【芯視野】從IGBT到SiC 改朝換代中的車用功率半導體

最新數據顯示，全國2021年一季度共銷售新能源汽車431850臺，相較2019年增長了一倍，純電動車型是其中絕對主導，銷售359704臺，占總體新能源乘用車的84%。

汽車的電動化已經成為不可逆的趨勢，電驅系統將取代燃油發動機系統，作為核心部件的功率半導體也將迎來新的爆發期。

IGBT老當益壯

被稱為汽車電控系統CPU的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，即絕緣柵雙極型晶體管）是一種由雙極性晶體管（BJT）和絕緣柵場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，其特點是兼具了BJT的導通電壓低、通態電流大、損耗小和MOS的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單等優點，

通常來講，IGBT在電動汽車中的應用主要集中在三個部分：首先是電控系統中，IGBT模塊將直流變交流后驅動汽車電機(電控模塊)；其次是車載空調控制系統中，負責小功率直流/交流逆變，這個模塊工作電壓不高，單價相對也低一些；最后是充電樁中，IGBT模塊被用作開關使用。

圖片來信達證券研發中心

電動車成本結構中最大者為電池，占比約40-50%，其次為電機驅動系統，約占全車成本15-20%。其中，IGBT占驅動系統一半左右，即IGBT占電動車約8-10%成本。若加上車載空調控制系統中IGBT，則成本占比更高。此外，高功率電動汽車要求更高水準的IGBT，這將間接提升整個電動汽車中IGBT的成本。

汽車充電樁是IGBT的另一大增量市場，預計2025年全球市場規模或達40.49億美元，國內18.22億美元。汽車充電樁分為直流IGBT充電樁和交流MOSFET充電樁，直流充電樁的優點在于充電速度快，缺點是價格高昂，其成本約4500美元，其中IGBT等功率器件占總成本的20%左右。

全球電動汽車IGBT市場規模預估在2025年將達到44億美元，年復合增速約48.8%，是電動趨勢下汽車功率半導體最受益的品種。

我國的汽車IGBT市場也同樣發展迅速。2019年新能源汽車IGBT市場規模達到155億元，隨著市場的逐步回調，2020年市場規模已接近200億元。

根據民生證券研究院統計，全球IGBT應用端來看，頭部的公司主要有英飛凌（市占率32.7%）、三菱電機（市占率9.6%）、富士電機（市占率9.6%）、賽米控（市占率6%）、Vincotech（市占率4.4%）、日立（市占率2.7%）、斯達半導（市占率2.5%）。

國內市場同樣被這些國際巨頭所壟斷，使得我國IGBT產品對外依賴度近95%。當前，國內市占率靠前的有英飛凌（市占率58.2%）、比亞迪（市占率18.0%）、三菱電機（市占率5.2%）、斯達半導（市占率1.6%）。

據業內人士透露，在A00級純電動乘用車領域，90%的IGBT都來自斯達半導體；純電動商用車領域，英飛凌、比亞迪、斯達和富士四分天下；在A級到C級新能源乘用車領域，除了比亞迪用自家的IGBT，其余新能源車企90%的IGBT產品都是英飛凌的天下。

同其他功率半導體一樣，IGBT生命周期較長，產品迭代速率不追求摩爾定律，行業內也沒有統一的技術標準，廠商各代產品之間并不完全對應。以行業內龍頭廠商英飛凌的產品標準來看，目前已發展到第七代微溝槽+場截止型 IGBT。但是，除第一代平面柵+PT型IGBT已退出市場外，英飛凌其余各代產品仍有客戶使用。

從家電到工業，IGBT的應用范圍很廣，但是以電動汽車對IGBT的要求為最高。有業內人士曾對IGBT在車內的工作需求做出過細致的分析：

l 擁堵路況時的頻繁啟停，IGBT模塊工作電流會相應的頻繁升降，從而導致IGBT結溫快速變化，考驗IGBT模塊的壽命；

l 采用永磁同步電機的電動汽車啟動、駐車時，電機工作在近似堵轉工況，IGBT模塊持續承受著大電流，從而會造成局部過熱，對散熱系統的設計帶來了挑戰；

l IGBT模塊在車輛行駛中會受到較大的震動和沖擊，這對于IGBT模塊的各引線端子的機械強度提出了較高的要求。

綜合諸多考量因素，IGBT模塊供應商為進入市場，需首先通過下游電控廠及整車廠長達1-2年左右的驗證周期，確保安全性、可靠性等必備要素基礎上方有望大批量放量。

SiC的崛起

隨著電池容量開始成為電動車的發展瓶頸，提高充電功率和效率，就成為提升電動車續航能力的有效途徑。更具潛力的第三代半導體全面替代常見車用硅基功率器件的呼聲大增。

SiC是最被看好能取代硅基器件（主要是IGBT）的材料。業內專家列舉了SiC能取代IGBT的三個原因：一是SiC器件的工作結溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達20kV，這些性能都優于傳統硅器件；二是SiC器件體積可減小到IGBT整機的1/3-1/5，重量可減小到40-60%；三是SiC器件還可以提升系統的效率，進一步提高性價比和可靠性。

將動力總成的部件保持在一個安全的工作溫度范圍內需要借助冷卻系統，而這會大大增加純電動汽車的行車自重。SiC的高熱導性有助于更快帶走熱量，而且SiC器件能夠在更高溫度下工作，從而減輕與散熱解決方案有關的壓力。

在特斯拉為Model 3、Model S和Model X相繼采用SiC后，SiC在牽引逆變器中的全部性能優勢展露無疑。自那時起，車用SiC器件的發展速度不斷加快，搭載SiC的新車型也開始增多。

2020年，比亞迪推出了加載SiC的純電動車車型“漢”，次年推出的新款唐EV也加入了SiC電控系統。

2021年4月1日，蔚來旗艦轎車ET7首臺生產線車身正式下線，采用了具備SiC功率模塊的第二代高效電驅平臺。而小鵬與理想也通過外部合作的方式，進行了SiC技術的相關布局。

不過，對于SiC能否全面取代IGBT，業內還有不同的聲音。

制造SiC芯片面臨的最大挑戰來自于成本。由于SiC在磊晶制作上有材料應力上的不一致性，造成晶圓尺寸放大時，會有磊晶層接合面應力拉伸極限的問題，導致晶格損壞影響良率，故晶圓尺寸主流仍維持4寸或6寸，無法取得大尺寸晶圓成本優勢。據業內人士介紹，同等級別的SiC MOSFET芯片，其成本是硅基IGBT的8-12倍。

其次，SiC MOSFET缺少長期可靠性數據，這一點還需要不斷實驗與改進。

而且，SiC功率模塊面臨的問題和IGBT一樣，模塊中不匹配的CTE(熱膨脹系數)容易使各層相互分離,引發器件失效。SiC的問題更為嚴重，主要是材料密度引起的熱耗散，因此需要有合適的封裝和系統集成創新方案。

SiC MOSFET在更高頻率和溫度下運行的特性更勝一籌，是進入1200V級別功率器件的理想選擇，但其高于硅的制造成本，加上IGBT技術已很成熟，讓最新型的IGBT在市場上仍能立于不敗之地，可以在標準化和廣泛采用方面更進一步。

總體來看，硅基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%，而成本則是SiC MOSFET的25%，因此，SiC和Si混合開關模塊會有很大的市場應用前景，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統當中普及，還需要時間。

國內某知名分析機構就指出，目前SiC行業發展的痛點在于行業發展仍屬初期，襯底材料高昂的制備成本和較低的良率帶來的高售價，隨著技術成熟及供應商產能擴張，SiC成本有望實現快速下降，將在未來五年時間內從電控、車載充電機、DC/DC、快充樁等多個應用場景對Si-MOSFET/Si-IGBT形成規模替代。

產能緊缺 國產機遇

始于2020年的半導體產能緊缺一直延續至2021年，多采用8寸晶圓制造的IGBT成為了重災區。

據富昌電子2021年Q2市場行情報告顯示，英飛凌的通用晶體管、低壓MOSFET和IGBT產品貨期最長達52周，安森美、Microsemi、羅姆、安世在內的功率半導體廠商，旗下IGBT、二極管等眾多產品的供貨周期都達到了16至52周，而前述功率半導體正常的供貨周期基本在8周左右。

隨著芯片的交付期一再拉長，部分車企在繼續等待原供應商出貨的同時，也開始嘗試國產IGBT，并逐步與比亞迪半導體、斯達半導體等國產芯片供應商建立聯系。

比亞迪在IGBT上投入最早，不但實現了自給自足，還可為國內其他車廠供貨。專攻功率半導體的斯達半導體，IGBT技術也發展到了第六代，與國際領先水平非常接近。還有和比亞迪半導體同樣采用IDM模式的中車，近年來也從高鐵、電網、風電等領域加快向汽車半導體市場滲透。

國內公司與國際龍頭的差距主要在工藝方面。目前，IGBT最具競爭力的生產線是8英寸和12英寸，國內晶圓生產企業此前大部分還停留在6英寸產品的階段。僅有華虹成為除英飛凌之外唯一一家具備12寸IGBT量產能力的公司。比亞迪、中車、士蘭微等幾家國內企業則還只具備8英寸產品量產。

不過，看到缺芯帶來機會的國產廠商已經紛紛開啟擴產之路。比如，斯達半導體在2021年3月2號發布公告，擬定增募集35億元資金，其中20億元將用于高壓特色工藝功率芯片和SiC研發及產業化項目。項目達產后，預計將形成年產36萬片功率半導體芯片的生產能力。其他如比亞迪、士蘭微等公司也紛紛宣布了自己的擴產計劃。

在SiC方面，處于產業鏈最上游的SiC 襯底也是目前產能最緊缺的地方。市占率排名頭三名的Cree、羅姆和II-VI已經開足馬力來應對未來的市場爆發。國內在SiC方面的起步并不晚，并且將其視為最好的超越機會，因此投資熱情空前高漲。根據集微咨詢整理統計，2019-2020年，國內碳化硅產線已披露的投資擴產金額達到500億元。

業內人士指出，由于國內存在著企業聯合政府的帶來資本性支出的顯著放大效應，將很有希望在短期內就形成產能高峰。

其實，無論是IGBT還是SiC，當前的產能緊缺都帶來了最好的國產替代窗口。抓住歷史機遇，國產功率半導體將會迎來巨大的飛躍。（Andrew）

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