功率半导体行业深度：新能源引发行业变革，Fabless与IDM齐头并进

功率半导体是电能转换的载体，22年全球功率器件市场约为281亿美元，2022-25年CAGR8.2%。功率半导体是功率器件与电源管理IC的集合，其中功率器件例如二极管、MOSFET及IGBT等作为快速的电子“开关”可实现电流、电压状态的改变。以电为能量来源的应用均需用到功率器件，其是电子系统运行的底层基础。 工艺为功率半导体的技术核心。有别于集成电路设计作为产品差异化的关键，功率器件的功能实现及差异更多来源于不同的器件结构，因此制造工艺是功率器件的核心，制造商多以IDM模式为主。其中，不同产品形态各有侧重，单管产品偏标准化，通过芯片结构设计与性能拉开差距； 模块产品偏定制化，依靠对下游应用的know-how及客户黏性构筑壁垒。 未来行业将向着高效率、高可靠性和低成本方向发展。功率器件生命周期长迭代慢，因此企业通过芯片向高效率、小面积的发展构筑性能与成本的产品竞争力；封装形式向高可靠性、高集成度方向发展以增强客户黏性；制造工艺向12英寸转移以实现规模化降本；大功率器件的材料由硅向碳化硅、氮化镓过渡以获得技术领先性。 全球格局渐稳，新能源触发新一轮行业变革。功率器件多样化应用决定了市场集中度不高，第一大厂商市占率不到20%。在新能源与工控的驱动下，预计全球功率器件市场将由21年的259亿美元增至25年的357亿美元，汽车、新能源发电和电网等增速均超15%。碳化硅为增速最快的器件，2021-25年CAGR42%，预计25年市场将超43亿美元。 中国企业份额提升迅速，当前阶段Fabless与IDM模式差异化竞争尚不显著。全球IGBT分立器件及模块、MOSFET前十中均有中国企业，在新能源发电、汽车等增量市场国产化率提升迅速，部分已超50%。未来三年，国内代工产能增速大于IDM厂商，Fabless可与代工深度合作共同推进工艺开发； 加之目前行业仍处于单品替代阶段，IDM规模化与技术迭代优势体现仍需时日，中短期维度Fabless与IDM界限渐模糊、差异化竞争尚不显著。 投资建议：建议关注在增量市场产品与份额持续拓展的IDM公司士兰微、时代电气、闻泰科技、扬杰科技、BYD半导（未上市）及华润微，在IGBT、超结MOS等产品领先的设计公司斯达半导、宏微科技、东微半导及新洁能，特色工艺代工龙头华虹半导体、中芯集成（未上市）。 风险提示：新能源行业增速不及预期；行业竞争激化面临产能过剩风险。 功率半导体：电能转换的载体 功率半导体：功率分立器件与电源管理IC的集合 功率半导体是以电能转换为核心的半导体器件，通过对电流与电压进行调控实现电能在系统中的形式转换与传输分配，其作用近似于人体的血液循环系统，将调整后的电能输送到对应的用电终端，为系统运行提供基础保障。在以电供能的基础上，传感器将外界光、声音、压力和温度等物理量转换为电信号，通过模拟信号链芯片将电信号转换为数字信号给数字芯片进行计算处理并指导各部分芯片进行功能实现。 图1：半导体分类及市场规模（2022E） 功率半导体包含分立器件及电源管理芯片且细分种类繁多，预计2022年总市场规模约为543亿美元。功率半导体由分立功率器件与电源管理芯片组成；根据OMDIA与Yole数据，2022年全球功率半导体（含功率器件及电源管理芯片）市场规模约为543亿美元，占半导体市场9%；其中分立功率器件281亿美元，电源管理芯片262亿美元。尽管功率半导体市场规模远小于数字芯片市场规模，但作为电子系统底层能量流的核心，功率半导体是电子系统正常运行的基础。 功率器件：快速的电子“开关” 功率器件是快速的电子“开关”，通过切换“开”与“关”状态配合其驱动电路实现电流与电压状态的改变。其开关内部各功能的联系及交互影响决定了开关的特性，最终可实现直流-直流\交流-交流电压高低、电流频率及电流方向（整流\逆变）的改变，并应用于稳压器、变频器、逆变器、整流器及DC-DC电源中。 图2：功率半导体-快速的电力电子“开关”待优化 功率器件包括二极管、晶闸管及晶体管等品类，其中晶体管包括双极型（BJT）、场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件。总体可按可控性、驱动方式及载流子类型等维度进行分类。 表1：分立功率器件的分类及性能特点 二极管：二极管是由PN结或肖特基结(金属-半导体)构成的元件，具备单向特性即电流流动（正向）或不流动（反向）取决于施加电压的方向，以实现交流电整流的功能。根据其应用电压范围及结构可分为整流二极管、快恢复二极管、TVS二极管及肖特基二极管等。 晶闸管：由PNPN四层半导体组成；当晶闸管接入正向电压并产生足够大的电流时，晶闸管就可导通，由于一旦导通后门极失效，因而为半控型器件。由于其没有导通和关断之间的放大区，因此通态内阻最小，发热最少，承受过电流能力极强且耐高压，可直接用于控制交流电。 图3：功率分立器件的分类 晶体管：由三个端子组成的器件，可通过控制三端的电流或电压实现器件的导通或关断，包括双极型（BJT）、场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件： （1）BJT（Bipolar Transistor）即双极晶体管，具有电流放大的功能，可以将小信号转换成大信号。当小电流（I）从基极流向发射极时，I×h（直流电流增益）的电流从集电极流向发射极。BJTs有两种类型：NPN型和PNP型,NPN型包括低耐受电压到高耐受电压产品；PNP型主要为耐受电压为400V或以下的产品。 B B FE （2）MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）即金属-氧化物半导体场效应晶体管：通过控制漏极和源极、栅极与源极之间的电压，可使得电子在器件中形成“沟道”，实现器件的导通；通过调节电压的大小可以控制导通电流大小，最终实现“开”与“关”的切换。由于其为单极型器件，开关性能佳，适用于低电流密度和大约100kHz的开关电源。 （3）IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）即绝缘栅双极型晶体管：作为MOSFET和BJT组成的复合功率半导体器件，其工作原理与MOSFET类似。既具备了MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势，也具备了BJT通态电流大、通电压低、损耗小等优点,解决了MOSFET高压情况下电流不能太大的问题，适用于高电流密度和20kHz以下的交流驱动条件下工作。 以电为能量来源的下游应用均需用到功率器件。一方面，新能源应用增加，电网、光伏、风电、储能、新能源汽车均需用到功率器件且集中于中高功率段，器件以IGBT、SiC器件及大功率晶闸管为主，对器件可靠性与热管理要求较高。另一方面，工业自动化（电机、UPS）、数据中心等场景对用电效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT、中高压MOSFET的应用，对器件集成度、可靠性及热管理均提出了要求。此外，在消费电子、电源等低功率应用中，硅基和GaN基功率器件均有应用，该类应用对器件的紧凑性和集成度提出了较高要求。 图4：功率器件的应用场景及价值量区间 功率器件制造流程包括硅晶圆-外延-芯片制造-封装：(1)衬底：通过区熔（CZ）法和直拉（FZ）法得到单晶硅，并通过切割抛光后获得器件衬底（晶圆）；(2)根据器件结构进行外延、薄膜沉积、光刻、刻蚀和离子注入-扩散等多道工艺获得裸芯片晶圆；(3)裸露的芯片需要封装进一个外壳里并填充绝缘材料，再把芯片电极引到外部制成完整的功率器件产品，外壳中有一颗芯片的为单管产品，有多颗芯片电气互连并包含散热通道、连接接口和绝缘保护等单元的为模块产品，其封装方式根据应用工况不同而有所区别；最后，再将封装好的单管或模块等器件产品应用到逆变器等电源系统中。 图5：功率半导体的制造流程 功率器件行业特点与竞争要素 制造为先，IDM为长远发展趋势 前道工艺是功率器件芯片性能的决定性因素。在集成电路中，模拟芯片是晶体管、电阻和电容等元件的有机组合，逻辑芯片是晶体管的堆叠与排列，其芯片功能差异主要来源于IC设计，因此包括芯片架构、IP、指令集、设计流程和设计软件工具等在内的设计环节是芯片附加值的核心。与集成电路不同，功率器件的功能实现及差异化来源于不同的器件结构，而器件结构需通过前道制造工艺实现的，制造工艺好坏直接决定了芯片的电子传输等性能表现。因此，为掌握核心工艺环节，全球功率器件龙头制造商多以IDM模式为主。 图6：功率器件与集成电路的产品附加值比较 后道封装是保证器件可靠性的关键环节。功率半导体器件是电系统工作的关键，因此产品可靠性是核心参数。通常功率器件要根据应用的实际工况对芯片进行定制化封装以保证其在使用中的可靠性；特别是在工业、汽车等对产品耐压、耐温、耐冲击等可靠性要求较高的应用领域，产品形式以模块为主，厂商需对模块进行热管理、电磁干扰（EMI）等方面进行合理设计以保证多个芯片有机组合进行功能实现，因此在高可靠性IGBT模块中，封装环节成本占比可超30%。 表2：功率器件各环节的特点 单管拉开芯片差距，模块建立客户粘性 应用场景定义器件类型，器件性能定义芯片参数。应用端的个性化需求主要是对芯片特性及模块的电路结构、拓扑结构、外形和接口控制等的设计要求。以汽车主逆变器为例，大功率主驱动通常需要用到多个芯片并联，若使用单管多个并联，管之间电流均流和平衡、同时开断等难度大，且接口较多；通过芯片互连配合保护元件具备较好一致性及稳定性的功率模块成为主流选择。而模块根据汽车工况对耐高温、耐腐蚀、抗氧化及机械振动的要求进行定制化设计，据此再对芯片的动态性能、结温等方面提出要求，并通过制造工艺进行实现。 图7：功率半导体应用思路 单管依靠芯片技术拉开差距，模块依靠定制化设计建立客户黏性。单管产品封装形式标准化，以规模化生产为主，产品竞争力来源于芯片结构优化、性能提升以及芯片面积减小带来的成本降低。模块产品是基于应用的定制化产品，而应用系统电路拓扑及空间设计亦均基于模块的电性能、热管理与外部尺寸等参数，因此，模块是与客户建立长期合作关系的桥梁。在此过程中，器件厂商不仅需要芯片设计团队还需要培养强大的应用团队，能快速、准确地理解客户的个性化需求，并将这种需求转化成产品要求进行模块开发，再反馈到芯片端进行对应的设计开发。 图8：单管与模块的核心要素 表3：单管与模块各个环节的特点与侧重点对比与发展关键 差异化vs.标准化 、 高性能与可靠性 ： 器件制造商与集成商的差异化考量 功率产品生命周期长且迭代慢，差异化器件产品铸就芯片制造商核心竞争力。功率器件迭代升级的驱动力来源于下游用电量的提升及低功耗的应用需求，可靠耐用的应用要求决定了其产品生命周期长，因此自20世纪50年代功率二极管、功率三极管面世至今功率器件迭代速度较慢。每代产品源于应用的新增要求，故各类型器件非绝对替代关系，而是各有分工和部分竞争的关系。在此过程中，功率器件制造商可通过器件结构设计提升产品性能，减小芯片面积降低制造成本，模块定制化打造差异性，最终实现利润空间与行业壁垒的提升。 图9：器件制造商与集成商的考量 可靠性为先，“标准化”产品是系统集成商降低供应链成本的需求。考虑系统故障带来的售后成本，系统集成商将产品可靠性作为首要考量。以高压应用为例，在部分系统设计时会降低单个芯片性能要求，优先考虑选用结构简单面积较大的平面型器件以保证芯片的耐压裕量及散热水平。同时，为降低成本及开发时间，集成商会采用“平台”方式开发(如汽车)，故功率器件产品需在集成商内部有一定通用性且有多家可替换的供应商。在此背景下，功率器件厂商倾向于争取做第一供应商，引领模块参数及器件设计“标准”形成，铸就护城河；对于后进入者，则选择对标“一供”性能，以提升性价比作为主要发力点来赢得更多市场份额。 发展趋势：高效率、高可靠性、低成本与新材料 芯片向着高效率、低成本的器件结构发展 功率器件是电能传输效率的关键，产品向着高转换效率、高功率密度即小体积方向发展，相应地，芯片向着结构优化以提