汽车功率半导体市场研究报告:这几大赛道值得关主

茹影 2021-07-14 15:10:53

1.为什么要关注汽车功率半导体?


1.1从传统燃油车到智能电动车,核心零部件出现巨大变化

汽车功率半导体市场研究报告:这几大赛道值得关主

电动车以驱动电机、动力电池、电控取代了传统汽油车“三大件”(发动机、变速箱和底盘),功率半导体成重要增量。


1.2功率器件是电能转换与电路控制的核心


功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电压和频率。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等,同时具有节能功效。功率半导体器件广泛应用于移动通讯、消费电子、新能源汽车、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域,涵盖低、中、高各个功率层级。

汽车功率半导体市场研究报告:这几大赛道值得关主

2.当前关注的重点细分赛道是?


2.1 IGBT是功率器件最具发展前景的细分赛道


IGBT是功率半导体器件的一种:用于交流电和直流电的转换、变频,相当于电力电子领域的“CPU”,也是新能源应用的心脏,属于功率器件领域门槛相对较高的赛道。


IGBT属于双极型、硅基功率半导体,具有耐高压特性。融合了BJT(Bipolar junction transistor,双极型三极管)和MOSFET的性能优势,结构为MOSFET+一个BJT,高耐压为其优势,自落地以来在工业领域逐步替代MOSFET和BJT,目前广泛应用于650-6500V的中高压领域,属于Si基功率器件领域最具发展前景的赛道。

汽车功率半导体市场研究报告:这几大赛道值得关主

2.2 IGBT属于功率器件领域壁垒相对较高的细分赛道


IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节,其中设计环节技术突破难度略高于其他功率器件,制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发,封装环节对产品可靠性要求高,应用环节客户验证周期长,综合看IGBT属于壁垒较高的细分赛道。


2.2.1芯片设计:


已迭代7代,核心是高功率密度和高稳定性。IGBT芯片由于其工作在大电流、高电压的环境下,对可靠性要求较高,同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于均衡状态,芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂,因而对于新进入者而言研发门槛较高(看重研发团队的设计经验)。


应用端迭代慢于研发端。IGBT应用端迭代节奏慢于研发端,目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。由于IGBT属于电力电子领域的核心元器件,客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期,且并非所有应用场景都追求极致性能,因此每一代IGBT芯片都拥有较长的生命周期。


2.2.2晶圆制造:


IGBT制造的三大难点:背板减薄、激光退火、离子注入。IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大,但背面工艺要求严苛(为了实现大功率化)。具体来说,背面工艺是在基于已完成正面Device和金属Al层的基础上,将硅片通过机械减薄或特殊减薄工艺(如Taiko、Temporary Bonding技术)进行减薄处理,然后对减薄硅片进行背面离子注入,在此过程中还引入了激光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。


特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到100-200μm,对于要求较高的器件,甚至需要减薄到60~80μm。当硅片厚度减到100-200μm的量级,后续的加工处理非常困难,硅片极易破碎和翘曲。


从8寸到12寸有两个关键门槛:芯片厚度从120微米降低到80微米,翘曲现象更严重;背面高能离子注入(氢离子注入),容易导致裂片,对设备和工艺要求更高。


2.2.3模块封装:


IGBT模块重视散热及可靠性,封装环节附加值高。IGBT模块在实际应用中高度重视散热性能及产品可靠性,对模块封装提出了更高要求。此外,不同下游应用对封装技术要求存在差异,其中车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件,其封装要求高于工业级和消费级。


设计优化、材料升级是封装技术进化的两个维度:


设计升级方面主要是:1)采用聚对二甲苯进行封装。聚对二甲苯具有极其优良的导电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性。2)采用低温银烧结和瞬态液相扩散焊接。在焊接工艺方面,低温银烧结技术、瞬态液相扩散焊接与传统的锡铅合金焊接相比,导热性、耐热性更好,可靠性更高。


材料升级方面主要是:1)通过使用新的焊材,例如薄膜烧结、金烧结、胶水或甚至草酸银,来提升散热性能;2)通过使用陶瓷散热片来增加散热性能;3)通过使用球形键合来提升散热性能。


3.未来产业发展新趋势是?


3.1 SiC具有性能优


降低损耗、小型化、耐高温高压。


3.2应用场景:导电型SiC主要应用于中高压功率器件。


目前SiC功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。


3.3行业痛点:价格远高于Si基器件,目前仍处于普及初期


尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化,但可靠性和高成本限制了行业普及。SiC功率器件成本远高于Si基功率器件,成本降低驱动逐步渗透:SiC二极管:应用相对容易,和Si基产品价格差在3~5倍(650V价格差距小于1200V产品)。在比特币的蚂蚁挖矿机的电源中有批量的商业应用,在高效能的(数据中心)电源、PV、充电桩中已有不少应用。SiC MOSFET:应用相对较难(如过快的开关带来高dv/dt问题),和Si基产品价格差在6~8倍(1200V产品价格差小于650V产品),在PV逆变器、充电桩、电动汽车充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。


3.4空间:18年SiC器件需求约4亿$,预计10年35倍扩张。


根据Omdia数据,2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元。预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,对应9年CAGR为43%。驱动力包括:


需求端:1)特斯拉引领下,新能源汽车逐步开始使用SiC MOSFET,拉动庞大需求(我们预计是最大也是最重要的市场),2)电力设备等领域的带动。


供给端:1)产品技术升级,SiC衬底尺寸从4寸转向6寸,再向8寸升级;2)产能扩张后产生规模效应。


3.5电动车:SiC优点在于可降低综合成本


直接成本增加:在逆变器中用SiC MOS替换IGBT,会增加约1~200美金的器件成本。其他成本降低:1)SiC可使控制器效率提升2%~8,进而降低电池成本。根据CASA,电动车每百公里电耗减少1kWh,电池成本节约1500元(反之,同样的电池成本续航能力更强)。2)由于高频特性,配套的变压器、电感等磁性元件成本降低(电感成本与频率成反比)。3)逆变器体积减小,降低其他材料成本。4)低功耗、高工作结温降低散热要求。电池容量更大的高端车型或电动大巴车,更容易率先引入SiC MOSFET。


3.6产业链条:关键为衬底+外延,约占器件成本的70%


制备需多道工艺,其中衬底和外延生长最关键。SiC器件的制备过程为:将SiC籽晶置于生长炉中制备晶体,通过切磨抛数道工艺将其加工成SiC晶片作为衬底,后续在衬底基础上生长SiC外延或是GaN外延,最终经历IC设计、制造、封测三个环节形成相应器件。


衬底制备难度最高,叠加外延后构成70%器件成本。SiC衬底的长晶温度需要2500℃,高温下的热场控制和均匀度控制难度极高,非平衡态合成过程容易产生晶体缺陷,同时其制备过程缓慢(主流气相法需要3-4天),进而导致衬底的制备困难且高成本,衬底(47%)和外延(23%)占器件总价值的70%。


3.7产业格局:西方垄断衬底市场,Cree处于领先地位


Cree、II-VI及Rohm在SiC衬底领域居于领先位置。Cree、II-VI、Rohm为衬底研发及生产最早的企业,目前其工艺已普遍转为6英寸晶片生产和8英寸研制工作,而国内厂商则以4英寸生产为主,6英寸技术尚未规模化生产。衬底尺寸提升可有效降低器件制备成本,大直径晶片始终为市场发展方向。


(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。)


来源:出品方/作者:中信证券

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