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功率半导体

预测2025年国内功率半导体500亿市场,目前国产化渗透率很低。预测未来整个功率三大块:汽车、光伏、工控。还有一些白电、高压电网、轨交。

(1)工控市场:国内功率半导体2018年以前主要还是集中工控领域,国内规模100亿;

(2)车载新能源车市场:2025年预测电动车国内市场达到100-150亿以上;2019-2020年新能源汽车销量没怎么涨,但是2020年10月开始又开始增长,一辆车功率半导体价值量3000元,预测2021年国内200万辆(60亿市场空间),2025年国内目标达到500万台(150亿市场空间)。

(3)光伏逆变器市场:从130GW涨到去年180GW。光伏逆变器也是迅速发展,1GW对应用功率半导体产业额4000万元人民币,所以,光伏这块2020年180GW也有70多亿功率半导体产业额。国内光伏逆变器厂商占到全球60%市场份额(固德威、阳光电源、锦浪科技、华为等)。

Q:功率半导体景气情况?

A:今年的IGBT功率半导体涨价来自于:

(1)新能源车和光伏市场对IGBT的需求快速增长;

(2)疫情影响,IGBT目前大部分仰赖进口,而且很多封测都在东南亚(马来西亚等),目前处于停摆阶段,加剧缺货状态。

(3)现在英飞凌工控IGBT交期半年、汽车IGBT交期一年。2022-2023年后疫情缓解了工厂复工,英飞凌交期可能会缓解;但是,对IGBT模组来说,汽车和光伏市场成长很快,缺货可能会一直持续下去。直到英飞凌12英寸,还有国内几条12英寸(士兰微、华虹、积塔、华润微等)产线投出来才有可能缓解。

Q:新能源车IGBT市场和国内主要企业优劣势?

A:第一比亚迪,国内最早开始做的;

(1)2008年收购了宁波中玮的IDM晶圆厂开始自己做,2010-2011年组织团队开始开发车载IGBT;2012年导入自家比亚迪车,2015年自研的IGBT开始上量。

(2)2015年以前,比亚迪80%芯片都是外购英飞凌的,然后封装用在自己的车上,比如唐、宋等;

(3)2015年之后自产的IGBT 2.5代芯片出来,80%芯片开始用自己,20%外购;

(4)2017-2018年IGBT 4.0代芯片出来以后,基本100%用自己的芯片。他现在IGBT装车量累计最多,累计100万台用自己的芯片,2017年开始往外推广自己的芯片和模块,但是,比亚迪IGBT 4.0只能对标英飞凌IGBT 2.5为平面型+FS结构,比国内企业沟槽型的芯片性能还差一些(对比斯达半导、宏微科技、士兰微的4代都落后一代;导致饱和压降差2V,沟槽型的薄和压降差1.4V,所以平面结构的损耗大,最终影响输出功率效率)。所以,目前外部采用比亚迪IGBT量产的客户只有深圳的蓝海华腾,做商用物流车;乘用车其他厂商没用一个是性能比较落后,另一个是比亚迪自研的模块是定制化封装,比目前标准化封装A71、A72等模块不一样;

(5)2020年底比亚迪最新的IGBT 5.0推出来,能对标国内同行沟槽型的芯片(对标英飞凌4.0代IGBT,还有斯达半导、士兰微的沟槽型产品),就看他今年推广新产品能不能取得进展了。

第二斯达半导:

(1)2008年开始做IGBT,原本也是外购芯片,自己做封装;

(2)2015年英飞凌收购了IR(international rectifier),把IR原本芯片团队解散了,斯达半导把这个团队接手过来,在IR第7代芯片(对标英飞凌第4代)基础上迭代开发;

(3)2016年开始推广自己研发的芯片,客户如汇川技术、英威腾进行推广。这款是在别人基础上开发的,走了捷径,所以一次成功,迅速在国内主机厂进行推广;

(4)2017年开始用在电控、整车厂;

(5)斯达半导现在厂内自研的芯片占比70%,但是在车规上A00级、大巴、物流车这些应用比较多。但是他的750V那款A级车模块还没有到车规级,寿命仅有4-5年(要求10年以上),失效率也没有达标(年失效率50ppm的等级);A级车的整车厂对车载IGBT模块导入更倾向于IDM,因为对芯片寿命、可靠性、失效率要求高,IDM在Fab厂端对工艺、参数自己把控。斯达半导的芯片是Fabless,没法证明自己的芯片来料是车规级;(虽然最终模块出厂是车规级,但是芯片来料不能保证)Fabless做车规级的限制:斯达半导给华虹下单,是晶圆出来以后,芯片还有经过多轮筛选,经过测试还有质量筛选,然后再拿去封装,封装完以后在拿去老化测试,动态负载测试等,最后才会出给整机客户;但是,IDM模式在Fab厂那端就可以做到很多质量控制,把参数做到一致,就可以让芯片达到车规等级,出来以后不需要经过很多轮的筛选;

第三中车电气:

(1)2012年收购英国的丹尼克斯,开始进行IGBT开发。

(2)2015年成立Fab厂,一开始开发应用于轨交的IGBT高压模块6500V/7500V。2017年因为在验证所以产能比较闲置,所以开始做车规级的IGBT模块650V/750V/1200V的产品;

(3)2018年国产开始有机会导入大巴车、物流车、A00级别的模块(当时国内主要是中车、比亚迪、斯达半导三家导入,中车的报价是里面最低的;但是受限于中车原来不是做工控产品,所以对于车规IGBT的应用功放,还有加速功放理解不深;例如:IGBT要和FRD并联使用,斯达半导和比亚迪是IGBT芯片和FRD芯片面积都是1:1使用,中车当时不太了解,却是用1:0.5,在特殊工况下,二极管电流会很大,失效导致炸机,所以当时中车第一版的模块推广不是很顺利。2019-2021年中车进行芯片改版,以及和Tier-1客户紧密合作,目前汇川技术、小鹏、理想都对中车进行了两年的质量验证,今年公司IGBT有机会上乘用车放量。我们觉得中车目前的产品质量达到车规要求,比斯达半导、比亚迪都好;中车的Fab厂和封装厂也达到车规等级,今年中车上量以后还要看他的失效率。如果今年数据OK的话,后面中车有机会占据更大份额。

第四士兰微:

(1)2018年之前主要做白电产品;

(2)2018年以后成立工业和车载IGBT。四家里面士兰微是最晚开始做的;

(3)目前为止,士兰微车载IGBT有些样品出来,而且有些A00级别客户已经开始采用了,零跑、菱电采用了士兰微模块。士兰微要走的路线是中车、斯达半导的路径,先从物流、大巴、A00级进入。士兰微虽然起步慢,但是优势是在于IDM,自有6、8、12英寸产线产品迭代非常块(迭代一版产品只要3个月,Fabless要6个月)。工业领域方面,士兰微未来是斯达半导最大的竞争对手,车载这块主要看他从A00级车切入A级车的情况。

Q:国内几家厂商车规芯片参数差异?

A:比亚迪IGBT的4.0平面型饱和压降在2V以上,但是斯达半导、士兰微、中车的沟槽型工艺能做到1.4V-1.6V,平面损耗大,最终影响输出功率差;如果以A级车750V模块为例,士兰微是目前国内做最好的,能对标英飞凌输出160KW-180KW,然后是中车,也能做到160KW但是到不了180KW,斯达半导产品出来比较早做到140-150kW的功率,比亚迪用平面型工艺最高智能做到140kW,所以最后会体现在输出功率;比亚迪芯片工艺落后的原因:收购宁波中玮的厂是台积电的二手厂,这条线只能做6英寸平面型工艺,做不了沟槽的工艺;所以比亚迪新一代的5.0沟槽工艺的芯片是在华虹代工的(包括6.0对标英飞凌7代的芯片估计也是找带动)。

Q:国内几家厂商封装工艺的差异?

A:车规封装有四代产品:

(1)第一代是单面间接水冷:模块采用铜底板,模块下面涂一层导热硅脂,打在散热器底板上,散热器下面再通水流,因此模块不直接跟水接触。这种模块主要用在经济型方案,如A00、物流车等;这个封装模块国内厂商比亚迪、斯达半导、宏微科技等都可以量产,从工业级封装转过来没什么技术难度。

(2)第二代是单面直接水冷:会在底板上长散热齿(Pin Fin结构),在散热器上开一个槽,把模块插进去,下面直接通水,跟水直接接触,周围封住,散热效率和功率密度会比上一代提升30%以上;这种模块主要用在A00和A级车以上,乘用车主要用这种方案。国内也是大家都可以量产,细微区别在于斯达半导、中车用的铜底板,比亚迪用的铝硅钛底板,比亚迪这个底板更可靠,但是散热没有铜好。他是讲究可靠性,牺牲了一些性能。

(3)第三代是双面散热:模块从灌胶工艺转为塑封工艺,两面都是间接水冷,散热跟抽屉一样把模块插进去;这种模块最早是日系Denso做得(给丰田普锐斯),国内华为塞力斯做的车,也是采用这个双面水冷散热的方案。国外安森美、英飞凌、电桩都是这个方案,国内是比亚迪(2016年开始做)和斯达半导在做,但是对工艺要求比较高(散热器模块封装工艺比较复杂,芯片需要特殊要求,要求芯片两面都能焊,所以芯片上表面还需要电镀),国内比亚迪、斯达半导距离量产还有一段距离(一年左右);

(4)第四代是双面直接水冷:两面铜底加上长pinfin双面散热,目前全球只有日本的日立可以量产,给奥迪etron、雷克萨斯等高端车型在供应,国内这块没有量产,还处于技术开发阶段。

Q:国内企业现在还有外采英飞凌的芯片吗,国内这四家距离英飞凌的代差?

A:目前斯达半导、宏微科技、比亚迪还是有部分产品外采英飞凌的芯片;斯达半导外采的芯片主要是做一些工业级别IGBT产品,例如:在电梯、起重机、工业冶金行业,客户会指定要求模块可以国产,但是里面芯片必须要进口(例如:汇川技术的客户蒂森克虏伯,德国电梯公司);还有一些特殊工业冶炼,这些芯片频率很高,国内还做不到,就需要外采芯片;

车载外采英飞凌再自己做封装的话,价格拼不过英飞凌;(英飞凌第七代芯片不卖给国内器件厂,只卖四代);国内来讲,斯达半导、士兰微、中车等,不管他们自己宣传第几代,实际上都是对标英飞凌第四代(沟槽+FS的结构),目前英飞凌最新做到第七代,英飞凌第五代(大功率版第四代)、第六代(高频版第四代)第五和第六代是挤牙膏基于第四代的升级迭代,没有质量飞跃;

第七代相对第四代是线径减少(5微米缩小到3微米,减小20%面积),芯片减薄(从120微米减少到80微米,导通压降会更好),性能更好(1200V产品的导通压降从1.7V降到1.4V)。而且,英飞凌第七代IGBT是在12寸上做,单颗面积减小,成本可能是第四代的一半。但是,英飞凌在国内销售策略,第七代售价跟第四代差不多,保持大客户年降5%(但是第七代性能比第四代有优势);国内士兰微、中车、斯达半导能够量产的都是英飞凌四代、比亚迪4.0对标英飞凌2.5代,5.0对标英飞凌4代;

2018年底,英飞凌推出7代以后因为性能很好,国内士兰微、斯达半导、宏微科技当时就朝着第七代产品开发,目前士兰微、斯达半导有第七代样品出来了,但是离量产有些距离。第七代IGBT的关键设备是离子注入机等,这个设备受到进口限制,目前就国内的华虹、士兰微和积塔半导体有。士兰微除了英飞凌第七代,还走另一条路子,Follow日本的富士,走RC IGBT(把IGBT和二极管集成到一颗IC用在车上),还没有量产。

Q:斯达半导IGBT跟华虹的关系和进展如何?

A:斯达半导跟华虹一直都是又吵又合作。2018年英飞凌缺货的时候,对斯达来讲是个非常好的国产替代机会,斯达采取策略切断小客户专供大客户,在汇川技术起量(紧急物料快速到货),在汇川技术那边去年做到2个亿,今年可能做到3个亿;缺货涨价对国产化是很好的机会,但是,华虹当时对斯达做了个不好的事情,当年涨了三次价格,一片wafer从2800涨到3500,所以,2019年斯达后面找海内外的代工厂,包括中芯绍兴、日本的Fab等。所以斯达和华虹都是相爱相杀的状态。斯达自己规划IDM做的产品,是1700V高压IGBT和SiC的芯片,这块业务在华虹是没有量产的新产品,华虹那边的业务量不会受到影响(12英寸针对斯达1200V以下IGBT)。但是,从整个功率半导体模式来说,大家都想往IDM转,第一个是实现成本控制提高毛利率,扩大份额。第二个是产品工艺能力,斯达往A级车推广不利,主要就是因为受限于Fabless模式,追求质量和可靠性,未来还是要走IDM模式。

Q:士兰微、斯达半导体的12寸IGBT的下游应用有区别吗?

A:目前国内12英寸主要是让厂家成本降低,但是做得产品其实一样。12寸晶圆工艺更难控制,晶圆翘曲更大,更容易裂片,尤其是减薄以后的离子注入,工艺更难控制。士兰微、斯达在12寸做IGBT,主要还是对标英飞凌第四代产品,厚度120微米。如果做到对标英飞凌的第七代,要减薄到80微米,更容易翘曲和裂开。士兰微、斯达12寸IGBT产品主要用在工业场景,英飞凌12英寸在2016、2017年出来,首先切入工业产线,后面再慢慢切入车规,因为车规变更产线所有车规等级需要重新认证。

Q:电动车里面IGBT的价值量?

A:电控是电动车里面IGBT价值量最大头;

(1)物流车:用第一代封装技术,一般使用1200V 450A模块,属于半桥模块,单个模块价格300元(中车报价280),一辆车电控系统要用三个,单车价值量1000元;

(2)大巴车:目前用物流车一样的封装方案(第一代);但是不同等级大巴功率也不一样,8米大巴用1200V 600A;大巴一般是四驱,前后各有一个电控,一个电控用3个模块,总共要用6个模块,单个价格450-500,单车价值量3000元左右;10米大巴功率等级更高用1200V 800A,一个模块600块,也用6个,单车价值量3600元左右。

(3)A00级(小车):用80KW以下,使用第二代封装(HP1模块),模块英飞凌900左右(斯达报价600)。

(4)A级车以上:15万左右车型用单电控方案,用第二代直接水冷的HP Drive模块,英飞凌报价从2000-1300元(斯达1000元);20-30万一般是四驱,前后各有一个电机,进口2600(国产2000);高级车型:蔚来ES8(硅基电控单个160-180KW,后驱需要240KW),前驱一个,后驱并联用两个模块;所以共需要三个,合计3000-3900元。

(5)车上OBC:6.6kW慢充用IGBT单管,20多颗分立器件,总体成本300元以下;

(6)车载空调:4kW左右用IPM第一类封装,价值量100元以内;

(7)电子助力转向,功率在15-20kW,主要用的75A模块,价值量200元以内;

(8)充电桩:慢充20kW以内用半桥工业IGBT,200元以内。未来的话要做到超级快充100KW以上,越大功率去做会采用SiC方案,成本成倍增加,可能到1000元以上;

Q:国内SiC主要企业优劣势?

A:国内SiC产业链不完整。做晶圆这块国内能够量产的是碳化硅二极管,SiC二极管已经量产的是三安光电、瑞能、泰科天润。士兰微和华润微目前的进度还没有量产(还在建设产线);

SiC MOS的IDM模式要等更久,相对更快的反而是Fabless企业,瞻芯、瀚薪等fabless,找台湾的汉磊代工,开始有些碳化硅MOS在OBC和电源上面量产了,主要因为国内Fab厂商不成熟(栅氧化层、芯片减薄还不成熟),相对海外厂商工艺更好,国内落后三年以上。海外的罗姆已经在做沟槽型SiC MOS的第三代了,ST的SiC都在特斯拉车上量产了;SiC应用来讲,整个全球市场6-7亿美金,成本太高所以应用行业主要分两个:第一个、是高频高效的场景,如光伏、高端通信电源,采用SiC二极管而不是SiC MOSFET,可以降低成本;把跟IGBT并联的硅基二极管换成SiC二极管,可以提升效率兼顾成本;

第二块、就是车载,(1)OBC强调充电效率(超过12KW、22KW)的高端车型,已经开始批量采用SiC MOSFET,因为碳化硅充电效率比较高,充电快又剩电;(2)车载主驱逆变的话主要用在高端车型,保时捷Taycan、蔚来ET7,效率比较高可以提升续航,功率密度比较高;20-30万中段车型主要是Tesla model 3 和比亚迪汉在用SiC MOS模块,因为特斯拉、比亚迪是垂直一体化的整车厂(做电控、做电池、又做整车),所以可以清楚知道效能提升的幅度;

相对来说,其他车企是分工的,模块厂也讲不清楚用了SiC的收益具体有多少(如节省电池成本),而且IGBT模块的价格也在降低成本。虽然SiC可以提高续航,但是SiC节省温高的优点还没发挥,节省温高可以把散热系统做小,优势才会提升。目前特斯拉SiC模块成本在5000元,是国产硅基IGBT的1300-1500元5-8倍区间,所以国产车企还在观望;但是,预计到2023年SiC成本有希望缩减到硅基IGBT的3倍差距,整车厂看到更多收益以后才会推动去用SiC。

Q:比亚迪的SiC采购谁的?

A:比亚迪采购Cree模块;英飞凌主要是推动IGBT7,没有积极推SiC;因为推SiC会革自己硅基产品的命。目前积极推广碳化硅的是罗姆、科瑞(全球衬底占比80%-90%);

Q:工控、光伏领域里面,国产IGBT厂商的进展?

A:以汇川技术为例,会要求至少两家供应商,工控里面一个用斯达,另一个宏微科技(汇川技术是宏微科技股东);目前上量比较多的就是斯达;(1)斯达的IGBT去年2个亿,今年采用规模可能达3亿以上(整个IGBT采购额约15亿);(2)宏微科技的IGBT芯片和封装在厂内出现过重大事故,质量问题比较大,导致量上不去,去年3000-4000万;伺服方面去年缺货,小功率IPM引入了士兰微,(3)士兰微随着小批量上量,后面工控模块也有机会对士兰微进行质量验证;

光伏IGBT和工控不一样,国内企业反而没人关注,因为光伏芯片要做高频,达到50-100K频率(工控只要10K)。英飞凌有对高频做专门开发(国内没有专门开发的)。另外光伏对效率要求高(98%效率),海外厂商能做的也不多定制化要求高,电路拓扑结构更加复杂(跟传统不一样,为了提升效率要不断堆积功率半导体,做出更复杂的电路拓扑),定制化要求很高。需要的功率模块也很多(1200V、650V的IGBT都有,还有SiC的二极管;);海外厂商能够供应的主要有英飞凌、安森美,海外能供应的也不超过5-6家,国产是一片蓝海,基本没法供应,只有斯达、宏微科技供一些单管产品,模块没法大批量去供应;

Q:汇川技术使用士兰微的情况怎么样?

A:目前还是可以的,去年口罩机上量,用了士兰微的IPM模块,以前用ST的IPM模块。目前,士兰微的失效率保持3/1000以内,后面考虑对士兰微模块产品上量(因为我们模块采购额一直在提升,只有两个国产企业供应不来)。汇川技术内部有零部件的国产化率目标,工业产品设定2022年达到60%的国产化率,英威腾定的2022年80%,所以国产功率企业还是有很大空间去做。

Q:汇川技术给士兰微的体量?

A:如果对标国产化率目标,今年采购15亿,60%国产化率就是9个亿的产品国产化,2-3家份额分一下。(可能斯达4个亿;宏微科技、士兰微各自2-3个亿;)具体看他们做得水平

Q:SiC二极管在光伏采用情况?

A:光伏里面也有IGBT模块,IGBT会并联二极管,现在是用SiC二极管替代IGBT里面的硅基FRD,SiC可以大幅减少开关损耗,提升光伏逆变器的效率。所以换成SiC二极管可以少量成本增加,换取大量效益;国产SiC二极管主要用在通信站点、大型UPS里面;目前在光伏里面的IGBT模块还是海外垄断,所以里面的SiC二极管还是海外为主,未来如果斯达、宏微科技开发碳化硅模块,也会考虑国产化的。

Q:华润微、新洁能、扬杰科技、捷捷微电这些的IGBT实力?

A:这里面比较领先的是华润微;

(1)华润微在2018年左右开始做IGBT,今年有1、2个亿左右收入主要是单管产品,应该还没有模块;

(2)新洁能是纯Fabless,没有自己的Fab和模块工厂,要做到工业和车规比较难(汇川技术不会考虑导入),可能就是做消费级或是白电这种应用。

(3)捷捷微电、扬杰科技有些SiC二极管样品,实际没多少销售额,IGBT产品市场上还看不太到,主要用在相对低端的工控,像焊机,高端工业类应用看不到;比亚迪其实也是,工业也主要在焊机、电磁炉,往高端工业走还是需要个积累过程。

Q:比亚迪半导体其他产品的实力?

A:之前是芯片代数有差距,所以一直上不了量,毛利率也比较低,比如工业领域外销就5000万(比不过国内任何IGBT企业),用在变焊机等。所以关键是,看比亚迪今年能不能把沟槽型的芯片推广到变频器厂等高端工业领域以及车载的外部客户突破。如果今年外销还是只有4-5000万的话,那么说明他的芯片还是没有升级。

Q:吉利的人说士兰微的产品迭代很快,是国内最接近英飞凌的,怎么评价?

A:这个确实是这样,自己有fab厂三个月就能迭代一个版本,没有fab厂要六个月。士兰微750V芯片能对标英飞凌,做到160-180kW的功率。他的饱和压降确实是国内最低的,目前他最大的劣势在于做车规比较晚,基本是零数据,需要这两年车载市场爆发背景下,在A00级别(零跑采用了,但是属于小批量,功率80KW以内,寿命要求也低一些;)和物流车上面发货来取得质量数据,国内的车厂后面可能用他的产品。(借鉴中车走过的路,除了性能还要有质量的积累)。

Q:士兰微IPM起量的情况?

A:国内市场主要针对白电的变频模块,国内一年6-7亿只;单价按照12-13元/个去算,国内70-80亿规模,这块价格和毛利率比较低一些,国内主要是士兰微和吉林华微在做,斯达也开始设计但是量不大一年才几千万,所以,士兰微是目前最大的,目前导入了格力电器、美的集团,量很大,今年有可能做到8个亿以上,是国产化的过程,把安森美替代掉(一旦导入了就有很大机会可以上量);但是,这块IPM毛利率不会太高。要提毛利率的话还是要做工业和车规级(斯达毛利率40%以上就是因为只做工控和汽车等级,风电,碳化硅这些都是毛利率50%以上的)

Q:士兰微12英寸的情况?

A:去年底开始量产,士兰微12英寸前期跑MOS产品,公司去年工业1200V的IGBT做了一个亿,今年能做2-3亿;目前MOS能做到收入10亿

作者:郭伟松_鑫鑫投资 链接:https://xueqiu.com/2524803655/201967011 来源:雪球 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。 风险提示:本文所提到的观点仅代表个人的意见,所涉及标的不作推荐,据此买卖,风险自负。