù)多年合計(jì)占比在75%以上。
以下主要簡(jiǎn)單解析IGBT、MOSFET的發(fā)展情況，以及SiC加持下帶來(lái)的變局。
供不應(yīng)求，國(guó)產(chǎn)IGBT市場(chǎng)黃金期到來(lái)
2022年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期，在經(jīng)歷了2020年始的兩年汽車缺芯后，IGBT愈發(fā)緊俏，在2022年下半年，其甚至超越車用MCU，成為影響汽車擴(kuò)產(chǎn)的最大掣肘。
此后隨著新能源汽車的發(fā)展，IGBT成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展焦點(diǎn)。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)顯示，2022年中國(guó)新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)銷分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一。
IGBT作為新能源汽車核心零部件，需求量有增無(wú)減。今年IGBT芯片廠商英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等交期不斷拉長(zhǎng)。業(yè)界2月預(yù)計(jì)，ST（意法半導(dǎo)體）、Microsemi（美高森美）、Infineon（英飛凌）、IXYS（艾賽斯）、Fairchild（仙童半導(dǎo)體）這5大品牌的IGBT Q1與2022年Q4的交期基本維持一致，交期依舊緊張，最長(zhǎng)為54周。
具體來(lái)看，在2023年第一季度中，ST的IGBT 貨期為47-52周，Microsemi的IGBT 貨期為42-52周，IXYS的IGBT 貨期為50-54周，Infineon的IGBT 貨期為39-50周，F(xiàn)airchild的IGBT 貨期為39-52周。不過(guò)，這5大品牌的貨期趨勢(shì)和價(jià)格趨勢(shì)都呈穩(wěn)定狀態(tài)，沒有上升的趨勢(shì)。
海外歐美電動(dòng)車市場(chǎng)正處于高速增長(zhǎng)期，在英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等大廠優(yōu)先保障本土供應(yīng)情況下，國(guó)產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領(lǐng)域的替代進(jìn)程加速。
我國(guó)許多代表企業(yè)不斷加強(qiáng)IGBT技術(shù)研發(fā)，如2022年上半年，斯達(dá)半導(dǎo)公司基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術(shù)研發(fā)出的新一代車規(guī)級(jí)650V/750V IGBT芯片通過(guò)客戶驗(yàn)證，在2022年下半年開始批量供貨；士蘭微則在2022年順應(yīng)新能源發(fā)展潮流，通過(guò)定增融資切入車規(guī)級(jí)IGBT模塊以及SiC MOSFET領(lǐng)域，其推出的車規(guī)級(jí)IGBT等產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證，并已批量交貨上車。
公開資料顯示，自2021年底起，時(shí)代電氣、士蘭微和華虹半導(dǎo)體等廠商的IGBT產(chǎn)能相繼開出，企業(yè)營(yíng)收也在攀升。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)已經(jīng)公布2022年財(cái)報(bào)的各大企業(yè)數(shù)據(jù)看，營(yíng)收超過(guò)百億的功率器件企業(yè)有時(shí)代電氣（180.34億元）和華潤(rùn)微（100.60億元）。以凈利潤(rùn)來(lái)看，華潤(rùn)微、時(shí)代電氣超過(guò)20億元。其中值得關(guān)注的是，在功率器件行業(yè)，多家企業(yè)雖然營(yíng)收較為靠后，但是凈利卻排名較高，比如揚(yáng)杰科技、斯達(dá)半導(dǎo)、捷捷微電、新潔能、芯導(dǎo)科技等，這些功率器件企業(yè)表現(xiàn)更強(qiáng)的盈利能力。
MOSFET營(yíng)收大幅增長(zhǎng)，盈利值得期待
MOSFET器件具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應(yīng)用最多的功率器件之一。
隨著汽車電動(dòng)化開啟，中高壓MOEFET開始廣泛應(yīng)用于汽車的DC-DC、OBC等中壓電動(dòng)部分以協(xié)助完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車平均用量提升至200個(gè)以上；此外，隨著汽車智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂(lè)等功能均需使用MOSFET，根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，未來(lái)中高端車型中MOSFET單車用量將有望增至400個(gè)。
新能源汽車加速邁進(jìn)，同時(shí)，以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓MOSFET部分市場(chǎng)，在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅(qū)動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)功率器件廠商開始加速進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈。
從市場(chǎng)情況看，目前士蘭微、安世半導(dǎo)體在全球MOSFET市場(chǎng)份額上不斷擴(kuò)大。此外，華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導(dǎo)、捷捷微電等國(guó)內(nèi)廠商近年來(lái)也在車規(guī)級(jí)MOSFET領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。
具體來(lái)看，以士蘭微、華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技為代表的IDM公司已覆蓋高壓超結(jié)產(chǎn)品，并逐步擴(kuò)大產(chǎn)品占有率：士蘭微已完成12英寸高壓超結(jié)MOS工藝平臺(tái)開發(fā)；華潤(rùn)微2022年Q1高壓超結(jié)產(chǎn)品收入超億元；揚(yáng)杰科技2022年Q1汽車MOS訂單實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。
SiC加碼，IGBT、MOSFET市場(chǎng)迎變局
當(dāng)下功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中IGBT和MOSFET仍然占據(jù)主流，后來(lái)者SiC相比Si基產(chǎn)品，具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率三個(gè)最顯著特征，基于其巨大的發(fā)展?jié)摿?，?guó)內(nèi)外諸多廠商近年來(lái)爭(zhēng)布局SiC產(chǎn)業(yè)鏈。
TrendForce集邦咨詢?cè)谧钚掳l(fā)布的調(diào)研報(bào)告中預(yù)測(cè)，隨著安森美、英飛凌等與汽車、能源企業(yè)合作項(xiàng)目的不斷增多，碳化硅功率器件的前兩大應(yīng)用為新能源汽車與再生能源領(lǐng)域，分別在2022年已達(dá)到10.9億美元及2.1億美元，占碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值約67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整體市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到22.8億美元，年增長(zhǎng)41.4%。
TrendForce集邦咨詢預(yù)測(cè)，至2026年，碳化硅功率器件市場(chǎng)產(chǎn)值可望達(dá)到53.3億美元。主流應(yīng)用仍倚重電動(dòng)汽車及再生能源，電動(dòng)汽車產(chǎn)值可達(dá)39.8億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約38%；再生能源達(dá)4.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約19%。
隨著SiC的高速發(fā)展，關(guān)于“SiC替代IGBT”的論斷不斷。筆者認(rèn)為，替代是一種趨勢(shì)，但無(wú)論是從使用場(chǎng)景還是成本價(jià)格方面看，SiC可能不會(huì)完全替代IGBT，未來(lái)兩者有望共同發(fā)展。
根據(jù)市場(chǎng)使用情況看，SiC非常適合高頻、高壓等應(yīng)用場(chǎng)景，在600–1,700V范圍應(yīng)用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是新能源汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經(jīng)達(dá)到了材料的物理極限，所以新能源汽車開始紛紛擁抱SiC。
但是，SiC晶體管的劣勢(shì)在于，其價(jià)格相對(duì)較高，SiC生產(chǎn)過(guò)程也更加復(fù)雜。
從碳化硅生產(chǎn)步驟看，其材料合成、生成籽晶步驟技術(shù)均相對(duì)成熟，問(wèn)題主要出現(xiàn)在晶體生長(zhǎng)上和切割上。SiC晶體生長(zhǎng)的速度緩慢，生長(zhǎng)速率為0.2-1mm/小時(shí)，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時(shí)間；此外，切割環(huán)節(jié)也非常容易損耗，由于碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過(guò)程耗時(shí)久，易裂片。一般而言，硅片的切割只需要幾個(gè)小時(shí)，而SiC則需要數(shù)百小時(shí)。
碳化硅總體生產(chǎn)的成本對(duì)比Si均較高，SiC晶體管也存在一些缺點(diǎn)，比如容易受到損壞、溫度敏感等問(wèn)題。綜合這些特點(diǎn)來(lái)看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場(chǎng)景。
而對(duì)比SiC，IGBT顯而易見的優(yōu)勢(shì)便是成本低，畢竟成本決定著市場(chǎng)。與此同時(shí)，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因?yàn)镮GBT的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障率較低。同時(shí)，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過(guò)壓能力，適用于大功率、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景。譬如在DC-DC這種對(duì)環(huán)境要求不是很高、對(duì)重量和空間要求也不高的充電樁領(lǐng)域，想要替代成本最具優(yōu)勢(shì)的IGBT有很大的難度。
近期特斯拉表示將在不損害汽車性能和效率的前提下，在下一代電動(dòng)汽車平臺(tái)縮減75% SiC用量，這是特斯拉提供的關(guān)于新車計(jì)劃的少數(shù)硬性細(xì)節(jié)之一，由此引發(fā)了業(yè)界的各種猜測(cè)。
據(jù)TrendForce集邦咨詢了解，SiC可靠性以及供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性確實(shí)令特斯拉信心不足，過(guò)去幾年中曾因此出現(xiàn)過(guò)Model 3批量召回事件，當(dāng)時(shí)特斯拉官網(wǎng)解釋為“后電機(jī)逆變器功率半導(dǎo)體元件可能存在微小的制造差異，其中部分車輛使用一段時(shí)間后元件制造差異可能會(huì)導(dǎo)致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏鳌保@直接指向SiC。
此外，以襯底材料為關(guān)鍵的產(chǎn)能緊缺情況已成為困擾整個(gè)SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題，Wolfspeed、Infineon、ST等主要廠商正在大舉擴(kuò)充產(chǎn)能，特斯拉亦在尋求多元化供應(yīng)商方案，以防備供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。
不可否認(rèn)的是，SiC仍是電動(dòng)汽車制造商未來(lái)必須考慮的核心零部件，這包括特斯拉。因此，若考量到技術(shù)變革所帶來(lái)的影響，TrendForce集邦咨詢認(rèn)為特斯拉下一代電動(dòng)汽車主逆變器將做出全新的封裝調(diào)整，可能包括SiC/ Si IGBT的混合封裝方案，這是工程設(shè)計(jì)層面的顛覆性創(chuàng)新，但充滿挑戰(zhàn)。（文：全球半導(dǎo)體觀察）
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