本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓，头图来自：视觉中国
券商和基金最看好哪个半导体投资版块？一定是功率半导体[1]。今年年初，英飞凌、意法半导体、恩智浦等国际半导体大厂均对今年功率半导体有着高景气的预期，2022年全年产能已全部排满。[2]
任何电能转换过程都需要功率半导体，没有它，几乎一切现代电子产品都将无法工作。但它并不像提供各种算力的CPU、GPU、FPGA、ASIC广受关注，往往只是作为配角出现[3]。这一领域技术迭代迅速，竞争激烈。
本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第六篇文章，关注功率半导体国产替代。在本文中，你将了解到：功率半导体分类，功率半导体技术细节，功率半导体发展历史，功率半导体市场，国产功率半导体的布局情况。
一、半导体产业链中重要一环
功率半导体器件（Power Electronic Device）又被称为电力电子器件或功率电子器件，是实现电能变换或控制的电子器件。
具体功能包括变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，也与节能息息相关。[4]
按功率处理能力，功率半导体分为低压小功率半导体器件、中功率半导体器件、大功率半导体器件和高压特大功率半导体器件[5]，按照不同等级功率半导体器件广泛应用在计算机、家电、消费电子、汽车电子、工业控制、新能源、轨道交通、电力设施（发电、变电、送电）等方面。[6]
随着电动汽车的推广普及、绿色能源的使用以及地铁、动车等现代交通工具的建设，市场对高性能功率半导体器件的开发需求愈发强烈。产品包括功率半导体防护器件、高端功率半导体整流器件、光电混合集成电路、新型电力半导体器件等广泛应用于消费电子、工业制造、电力输配、新能源等重点领域。[7]
![功率半导体主要应用领域，图源丨长江证券研究所<sup label=图片备注 class=text-img-note>[8]</sup><br>](https://i.aiapi.me/h/2022/05/09/May_09_2022_03_47_54_39066645302781271.png)
功率半导体器件通常有三类产品形式：功率半导体分立器件（Power Discrete）、功率模块（Power Module，业界也将这一部分与分立器件合称为功率器件）、功率半导体集成电路（Power Integrated Circuit，即功率IC）。
用两个公式来解释这些产品形式便是：
充电头=功率IC+功率器件（功率半导体分立器件/功率模块）+其他
功率IC=功率器件（功率半导体分立器件/功率模块）+其他
功率半导体分立器件
是构成功率半导体集成电路和智能功率模块的基础器件，是具有单一功能的电路基本元件，并且其本身在功能上不能再拆分的半导体器件。[9]
分立器件加工工艺包括光刻、刻蚀、离子注入、扩散退火、成膜等流程，经过加工在半导体材料上形成PN结，不同结构和掺杂浓度PN结进行组合都会影响分立器件的参数特性。
分立器件包括二极管、晶闸管、晶体管三类器件，其中晶体管分为双极性结型晶体管（BJT，常称为晶体三极管）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
不可控指导通和关断都不可由控制信号控制，半控指可以控制导通但不可控制关断，全控指导通和关断都可控制。
电源电路常用的功率半导体分立器件大致有三种：功率MOSFET、超结（SJ : super junction）构造的功率MOSFET以及IGBT。[10]
功率模块
是一种混合集成电路，由多个分立器件按一定功能组合模块化封装而成，如IGBT模块。功率模块已经历三次迭代发展，目前的产品已采用更先进的IC驱动、封装技术以及更多的保护技术。[11]
功率IC
指将在分立器件或功率模块制造工艺基础上，通过复杂的隔离与互连工艺将各种器件（如二极管、三极管和场效应晶体管等）集成在一个半导体芯片上形成的复杂电路。功率IC是模拟IC的一个子赛道。
用于制备功率集成电路的制造技术称之为功率集成技术，功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性。[12]
功率IC包括线性稳压器、开关稳压器、开关IC、电压基准、功率管理IC五个大类。这些IC能够实现将电池或电源提供的固定电压升压、降压、稳压或电压反向处理，负责设备电能的变换、分配和检测。
资料来源丨公开资料
虽然不同类型器件在功能、性能、成本等方面差异巨大，对比形式均有所不同，但一般都会使用功率密度（每单位体积功率）和功耗衡量器件性能，同时还会关注工作电压、电流密度、反向恢复时间、最高结温、通态电阻、反向漏电流、静态电流、总栅电荷等具体参数。
二、芯片发展的尽头是材料
在时代冲刷下，许多功率半导体产品都逐渐淘汰，只有综合评估表现良好的器件成为了市场最终的宠儿。纵观这一历史，发展呈现两种趋势：一种是向实现更高的电压和更低的损耗方向发展，即在分立器件上进化；另一种是向小型复合化、高集成、高密度发展，即模块化和集成电路化，但这也要仰赖构成模块或电路的“基础单位”分立器件[6]。因此，一切都指向了分立器件。
一开始，功率半导体分立器件是从结构上进化的：第一阶段以二极管为代表，第二阶段出现以晶闸管为代表的半控型器件，第三阶段诞生了以MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为代表的全控型器件。
而后，器件结构已基本明朗，大多情况下都是围绕这几种结构进行优化改良。虽然制程也会影响功率半导体的性能，但它属于特色工艺（More than Moore）范畴。与逻辑电路和存储芯片相反，工艺节点的进步并不能直接为分立器件、模拟电路等带来效率显著提升和成本显著下降[13]，而是需要通过器件结构、加工工艺、应用环境提升器件价值和性能。[14]
相比动辄使用7nm、5nm等先进制程的逻辑IC，功率半导体分立器件及功率IC技术实现难度会低很多。目前国际意法半导体（ST）最先进的BCD工艺也只到65nm，国内士兰微总投资170亿元建设的两条12英寸90~65nm特色工艺芯片生产线便已处于先进水平，许多器件只需要0.15~0.35μm的工艺即可满足性能要求。[15]
图注丨DAO即Discrete、 Analog、Optoelectronics，代表分立、模拟及光电/传感器
当然，虽然造出功率半导体相对简单，但并不是说它毫无技术含量，这种情况下反而对技术优化、集成调整及功能等要求更高。
因此，在器件改良以外，业界瞄向了器件的根本——材料。改变材料能够显著提升全性能指标，其中宽禁带半导体材料是非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成器件的材料。禁带宽度是半导体材料一个重要特性参数，参数越大意味着电子跃迁到导带所需能量越大，材料能承受的温度和电压也会越高。[16]
参考资料丨《机车电传动》[17]、公开资料
根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分为窄禁带和宽禁带两种，2.3eV带隙宽度是区分宽窄的重要指标。窄带隙半导体代表性材料有第一代半导体材料Si（硅）、Ge（锗）和第二代半导体材料GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟），大于或等于2.3eV的宽带隙半导体代表性材料有第三代半导体材料GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）[18]和研究中的第四代半导体材料氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）等。
需强调的是，新生的半导体材料在现阶段不会完全取代之前代际的材料，均是对硅材料的一种重要补充。[19]
资料来源丨《硅酸盐学报》[20]、集微网、公开资料
SiC和GaN是宽禁带半导体材料发展比较成熟的材料，自2001年以来，SiC二极管、SiC-BJT、SiC-MOSFET及GaN-HEMT等宽禁带的第三代半导体产品相继开发成功并量产[21]。但彼时使用新材料的性价比较低，在长达十余年里一直被冠以价格高昂的帽子，而后经过多年研发，器件成本逐渐下降、晶圆产能逐渐丰富，两种材料在TCO（总拥有成本）上优势逐渐凸显，这一赛道开始爆发，前景广阔。
GaN和SiC瞄准的领域各有不同，业界的普遍认为GaN功率半导体瞄准的耐压区域比SiC功率半导体低几十伏至六百伏[10]，目前来说GaN主要应用在通信射频、电力电子、LED三大场景，SiC主要应用在电力电子和通信射频两大领域。[22]
SiC和GaN是功率半导体行业的“福音”，几乎所有巨头都会掺上一脚。德州仪器（TI）向笔者解释，相比传统的硅器件，宽禁带器件无疑是实现更高效率和更高功率密度方案的重要选择，作为全球领先的半导体公司也从2010年开始布局。
三、国产都有，但难以追赶
和计算芯片类似，功率半导体企业的经营模式也分为两种：
IDM模式（Integrated Device Manufacture），即一体化模式，通过产业链的延伸与上下游整合，一家公司扛起造芯片的所有步骤；
Fabless模式（特指垂直分工模式中设计一环），即企业自身没有晶圆生产线，仅进行芯片设计，最终生产通过定制化采购和代工完成。
由于功率半导体不依赖先进制程，更侧重于打造特色平台，并在工艺上精益求精，因此决定了功率半导体厂商在建厂和购买设备上投入相对小，因此从国际到国内大部分公司为IDM模式。目前全球功率半导体公司分为三个梯队，第一梯队为国际领先的大型半导体公司，第二梯队为国内技术突破公司，第三梯队为一些分立器件封装企业。[23]
功率半导体拥有技术密集型属性，对芯片设计、工艺流片、封装测试、可靠性测试等环节衔接及质量要求高，且研发周期长、研发投入大，从设计至规模化投放往往需要两年以上。与此同时，对技术储备和人才储备要求高。为推出比国内外竞品更先进、更具竞争力的技术和产品，要精准把握行业发展趋势，同时还要承担产品升级迭代失败的风险。[24]
相对来说，功率半导体是能滚雪球的赛道，持续精进便可占据一席之地[25]。据半导体风向标分析，功率半导体行业波动符合大宗商品走势规律，4~5年的行业波动非常吻合半导体周期规律，产品与全球GDP走势密切相关。[26]
现在，全世界很多半导体企业都在斥巨资研发和生产功率半导体。国际上德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）、英飞凌（Infineon）、意法半导体（ST）、东芝（Toshiba）、瑞萨电子（Renesas）、罗姆（Rohm）等企业都在为夺取功率半导体的市场霸权而卯足了劲。
从数据来看，功率半导体市场增速也较为可观。Mordor Intelligence数据显示，2020年全球功率半导体市场规模为379.0亿美元，预计到 2026年全球功率半导体市场规模将达到460.2亿美元，年复合增长率为3.17%。[27]
功率半导体细分市场包括功率器件（即分立器件和功率模块）和功率IC两方面，有些公司会全部包揽，有些公司会专注集成度更高的功率IC。
1. 功率器件市场
当前功率器件市场仍由分立器件主导，但未来几年功率模块份额将显著增加。到2026年，电动汽车、工业电机和家用电器将推动功率模块市场达到近100亿美元。分立式功率器件主要用于低功率应用，如低功率电机驱动器、光伏微型逆变器和住宅组串式光伏逆变器、汽车辅助系统、DC/DC转换器和车载充电器等，高功率应用将更多使用功率模块，但高效率要求使对组件和技术的需求更加多样化。[28]
Yole指出，功率器件中MOSFET、IGBT及SiC技术是至关重要的三个领域。IGBT和SiC功率模块主要用于电动汽车、风力涡轮机、光伏、储能和电动汽车直流充电器等应用，主要由高系统功率趋势驱动。整体来看，目前硅基功率器件仍会占据整个功率半导体市场的半壁江山，但随着需求量提升，宽禁带器件在未来会有长足的增长。
相较国际，国内功率半导体起步较晚，主要通过引进技术后逐步创新，提升国产化。目前，国内功率半导体行业取得了很大的发展，但在高端器件设计和制造方面与国际领先产品存在差距。
二级市场方面，功率半导体概念股已形成规模，企业数量较多，其中多数为IDM模式。在产品方面，大多企业既生产功率半导体分立器件也生产功率模块，一些企业也会生产功率IC。除此之外，布局第三代半导体材料功率半导体已成为二级市场共识。
再纵观2022年Q1融资情况，百亿美元市场吸引了不少新晋玩家。不过这些企业只有少数选择了传统的硅基功率器件领域，基本一致看好SiC、GaN赛道，且大部分处于A轮融资阶段。
硅基功率MOSFET和IGBT器件领域，国内与国际先进水平差距明显：MOSFET器件，以平面工艺的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率器件，国际上热门超结器件在国内尚处于研发阶段，芯片产业化以中小功率（100~500V/≤30A）为主，批量生产单管已在消费电子领域得到广泛应用，600V~900V的芯片正在开发中；IGBT器件，模块封装技术有所提升，国产芯片的600V、1200V、1700V/200A~2000A的IGBT模块已投入使用，3300V、4500V、6500V/600A~1500A的IGBT模块进入中试阶段，有少量样品正在试用。[29]
SiC和GaN宽禁带功率器件方面与国际先进国家相比，研发基础较为薄弱，产业化还处于初始阶段，但在衬底、外延片、器件/模块上均有相关企业布局。
![SiC产业链重点企业，图源丨天风证券<sup label=图片备注 class=text-img-note>[30]</sup>](https://i.aiapi.me/h/2022/05/09/May_09_2022_03_48_25_39066675458884176.png)
![GaN产业链重点企业，图源丨天风证券<sup label=图片备注 class=text-img-note>[30]</sup><br>](https://i.aiapi.me/h/2022/05/09/May_09_2022_03_48_25_39066675920732088.png)
据CASA（第三代半导体产业技术创新战略联盟）数据，2020年国内功率器件市场规模约为3002.6亿元，SiC、GaN 电力电子器件市场规模约为46.8亿元，SiC、GaN 电力电子渗透率约为1.56%，至2025年，SiC、GaN电力电子器件应用市场将以45%的年复合增长率增长至近 300 亿元。[31]
2. 功率IC市场
功率IC方面，入门门槛不算高，但对企业的持续研发能力要求高。据与非研究院统计，功率IC在全球功率半导体消费中占比超过50%，2021年全球功率IC市场规模为305亿美元，预计2022年将保持稳定，而国内功率IC厂商约为160家。[32]
另据芯谋研究数据，2021年中国功率IC大部分公司营收大幅增长，部分公司营收增长100%以上，矽力杰、晶丰明源、士兰微、富满微电子、圣邦微电子、上海南芯、明微电子、上海贝岭、艾为电子、必易微电子的2021年功率IC营收排名国内前十。[33]
总结来说，国产在功率半导体市场一直都有平替产品，但相比国外仍有差距，在地缘政治摩擦频发和功率半导体相关背景条件下，国产替代正在加速。由于SiC和GaN整体成本仍然比硅基功率半导体上有差距，MOSFET、IGBT分立器件和模组仍然会是3~5年内的主流和增长亮点，不过在5G、新能源、智能化汽车拉动下，SiC和GaN市场前景极佳。
References：
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[2] 每财网：涨价！功率半导体烈火烹油！| 行业纵览.2022.4.14.https://mp.weixin.qq.com/s/bB8Y2vKKIUVk8Gpe-XSeLA
[3] 01芯闻：功率半导体高估值哪里来？碳化硅、氮化镓和无晶圆模式也许是答案.2021.11.15.https://mp.weixin.qq.com/s/zhTXHSWTEJlrCOw9K-ooDw
[4] Fuji Electric：什么是功率半导体？.https://www.fujielectric.com/products/semiconductor/cn/about/index.html
[5] AI电堂：科普｜功率半导体分立器件基础知识了解一下？.2021.11.9.https://mp.weixin.qq.com/s/MyC4N5gtldyXtqZe2VajGw
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[9] 前瞻经济学人：预见2022：《2022年中国半导体分立器件制造行业全景图谱》(附市场供需、竞争格局和发展前景等).2021.10.5.https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/210930-e480beb9.html
[10] Rohm：NE手册系列 功率半导体.https://fscdn.rohm.com/cn/products/databook/catalog/common/handbook_power_device-c.pdf
[11] 新思界网:【洞察】智能功率模块（IPM）市场规模超20亿元 需求前景广阔.2021.6.11.https://mp.weixin.qq.com/s/aLIWQq3JJWe9R56vjY8mMg
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本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓