功率半導(dǎo)體大廠，都在走這條路

　   去年，半導(dǎo)體行業(yè)景氣度嚴(yán)重分化，而功率半導(dǎo)體這邊卻風(fēng)景獨好。當(dāng)整個行業(yè)都在忙于去庫存時，功率半導(dǎo)體成為唯一的例外。

       如今功率半導(dǎo)體大廠紛紛踏上了一條與汽車緊密結(jié)合的路。這究竟是怎樣的一條道路?汽車領(lǐng)域又有著怎樣的魅力，使得眾多業(yè)界巨頭紛紛踏上這條征程?而這一謎題的答案，需從汽車功率半導(dǎo)體的供需格局中去探尋。

       01車用功率半導(dǎo)體，量價齊升

       從需求端來看。當(dāng)前，汽車電氣化需求狂飆，推動各種DC-DC模塊、電機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、高壓電路等部件需求量急劇攀升，功率半導(dǎo)體作為電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心元器件，需求量也跟著水漲船高。

       根據(jù)Strategy Analytics數(shù)據(jù)，相較傳統(tǒng)燃油車，純電動車型中的功率半導(dǎo)體使用量大幅提升，目前占比已達(dá)最高，為55%;其次為MCU，達(dá)到11%;傳感器則占比7%。

       除了使用量大幅增長之外，新能源汽車的單車功率半導(dǎo)體價值量也在往上走。根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，目前新能源汽車的單車功率半導(dǎo)體價值量達(dá)458.7美元，約為傳統(tǒng)燃油車的5倍。受量價齊升帶動，汽車領(lǐng)域功率半導(dǎo)體市場份額逐年提高,目前占比已經(jīng)達(dá)到35%，金額約為160億美元。

       勢不可擋的電動化趨勢，量價齊升的需求空間，讓車規(guī)功率半導(dǎo)體如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和碳化硅(SiC)功率器件等產(chǎn)品的重要性愈發(fā)凸顯。不管是國內(nèi)還是國外，不論是半導(dǎo)體廠商還是車企，皆加快了對車用功率半導(dǎo)體的布局。

       02供應(yīng)端：明顯的供需失衡

從供應(yīng)端來看。當(dāng)前，上述多種功率半導(dǎo)體產(chǎn)品面臨供需失衡。首先從IGBT進(jìn)行分析，IGBT 缺貨問題此前就長期存在。

       2020年起，車規(guī)級芯片市場持續(xù)遭受產(chǎn)需錯配、消費電子需求擠占產(chǎn)能等不利因素，導(dǎo)致車規(guī)級芯片產(chǎn)能逐漸緊張，產(chǎn)品的平均交期也在不斷拉長，從6-9周直接延長至26周左右，這種狀況持續(xù)了3年;直到2023年隨著新建產(chǎn)能持續(xù)投入，平均周期得到了緩解，產(chǎn)能緊張的問題也有所改善，且到了2023年下半年，車規(guī)級芯片庫存開始偏高，出現(xiàn)了客戶對芯片采購訂單下單收緊的情形，但在需求結(jié)構(gòu)上，汽車缺芯情況已得到大幅緩解，然而MCU、IGBT依然處于供不應(yīng)求狀態(tài)。

       據(jù)悉，市場上現(xiàn)有車用IGBT產(chǎn)能已基本售罄，保供壓力較大，新擴(kuò)產(chǎn)訂單已被下游廠商提前鎖定。供需錯配是造成 IGBT 持續(xù)缺貨的重要原因，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)每年以 8% - 10% 的增速擴(kuò)張，而光伏、儲能和新能源汽車的增速遠(yuǎn)超于此，導(dǎo)致下游需求增速遠(yuǎn)超上游供給增速，造成整個市場 IGBT 供需緊張。此外，國際上游晶圓廠、封裝產(chǎn)能吃緊，大部分 6 英寸、8 英寸的晶圓廠由于成本效益問題，很少擴(kuò)大 IGBT 的產(chǎn)能。

       再看MOSFET，車規(guī)級MOSFET的生產(chǎn)也需要較高的技術(shù)水平和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，這限制了部分企業(yè)的生產(chǎn)能力。同時，由于技術(shù)門檻較高，新進(jìn)入者難以在短時間內(nèi)形成有效供應(yīng)。另外，部分海外廠商由于種種原因減少了對車規(guī)級MOSFET的生產(chǎn)，導(dǎo)致全球供應(yīng)量減少。這進(jìn)一步加劇了市場的供需矛盾。

       目前，一些領(lǐng)先的車規(guī)級MOSFET企業(yè)手握大量訂單，但由于生產(chǎn)能力和供應(yīng)鏈限制，難以滿足所有客戶的需求。這進(jìn)一步證明了市場的供需緊張狀況。

       最后看SiC功率器件，雖然各SiC功率器件廠商都在積極擴(kuò)產(chǎn)，但產(chǎn)能的增長仍難以滿足快速爆發(fā)的市場需求。預(yù)計 2025 年全球碳化硅襯底與晶圓的產(chǎn)能仍將出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，產(chǎn)能缺口較大。例如，根據(jù)相關(guān)預(yù)測，2025 年 6 英寸碳化硅晶圓需求在保守與樂觀情形下分別為 219 萬片和 437 萬片，而預(yù)計 2025 年全球晶圓產(chǎn)能為 242 萬片，其中中國 93 萬片，全球其他國家與地區(qū) 149 萬片，產(chǎn)能存在明顯不足。

       在一系列供需失衡的背景下，越來越多的功率半導(dǎo)體公司加入了這場競爭。

       03國際功率半導(dǎo)體龍頭，走在前列

       從當(dāng)前市場競爭格局來看，英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體等國際廠商處于前列。這些功率半導(dǎo)體大廠積極行動，在大方向上全力布局車用功率半導(dǎo)體，以契合汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展之勢。于小方向上，則專注于第三代半導(dǎo)體，憑借其出眾的性能優(yōu)勢，巧妙適應(yīng)汽車應(yīng)用場景。

       英飛凌

       英飛凌是目前市場上為數(shù)不多的可以提供全面功率產(chǎn)品組合的企業(yè)，涵蓋了幾乎所有功率器件產(chǎn)品制造能力——硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，功率等級從微安到兆瓦應(yīng)有盡有，包括高度可靠的IGBT、功率 MOSFET、氮化鎵增強型 HEMT、功率分立式元件、保護(hù)開關(guān)、硅驅(qū)動器、氮化鎵驅(qū)動器、IGBT 模塊、智能功率模塊(IPM)、線性調(diào)節(jié)器、電機控制解決方案、LED 驅(qū)動器以及各種交流-直流、直流-交流和數(shù)字功率轉(zhuǎn)換。

       根據(jù)TechInsights發(fā)布的數(shù)據(jù)，在2023年汽車半導(dǎo)體市場上，英飛凌以13.7%的市場份額穩(wěn)居全球第一。

       為應(yīng)對快速增長的汽車芯片需求，英飛凌在全球多地投資建廠、擴(kuò)充產(chǎn)能。比如 2023 年 5 月，其在德國德累斯頓計劃投資 50 億歐元的 12 英寸晶圓廠動工;2024 財年，計劃投資于馬來西亞居林基地的工廠，生產(chǎn)第三代半導(dǎo)體碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體，還將投資于德國建設(shè)工廠以生產(chǎn)模擬 / 混合信號元件和功率半導(dǎo)體。

       此外，英飛凌已與眾多汽車制造商達(dá)成合作協(xié)議。如 2023 年與現(xiàn)代起亞簽署多年期碳化硅和硅功率半導(dǎo)體供應(yīng)協(xié)議，將在 2030 年前向現(xiàn)代起亞供應(yīng)相關(guān)產(chǎn)品，現(xiàn)代起亞也會出資支持英飛凌的產(chǎn)能建設(shè)與儲備;2024 年宣布將為小米汽車的 SU7 智能電動汽車供應(yīng)碳化硅功率模塊及芯片產(chǎn)品至 2027 年，還為小米汽車供應(yīng)滿足不同需求的其它廣泛產(chǎn)品，如不同應(yīng)用中的 EiceDriver 柵極驅(qū)動器和 10 款以上的微控制器。

       安森美

       安森美在碳化硅領(lǐng)域投入大量資源并取得顯著成果。例如，其研發(fā)的碳化硅功率器件具備高效能、高溫穩(wěn)定性等優(yōu)勢，能有效提升電動汽車的續(xù)航里程和充電速度，降低能量損耗。

       為滿足汽車市場對功率半導(dǎo)體日益增長的需求，安森美積極擴(kuò)充產(chǎn)能。通過投資建設(shè)新的晶圓廠和封裝廠，以及對現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造，提高產(chǎn)能和生產(chǎn)效率。例如，2019 年安森美與格芯達(dá)成收購協(xié)議，收購后者位于美國紐約的 12 英寸晶圓代工廠，借此獲得 300mm 制程的晶圓制造能力，為其產(chǎn)能提升奠定了基礎(chǔ)。

       在與車企的合作方面，今年 4 月底安森美與中國吉利汽車集團(tuán)旗下的極氪汽車簽署 SiC 功率元件 LTSA。其 SiC 產(chǎn)品 EliteSiC 還通過元件及模塊的形式陸續(xù)拿到寶馬、現(xiàn)代、大眾等車企的 LTSA，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電動汽車的動力總成、車載充電系統(tǒng)等關(guān)鍵部位。 

       意法半導(dǎo)體

       意法半導(dǎo)體在 MOSFET 領(lǐng)域領(lǐng)先，且其 SiC 器件也在汽車市場中獲得一定份額。作為全球最大的車用SiC MOSFET供應(yīng)商，意法半導(dǎo)體目前正在持續(xù)擴(kuò)大SiC產(chǎn)能。今年6月初，意法半導(dǎo)體宣布將在意大利卡塔尼亞新建一座200mm(8英寸) SiC制造工廠，主要用于SiC功率器件和模塊的制造以及測試和封裝，預(yù)計2026年投產(chǎn)，到 2033 年達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)，滿負(fù)荷生產(chǎn)時每周可生產(chǎn)多達(dá) 15,000 片晶圓。預(yù)計總投資約為 50 億歐元。意大利政府將在“歐洲芯片法案”框架內(nèi)提供約 20 億歐元的支持。

       此外，意法半導(dǎo)體還與三安光電于2023年6月宣布，雙方擬投入32億美元在中國重慶共同建立一個新的8英寸碳化硅器件合資制造工廠。計劃于2025 年第四季度開始生產(chǎn)，預(yù)計將于 2028年全面落成，將采用意法半導(dǎo)體的碳化硅專利制造工藝技術(shù)，達(dá)產(chǎn)后可生產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓10000片/周。

       在客戶合作方面，截至2023年底，意法半導(dǎo)體約有160個design-win項目，分布在100多個客戶之中，其中包括了與全球眾多汽車廠商供應(yīng)協(xié)議(包括吉利、理想等中國車廠)以及與空中客車公司(Airbus)在飛機電氣化方面的合作。

       值得一提的是，2023年4月，意法半導(dǎo)體宣布與采埃孚科技集團(tuán)公司簽署碳化硅器件長期供應(yīng)協(xié)議。從 2025 年起，采埃孚將從意法半導(dǎo)體采購碳化硅器件。根據(jù)這份長期采購合同條款，意法半導(dǎo)體將為采埃孚供應(yīng)超過1,000萬個碳化硅器件。采埃孚計劃將這些器件集成到 2025 年量產(chǎn)的新型模塊化逆變器架構(gòu)中，利用意法半導(dǎo)體在歐洲和亞洲的碳化硅垂直整合生產(chǎn)線確保完成電驅(qū)動客戶訂單。

       04國產(chǎn)功率半導(dǎo)體公司，嶄露頭角

       近年來，隨著新能源汽車市場的快速增長，一些國產(chǎn)功率半導(dǎo)體廠商也開始在汽車功率半導(dǎo)體領(lǐng)域嶄露頭角。

       斯達(dá)半導(dǎo)：自主車規(guī)級IGBT芯片已大批量生產(chǎn)

       斯達(dá)半導(dǎo)在中國IGBT市場的市占率排名第一，其優(yōu)勢在于IGBT模塊，主要覆蓋新能源汽車和工控領(lǐng)域。2013年斯達(dá)半導(dǎo)開始專注新能源汽車IGBT模塊的研發(fā)，目前其IGBT電壓等級涵蓋范圍為100V～3300V，率先實現(xiàn)第七代IGBT產(chǎn)品的研發(fā)。

       關(guān)于上車情況，斯達(dá)半導(dǎo)與國內(nèi)大部分主流車企已取得合作關(guān)系，當(dāng)前客戶包括比亞迪、廣汽、長安、奇瑞、北汽等。根據(jù)斯達(dá)半導(dǎo)2023年年報顯示，全年IGBT模塊的銷售收入占斯達(dá)半導(dǎo)體主營業(yè)務(wù)收入的91.55%，是其主要產(chǎn)品。去年全年，斯達(dá)半導(dǎo)體生產(chǎn)的應(yīng)用于主電機控制器的車規(guī)級IGBT模塊持續(xù)放量，合計配套超過200萬套新能源汽車主電機控制器，其在車用空調(diào)、充電樁、電子助力轉(zhuǎn)向等新能源汽車半導(dǎo)體器件份額進(jìn)一步提高。

       2023年，斯達(dá)半導(dǎo)體基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術(shù)的750V車規(guī)級IGBT模塊大批量裝車，同時，其基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術(shù)的1200V車規(guī)級IGBT模塊新增多個800V系統(tǒng)車型的主電機控制器項目定點，將推動2024年-2030年斯達(dá)半導(dǎo)體新能源汽車IGBT模塊銷售增長。

       此外，去年斯達(dá)半導(dǎo)海外新能源汽車市場取得重要進(jìn)展，車規(guī)級IGBT模塊在歐洲一線品牌Tier1開始大批量交付，同時斯達(dá)半導(dǎo)體新增多個IGBT/SiC MOSFET主電機控制器項目定點，海外新能源汽車市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。

       近日，斯達(dá)半導(dǎo)在回答投資者問題時表示，目前，公司自主的車規(guī)級IGBT芯片已經(jīng)大批量生產(chǎn)并且在新能源汽車行業(yè)大批量應(yīng)用多年，目前幾乎100%的車規(guī)級IGBT模塊使用公司自主的車規(guī)級IGBT芯片，終端客戶涵蓋了國內(nèi)大部分新能源汽車品牌。2023年，公司使用自主IGBT芯片的車規(guī)級IGBT模塊在歐洲一線品牌Tier1客戶開始大批量交付。

       時代電氣：新能源汽車是去年中低壓IGBT產(chǎn)品主要收入來源時代電氣的IGBT布局比較特殊，其IGBT器件在城市軌道交通、高速鐵路以及電力機車方面具有廣泛應(yīng)用。時代電氣的IGBT模塊在市場中位居第二位，僅次于斯達(dá)半導(dǎo)。其IGBT產(chǎn)品已實現(xiàn)750V—6500V全電壓覆蓋，在國內(nèi)IGBT供應(yīng)商中電壓覆蓋范圍最廣，也是國內(nèi)唯一實現(xiàn)3300V以上軌交、電網(wǎng)等高壓領(lǐng)域覆蓋的公司。目前，時代電氣第七代IGBT技術(shù)已研發(fā)成功。

       時代電氣主供中車旗下商用車，目前已大批量供貨廣汽、東風(fēng)、小鵬、理想等客戶。去年10月30日，時代電氣發(fā)布的投資者關(guān)系活動記錄表顯示，在問到車規(guī)IGBT模塊的四季度和明年價格走勢時，時代電氣表示2022年車規(guī)IGBT模塊大概供100萬個模塊，約70萬臺車，截至2023年三季度，已經(jīng)完成了去年全年的量。全年希望可以做到100萬臺車。 全年來看，去年時代電氣中低壓IGBT產(chǎn)品實現(xiàn)營業(yè)收入超過26億元，主要集中在新能源車主驅(qū)用IGBT和新能源發(fā)電設(shè)備用IGBT產(chǎn)品上。

       士蘭微：汽車IGBT器件、MOSFET器件已大批量出貨

       士蘭微的產(chǎn)品以IGBT單管和IPM模塊為主，在白電和工控領(lǐng)域具備顯著市場地位。上半年業(yè)績報告顯示，士蘭微基于自主研發(fā)的V代IGBT和FRD芯片的電動汽車主電機驅(qū)動模塊，已在比亞迪、吉利、零跑、廣汽、匯川、東風(fēng)、長安等國內(nèi)外多家客戶實現(xiàn)批量供貨;公司用于汽車的IGBT器件、MOSFET器件已實現(xiàn)大批量出貨，公司用于光伏的IGBT器件(成品)、逆變控制模塊、SiC MOS器件也實現(xiàn)批量出貨。同時，公司應(yīng)用于汽車主驅(qū)的IGBT和FRD芯片已在國內(nèi)外多家模塊封裝廠批量銷售，并在進(jìn)一步拓展客戶和持續(xù)放量過程中。

       此外，揚杰科技、新潔能、華潤微、宏微科技、比亞迪半導(dǎo)體、華微電子等公司均在持續(xù)加速車規(guī)級芯片國產(chǎn)化。揚杰科技的新能源汽車行業(yè)客戶有寧德時代、賽力斯、比亞迪等。新潔能的汽車電子客戶有比亞迪、理想、蔚來、小鵬等。華潤微的IGBT產(chǎn)品已經(jīng)成功進(jìn)入了比亞迪、長城、吉利等知名車企。宏微科技正在和一汽、北汽、長城等廠商進(jìn)行定點項目認(rèn)證工作;比亞迪半導(dǎo)體所產(chǎn)出的 IGBT 模塊，出貨量規(guī)模龐大，而這些出貨的模塊主要是供其自身使用。今年3月，華微電子還獲得國際公認(rèn)測試、檢驗和認(rèn)證機構(gòu)SGS頒發(fā)的AEC-Q101認(rèn)證證書。

       車規(guī)SiC MOSFET產(chǎn)品大放異彩

       SiC MOSFET是近年來MOSFET行業(yè)進(jìn)行技術(shù)迭代的主要方向，相較于其他可用技術(shù)，碳化硅MOSFET表現(xiàn)出顯著的性能提升，為眾多電子應(yīng)用帶來了新的可能性。

       中國雖然起步較晚，但正在加速發(fā)展，2023年國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)走出國際大門。這一年，碳化硅襯底技術(shù)取得了重大突破，8英寸襯底的研發(fā)進(jìn)展迅速，國內(nèi)碳化硅領(lǐng)軍企業(yè)如三安、天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等，成功獲得了海外芯片巨頭的認(rèn)可，并與其合作。

       此外，眾多廠商還宣布入局或是推出車規(guī)級SiC MOSFET產(chǎn)品，尋求打進(jìn)汽車供應(yīng)鏈。

       去年斯達(dá)半導(dǎo)體應(yīng)用于新能源汽車主控制器的車規(guī)級SiC MOSFET模塊大批量裝車應(yīng)用，同時新增多個使用車規(guī)級SiC MOSFET模塊的800V系統(tǒng)主電機控制器項目定點，將推動其2024-2030年主控制器用車規(guī)級SiC MOSFET模塊銷售增長。2023年，斯達(dá)半導(dǎo)體自主的車規(guī)級SiC MOSFET芯片在公司多個車用功率模塊封裝平臺通過多家客戶整車驗證并開始批量出貨。

       值得一提的是，2023年，斯達(dá)半導(dǎo)體和深藍(lán)汽車合資成立重慶安達(dá)半導(dǎo)體有限公司，研發(fā)生產(chǎn)高性能、高可靠性的車規(guī)級IGBT模塊和車規(guī)級SiC MOSFET模塊，預(yù)計2024年完成廠房建設(shè)并開始生產(chǎn)。

       在SiC方面，時代電氣也同樣有所布局，它有6英寸碳化硅產(chǎn)業(yè)化工廠，并開發(fā)了三代產(chǎn)品，分別對應(yīng)1200V-3300V等級的軌交、電網(wǎng)市場，以及650V-1200V的新能源汽車、光伏逆變器、風(fēng)力發(fā)電等市場。

       士蘭微的發(fā)展重心也開始有傾向IGBT、SiC這兩大功率器件的跡象，它正在加快汽車級IGBT芯片、SiC MOSFET芯片的產(chǎn)能建設(shè)。士蘭微通過士蘭明鎵對SiC進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，截至目前，士蘭明鎵已形成月產(chǎn)6000片6英寸SiC MOS芯片的生產(chǎn)能力，預(yù)計2024年年底將形成月產(chǎn)12000片6英寸SiC MOS芯片的生產(chǎn)能力。

        此外，還有諸多公司在2023年推出車規(guī)SiC MOSFET產(chǎn)品。

        2023年，800V車型開始下沉到20萬元市場，SiC模塊的滲透率迎來大幅增長，這也使得市場上對車規(guī)SiC MOSFET需求量高速膨脹，同時以往海外巨頭壟斷的車規(guī)SiC MOSFET市場，也開始有越來越多的Tier 1和整車廠接受國產(chǎn)車規(guī)SiC MOSFET產(chǎn)品，給國產(chǎn)SiC器件廠商帶來了新的機遇。

       與此同時，車規(guī)級功率半導(dǎo)體也成為了車企重點布局和投資的熱門領(lǐng)域之一。車載芯片種類多、型號多、持續(xù)“缺芯”和車廠重要控制器自研，使得車廠開始建立控制器硬件設(shè)計和供應(yīng)鏈部門。車廠將直接參與芯片選型，直接建立與芯片廠家溝通渠道，打破原有供應(yīng)鏈的合作模式。車廠和 Tier1 都在開始往半導(dǎo)體設(shè)計和制造領(lǐng)域下沉，通過投資或與芯片企業(yè)成立合資的形式進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)。他們主要聚焦重要、價值高的車規(guī)級芯片并進(jìn)行布局，與芯片企業(yè)共同合作開發(fā)。上文提到的比亞迪便是車企布局功率半導(dǎo)體的先行者，除比亞迪外，吉利、長城、奇瑞等諸多車企均進(jìn)行了相關(guān)布局。