功率半导体的发展趋势和全球格局

摘自：国信证券《新能源引发行业变革，Fabless与IDM齐头并进》。

一、功率器件行业特点与竞争要素。

1、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%。

2、单管拉开芯片差距，模块建立客户粘性。

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。

3、差异化vs标准化、高性能与可靠性：器件制造商与集成商的差异化考量。

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。

4、发展趋势：高效率、高可靠性、低成本与新材料。

芯片向着高效率、低成本的器件结构发展。

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。

封装形式向着高可靠性和高集成度方向发展。

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。

制造工艺向12英寸拓展。

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。

大功率应用向宽禁带半导体器件发展。

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。

二、全球格局渐稳，新能源触发新一轮变革。

1、历经整合洗牌，行业格局渐清晰。

回顾功率半导体行业历史，市场需求驱动力来源于用电场景的变化，从消费电子外延至高铁、变频白电、工控及新能源。我们以英飞凌、安森美、意法半导体三大功率器件厂商营收增速及各公司年报为参考对行业增长动因进行剖析：2013年前，功率器件需求来源集中在消费电子、传统汽车、照明等领域，2013年-2015年随亚洲光伏设施扩建，高铁快速发展为中高压功率器件如IGBT带来了应用场景及需求；而后2016年后由于对工业用电效率提升及家电功耗降低的要求，“变频化”成为了此阶段功率半导体的新增动能，IPM等模块产品大量开始应用。自2020年开始，新能源发电与新能源汽车从试点、推广向需求驱动阶段转变，用电场景大幅增加，功率半导体进入景气长周期。

进入2019年各家开始新一轮并购，CR5格局至今保持稳定：Diodes宣布收购德州仪器晶圆制造厂GFAB，英飞凌收购赛普拉斯提升汽车半导体市占率，罗姆宣布收购松下半导体的二极管和三极管业务以扩充汽车、工业市场份额，安森美半导体宣布以4.3亿美元收购格芯位于美国纽约州的300mm晶圆厂获取格芯先进的CMOS、MOSFET和IGBT制造能力，瑞萨以67亿美元收购IDT。

2、碳化硅引领行业增速，汽车、新能源与工控驱动行业增长。

2021-2025年全球功率器件市场将由259亿美元增至357亿美元，年复合增速约为8.4%。其中，宽禁带半导体如碳化硅、氮化镓市场增速最快均超40%，结合Omdia、Yole数据，我们测算25年全球碳化硅器件市场将达43亿美元（占12%）；IGBT为最主要器件，受益于汽车、新能源等新增应用，市场规模将从21年9.7亿美元快速增至136亿美元（占38%），年复合增速约为12.8%；MOSFET消费类应用等存量市场下降而汽车、新能源等新增应用增长，市场基本保持稳定，25年市场规模约为104亿美元（占29%）。

2025年汽车和工控将成为功率器件最主要市场，占比达41%和30%。结合Omdia、Yole数据，我们测算2025年全球汽车（含新能源汽车）功率器件市场将增至142亿美元(占41%)，21-25年复合增速最快为18%，工控市场将增至107亿美元(占30%)，21-25年复合增速为13%，新能源发电市场将增至20亿美元(占6%)，21-25年复合增速达13%；此外，电网市场将增至8亿美元(占2%)，21-25年复合增速达19%.

汽车电动化加速，功率器件单车价值量最多将增至700美金以上。根据英飞凌汽车事业部数据，汽车电动化和智能化芯片市场未来五年将分别以22%和21%的复合增速快速增长，21年纯电动汽车功率器件单车价值量约450美元，其中主逆变器占70%，车载充电器（OBC）、BMS及DC-DC电源等系统占30%。随着自动驾驶、汽车功率提升、碳化硅及氮化镓加速渗透，25年纯电动汽车功率器件单车价值量将约700美元。

工业电机及其控制系统的用电量将增至全球耗电量的一半，其中通用变频器占60%。根据英飞凌数据，预计到2040年工业电机系统中电机耗电量将占60%。全球工业驱动市场高压电机变频器（>1kV）占9%；中低电压驱动（<1kV）占91%，其中约三分之二为通用型占60%，包括风机、泵类和空气压缩机及升降、起重电机和船舶驱动等领域；约三分之一为伺服驱动，包括协作机器人、物流机器人等。以协作机器人为例，其单机半导体价值量达350欧元，其中功率器件约200欧元。

新能源发电带来电网架构变革，光伏、风电、储能及新型电网均为功率器件应用增量。随着光伏、风电及储能等新型直流装备将接入配电网，配电网的整体架构随之发生变化。直流设备接入交流电网再以直流或交流的形式分配于储能设备中，每次电能变换均需用到功率器件。根据英飞凌数据，光伏、风电与储能的逆变器等配电装置单位MW的功率器件价值量分别在2000-3500、2000-5000、2500-3500欧元左右。此外，由于配电网遭受的扰动类型会明显增加，电网中将有越来越多的如中高压大容量AC-DC换流器、DC-DC直流变压器以及直流断路器等装置，对应地IGBT等中高压功率器件用量将大幅增加。

家电变频化带来半导体单机价值量提升，白电IPM模块国产化空间大。根据英飞凌数据，随着家用空调、商用空调、冰箱、洗衣机和热泵的变频化，变速电机的应用使得半导体单机价值量由0.7欧元提升至9.5欧元。其中，IPM模块、IGBT等功率半导体大量应用于变频白电中以实现电流频率的变化。根据产业在线统计，尽管中国已成为全球最大的白色家电生产基地，其中空调占全球80%的产能，冰箱和洗衣机亦超50%，然而家电IPM模块国产比例仍小于15%，国产化空间较大。

碳化硅为增速最快的功率器件21-25年CAGR 42%，预计25年全球碳化硅器件市场将超43亿美元。与Si相比，SiC击穿场强是Si的10倍，这意味着同样电压等级SiC MOSFET外延层厚度只需要Si的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且SiC禁带宽度是Si的3倍，导电能力更强。同时，SiC热导率及熔点非常高，是Si的2-3倍；SiC电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率；因此与IGBT相比，SiC器件开关损耗最多可减少74%。

结合Yole数据，我们预计SiC器件市场将从2021年10.9亿美元增至2025年43亿美元以上，复合增速达42%。其中，新能源汽车将从2021年6.7亿增至2025年34亿美元，复合增速51%，占整个市场80%。除汽车外，光伏、风电及储能等新能源市场将从2021年1.54亿美元增加至2025年5.14亿美元，此外，充电设施、轨道交通和电机驱动等领域也将快速增加。

三、存量替代与增量渗透驱动中国企业快速成长。

1、中国企业份额提升迅速，产品结构不断升级。

2021年亚太地区占全球功率半导体市场的74.3%，其中中国厂商成长迅速。根据Yole数据，亚太地区在全球功率半导体市场的占比由2020年71.4%增加到2021年的74.3%。中国企业在各细分市场成长迅速：

（1）2021年全球IGBT分立器件市场，士兰微市占率3.5%(位列第八)；

（2）在智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)领域，士兰微市占率2.2%(位列第八)，华微电子市占率1.0%(位列第十)；

（3）在IGBT模块领域，斯达半导市占率3.0%(位列第六)，时代电气市占率2.0%(位列第十)；

（4）在MOSFET分立器件领域，华润微市占率4.0%(位列第八)，安世半导体市占率3.7%(位列第九)，士兰微市占率3.0%(位列第十)。

我国的功率半导体以低门槛细分应用为起点，逐步向技术实现较难的应用领域发展，并随新能源头部厂商出海逐步走向国际化。随着各公司技术边界的拓宽，产品形式逐步从单品替代阶段向解决方案发展；在行业缺货叠加新能源领域渗透加速的催化下，从部分低价值量且技术门槛较低的消费、家电及低端工控如焊机等领域逐步向验证壁垒较高的高端工控、光伏及新能源汽车高端模块等领域进行突破。此外，在供应链环境多变的背景下，国内下游应用厂商国产化意愿增强，光伏、储能及新能源汽车等新兴领域国产化率大幅提升。

以新能源汽车为例，作为增量市场，乘用车功率IGBT模块国产化率已迅速提升至50%以上。根据NE时代数据，我国22年前三季度新能源上险乘用车主驱IGBT方案中国产供应商合计占比54%。其中比亚迪半导体搭载约69.9万套（占23%），斯达半导约54.3万套（占18%），时代电气约41.1万套（占13%），预计国产化率将随各家产能释放环比提升。

2、IDM or Fabless？存量与增量的博弈。

我国功率半导体仍处于单品替代阶段，代工平台工艺仍领先，IDM优势体现尚需时日。我国功率半导体发展仍处于早期阶段，IGBT、超结MOS等中高端器件国产化率仍较低，处单品替代阶段。20年下半年行业缺货、新能源加速渗透以及国际环境变化等多因素催化下，汽车、光伏等新能源应用为国产功率厂商提供验证机会，国产化率提升迅速；而工控、光伏模块等存量或高技术门槛领域国产化率仍较低，IDM多品类规模化优势仍不明显。此外，由于我国特色工艺代工平台如华虹等技术积累深厚，国内IDM厂商工艺仍处于追赶阶段，技术迭代优势需在更长的时间维度内才能体现。

特色工艺代工厂扩产持续，Fabless与IDM界限渐模糊。与全球功率半导体IDM为主的产能格局不同，我国特色工艺代工厂在政策及市场双重驱动下迅速成长。通过对国内可用于生产MOSFETIGBT的主要代工厂及代表性IDM厂商产能增量进行梳理，我们预计21-25年我国特色工艺代工产能增速将高于IDM的产能增速，以华虹、积塔半导体、中芯集成为代表的代工平台在产能与工艺成熟度上均具备竞争力，头部设计公司近几年内产能相对充裕且工艺平台较成熟，短期内与IDM的界限将逐步模糊、差异化竞争尚不显著。

3、22年前三季度功率半导体整体保持加速增长。

回顾22年前三季度，我国主要功率半导体上市公司合计营收同比增长20.7%至373.13亿元，合计归母净利润同比增加26%至69.37亿元。3Q22功率半导体板块合计营收同比上升16.00%、环比增长1.8%至133.1亿元，合计归母净利润同比增加12%、环比下降0.48%至24.7亿元。功率半导体整体景气持续，自2Q22部分公司出现业绩分化，主要系：1)手机、家电等消费终端产品需求受到疫情、通胀等因素压制；2)新能源汽车、光伏、储能等新能源需求持续增加。

3Q22功率半导体板块利润率同比、环比回落，存货周转天数、应收账款周转天数环比小幅下降。功率半导体板块3Q22毛利率同比下降3.62pct、环比下降2.1pct至30.9%，其中除斯达半导、东微半导外均同环比回落；3Q22净利率同比下降3.18pct、环比下降2.3pct至16.8%。3Q22功率半导体板块存货周转天数同比增加13.36天、环比下降1.67天至117.16天；应收账款周转天数同比减少2.62天、环比下降2.19天至86.42天。

根据IC insights数据，预计22年全球功率分立器件的销售额将同比增长11%，达到245亿美元，实现连续六年增长，创历史新高。在汽车及工业的拉动下，分立器件平均销售价格涨幅创十年新高，22年同比增速达11%。预计23年随全球经济增长放缓以及缺货情况缓解，预计收入将下降2%至240亿美元，从24年开始进入另一个增长周期。

三、中国主要功率半导体公司：

斯达半导、士兰微、时代电气、比亚迪半导体、东微科技、宏微科技、扬杰科技、新洁能、闻泰科技、华润微。

文章首发，公众号：钻石研报。