igbt芯片制造难度在哪里：功率半导体行业研究

逗爷 2023-01-19 08:18:38 591

igbt芯片制造难度在哪里：功率半导体行业研究MOSFET具有开关速度快的优点，但高耐压下导通电阻会很高。IGBT作为MOSFET BJT结构的复合型器件，相比MOSFET：(1)串联结构耐压更高，导通电阻低，(2) 能放大电流，(3)但拖尾电流使其开关频率更低。目前主流功率器件为MOSFET和IGBT，MOSFET开关频率高，更适用于高频中高压领域（100-1000KHz 20-1200V），IGBT耐压很高，更适用于高压中低频领域（＜100KHz 600-6500V）。早期开发的功率分立器件二极管、三极管、晶闸管，在结构上都由简单的 PN结组成，开关速度慢，常用于低频领域。二极管：仅单向导通，是最常见的功率分立器件；晶闸管：可正向触发导通，具备开关特性；三极管：依靠小电流控制开关通断，有线性放大功能。主流功率器件MOSFET VS IGBT：向更高频领域 VS 更高压领域

（报告出品方/作者：长城证券，唐泓翼）

功率半导体趋势：围绕性能升级，向更高频高压领域进发

功率半导体分类：功率分立器件功率模块功率IC

功率半导体是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件，其主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。按器件集成度划分，功率半导体可以分为功率分立器件、功率模块和功率IC三大类。

早期二极管 VS 晶闸管 VS 三极管：开关速度慢，常用于低频领域

早期开发的功率分立器件二极管、三极管、晶闸管，在结构上都由简单的 PN结组成，开关速度慢，常用于低频领域。

二极管：仅单向导通，是最常见的功率分立器件；晶闸管：可正向触发导通，具备开关特性；三极管：依靠小电流控制开关通断，有线性放大功能。

主流功率器件MOSFET VS IGBT：向更高频领域 VS 更高压领域

目前主流功率器件为MOSFET和IGBT，MOSFET开关频率高，更适用于高频中高压领域（100-1000KHz 20-1200V），IGBT耐压很高，更适用于高压中低频领域（＜100KHz 600-6500V）。

MOSFET具有开关速度快的优点，但高耐压下导通电阻会很高。IGBT作为MOSFET BJT结构的复合型器件，相比MOSFET：(1)串联结构耐压更高，导通电阻低，(2) 能放大电流，(3)但拖尾电流使其开关频率更低。

功率器件结构端演进：器件结构迭代性能升级，工艺复杂度提升

从器件内部结构来看，MOSFET从“平面型→沟槽型→超级结→屏蔽栅”的演变，IGBT分别从“穿通→非穿通→场截止” 和“平面栅→沟槽栅”的演变，这些优化都在不断提升器件耐压、降低损耗和导通电阻。

功率器件产品端演进：功能集成模块化，更适用高压大电流场景

相比单管的功率分立器件，集成度更高的功率模块和功率IC能够实现高可靠、高集成、高效率的性能，在高压大电流场景和消费电子场景应用广泛。

功率模块由多个分立的功率单管按特定功能串、并联组成。相比单管，功率模块能简化外部连接电路，更适合高压和大电流场景，可靠性更高。比如同一制造商的同系列产品，IGBT模块的最高电压一般会比IGBT 单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700V，则模块有2500V、3300V乃至更高电压规格的产品。

功率IC通常由功率器件及其驱动电路、保护电路等外围电路集成而成，主要包括各类电源管理芯片(PMIC)。相比器件单管和功率模组芯片，功率 IC 集成度更高，但适用的电流电压范围也较低，多应用于消费电子领域。

功率器件材料端演进:性能突破硅限，SiC、GaN成未来功率新趋势

长期来看，相比传统Si基，宽禁带材料（SiC、GaN）能在耐压和开关频率上获得更好的器件性能，未来将逐步替代硅基器件成为高压高频应用领域的市场主流。以电压场景来分，0-300V 区间内Si材料占据成本方面优势，600V 以上的高压区间内SiC占据主要优势，300V-600V 区间则是GaN材料的优势领域。

SiC器件相对于Si器件的优势主要来自：Si 10倍的耐压，1/10的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温工作。目前SiC功率器件的种类包括SiC 二极管、SiC MOSFET以及SiC模块，其中SiC MOSFET模块甚至能替代硅基IGBT模块的应用区间。但由于衬底和外延的制造难度，SiC器件成本更高，在中高端场景优势更明显，特别是需要高压、高能量密度应用场景，如充电桩、车载充电机及汽车电驱等。

GaN 器件相对于Si器件的优势来自：Si 10倍的开关频率，更适合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如 SiC。目前GaN功率器件主要以GaN晶体管为主，随着成本的下降，GaN器件有望在中低功率领域替代二极管、MOSFET 等硅基功率器件。

公司横向对比：各有千秋，时代、斯达、BYD产品优势凸显

维度一：产品线多样化布局，究竟孰强孰弱？

从品类布局的广度来看，目前国内在功率半导体产品布局最完善的厂商是闻泰科技旗下的安世半导体和华润微，覆盖到80%的功率器件品类，士兰微也覆盖到73%的品类。其中，安世半导体作为全球领先的分立功率半导体IDM龙头厂商，小信号二极管和晶体管出货量全球第一、小信号MOSFET全球排名第一、车规级 PowerMOS全球排名第二、功率分立器件全球第六，体量优势最大。

整体来看，越来越多公司开始往IGBT、SiC器件等高附加值产品切入，第三代半导体器件布局趋向全面，其中九成以上的公司布局SiC赛道。在SiC方面，在已统计的12家功率公司中，11家公司（占比达92%）有SiC 产品布局，其中时代、斯达、BYD等7家（占比达58%）公司在SiC MOSFET产品线上布局。在GaN方面，已有闻泰科技、华润微、士兰微、三安光电等6家（占比达50%）公司切入GaN FET产品线。

维度二：IGBT/SiC/GaN最新进展，技术各有千秋

在IGBT领域，国内目前具备领先技术实力、能实现对标英飞凌最新第七代IGBT的IDM公司主要有BYD半导体、时代电气、斯达半导、士兰微。

在IGBT电压范围上，时代电气IGBT产品包括从750V到6500V的电压区间，覆盖范围最广。从应用场景来看，时代电气覆盖750V-6500V电压，覆盖范围最广，是国内轨交IGBT的龙头厂商；BYD半导覆盖600-1200V电压，是国内供应新能源车规IGBT的龙头厂商，先发优势明显；斯达半导覆盖100-3300V电压，在家电领域积累多年，车规级IGBT模块也已大批量出货；士兰微在家电领域为主的IPM模块市场占据明显优势，目前已切入车载领域。

国内GaN器件最新进展：闻泰、三安、华润微硅基GaN技术量产

在GaN器件领域，国内目前相关产品进展最快的是闻泰科技，其次是三安光电和华润微，均进入量产阶段。国内厂商陆续布局氮化镓领域，主要完成研发、验证阶段，其中闻泰科技、三安光电、华润微产品已实现量产。

在参数范围上，闻泰科技GaN器件覆盖650V等级的34.5-60A电流区间，车规验证产品技术领先。从参数范围来看，闻泰科技旗下的安世半导体硅基GaN器件覆盖650V 34.5-60A的更大电流值区间，具备领先技术实力、已通过AECQ认证测试并实现量产；华润微自主研发硅基GaN FET可覆盖650V、900V电压级别；三安光电可覆盖 650V 5-20A区间。

维度三：各产品价格对比，议价能力或见分晓

功率龙头公司器件单价对比：时代、BYD、斯达IGBT定价领先

整体来看，主营功率器件越高端，产品平均单价越高，其中时代、BYD、斯达IGBT模块定价领先，均价高于百元量级。从年报数据预测价格来看，相比其他公司，时代电气、BYD半导、斯达半导这三家以IGBT模块为主营业务的公司均价都在高于百元的量级，而主营MOSFET、晶闸管、二极管等功率器件业务的公司均价都在个位数水平。这一方面主要来源于模块产品与单管产品价格的差异，另一方面也来源于IGBT的高附加值。

从IGBT模块产品定价梯度来看，时代电气产品定价最高，IGBT模块单价高达近千元。从IGBT模块定价来看，各梯度划分来源于应用范围上的差异：时代电气以轨交应用为主，IGBT模块均价高达近千元，BYD半导则集中在车规应用，IGBT模块均价400 元，而斯达半导以家用电器领域为主，IGBT模块均价100 元。

从MOSFET、晶闸管、二极管等各类功率器件来看，东微半导定价最高，达到2.84元/颗。这主要来源于其在高压超级结MOSFET、中低压沟槽栅MOSFET以及超级硅MOSFET等主营产品上的技术领先优势，以及在新能源车、光伏等领域的应用优势。

功率龙头公司单管价格横向对比：士兰微全品类价格优势凸显

相比于年报测算价格，经销商对于消费者的定价普遍在更高水平，这主要来源于终端销售的溢价。其中， IGBT单管均价与年报测算价格呈现出近1:12的倍数关系，主要由单管与模块单管数量上带来的价格差异所致。

整体来看，同样呈现出器件越高端，价格越高的趋势。同时，士兰微在功率分立器件全品类的价格优势凸显。细分各品类中，在各类二极管和三极管方面，士兰微均价最高；在MOSFET方面，东微半导均价最高，华润微、士兰微位居二、三名，在IGBT方面，斯达半导单管均价最高，其次是华润微、士兰微。其中，士兰微覆盖超结MOSFET、IGBT、FRD、高性能低压分离栅MOSFET等分立器件的技术平台，产品性能达业内领先水平，在分立器件的全品类里均能占据一定的定价优势。

维度四&五：公司经营情况之市占地位&管理效率

各公司财务数据对比：闻泰科技市占地位最高，东微人均产值最高

从功率半导体板块的营收来看，目前市占地位最高的是闻泰科技，以138亿元位列第一，其次是华润微、士兰微，分别有102亿元、61亿元的规模。主要原因对应于其产品线布局最全，其中，闻泰科技旗下的安世半导体是全球领先的功率芯片IDM龙头厂商，拥有近1.6万种产品料号。不仅与国内重点的新能源汽车、电网电力、通讯等领域企业均建立了深度的合作关系，在2021年安世跻身全球第六大功率半导体公司，相比2020年上升三位，并稳居国内功率半导体公司第一名位置。

从人均创收来看，东微半导以1043万元排名最高，其次是新洁能，以487万元位列第二。值得一提的是，人均创收前二的企业均为以设计业务为主的Fabless公司，相比IDM公司，其总员工人数更少，管理效率更高，员工的生产效率更高。

维度六&七：公司经营情况之研发支出&盈利能力

各公司财务数据对比：闻泰研发投入最高，圣邦微盈利能力最强

从研发支出来看，闻泰科技由于收入体量最大，其研发费用也以37亿元高居榜首，其次是时代电气。其中， 2021年闻泰科技在半导体业务研发投入8.37亿元，在第三代半导体方面也已布局，目前推出的硅基氮化镓功率器件(GaN FET)已通过AECQ认证测试并实现量产；碳化硅二极管产品也已经出样。而时代电气不仅有车规级、轨交级IGBT模块产品，同样布局车规级SiC模块，拥有全电压等级（750V-3300V）SiC MOSFET及SBD芯片产品，应用于新能源汽车、轨道交通、工业传动等多个领域，在研发支出上也有较高投入。

从功率半导体板块毛利率来看，大多数公司的毛利率在35%-40%区间。其中，盈利能力最强的是圣邦微，毛利率高达53%，主要原因在于公司的产品结构以PMIC等高附加值产品为主。而捷捷微电以47%的毛利率紧随其后，这主要是由于售价端的拉动，公司的产品虽然以晶闸管为主，但其可靠性与国外产品相当，且相对国外产品性价比更高，在行业内具有一定的定价权，能够维持产品的高毛利率。

维度八：公司经营情况之运营能力

各公司财务数据对比：闻泰科技、苏州固锝运营能力最强

从平均存货周转天数来看，库存变现周期最短的是闻泰科技(45天)，其次是苏州固锝(48天)，公司存货管理水平最高，运营能力强。闻泰科技、苏州固锝由于产品应用领域结构不同，公司应用于消费级产品的生命周期较一般应用于工业终端的产品相对更短，市场需求量大，相应的存货放置期也较短，从而存货余额相对较低。横向比较中，三安光电的库存变现需要时间最长，存货减值风险较高。

从平均应收账款周转天数来看，应收账款变现速度最快的是圣邦微(20天) 和新洁能（33天）。圣邦微主要功率IC产品和管理效率在业界属于领先水平，且客户结构以经销商为主（占比94.97%），应收账款周转天数进而降低。新洁能在沟槽MOS，屏蔽栅SGT-MOS和超结SJ-MOS等高附加值的MOSFET产品具备技术领先优势，是国内率先掌握超结理论技术，最早同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、SGTMOSFET产品平台的本土企业，行业地位高，对上下游更有话语权。

报告节选：

igbt芯片制造难度在哪里：功率半导体行业研究(1)