4月24日，東芝電子元器件及存儲裝置株式會社宣布，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體制造工廠的奠基儀式。該工廠是其主要的分立半導體生產基地。施工將分兩個階段進行，第一階段的生產計劃在2024財年內開始。東芝還將在新工廠附近建造一座辦公樓，以應對人員的增加。
此外，今年2月下旬，日經亞洲報道，東芝計劃到2024年將碳化硅功率半導體的產量增加3倍以上，到2026年增加10倍。而據日媒3月16日最新消息，東芝又宣布要增加SiC外延片生產環(huán)節(jié)，布局完成后將形成：外延設備+外延片+器件的垂直整合模式。
除了東芝，國內外代表企業(yè)如英飛凌、安世半導體等也在通過適時的投資和研發(fā)來擴大其功率半導體業(yè)務并提高競爭力，功率半導體市場在今年步入放量之年。
功率半導體品類多，MOSFET和IGBT為主流
公開資料顯示，功率半導體器件又被稱為電力電子器件，是電力電子技術的基礎，也是構成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件各代產品特點及市場狀況如下圖所示：
資料來源：新潔能財報截圖
功率器件發(fā)展至今，按照類別的不同，功率半導體逐漸形成了功率IC和功率器件兩大類。其中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開關器件，具有易于驅動、開關速度快、損耗低等特點，逐漸成為功率器件的主流產品，目前二者合計市場占比約七成。
從全球功率半導體下游應用分布來看，業(yè)界指出，汽車、工業(yè)和消費電子為主要的需求來源，三者連續(xù)多年合計占比在75%以上。
以下主要簡單解析IGBT、MOSFET的發(fā)展情況，以及SiC加持下帶來的變局。
供不應求，國產IGBT市場黃金期到來
2022年中國IGBT產業(yè)進入爆發(fā)期，在經歷了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，成為影響汽車擴產的最大掣肘。
此后隨著新能源汽車的發(fā)展，IGBT成為產業(yè)發(fā)展焦點。中國汽車工業(yè)協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2022年中國新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長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，需求量有增無減。今年IGBT芯片廠商英飛凌、意法半導體、安森美等交期不斷拉長。業(yè)界2月預計，ST（意法半導體）、Microsemi（美高森美）、Infineon（英飛凌）、IXYS（艾賽斯）、Fairchild（仙童半導體）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，最長為54周。
具體來看，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，這5大品牌的貨期趨勢和價格趨勢都呈穩(wěn)定狀態(tài)，沒有上升的趨勢。
海外歐美電動車市場正處于高速增長期，在英飛凌、意法半導體、安森美等大廠優(yōu)先保障本土供應情況下，國產IGBT廠商在車載IGBT領域的替代進程加速。
我國許多代表企業(yè)不斷加強IGBT技術研發(fā)，如2022年上半年，斯達半導公司基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術研發(fā)出的新一代車規(guī)級650V/750V IGBT芯片通過客戶驗證，在2022年下半年開始批量供貨；士蘭微則在2022年順應新能源發(fā)展潮流，通過定增融資切入車規(guī)級IGBT模塊以及SiC MOSFET領域，其推出的車規(guī)級IGBT等產品已經通過驗證，并已批量交貨上車。
公開資料顯示，自2021年底起，時代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠商的IGBT產能相繼開出，企業(yè)營收也在攀升。同時，結合我國已經公布2022年財報的各大企業(yè)數據看，營收超過百億的功率器件企業(yè)有時代電氣（180.34億元）和華潤微（100.60億元）。以凈利潤來看，華潤微、時代電氣超過20億元。其中值得關注的是，在功率器件行業(yè)，多家企業(yè)雖然營收較為靠后，但是凈利卻排名較高，比如揚杰科技、斯達半導、捷捷微電、新潔能、芯導科技等，這些功率器件企業(yè)表現(xiàn)更強的盈利能力。
MOSFET營收大幅增長，盈利值得期待
MOSFET器件具有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點，廣泛應用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應用最多的功率器件之一。
隨著汽車電動化開啟，中高壓MOEFET開始廣泛應用于汽車的DC-DC、OBC等中壓電動部分以協(xié)助完成電能的轉換與傳輸，單車平均用量提升至200個以上；此外，隨著汽車智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂等功能均需使用MOSFET，根據英飛凌數據，未來中高端車型中MOSFET單車用量將有望增至400個。
新能源汽車加速邁進，同時，以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓MOSFET部分市場，在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅動下，國產車規(guī)級功率器件廠商開始加速進入汽車供應鏈。
從市場情況看，目前士蘭微、安世半導體在全球MOSFET市場份額上不斷擴大。此外，華潤微、揚杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導、捷捷微電等國內廠商近年來也在車規(guī)級MOSFET領域持續(xù)發(fā)展。
具體來看，以士蘭微、華潤微、揚杰科技為代表的IDM公司已覆蓋高壓超結產品，并逐步擴大產品占有率：士蘭微已完成12英寸高壓超結MOS工藝平臺開發(fā)；華潤微2022年Q1高壓超結產品收入超億元；揚杰科技2022年Q1汽車MOS訂單實現(xiàn)大幅增長。
SiC加碼，IGBT、MOSFET市場迎變局
當下功率半導體市場中IGBT和MOSFET仍然占據主流，后來者SiC相比Si基產品，具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高熱導率三個最顯著特征，基于其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑖鴥韧庵T多廠商近年來爭布局SiC產業(yè)鏈。
TrendForce集邦咨詢在最新發(fā)布的調研報告中預測，隨著安森美、英飛凌等與汽車、能源企業(yè)合作項目的不斷增多，碳化硅功率器件的前兩大應用為新能源汽車與再生能源領域，分別在2022年已達到10.9億美元及2.1億美元，占碳化硅功率器件整體市場產值約67.4%和13.1%。到2023年，碳化硅功率器件整體市場產值將達到22.8億美元，年增長41.4%。
TrendForce集邦咨詢預測，至2026年，碳化硅功率器件市場產值可望達到53.3億美元。主流應用仍倚重電動汽車及再生能源，電動汽車產值可達39.8億美元，年復合增長率約38%；再生能源達4.1億美元，年復合增長率約19%。
隨著SiC的高速發(fā)展，關于“SiC替代IGBT”的論斷不斷。筆者認為，替代是一種趨勢，但無論是從使用場景還是成本價格方面看，SiC可能不會完全替代IGBT，未來兩者有望共同發(fā)展。
根據市場使用情況看，SiC非常適合高頻、高壓等應用場景，在600–1,700V范圍應用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢，尤其是新能源汽車領域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經達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晶體管的劣勢在于，其價格相對較高，SiC生產過程也更加復雜。
從碳化硅生產步驟看，其材料合成、生成籽晶步驟技術均相對成熟，問題主要出現(xiàn)在晶體生長上和切割上。SiC晶體生長的速度緩慢，生長速率為0.2-1mm/小時，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，因此切割過程耗時久，易裂片。一般而言，硅片的切割只需要幾個小時，而SiC則需要數百小時。
碳化硅總體生產的成本對比Si均較高，SiC晶體管也存在一些缺點，比如容易受到損壞、溫度敏感等問題。綜合這些特點來看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應用場景。
而對比SiC，IGBT顯而易見的優(yōu)勢便是成本低，畢竟成本決定著市場。與此同時，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因為IGBT的結構相對簡單，故障率較低。同時，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過壓能力，適用于大功率、大電流的應用場景。譬如在DC-DC這種對環(huán)境要求不是很高、對重量和空間要求也不高的充電樁領域，想要替代成本最具優(yōu)勢的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，在下一代電動汽車平臺縮減75% SiC用量，這是特斯拉提供的關于新車計劃的少數硬性細節(jié)之一，由此引發(fā)了業(yè)界的各種猜測。
據TrendForce集邦咨詢了解，SiC可靠性以及供應鏈的穩(wěn)定性確實令特斯拉信心不足，過去幾年中曾因此出現(xiàn)過Model 3批量召回事件，當時特斯拉官網解釋為“后電機逆變器功率半導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間后元件制造差異可能會導致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏鳌?，這直接指向SiC。
此外，以襯底材料為關鍵的產能緊缺情況已成為困擾整個SiC產業(yè)發(fā)展的難題，Wolfspeed、Infineon、ST等主要廠商正在大舉擴充產能，特斯拉亦在尋求多元化供應商方案，以防備供應鏈風險。
不可否認的是，SiC仍是電動汽車制造商未來必須考慮的核心零部件，這包括特斯拉。因此，若考量到技術變革所帶來的影響，TrendForce集邦咨詢認為特斯拉下一代電動汽車主逆變器將做出全新的封裝調整，可能包括SiC/ Si IGBT的混合封裝方案，這是工程設計層面的顛覆性創(chuàng)新，但充滿挑戰(zhàn)。（文：全球半導體觀察）
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