功率半導體深度：所有的電子製造業，幾乎都離不開功率器件

功率半導體:節能減排基礎技術，電力控制核心器件

功率半導體市場回暖，大功率/寬禁帶器件展現高成長性

功率半導體器件(Power Semiconductor Device)又稱電力電子器件(Power Electronic Device)，主要用於電力設備的電能變換和電路控制，是進行電 能(功率)處理的核心器件，弱電控制與強電運行間的橋樑。

典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，除保證 設備正常運行以外，功率器件還起到有效的節能作用。

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功率器件幾乎用於所有的電子製造業。

目前功率半導體的應用範圍已從傳統的工業控制和 4C 產業(計算機、通信、 消費類電子產品和汽車)，擴展到新能源、軌道交通、智能電網等新領域。

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• 小功率範圍(幾 W 到幾 kW)，多用於如筆記本電腦、冰箱、洗衣機、空調等各種家電、伺服器等設備的開關電源，提升電能利用效率;

• 中功率範圍(10kW 到幾 MW)，多用於電氣傳動、新能源發電等，如用於 新能源汽車(EV/HEV)，提高單次充電續航里程;用於太陽能的 PV(光伏)逆變器，提高電源的轉換效率;用於重型工業設備的高頻電源轉換器，帶來大功率、高頻率的優勢;

• 大功率範圍(高達幾 GW)，多用於高壓直流(HVDC)輸電系統等;

中國占據全球功率器件 40%市場份額，多領域應用持續支撐需求上漲 整體來看，近年來由於工業控制、家電產品、充電設備等終端應用不斷追求 更高能源效率，功率器件下游產品範圍的穩步擴張、產量的大幅增長以及功 率器件技術的快速更新，功率器件市場在全球範圍尤其是中國地區都保持穩 步增長。

近五年來，中國功率半導體器件市場複合增長率達 27.8%，是半導 體產品中市場發展相對較快的產品。

市場回暖，大功率器件/IGBT 模組及 SiC/GaN 寬禁帶器件最具成長性

IC Insights 指出，歷經 2015 年短暫下調後，2016 年全球功率半導體市場 重新將回升至 124 億美元。

在各類功率元件中，最具成長性的產品是高壓MOSFET(超過 200V)與 IGBT 模組，兩類產品在 2015~2020 年期間的複合年 成長率(CAGR)預估分別為 4.7%與 4.0%。

IHS 報告指出，隨著愈來愈多供應商推出產品，2015 年碳化矽(SiC)功率 半導體平均銷售價格已明顯下滑，有望刺激市場加速採用;與此同時，氮化 鎵(GaN)功率半導體也已開始進入市場，預估全球 SiC 與 GaN 功率半導 體產值，將由 2015 年的 2.1 億美元，快速成長至 2020 年的 10 多億美元， 並將於 2025 年達到 37 億美元。

產業與節能政策雙發力，大陸功率半導體迎來最佳發展機遇

邁入製造強國，中國 IC 產業未來發展勢頭強勁

 2015 年 5 月，國務院發布《中國製造 2025》重點領域技術路線圖，預 計至 2030 年，中國集成電路市場規模占全球的比例將達到 43.35%—45.64%，中國將成為世界最大的 IC 產業鏈設計、製造基地，在諸多優 勢領域達到世界先進水平。

其中提到大力推動電力裝備這一重點領域的 突破發展，包括對大功率電力電子器件這一關鍵元器件的開發。

《中國製造 2025》的核心在於自動化、智能化、新能源、高能效以及 資源的有效利用，明確提出將先進軌道交通裝備、電力設備、節能與新 能源汽車、海洋工程裝備、航空航天裝備等列為突破發展的重點領域。

鑒於功率半導體在發電、輸配電和電力使用等整個電能供應鏈中發揮了 全方位的關鍵作用，《中國製造 2025》將為功率控制市場帶來強勁的增 長驅動力，預期增長勢頭將延續至 2025 年。

產業與節能政策助力，有望實現自主創新、技術突破

 當前中國乃至全球範圍內環境資源問題面臨嚴峻考驗，各國相繼頒布節 能減排政策，作為各種工業設施、消費電子、家用電器等設備電能控制 欲轉換的核心器件，功率半導體產業將面臨新的技術挑戰與發展機遇。

作為半導體產業與節能減排政策落地實施的契合點，功率半導體產業受 益於國家重點支持，有望在十三五期間實現從「材料-晶圓-封裝-器件-應用」的全產業鏈自主技術突破，尤其是在新能源領域廣泛應用的 MOS 器件及 IGBT 模組，以及 SiC/GaN 等新型材料器件的應用方面。

下游多產業應用需求升級，模塊化、大功率引領市場趨勢

 功率半導體器件主要包括功率分立器件、功率模組和功率集成電路(功 率 IC)。

功率分立器件主要包括:功率二極體;功率電晶體;晶閘管類器 件。

其中常見的功率電晶體包括以 VDMOS 為代表的功率 MOS 器件、絕緣 柵雙極電晶體 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)和功率 雙極電晶體(Power BJT:Power Bipolar Junction Transistors)。

功 率電晶體和晶閘管又可統稱為功率開關器件(Power Switches)。

1.3.1 功率分立器件、功率模組與功率 IC

 功率分立器件從最初的二極體到高端 IGBT、MOS 類器件，根據耐壓、 工作頻率不同，各自適用於不同領域。

其中 MOS 類器件占據著整個功 率半導體市場單類產品的最大份額，約為 25%;IGBT 是目前最熱門且最 具潛力的功率半導體器件，2015 年 IGBT 分立器件約占 10%的市場份額， 相關模組產品約占 30%;晶閘管是目前耐壓容量最高(12kV)與電流容 量最大(10kA)的功率器件。

 功率模塊是指將多個功率器件晶片以絕緣方式組裝到金屬基板上進行 模塊化封裝的功率半導體產品。

相比於分立器件，功率模塊電壓規格更 高、工作更可靠。

目前功率模塊產品約占整個功率半導體市場的 30%左 右，市場占比逐年上漲。

IGBT 模塊是當前最熱門的功率模塊化產品。

功率 IC 也常被電源 IC(Power IC)，是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產物，即將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外 圍電路集成在一個或幾個晶片上。

功率 IC 產品約占功率半導體市場 25%左右。

按照集成方式與性能特點，功率集成電路一般可以分為:

高壓集成電路(High Voltage IC—HVIC)

 智能功率集成電路(Smart Power IC—SPIC)

 智能功率模塊(Intelligent Power Module—IPM)

市場趨勢:模塊化、集成化大勢所趨，多產業驅動市場增長

現代功率半導體器件的製造技術與超大規模集成電路類似，都以微細加 工和 MOS 工藝為基礎，因此也使得功率半導體得以模塊化、集成化， 促進了功率模塊和功率 IC 的迅速發展:

一方面，隨著工藝技術的不斷升級以及高壓大功率需求不斷提升，功率器件需要具有更高性能、更快速度、更小體積，多晶片連接封裝從而實現模塊化是必然趨勢;

另一方面，隨著應用領域不斷擴張和深入，驅使功率 IC 實現更高的效率、更優異的控制功能、更簡化的外圍布局設計，因此高度集 成化也成為極重要的發展方向;

相比分立器件，模塊化器件能有效提升功率器件價值。

功率器件模塊 化使得器件體積更小，功能更強大，相應產品價值會更高。

在市場需求 之下，預期到 2020 年，隨著功率半導體應用的拓展升級，尤其是在新 能源汽車領域的應用帶動之下，功率模組的產值將翻倍。

封裝技術演進:小型化、大功率、高能效

功率分立器件和功率模組的封裝工藝演化趨勢相同，都是向器件小型 化、大功率應用、高能量效率方向進展。

 功率模塊幾乎應用於所有大功率工業產品中，各種應用領域的不同要求 使得功率模組每一部分都面臨改進創新。

從封裝工藝上來看，加裝基板 的功率模塊是一種標準設計(約占 70%—80%)，DBC(直接覆銅工藝) 是應用最廣泛的封裝工藝，這種工藝封裝的模塊通常複雜昂貴。

未來功 率半導體封裝工藝將向更加優異的 Fan-out 封裝發展。

以手機為例，智慧型手機由許多不同功能的模塊組成，每個模塊所需供電 電壓各不相同，由鋰電池直接供電無法滿足各模塊要求，因此需要一個 高效率電源管理晶片，把鋰電池提供的電壓用不同方法按照需要進行轉 換和調節，達到期望的電壓值，以滿足各個模塊的需要。

例如，SDRAM、快閃記憶體(Flash Memory)等數字電路由於受到製造工藝 的限制，需要較低的供電電壓;而模擬電路、射頻電路和顯示部分則需 要一個較高的供電電壓。

此外，電源管理 IC 還需要根據系統的工作狀 態信息動態調節各個模塊的供電電壓值，實現優化控制，減小功耗，從 而提高系統的效率，縮小產品體積，降低成本。

因此，電源管理 IC 已 經成為電子產品系統設計中一個最基本也是最重要的部分。

 據市場調研機構 iSuppli預計，2016年全球電源管理 IC 市場將達387億美元。

隨著應用的不斷創新，電源管理 IC 的市場也呈現出需求多樣 化，應用細分化，更多高性能電源管理 IC 的市場需求也不斷深化擴展， 更好地為滿足系統創新，性能提升而服務。

截止 2016 年，手機電源管理晶片市場年複合增長率(CAGR)為 11.7%移動基礎設施為 13.1%，數字機頂盒為 12.3%。

預計未來五年各類消費 電子產品將持續推動電源管理半導體市場保持較高增長率。

汽車電子領域雖然所占市場份額較小，但卻是發展最快的領域，其市場份額在未來幾年將快速提高;此外在 5G 大趨勢下，網絡通信領域也將保持快速的發展。

2014-2020 年，中國電源管理晶片年均增長率將近 8.4%，至 2020 年市場規模將達 1200 億元左右。

 功率分立器件/模組主要應用——電力電子變換器 電力電子變換器是進行電力特徵形式變換的電力電子電路和裝置，主要 包括 4 種:直-交(DC/AC)逆變器、交-交(AC/AC)變頻器、交-直(AC/DC) 整流器和直-直(DC/DC)變換器。

電力電子變換器的形式多種多樣，功 率半導體器件是電力電子技術及其應用裝置的基礎，對裝置的可靠性、 成本和性能起著十分重要的作用。

據市場調研機構 Yole développement 預測，至 2020 年電力電子變換器 市場 CAGR 約為 6%，其中工業電機驅動和 UPS 穩壓電源領域所占份額最 大，新能源汽車領域具有最高增長率。

電力電子變換器能效需求升級，加速功率器件技術突破 目前我國用於電機的電能約占我國總發電量的 60%左右，根據相關數據 粗略推算，如果全國電機的驅動都採用功率半導體進行變頻調速，可節

約電能大約 30%左右，全國總發電量可節約 15%至 20%。

電力電子變換器是能源轉換的核心器件，電能效率的提升離不開功率器 件的技術進步，且隨著應用領域的拓展，逆變器尺寸向小型化發展，結 構更緊湊，對功率器件的材料及封裝工藝提出了更高要求。

全球功率半導體市場風起雲湧，國內外廠商群雄逐鹿

功率巨頭合縱連橫，行業整合力度不斷加強

建廣收購 NXP 標準部門完成交割，填補國內汽車、工業 IC 空白

繼 2015 年以 18 億美元的金額成功收購恩智浦的 RF Power(大功率功 放管)部門之後，近日建廣資產主導的中國半導體行業最大一筆海外並 購案也順利交割，建廣資產以 27.5 億美元收購恩智浦(NXP)標準件 業務，該部門主營業務為分立器件、邏輯晶片和 PowerMOS 晶片等產品。

此次收購的順利完成，標誌著建廣資本有望成為我國半導體業規模最大 且利潤最高的 IDM(垂直一體化)企業。

恩智浦標準產品業務具有全球領先的覆蓋率、生產能力和盈利能力。

此 次交易完成後，恩智浦標準產品業務部門將成為一家名為 Nexperia 的 獨立公司。

恩智浦的標準產品業務，包括分立器件、邏輯器件及PowerMOS 等產品，除了設計部門，該交易還包括恩智浦位於英國和德 國的兩座晶圓製造工廠和位於中國、馬來西亞、菲律賓的三座封測廠和 位於荷蘭的恩智浦工業技術設備中心，及標準產品業務的全部相關專利 和技術儲備。

Infineon 收購 Wolfspeed 被迫終止，政府加強功率半導體領域管控

近日，美國外國投資委員會(CFIUS)以國家安全問題為由，終止美國Cree 將旗下主營碳化矽業務的 Wolfspeed 出售給歐洲 Infineon，顯示 出美國新政府對碳化矽相關產業的強烈重視。

歐洲功率器件龍頭 Infineon 欲以 8.5 億美元收購 Wolfspeed，成為碳化 矽功率器件市場的領跑者。

日本政府將碳化矽納入「首相戰略」，認為 未來 50%的節能要通過它來實現。

我國通過 863 計劃、國家 02 重大專 項促進碳化矽產業的發展並將碳化矽襯底列入十三五《戰略性新興產業 重點產品目錄》。

作為下一代功率器件主要發展方向，碳化矽將為電力電子帶來重要的技 術革新，並將推動電力電子領域在今後 20-30 年的發展。

與矽器件不同， 國內外廠商在碳化矽領域起步差距較小，隨著我國政府對碳化矽產業的 重視和國內企業研發能力的提升，國內也逐步形成了從襯底、外延到器 件的垂直產業鏈，這一方面可以逐步擺脫對國外襯底、外延的依賴，另 一方面也為器件廠商提供了更大的上游議價能力，推動了國內碳化矽產 業的發展，國內廠商甚至有望藉助碳化矽材料實現功率領域的「彎道超 車」。

國外廠商優勢明顯，國內廠商快速發展力圖進口替代

目前全球半導體功率分立器件中高端產品生產廠商主要集中在歐美、日本和台灣。

美國、日本和歐洲功率器件廠商大部分屬於 IDM 廠商， 而我國台灣的廠商則絕大多數屬於 Fabless 廠商。

並且不同地區通過產 業分工，形成了各自的競爭優勢。

美國在功率 IC 領域具有絕對領先優 勢，歐洲在功率 IC 和功率分立器件方面也都具有較強實力，日本在分 立功率器件方面競爭優勢較強，但在功率 IC 晶片方面，雖然廠商數量 眾多，但整體市場份額不高。

 我們對國內功率半導體上下游產業現狀進行了簡要梳理:

上游原材料層面，與整體半導體產業相似，晶圓供應商在上游產業鏈中仍占據較大話語權;此外在國際廠商帶動下，寬禁帶材料 SiC、GaN 等正逐步進入市場;

生產廠商層面，國內功率半導體廠商基本為 IDM 模式，即具備從設計、製造到封裝測試完整生產鏈，但絕大多數廠商只在二極體、低 壓 MOS 器件、晶閘管等相對低端器件的生產工藝方面較為成熟，對 於 IGBT 等高端器件，國內只有極少數廠商擁有生產和封裝能力，國內銷售的高端功率器件產品仍然被美、日、歐廠商所主導。

面對 良好的市場發展前景和巨大的進口替代市場，對於國內廠商來說， 通過國際產業併購、自主技術突破以實現產品提升、進口替代，是 當下的必然選擇。

下游應用層面，功率 IC 多用於電源管理晶片，進而應用於消費電 子、家用電器、電源設備等;功率模組多用於新能源汽車、智能電 網、軌道交通等各傳統和新興產業中的 DC/AC 逆變器、整流器、驅 動控制電路方面。

受益於我國新能源汽車等產業的強勢發展，近年 來國內功率半導體器件/模組市場需求加速提升，國產替代迫在眉 睫，有望成為我國半導體產業中一個特色增長點。

新能源/軌交等多產業強力支撐市場需求，高端器件急需進口替代3.1 新能源勢頭正旺，全產業鏈拉動 IGBT 等高端器件市場需求

 用電端----新能源汽車、充電樁 功率半導體器件在新能源汽車和充電樁中應用廣泛，內燃機引擎中所使 用燃油泵和活塞，正被鋰離子電池、逆變器和 IGBT 所取代。

據豐田汽 車統計，功率半導體器件用量在電動汽車中占到所有半導體器件的25%。

Mosfet、IGBT 等功率模塊也是充電樁、充電站等設備的核心電

在政府大力推動及各種補貼政策扶持下，2016 我國新能源汽車的產銷 量持續高增長，全年新能源汽車銷量達 50.7 萬輛，同比增長 52.7%。

中國市場已經成為世界上新能源汽車最大的市場，也是增速最快的市場 之一。

作為新能源汽車必不可少的基礎配套設施，我國充電樁行業也正處於高 速建設期，市場空間同樣廣闊，根據國家發改委印發的《電動汽車充電 基礎設施發展指南(2015-2020)》，到 2020 年國內充換電站數量將達 到 1.2 萬個，分散式充電樁超過 480 萬個，以滿足全國 500 萬輛電動 汽車的充電需求。

IGBT——功率半導體皇冠，進口替代正當時

 IGBT 國際廠商優勢明顯，國內發展潛力巨大

國外研發 IGBT 器件的公司主要有英飛凌、ABB、三菱、西門康、東芝、 富士等，所研發的 IGBT 器件產品規格涵蓋電壓 600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的產品系列。

目前，國內已形成了 IDM 模式和代工模式的 IGBT 完整產業鏈。

 政策上，國家意志推動半導體行業崛起，作為高鐵、軍工中關鍵的 功率半導體器件，國家會給予政策和資金上的支持。

2015 年 5 月 國務院正式發布了《中國製造 2025》強國戰略，明確提出將先進 軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、高檔數控工具機和機器人等列為突破發展的十大重點領域。

資金上，功率半導體採用特色工藝，不追求先進位程，資金投入僅為集成電路的 1/10，國內廠商可以利用資本優勢獲得先進工藝，快速追趕海外巨頭;

技術上，國內企業從低端功率器件起家，積累多年開始向高端器件進軍，以南車、比亞迪為代表的廠商已實現技術突破，成功實現國 產化 IGBT 在高鐵和新能源汽車中的應用，未來會有更多的國內功 率器件廠商切入這一藍海市場。

新能源汽車/軌交市場需求加速 IGBT 國產替代 中國功率半導體市場占世界市場的 50%以上，但在新能源汽車、軌道 交通等中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件市場上， 90%主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業壟斷。

IGBT 是新能源汽車及充電樁等 設備的核心技術器件。

據 IHS 預測，到 2020 年全球 IGBT 市場規模可 以達到 80 億美元，年複合增長率約 10%，國內市場規模將超 200 億元， 年複合增長率約為 15%，具備廣闊的國產替代空間。

寬禁帶材料推動技術革新，SiC/GaN 新型功率器件潛力巨大

 Si 基器件面臨物性瓶頸，SiC/GaN 寬禁帶性能優異 功率器件性能的改變不僅表現在能量變換效率的提升，而且表現在系統裝置能量處理能力上———功率密度的提升，此指標平均每 4 年就提升 1 倍， 被業界稱為「功率電子領域的摩爾定律」。

目前市場主流的功率半導體器件是 Si 基器件，包括部分 SOI(Silicon on Insulator)基高壓集成電路。

但隨著半導體工藝技術不斷改進，Si 基 器 件性能已經趨向其材料本身的理論極限，使得功率密度的增長出現了飽和趨 勢，其發展速度已無法滿足市場的高性能要求。

隨著以 SiC(碳化矽)和 GaN(氮化鎵)為代表的寬禁帶半導體材料製備、 製造工藝與器件物理的迅速發展，SiC 和矽基 GaN 電力電子器件逐漸成為功 率半導體器件的重要發展領域。

考慮到混合動力車、電動車、電源供應裝置與太陽能電力轉換器等市場需求 不斷上揚，Yole 預估全球 SiC 與 GaN 功率半導體市場將由 2015 年的 2.1億美元，先上揚為 2020 年的 10 億美元以上，然後於 2025 年飆升至 37 億 美元。

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