半导体产业是实体经济尤其是现代工业的核心和基础,同时为新一代信息技术、高端装备制造、绿色低碳、数字经济、新能源汽车、新材料等战略性新兴产业发展提供重要的战略支撑,特别是以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料及器件已成为全球半导体产业技术发展的必然趋势、各国竞相争夺的战略性资源。
其中,在新能源汽车中,功率器件是电驱动系统的主要组成部分,对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。功率器件产品中,MOSFET和IGBT是汽车电子的核心。MOSFET产品是功率器件市场应用最多的产品,占功率半导体分立器件市场的35.4%;IGBT是功率器件中增长最为迅速的产品,占总市场的25%,其作为新能源汽车必不可少的半导体器件,下游需求相当强劲。
新能源汽车系统架构中涉及功率半导体应用的组件包括电机驱动器、车载充电器(OBC)、车载电源转换(DC/DC)系统。此外,功率半导体器件在非车载充电桩领域也有一定的应用空间。
相比于传统燃油车,新能源汽车功率器件使用量更大。业内普遍认为,新能源汽车市场将是SiC快速增长的主要驱动力。据国际能源署(IEA)预测,到2030年,全球销售的纯电动汽车数量将是2017年的15倍,达到2150万辆。新能源汽车的发展对功率半导体器件的需求量将会日益增加。
当前全球多国已宣布燃油车禁售时间,加之国内政策补贴等,国内新能源汽车产业链可能有5-10年的持续高增长发展态势。2020年10月国务院常务会议正式通过《新能源汽车产业发展规划》,规划指出,要坚持电动化、网联化、智能化发展方向,深入实施发展新能源汽车国家战略,以融合创新为重点,突破关键核心技术,推动我国新能源汽车产业高质量可持续发展,加快建设汽车强国。产业政策的落地,有效提振了资本方的投资信心,也进一步明确了市场的投资方向。
新能源汽车市场的增长必将带动功率半导体的发展。Yole预测,SiC电力电子器件的市场规模到2023年将增长至14亿美元,年复合增长率接近30%。火爆的市场需求驱动着半导体厂商纷纷加码。
其中,3月11日,闻泰科技全资子公司、全球功率半导体领先企业安世半导体宣布,其与国内汽车行业龙头公司联合汽车电子有限公司(UAES)达成合作,双方将在功率半导体氮化镓(GaN)领域展开深度合作,以满足未来新能源汽车电源系统对技术不断提升的需求,并共同致力于推动GaN工艺技术在中国汽车市场的研发和应用。
2020年9月29日,第三代半导体垂直整合制造平台“三安集成”与新能源客车龙头企业“金龙新能源”在厦门签署战略合作框架协议,确定双方利用各自优势资源,共同推进碳化硅功率器件在新能源客车电机控制器、辅驱控制器的样机试制以及批量应用。
资料显示,从全球SiC参与者来看,目前以美国、欧洲、日本厂商为主,其中CREE(子公司Wolfspeed负责器件生产)、罗姆(子公司SiCrystal负责SiC晶圆生产)实现了从SiC衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局,实力最强。国际主要的上游原材料企业均实现从衬底到外延的连续布局,如CREE、SiCrystal、DOW、II-VI等。国际主要的器件生产厂商以IDM形式为主,如英飞凌、意法半导体、富士电机、三菱电机、安森美、东芝等。
2019年年初,科锐(CREE)剥离照明业务,专注于化合物半导体射频和功率应用市场,以满足5G通信和新能源汽车的市场需求,同年宣布斥资10亿美元,扩大碳化硅产能。
近年来,日本昭和电工已三度进行了碳化硅晶圆的扩产,罗姆也宣布在2026年3月以前投资600亿日圆(约5.6亿美元),让SiC功率半导体产能提高16倍。德国X-Fab、台湾环球晶、嘉晶、汉磊也都斥资新建碳化硅生产线。
我国虽是全球最大的半导体消费国,半导体市场需求占全球市场约40%,但各类半导体器件和芯片的国产率却很低,进口可替代空间巨大。目前国内在主流的第三代半导体材料为碳化硅与氮化镓领域积极布局。
在碳化硅方面,国内公司已经逐步形成完整产业链,可以生产新一代的碳化硅功率半导体;在氮化镓材料方面,国际市场也处于起步研究阶段,市场格局尚不明朗,但国内诸多高等院校、研究机构、公司厂商已经进行了大量研究,拥有诸多的专利技术。
从全球供需关系来看,目前SiC产品供不应求。但国内生产供应能力不足5%,未来成长空间巨大。在国产替代的需求和政策刺激下,期待国内的SiC企业有龙头企业成长起来。