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汽车功率半导体行业研究报告

2020年汽车功率半导体行业研究报告

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导语

受益于新能源汽车和充电桩需求的快速提升，预计2025年全球仅车规级IGBT模块所需的8寸晶圆量就达169万片，较2020年增长5.4倍，晶圆制造需求缺口巨大。

年初以来海内外各大芯片厂商纷纷上调产品价格或延长交期，预计半导体产业链景气度仍将持续上升。

来源：

民生证券

报告综述：

汽车功率半导体5年近7倍空间，IGBT最受益

政策支持、节能减排双重驱动，新能源汽车加速渗透，预计2025年国内新能源汽车渗透率将达到20%，2030年欧盟新能源汽车渗透率将达到40%。

汽车电动化趋势下车用功率半导体单车价值大幅提升。

据英飞凌统计，功率半导体ASP将从传统燃油车的71美元大幅提升至全插混/纯电汽车的330美元，是传统燃油车的4.6倍。

根据我们的测算，预计2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到80亿美元，2025年全球新能源车用功率半导体市场规模将达到53亿美元，是2020年的7.3倍，年复合增速高达48.8%，未来十年中美欧三地区新能源汽车充电桩用IGBT市场将有94亿美元增量空间。

目前车用功率半导体中主要用到的是IGBT和MOSFET，而IGBT在新能源车中是电驱系统主逆变器的核心器件，并可用于辅逆变电路、DC/DC直流斩波电路、OBC（充电/逆变）等，单车价值达到273美元，占车用功率半导体ASP的83%，是绝对大头。

我们预计2025年全球新能源汽车IGBT市场规模将达到44亿美元，年复合增速约48.8%，是电动化趋势下的汽车功率半导体中最受益品种。

产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河

1）产品壁垒：

车规级IGBT需具备使用寿命长、故障率低、抗震性高等严格要求，能适应“极热”“极冷”的高低温工况、粉尘、盐碱等恶劣的工况环境，承受频繁启停带来的电流频繁变化，对产品要求极高。

2）工艺壁垒：

车规级IGBT设计时需保证开通关断、抗短路和导通压降三者的平衡，参数优化特殊复杂。

生产制造时薄片工艺容易碎裂、正面金属熔点限制导致退火温度控制难度大。

此外，IGBT模块封装的焊接和键合环节技术要求同样较高。

3）认证周期长、替换成本高、具备经验曲线效应，行业先发优势明显。

a）车规级IGBT需满足可靠性标准、质量管理标准、功能安全标准，才有资格进入一级汽车厂商的供应链，认证周期一般至少2年。

b）由于IGBT模块是汽车中的关键部件，下游厂商出于安全性、可靠性的考虑，替换时往往呈谨慎态度，只有经过大量验证测试并通过综合评定后，才会做出大批量采购决策，替换成本高。

c）IGBT业务需要长期的经验积累才能达到良好的know-how水平。

d）IGBT行业属于资本密集型行业，生产、测试设备基本需要进口。

此外，对IGBT生产企业的流动资金需求量也较大，新进入者在前期往往面临投入大、产出少的情况，需要较强的资金实力作后盾，才能持续进行产品的研发、生产和销售。

综合来看，IGBT行业中的先行企业具有明显的先发优势。

竞争格局优成为成长行业“优质赛道”，但当前国产化率仍然较低

据Omdia2019年统计数据，全球IGBT模块前十大厂商占据了76%份额，市场份额集中，竞争格局较好。

车规级IGBT方面，由于较高的行业壁垒，2019年中国新能源汽车IGBT模块CR4份额合计达81%，呈现寡头垄断格局。

其中，英飞凌市占率58.2%排名第一，比亚迪市占率18%排名第二，三菱电机、赛米控分列第三、第四。

车用IGBT凭借广阔的成长空间和良好的竞争格局已成为成长行业中的“优质赛道”。

但2019年中国新能源汽车IGBT前十大厂商中仅有比亚迪、斯达半导及中车时代电气三家国内厂商入围，市场份额合计20.4%，国产替代空间广阔。

多重因素加速国产替代，国内厂商未来发展潜力巨大

多重因素加速国产替代：

1）中国已是全球最大的汽车消费市场，且未来汽车消费需求仍将提升，为国内IGBT厂商提供了良好的发展契机。

2）贸易摩擦加剧，半导体自主可控需求日益迫切。

3）国内厂商率先布局新能源汽车产业，抢占先发优势，随着国内新能源车厂商的份额提升，出于供应链安全考虑，预计将更多采用国内半导体厂商产品。

4）国内IGBT厂商具备性价比高、响应速度快等本土化服务优势，契合新能源车降本增效需要，有望实现份额提升。

5）政策鼓励、资金支持助力国内IGBT行业快速发展。

国内市场空间方面，根据我们的测算，预计2025年中国新能源车用功率半导体市场规模将达到177亿元，是2020年的6倍，年复合增速高达44%，预计2025年中国新能源汽车IGBT市场规模将达到147亿元，年复合增速约44%。

2025年中国充电桩用IGBT市场规模将达109亿元，复合增速达35%。

综合以上分析，我们认为车用IGBT国产替代进程将加速推进，结合目前较低的市场份额占比和广阔的行业成长空间，未来国内IGBT厂商增长潜力巨大。

产能紧张短期内较难缓解，功率半导体景气持续上行

5G商用以及疫情宅经济加速推动社会数字化转型，新能源车、家电、数码等终端设备市场景气度转暖，带动半导体需求增长，叠加半导体厂商因供应链安全需要提高安全库存，多项因素共振导致半导体产能紧张，目前各大晶圆代工厂商均处于满产状态。

从全球来看，ICinsight预计2021年全球将新增2080万片等效8寸晶圆产能，从国内来看，在建的晶圆制造等效8寸产能约2796万片/年，大部分集中在2022年投产。

但考虑到新产线投产后约有3-5年的产能爬坡期，短期内产能紧张较难缓解。

受益于新能源汽车和充电桩需求的快速提升，预计2025年全球仅车规级IGBT模块所需的8寸晶圆量就达169万片，较2020年增长5.4倍，晶圆制造需求缺口巨大。

年初以来海内外各大芯片厂商纷纷上调产品价格或延长交期，预计半导体产业链景气度仍将持续上升。

1新能源车加速渗透，汽车功率半导体5年7倍空间

1.1.新能源汽车渗透加速，汽车功率半导体迎来量价齐升

政策支持&节能减排驱动新能源汽车加速渗透。

我国《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提出新能源汽车发展愿景，计划到2025年，国内新能源汽车渗透率达到20%。

国际上，欧洲多国二氧化碳限排政策，新能源汽车补贴政策双管齐下，以应对全球气候变暖的压力，汽车电动化路线愈加明显。

在欧盟，ACEA汽车温室气体排放协议规定，到2030年以前，汽车二氧化碳排放量需低于每公里59克。

根据英飞凌测算，欧盟新能源汽车渗透率将在2030达到40%。

电动化带动功率半导体单车价值大幅提升，纯电车用功率半导体ASP达330美元是传统燃油车的4.6倍。

以电力系统作为动力源的新能源汽车，对电子元器件功率管理，功率转换能力提出了更高的要求。

在传统汽车中，功率半导体主要应用于车辆启动，发电和安全领域，低压低功率电子元器件即可满足其工作需求。

而在新能源汽车中，电池输出的高电压需要进行频繁的电压变换，电流逆变，这些电路大幅提高了汽车对IGBT、MOSFET等功率半导体的需求。

根据英飞凌数据，传统燃油车中，功率半导体含量为71美元，全插混/纯电池电动车中，功率半导体价值量为330美元，是传统燃油车的4.6倍。

2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到80亿美元。

根据Yole预计，2025年全球功率半导体市场规模将达到225亿美元。

智研咨询统计2019年全球功率半导体市场中汽车领域占比35.4%，假设该比例维持不变，则预计2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到79.65亿美元。

预计2025年全球新能源汽车功率半导体市场规模将达53亿美元，是2020年的7.3倍，CAGR为48.8%。

根据AlixPartners预测全球汽车销量将从2020年7050万辆增长至2025年9400万辆，EVTank预计全球新能源汽车销量将从2019年221万辆增长至2025年1200万辆，2025年全球新能源汽车渗透率将达到13%，较2019年提升10.36pct。

上文提到，英飞凌2020年最新统计数据中，新能源汽车功率半导体单车价值量为330美元，考虑到目前全球半导体晶圆代工产能紧张，预计今年新能源汽车功率半导体价格仍将保持在较高水平，且未来单车价值将随着电动化趋势及双电机渗透率的增加逐步提升。

根据以上数据，我们测算2025年全球新能源汽车功率半导体市场规模将达到53亿美元，是2020年的7.3倍，年复合增速为48.8%。

1.2.全球车用充电桩IGBT市场空间快速增长

新能源车重要配套设施充电桩数量将快速增长，带动关键零部件IGBT需求快速提升。

随着新能源汽车渗透率的逐步提高，作为新能源汽车重要配套设施的充电桩数量也需要同步提升。

根据麦肯锡统计，2020年中美欧新能源汽车充电需求约为180亿千瓦时，预计到2030年，新能源汽车充电需求量将达到2710亿千瓦时，年复合增速31.2%。

新能源汽车充电设施需求的快速增长，也将带动充电桩关键零部件IGBT用量的大幅提升。

预计2020-2030十年间中美欧充电桩IGBT市场将有94亿美元增量空间。

根据麦肯锡预计，中国、美国、欧盟三个地区需要在2020-2030十年间分别投入190亿/110亿/170亿美元资金建设新能源汽车充电桩2000万/2000万/2500万座，用以填补新能源汽车充电需求缺口。

单个充电桩中，IGBT占总成本比例约20%.。

由此我们可以推算出，未来十年中美欧新能源汽车充电桩用IGBT市场将有94亿美元增量空间。

2汽车功率半导体中，IGBT最受益

IGBT和MOSFET是车用功率半导体的主要器件。

IGBT在汽车内有四种不同应用，第一是主逆变器核心器件，主逆变器将电池输出的直流电逆变为交流电驱动汽车电机；第二应用在辅助逆变电路中，用来为其他汽车电子供电；第三应用在DC/DC直流斩波电路中，用来输出电压不同的电流；第四应用在OBC（充电/逆变）中，将外部输入的交流电逆变为直流电为新能源汽车电池充电。

在电动化程度较低的汽车中，由于其电池输出电压低，功率器件工作的功率范围不高，可以用MOSFET替代辅助逆变电路、DC/DC直流斩波电路、OBC中的IGBT，以达到控制成本的目的。

2.1.IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心器件IGBT

性能优越，是新能源汽车中功率半导体的核心部件。

IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的缩写，即绝缘栅极双极型晶体管。

它是BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件，集合了MOSFET开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小和BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。

在新能源汽车中，IGBT模块主要用于大功率逆变器，以逆变直流电为交流电从而驱动汽车电机；还用于辅助功率逆变器，为车载空调等汽车电子设备供电。

IGBT按照不同应用环境，可分为IGBT单管，IGBT模块和IPM智能模块。

IGBT单管是N沟道增强型绝缘栅双极晶体管，通过向PNP型晶体管提供基极电流，导通整个电路。

由于其适用电流较小，通常在100A以下，适用功率较低。

但IGBT单管外部电路复杂，封装难度高，能体现IGBT制造商技术、工艺水平。

IGBT模块是由IGBT芯片与FWD（快速回复二极管）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，多芯片通过绝缘方式并联集成封装在模块中，其安全性、可靠性得到有效提升，更适合在高压大电流场景中工作。

IPM智能模块是将IGBT器件与驱动电路、保护电路集成在一个模块上，由于其具有自我电路诊断、保护的功能，相比普通IGBT模块更智能化，常用于变频家电中。

当前英飞凌IGBT已发展至第7代产品，国内厂商逐步赶上世界先进水平。

从1988年到2019年间30余年间，英飞凌共发布了7代IGBT产品，技术水平朝着减少芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗和提高断态电压的趋势发展。

虽然目前国内IGBT市场主要由国外企业占据，但在国内厂商不断地研发投入下，产品技术不断赶上世界先进水平。

例如斯达半导自主研发的第二代IGBT芯片，对标英飞凌第六代IGBT芯片（FS-Trench），且已于2016年实现量产，2019年共装配16万套车规级IGBT模块；比亚迪IGBT4.0产品相比市场上主流的英飞凌第四代IGBT，开关损耗更低、电流输出能力更强、温度循环寿命更长。

2025年全球新能源汽车IGBT市场规模达44亿美元，CAGR为48.8%。

根据Yole数据，2019年全球新能源汽车IGBT市场规模为6亿美元。

EVSalesBlog数据公布2019年全球插电式混合动力汽车和纯电池电动车的销量约为220万辆，由此可推算出IGBT单车平均价值量为273美元（占单车功率半导体价值量83%），考虑到目前全球半导体晶圆代工产能紧张，预计今年新能源汽车功率半导体价格仍将保持在较高水平，且未来单车价值将随着电动化趋势及双电机渗透率的增加逐步提升，乘以EVtank给出的未来各年全球新能源汽车的销量预测，预计全球新能源汽车IGBT市场规模将从2020年约6亿增长至2025年44亿美元，复合增速约48.8%。

2.2.SiC性能更优，有望成为下一代技术

第三代半导体材料基底的功率器件具有更好的性能优势。

与硅基半导体材料相比，以GaN，SiC为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

据英飞凌数据显示SiC材料的逆变器在体积、重量上比Si基材料逆变器分别低3倍、4倍；Rohm数据显示SiCMOSFET在应用中，开关频率可达到50KHz以上（而主流IGBT开关频率最高20KHz），能量损耗比Si基IGBT低73%。

SiC基MOSFET相比IGBT具备更高的性能和更小的体积优势。

部分高端车型已启用SiC基MOSFET，有望成为未来发展方向。

特斯拉Model3是第一款集成全SiC功率模块的车型，由特斯拉工程设计部门与意法半导体合作完成，随即，英飞凌也成为了特斯拉Model3SiC功率模块供应商。

除此之外，比亚迪汉EV四驱版，成为国内首款批量搭载SiCMOSFET组件的车型，其SiC电控的综合效率高达97%以上。

目前国内厂商也在积极布局SiC生产应用，如华润微在2020年7月已实现国内首条商用的6寸SiC生产线量产，规划产能为1000片/月。

新洁能也已拥有多项第三代半导体相关专利，并预计推出SiC二极管系列产品，未来将重点布局新能源汽车应用领域。

当前SiC受制于成本、良率因素，大规模普遍采用还需时间。

目前国际主流SiC衬底尺寸为4英寸、6英寸，由于晶圆面积小，芯片裁切效率低导致SiC衬底成本高昂，后续工艺中制造、封装良率低更使得SiC器件成本居高不下。

根据中科院数据，同一级别下，SiCMOSFET的价格比SiIGBT高4倍。

车规级电控器件要满足更为严格的性能指标，需要在极端温度、强烈震动的环境下保持稳定工作。

因此在导入终端产品之前，SiCMOSFET需要经过长时间的可靠性认证，一般车规级IGBT模组认证期在2年左右。

3产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河

3.1.工作环境复杂对车规级IGBT的安全、可靠提出极高要求

1）需适应“极热”“极冷”的高低温工况：

车规级IGBT的工作温度范围广，不同的安装位置有不同的温度区间，比如发动机舱要求-40℃-155℃、车身控制要求-40℃-125℃，而常规消费类芯片和元器件只需要达到0℃-70℃。

2）需承受频繁启停带来的电流频繁变化：

车辆在拥堵路况时常会遇到频繁启停，此时升压器、逆变器的IGBT模块工作电流会相应的频繁升降，从而导致IGBT的结温快速变化，对IGBT的耐高温与散热性能要求甚高。

3）需具备高抗震性：

由于车况的不确定性，如山地、泥地、石子路等，车用IGBT在车辆行驶中可能会受到较大的震动和颠簸，要求IGBT模块的各引线端子有足够强的机械强度，能够在强震动情况下正常运行。

4）能适应恶劣的工作环境：

考虑到发霉、粉尘、水、盐碱自然环境（海边，雪水，雨水等）、EMC以及有害气体侵蚀等，对IGBT防水防尘防腐蚀等安全性能提出了极高要求。

IGBT在这些干扰下既不能不可控地影响工作，也不能干扰车内别的设备（控制总线，MCU，传感器）。

5）需具备长使用寿命，低故障率。

一般的汽车设计寿命都在15年或60万公里左右。

在整个寿命周期里，车厂对车用半导体故障率基本要求是个位数PPM（百万分之一）量级，大部分车厂要求到PPB（十亿分之一）量级，几乎达到故障零忍受。

3.2.车规级IGBT设计、制造和封装工艺难度大

车规级IGBT设计需保证开通关断、抗短路和导通压降三者平衡，参数优化非常特殊复杂。

车规级IGBT芯片通常在大电流、高电压、高频率的环境下工作，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非常特殊复杂。

芯片设计环节的主要难点有：

（1）终端设计实现小尺寸满足高耐压的前提下须保证其高可靠性；

（2）元胞设计实现高电流密度的同时须保证其较宽泛的安全工作区，要求极高的散热能力；

（3）元胞设计实现高电流密度的同时须保证其足够的短路能力；

生产工艺难度大：

薄片容易碎裂、正面金属熔点限制导致退火温度控制难度大。

IGBT导通时可以看作导线，电流从上而下垂直穿过IGBT，直至抵达驱动电机。

1）芯片越薄，热阻越小，但极易破碎。

减薄工艺：

芯片越薄，电流流过的路径越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低，整车电池续航时间越长。

2018年底，比亚迪公布能将晶圆减薄到120μm，而英飞凌的IGBT芯片最低已经可减薄到40μm。

在此厚度的晶圆和芯片上进行后续的加工，技术难度非常高，极易破碎。

2）背面工艺须在低温下进行，否则易导致正面金属熔化。

背面工艺：

包括背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属熔点的限制与IGBT芯片不断减薄，这些背面工艺必须在低温下进行（不超过450°C），否则容易导致正面金属熔化，退火激活难度极大。

IGBT模块封装的焊接和键合技术壁垒高。

车用IGBT多为模块形式使用，模块封装结构是将半导体分立器件通过某种集成方式封装到模块内部，一个IGBT模块通常需要经过贴片、焊接、等离子清洗、X光检测、键合、灌胶&固化、成型、测试、打标共9道工艺后才能投放到市场。

其中，又以焊接和键合是模块封装技术难点。

（1）焊接：

最新的低温银烧结贴片互联工艺参数难掌握、材料与设备成本高，成为进入壁垒。

目前，主流的焊接技术是软钎焊接。

但是这项技术生产的一致性和可靠性不高。

为此已经开发出了低温银烧结贴片互联工艺，这种工艺的焊接层具有高热导率、高电导率、高可靠性的优点。

但是，这项技术难度很高，工艺参数的设定、设备购置成本高昂、生产所用银粉成本高等成为制约厂商使用这一技术的壁垒。

目前，只有英飞凌、三菱为代表的先进企业已在其部分高性能IGBT模块上使用低温银烧结进行焊接。

（2）键合：

具有较高的工艺难度。

目前，IGBT模块内部芯片表面互连普遍采用的键合线为铝线与铜线。

铜线电阻率低、热导系数高，膨胀系数低，更适合车用高功率密度、高效散热的模块。

但是铜线键合工艺的难点是需要对芯片表面进行铜金属化处理，同时需要更高的超声能量，很有可能损害IGBT芯片本身。

1）铜具有较强的亲氧性，要求严格密封，操作迅速。

铜线与空气接触即刻产生氧化，原则上在拆封48小时内完成封装。

氧化的铜丝更坚硬，难键合，容易产生焊点脱落或拉力强度低。

2）在键合过程中，起保护作用的惰性气体流量难把控。

为了降低铜氧化程度，需将保护气体加在易出现氧化的芯片加热区域，流量太大会影响加热温度，太小则会削弱保护效果。

3）压焊夹具制作材料要求严格。

夹具表面要光滑，保证载体和管脚无松动，否则将直接影响产品焊接过程中烧球不良、短线、翘丝等一系列焊线问题。

4）键合设备参数设置必须综合考虑焊接力、待机功率、弹坑的可能性等因素，难以平衡调控。

任何步骤出现问题，都将导致键合失败。

3.3.先发优势明显：

认证周期长，替换成本高

因车用IGBT高可靠性的要求，其认证周期长，替换成本高，先行企业具有明显的先发优势。

1）认证严格，时间周期长。

IGBT分立器件或模块必须满足可靠性标准AECQ100（IC）/101（分立器件）、质量管理标准ISO/TS1649，和功能安全标准ISO26262ASILB（D），才有资格进入一级汽车厂商的供应链，认证周期一般至少2年。

2）替换成本高。

IGBT模块是下游产品中的关键部件，负责调节电路中的电压、电流、频率、相位等，其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要。

对于新的IGBT供应商，客户往往会保持谨慎态度，不仅会从理论上综合评定供应商的实力，而且要经过产品单体测试、整机测试、多次小批量试用等环节后，才会做出大批量采购决策，替换成本较高，采购决策周期较长。

3）IGBT业务需要长期的经验积累才能达到良好的know-how水平。

IGBT芯片和快恢复二极管芯片是IGBT模块的关键环节，其生产步骤多，使用的生产设备多，生产的组织、控制、设备调试等工作庞杂。

比如散热材料的选择与处理，减薄程度与两次注入磷离子的浓度、数量与速度，背面工艺温度的把控以及各环节设备，均需要长期相关经验的摸索才能掌握芯片的设计和生产工艺。

新能源汽车应用中往往要求大批量地生产出可靠性高、稳定性好的IGBT模块，需要经过长时间的经验积累，才能了解器材和材料的特性，掌握生产工艺。

以贴片流程为例，就涉及到芯片位置的确定、不同材料的热膨胀系数及其特性、回流炉回流曲线及其他参数的设置等，这些生产工艺要经过长期的研发试验才能找到合适的方案。

4）资金壁垒高。

IGBT行业属于资本密集型行业，产业链涵盖芯片设计、芯片制造、模块制造及测试等环节，其生产、测试设备基本需要进口，设备成本较高，同时产品的研发和市场开拓都需要较长时间。

此外，对IGBT生产企业的流动资金需求量也较大，新进入者在前期往往面临投入大、产出少的情况，需要较强的资金实力作后盾，才能持续进行产品的研发、生产和销售。

综合来看，新入行的公司即使生产出IGBT产品，也需要耗费较长时间才能赢得客户的认可，并需要长时间才能达到良好的know-how水平，同时还要面临长期