券商和基金最看好哪個(gè)半導(dǎo)體投資版塊？一定是功率半導(dǎo)體 [1]。今年年初，英飛凌、意法半導(dǎo)體、恩智浦等國際半導(dǎo)體大廠均對今年功率半導(dǎo)體有著高景氣的預(yù)期，2022 年全年產(chǎn)能已全部排滿。[2]
任何電能轉(zhuǎn)換過程都需要功率半導(dǎo)體，沒有它，幾乎一切現(xiàn)代電子產(chǎn)品都將無法工作。但它并不像提供各種算力的 CPU、GPU、FPGA、ASIC 廣受關(guān)注，往往只是作為配角出現(xiàn) [3]。這一領(lǐng)域技術(shù)迭代迅速，競爭激烈。
在本文中，你將了解到：功率半導(dǎo)體分類，功率半導(dǎo)體技術(shù)細(xì)節(jié)，功率半導(dǎo)體發(fā)展歷史，功率半導(dǎo)體市場，國產(chǎn)功率半導(dǎo)體的布局情況。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中重要一環(huán)
功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）又被稱為電力電子器件或功率電子器件，是實(shí)現(xiàn)電能變換或控制的電子器件。
具體功能包括變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開關(guān)等，也與節(jié)能息息相關(guān)。[4]
按功率處理能力，功率半導(dǎo)體分為低壓小功率半導(dǎo)體器件、中功率半導(dǎo)體器件、大功率半導(dǎo)體器件和高壓特大功率半導(dǎo)體器件 [5]，按照不同等級功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、家電、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、新能源、軌道交通、電力設(shè)施（發(fā)電、變電、送電）等方面。[6]
隨著電動汽車的推廣普及、綠色能源的使用以及地鐵、動車等現(xiàn)代交通工具的建設(shè)，市場對高性能功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)需求愈發(fā)強(qiáng)烈。產(chǎn)品包括功率半導(dǎo)體防護(hù)器件、高端功率半導(dǎo)體整流器件、光電混合集成電路、新型電力半導(dǎo)體器件等廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)制造、電力輸配、新能源等重點(diǎn)領(lǐng)域。[7]
功率半導(dǎo)體器件通常有三類產(chǎn)品形式：功率半導(dǎo)體分立器件（Power Discrete）、功率模塊（Power Module，業(yè)界也將這一部分與分立器件合稱為功率器件）、功率半導(dǎo)體集成電路（Power Integrated Circuit，即功率 IC）。
用兩個(gè)公式來解釋這些產(chǎn)品形式便是：
充電頭 = 功率 IC + 功率器件（功率半導(dǎo)體分立器件 / 功率模塊）+ 其他
功率 IC = 功率器件（功率半導(dǎo)體分立器件 / 功率模塊）+ 其他
● 功率半導(dǎo)體分立器件
是構(gòu)成功率半導(dǎo)體集成電路和智能功率模塊的基礎(chǔ)器件，是具有單一功能的電路基本元件，并且其本身在功能上不能再拆分的半導(dǎo)體器件。[9]
分立器件加工工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、擴(kuò)散退火、成膜等流程，經(jīng)過加工在半導(dǎo)體材料上形成 PN 結(jié)，不同結(jié)構(gòu)和摻雜濃度 PN 結(jié)進(jìn)行組合都會影響分立器件的參數(shù)特性。
分立器件包括二極管、晶閘管、晶體管三類器件，其中晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT，常稱為晶體三極管）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。
不可控指導(dǎo)通和關(guān)斷都不可由控制信號控制，半控指可以控制導(dǎo)通但不可控制關(guān)斷，全控指導(dǎo)通和關(guān)斷都可控制。
電源電路常用的功率半導(dǎo)體分立器件大致有三種：功率 MOSFET、超結(jié)（SJ : super junction）構(gòu)造的功率 MOSFET 以及 IGBT。[10]
● 功率模塊
是一種混合集成電路，由多個(gè)分立器件按一定功能組合模塊化封裝而成，如 IGBT 模塊。功率模塊已經(jīng)歷三次迭代發(fā)展，目前的產(chǎn)品已采用更先進(jìn)的 IC 驅(qū)動、封裝技術(shù)以及更多的保護(hù)技術(shù)。[11]
● 功率 IC
指將在分立器件或功率模塊制造工藝基礎(chǔ)上，通過復(fù)雜的隔離與互連工藝將各種器件（如二極管、三極管和場效應(yīng)晶體管等）集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上形成的復(fù)雜電路。功率 IC 是模擬 IC 的一個(gè)子賽道。
用于制備功率集成電路的制造技術(shù)稱之為功率集成技術(shù)，功率集成技術(shù)需要在有限的芯片面積上實(shí)現(xiàn)高低壓兼容、高性能、高效率與高可靠性。[12]
功率 IC 包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器、開關(guān) IC、電壓基準(zhǔn)、功率管理 IC 五個(gè)大類。這些 IC 能夠?qū)崿F(xiàn)將電池或電源提供的固定電壓升壓、降壓、穩(wěn)壓或電壓反向處理，負(fù)責(zé)設(shè)備電能的變換、分配和檢測。
雖然不同類型器件在功能、性能、成本等方面差異巨大，對比形式均有所不同，但一般都會使用功率密度（每單位體積功率）和功耗衡量器件性能，同時(shí)還會關(guān)注工作電壓、電流密度、反向恢復(fù)時(shí)間、最高結(jié)溫、通態(tài)電阻、反向漏電流、靜態(tài)電流、總柵電荷等具體參數(shù)。
芯片發(fā)展的盡頭是材料
在時(shí)代沖刷下，許多功率半導(dǎo)體產(chǎn)品都逐漸淘汰，只有綜合評估表現(xiàn)良好的器件成為了市場最終的寵兒?？v觀這一歷史，發(fā)展呈現(xiàn)兩種趨勢：一種是向?qū)崿F(xiàn)更高的電壓和更低的損耗方向發(fā)展，即在分立器件上進(jìn)化；另一種是向小型復(fù)合化、高集成、高密度發(fā)展，即模塊化和集成電路化，但這也要仰賴構(gòu)成模塊或電路的“基礎(chǔ)單位”分立器件 [6]。因此，一切都指向了分立器件。
一開始，功率半導(dǎo)體分立器件是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)化的：第一階段以二極管為代表，第二階段出現(xiàn)以晶閘管為代表的半控型器件，第三階段誕生了以 MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為代表的全控型器件。
而后，器件結(jié)構(gòu)已基本明朗，大多情況下都是圍繞這幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改良。雖然制程也會影響功率半導(dǎo)體的性能，但它屬于特色工藝（More than Moore）范疇。與邏輯電路和存儲芯片相反，工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步并不能直接為分立器件、模擬電路等帶來效率顯著提升和成本顯著下降 [13]，而是需要通過器件結(jié)構(gòu)、加工工藝、應(yīng)用環(huán)境提升器件價(jià)值和性能。[14]
相比動輒使用 7nm、5nm 等先進(jìn)制程的邏輯 IC，功率半導(dǎo)體分立器件及功率 IC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度會低很多。目前國際意法半導(dǎo)體（ST）最先進(jìn)的 BCD 工藝也只到 65nm，國內(nèi)士蘭微總投資 170 億元建設(shè)的兩條 12 英寸 90~65nm 特色工藝芯片生產(chǎn)線便已處于先進(jìn)水平，許多器件只需要 0.15~0.35μm 的工藝即可滿足性能要求。[15]
當(dāng)然，雖然造出功率半導(dǎo)體相對簡單，但并不是說它毫無技術(shù)含量，這種情況下反而對技術(shù)優(yōu)化、集成調(diào)整及功能等要求更高。
因此，在器件改良以外，業(yè)界瞄向了器件的根本 —— 材料。改變材料能夠顯著提升全性能指標(biāo)，其中寬禁帶半導(dǎo)體材料是非常適合制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成器件的材料。禁帶寬度是半導(dǎo)體材料一個(gè)重要特性參數(shù)，參數(shù)越大意味著電子躍遷到導(dǎo)帶所需能量越大，材料能承受的溫度和電壓也會越高。[16]
根據(jù)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，可將半導(dǎo)體材料分為窄禁帶和寬禁帶兩種，2.3eV 帶隙寬度是區(qū)分寬窄的重要指標(biāo)。窄帶隙半導(dǎo)體代表性材料有第一代半導(dǎo)體材料 Si（硅）、Ge（鍺）和第二代半導(dǎo)體材料 GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦），大于或等于 2.3eV 的寬帶隙半導(dǎo)體代表性材料有第三代半導(dǎo)體材料 GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）[18] 和研究中的第四代半導(dǎo)體材料氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）等。
需強(qiáng)調(diào)的是，新生的半導(dǎo)體材料在現(xiàn)階段不會完全取代之前代際的材料，均是對硅材料的一種重要補(bǔ)充。[19]
SiC 和 GaN 是寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展比較成熟的材料，自 2001 年以來，SiC 二極管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等寬禁帶的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品相繼開發(fā)成功并量產(chǎn) [21]。但彼時(shí)使用新材料的性價(jià)比較低，在長達(dá)十余年里一直被冠以價(jià)格高昂的帽子，而后經(jīng)過多年研發(fā)，器件成本逐漸下降、晶圓產(chǎn)能逐漸豐富，兩種材料在 TCO（總擁有成本）上優(yōu)勢逐漸凸顯，這一賽道開始爆發(fā)，前景廣闊。
GaN 和 SiC 瞄準(zhǔn)的領(lǐng)域各有不同，業(yè)界的普遍認(rèn)為 GaN 功率半導(dǎo)體瞄準(zhǔn)的耐壓區(qū)域比 SiC 功率半導(dǎo)體低幾十伏至六百伏 [10]，目前來說 GaN 主要應(yīng)用在通信射頻、電力電子、LED 三大場景，SiC 主要應(yīng)用在電力電子和通信射頻兩大領(lǐng)域。[22]
SiC 和 GaN 是功率半導(dǎo)體行業(yè)的“福音”，幾乎所有巨頭都會摻上一腳。德州儀器（TI）向筆者解釋，相比傳統(tǒng)的硅器件，寬禁帶器件無疑是實(shí)現(xiàn)更高效率和更高功率密度方案的重要選擇，作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司也從 2010 年開始布局。
國產(chǎn)都有，但難以追趕
和計(jì)算芯片類似，功率半導(dǎo)體企業(yè)的經(jīng)營模式也分為兩種：
IDM 模式（Integrated Device Manufacture），即一體化模式，通過產(chǎn)業(yè)鏈的延伸與上下游整合，一家公司扛起造芯片的所有步驟；
Fabless 模式（特指垂直分工模式中設(shè)計(jì)一環(huán)），即企業(yè)自身沒有晶圓生產(chǎn)線，僅進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，最終生產(chǎn)通過定制化采購和代工完成。
由于功率半導(dǎo)體不依賴先進(jìn)制程，更側(cè)重于打造特色平臺，并在工藝上精益求精，因此決定了功率半導(dǎo)體廠商在建廠和購買設(shè)備上投入相對小，因此從國際到國內(nèi)大部分公司為 IDM 模式。目前全球功率半導(dǎo)體公司分為三個(gè)梯隊(duì)，第一梯隊(duì)為國際領(lǐng)先的大型半導(dǎo)體公司，第二梯隊(duì)為國內(nèi)技術(shù)突破公司，第三梯隊(duì)為一些分立器件封裝企業(yè)。[23]
功率半導(dǎo)體擁有技術(shù)密集型屬性，對芯片設(shè)計(jì)、工藝流片、封裝測試、可靠性測試等環(huán)節(jié)銜接及質(zhì)量要求高，且研發(fā)周期長、研發(fā)投入大，從設(shè)計(jì)至規(guī)?；斗磐枰獌赡暌陨稀Ｅc此同時(shí)，對技術(shù)儲備和人才儲備要求高。為推出比國內(nèi)外競品更先進(jìn)、更具競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品，要精準(zhǔn)把握行業(yè)發(fā)展趨勢，同時(shí)還要承擔(dān)產(chǎn)品升級迭代失敗的風(fēng)險(xiǎn)。[24]
相對來說，功率半導(dǎo)體是能滾雪球的賽道，持續(xù)精進(jìn)便可占據(jù)一席之地 [25]。據(jù)半導(dǎo)體風(fēng)向標(biāo)分析，功率半導(dǎo)體行業(yè)波動符合大宗商品走勢規(guī)律，4~5 年的行業(yè)波動非常吻合半導(dǎo)體周期規(guī)律，產(chǎn)品與全球 GDP 走勢密切相關(guān)。[26]
現(xiàn)在，全世界很多半導(dǎo)體企業(yè)都在斥巨資研發(fā)和生產(chǎn)功率半導(dǎo)體。國際上德州儀器（TI）、亞德諾半導(dǎo)體（ADI）、英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（ST）、東芝（Toshiba）、瑞薩電子（Renesas）、羅姆（Rohm）等企業(yè)都在為奪取功率半導(dǎo)體的市場霸權(quán)而卯足了勁。
從數(shù)據(jù)來看，功率半導(dǎo)體市場增速也較為可觀。Mordor Intelligence 數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模為 379.0 億美元，預(yù)計(jì)到 2026 年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到 460.2 億美元，年復(fù)合增長率為 3.17%。[27]
功率半導(dǎo)體細(xì)分市場包括功率器件（即分立器件和功率模塊）和功率 IC 兩方面，有些公司會全部包攬，有些公司會專注集成度更高的功率 IC。
● 功率器件市場
當(dāng)前功率器件市場仍由分立器件主導(dǎo)，但未來幾年功率模塊份額將顯著增加。到 2026 年，電動汽車、工業(yè)電機(jī)和家用電器將推動功率模塊市場達(dá)到近 100 億美元。分立式功率器件主要用于低功率應(yīng)用，如低功率電機(jī)驅(qū)動器、光伏微型逆變器和住宅組串式光伏逆變器、汽車輔助系統(tǒng)、DC / DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器等，高功率應(yīng)用將更多使用功率模塊，但高效率要求使對組件和技術(shù)的需求更加多樣化。[28]
Yole 指出，功率器件中 MOSFET、IGBT 及 SiC 技術(shù)是至關(guān)重要的三個(gè)領(lǐng)域。IGBT 和 SiC 功率模塊主要用于電動汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏、儲能和電動汽車直流充電器等應(yīng)用，主要由高系統(tǒng)功率趨勢驅(qū)動。整體來看，目前硅基功率器件仍會占據(jù)整個(gè)功率半導(dǎo)體市場的半壁江山，但隨著需求量提升，寬禁帶器件在未來會有長足的增長。
相較國際，國內(nèi)功率半導(dǎo)體起步較晚，主要通過引進(jìn)技術(shù)后逐步創(chuàng)新，提升國產(chǎn)化。目前，國內(nèi)功率半導(dǎo)體行業(yè)取得了很大的發(fā)展，但在高端器件設(shè)計(jì)和制造方面與國際領(lǐng)先產(chǎn)品存在差距。
二級市場方面，功率半導(dǎo)體概念股已形成規(guī)模，企業(yè)數(shù)量較多，其中多數(shù)為 IDM 模式。在產(chǎn)品方面，大多企業(yè)既生產(chǎn)功率半導(dǎo)體分立器件也生產(chǎn)功率模塊，一些企業(yè)也會生產(chǎn)功率 IC。除此之外，布局第三代半導(dǎo)體材料功率半導(dǎo)體已成為二級市場共識。
再縱觀 2022 年 Q1 融資情況，百億美元市場吸引了不少新晉玩家。不過這些企業(yè)只有少數(shù)選擇了傳統(tǒng)的硅基功率器件領(lǐng)域，基本一致看好 SiC、GaN 賽道，且大部分處于 A 輪融資階段。
硅基功率 MOSFET 和 IGBT 器件領(lǐng)域，國內(nèi)與國際先進(jìn)水平差距明顯：MOSFET 器件，以平面工藝的 VDMOS 為主，缺乏高元胞密度的低功耗功率器件，國際上熱門超結(jié)器件在國內(nèi)尚處于研發(fā)階段，芯片產(chǎn)業(yè)化以中小功率（100～500V/≤30A）為主，批量生產(chǎn)單管已在消費(fèi)電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，600V～900V 的芯片正在開發(fā)中；IGBT 器件，模塊封裝技術(shù)有所提升，國產(chǎn)芯片的 600V、1200V、1700V / 200A~2000A 的 IGBT 模塊已投入使用，3300V、4500V、6500V / 600A~1500A 的 IGBT 模塊進(jìn)入中試階段，有少量樣品正在試用。[29]
SiC 和 GaN 寬禁帶功率器件方面與國際先進(jìn)國家相比，研發(fā)基礎(chǔ)較為薄弱，產(chǎn)業(yè)化還處于初始階段，但在襯底、外延片、器件 / 模塊上均有相關(guān)企業(yè)布局。
據(jù) CASA（第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟）數(shù)據(jù)，2020 年國內(nèi)功率器件市場規(guī)模約為 3002.6 億元，SiC、GaN 電力電子器件市場規(guī)模約為 46.8 億元，SiC、GaN 電力電子滲透率約為 1.56%，至 2025 年，SiC、GaN 電力電子器件應(yīng)用市場將以 45% 的年復(fù)合增長率增長至近 300 億元。[31]
● 功率 IC 市場
功率 IC 方面，入門門檻不算高，但對企業(yè)的持續(xù)研發(fā)能力要求高。據(jù)與非研究院統(tǒng)計(jì)，功率 IC 在全球功率半導(dǎo)體消費(fèi)中占比超過 50%，2021 年全球功率 IC 市場規(guī)模為 305 億美元，預(yù)計(jì) 2022 年將保持穩(wěn)定，而國內(nèi)功率 IC 廠商約為 160 家。[32]
另據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2021 年中國功率 IC 大部分公司營收大幅增長，部分公司營收增長 100% 以上，矽力杰、晶豐明源、士蘭微、富滿微電子、圣邦微電子、上海南芯、明微電子、上海貝嶺、艾為電子、必易微電子的 2021 年功率 IC 營收排名國內(nèi)前十。[33]
總結(jié)來說，國產(chǎn)在功率半導(dǎo)體市場一直都有平替產(chǎn)品，但相比國外仍有差距，在地緣政治摩擦頻發(fā)和功率半導(dǎo)體相關(guān)背景條件下，國產(chǎn)替代正在加速。由于 SiC 和 GaN 整體成本仍然比硅基功率半導(dǎo)體上有差距，MOSFET、IGBT 分立器件和模組仍然會是 3~5 年內(nèi)的主流和增長亮點(diǎn)，不過在 5G、新能源、智能化汽車?yán)瓌酉?，SiC 和 GaN 市場前景極佳。
References：
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本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，編輯：李拓
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