1.1. 简介：能源转换的核心器件，细分品类众多

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分立器件，主要用于改变电子装置中 电压和频率、直流交流转换等。

功率半导体主要起源于 1904 年第一个二极管的诞生，而 1957 年的美国 通用电气公司发表的第一个晶闸管，标志着电子电力技术的诞生；1970 年代，功率半导体进入快速发展时期，GTO、BJT 和 MOSFET 的 快速发展，标志着第二代电子电力器件的诞生。之后 1980 年后期， IGBT 开始出现，各种功率模组推动着功率半导体快速向前发展。进入 21 世纪，以全新宽禁带材料为衬底的半导体器件开始出现，功率半导体的性能和市场需求进入一个全新的阶段。

功率半导体目前主要可以分为功率 IC和功率器件两大类。功率器件按 照外界条件控制器件的开通和关断的分类标准可分为：不可控型、半控型和全控型功率器件。其中，二极管单向导通，可以实现整流，属 于不可控型；晶闸管只能触发导通，不能触发关断，属于半控型；晶 体管包括 IGBT 和 MOSFET 等，可以触发导通，也可以触发关断，属于 全控型器件。功率 IC 指功率类集成电路设计，属于模拟 IC 的一种，主 要分为 AC/DC、DC/DC、电源管理 IC 和驱动 IC 等。

功率器件主要为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和 IGBT等，市场主要被国外厂商垄断。二极管是基础性器件，主要用作整流，虽然 原理成熟，但受产品稳定性及客户认证壁垒影响，国产化率仍然较低；三极管主要适用于消费电子等产品，用于开关或功率放大，国外厂商 仍占据市场份额的前列，国内厂商在附加值较低的部分已完成了国产 替代；晶闸管主要用于工业领域，属于电流控制型开关器件，市场整体规模较小。

MOSFET 和IGBT是最主要的功率器件，其中MOSFET 适 用于消费电子、网络通信、工业控制、汽车电子等，相较于前三者， 适用频率高，但一般用于功率不超过 10kw 的电力电子装置，在中低压 领域，国内厂商正逐步展开国产替代；IGBT 可用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等高压高频领域，高 压下，开关速度高，电流大，但开关速度低于 MOSFET，前五大企业 的市场份额超过 70%，国内企业与国外企业技术水平存在一定差距。

SiC与 GaN由于其性能的优越性，可以适用于更广泛的范围。SiC与 GaN 在 5G、电动汽车、光伏等各个领域均表现出更加优异的性能。其 中，特斯拉已经将电动汽车 model3 中的 IGBT 器件替换为多个 SiC MOSFET 模块，取得了更优的性能。

在功率半导体的发展路径中，功率半导体从结构、制程、技术、工艺、 集成化、材料等各方面进行了全面提升，其演进的主要方向为更高的 功率密度，更小的体积，更低的功耗及损耗。在结构更改方面，从晶闸管到 IGBT，功率半导体的器件结构进行了显著的升级和更改，IGBT 结构与 MOSFET 结构就有较大的变化；在制程缩小方面，功率半导体 的线宽制程从最初的 10 μm 缩小至如今的 0.15-0.35 μm；在技术变化和 工艺进步方面，超薄圆片结构、背面扩散技术、超级结技术等的优化 都使产品更加适应小功率市场，具备更出色的性能和易用性；在集成 调整方面，成功推出功率模块，即将多个功率器件进行封装，使其可 以在更高频率工作的同时，能够拥有更小的设备体积和重量；在材料迭代方面，从 Si材料逐渐向 GaN、SiC等宽禁带材料升级，使得功率器 件体积和性能均有显著提升。

1.2. 市场特征：广阔应用下周期性减弱，市场规模呈上升 趋势

从纵向角度看，看细分品类，根据 Omdia的数据，2019年功率半导体 全球市场规模为 463亿美元。功率IC市场规模为244亿美元，占52.7%， 功率器件市场规模为 210 亿美元，占 47.3%。功率器件中的晶体管市场 规模为 144.4 亿美元，占功率器件市场的 68.76%。晶体管市场主要由 MOSFET 和 IGBT 组成，其中 MOSFET 市场占 56.09%，约 81亿美元， IGBT 市场占 43.91%，约 63.4亿美元。其主要厂商包括英飞凌、意法半 导体、德州仪器、安森美、三菱等，其中功率半导体龙头厂商为英飞 凌。

看下游应用，功率半导体下游需求主要以车载方向和电机驱动等为主。根据 Yole 的 2019 年统计数据，功率半导体主要下游驱动应用方向分别 为车载方向（包括 EV、HEV，硅 MOSFET）、电机驱动（Motor Drive， IGBT 模组）、智能手机以及无线设备（硅 MOSFET）、计算机技术以及 存储（硅 MOSFET）、工业方向（硅 MOSFET）和 EV、HEV 方向 （IGBT 模组）等。

从区域角度看，中国是全球最大的功率半导体消费国，且中国的功率 半导体的市场规模在全球的占比仍在逐步增加。根据IHS markit 的数据， 2018 年，中国功率半导体市场规模为138亿美元，占全球需求比例高达 35%，14-18 年市场占比平均每年约增加 0.8 pct。未来中国的功率半导 体市场占比仍将加速增加，预计 2021 年中国市场规模达到 159 亿美元， 18-21 年 CAGR 为 2.39%，在全球市场的占比增加到 36.1%，18-21年市 场占比平均每年约增加 0.37 pct。

从横向角度看，回溯过去七年：

（1） 市场规模方面，功率半导体的市场规模在全球半导体行业的占比 在 8%-10%之间，结构占比基本保持稳定，功率半导体的周期性 相对较弱。这主要是因为功率半导体应用领域广泛，下游客户季 节性需求呈现此消彼长的动态均衡关系，致使行业的季节性特征 并不非常明显；

（2） 增速方面，功率半导体 14-20 年 CAGR 为 3.41%，略小于半导体 行业 14-20 年 CAGR 的 4.33%。

展望未来，根据 Omdia的数据，2023年功率半导体市场规模预计达到504.66亿美元，17-23年 CAGR为 4.93%。另外根据 SEMI的数据，从 17-23年，细分市场增速最快的是 IGBT与模块产品和 IPM，CAGR分 别为 7.86%和 7.61%，随着未来电动汽车、工业物联网等新领域的不断 拓展，高密度、能承受高电流和高电压的IGBT、IPM以及相关模块产 品的需求量将加速上升。

1.3. 细分品类：分立器件中MOSFET和IGBT占比最大，宽禁 带进入快速发展期

MOSFET和 IGBT 是占比最大的分立器件。根据可控类型分类角度进 行细分领域分析，功率半导体除了功率 IC 以外，主要包括 IGBT、 MOSFET、晶闸管和二极管等分立器件，其中 IGBT 和 MOSFET 市场占 比最大，分别占 14.51%和 18.54%。在 IGBT 器件中，主要包括分立 IGBT、IGBT 模块和 IPM 模块，其中主要为 IGBT 模块，占 52.21%。

① MOSFET是最为成熟的功率器件之一，MOSFET全球市场规模稳 定增长。根据 Yole 统计数据，全球 MOSFET 市场规模由 2020年的 75 亿美元，预计增长至 2026 年的 94 亿美元，20-26 年 CAGR 为 3.8%，其中汽车、工业等下游细分 MOSFET 需求增速较快。

② IGBT在 MOSFET基础上升级，市场空间增速快。IGBT 作为半导 体功率器件中的全控器件，是由 BJT（双极型三极管）和 MOSFET （绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器 件，有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。IGBT 的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电 流的频率，有逆变和变频的作用，其应用领域极其广泛。按电压分 布来看，消费电子领域运用的 IGBT 产品为 600V以下；太阳能逆变 器、白色家电、电动汽车所需的 IGBT 在 600-1700V 之间；动车组 常用的 IGBT 模块为 3300V 和 6500V，轨道交通所使用的 IGBT 电 压在 1700V-6500V 之间。IGBT 在电动汽车中主要运用于电力驱动 系统、车载空调系统和充电桩。

根据 Yole的预测，IGBT全球市场规模预计由 2020年的 54亿美元，增 长至 2026年的 84亿美元，2020-2026年 CAGR为 7.5%，或将是市场 空间增速最快的分立器件。

③ 功率二极管和晶闸管作为传统的功率器件之一，市场规模基本趋于 稳定。根据 IHS markit的统计数据，晶闸管 2019年全球市场规模为 4.93 亿美元，预计 2024 年为 4.76 亿美元，中国市场 2019 年为 2.05亿美元，预计 2024 年为 1.91 亿美元，基本保持不变。二极管 2019 年全球市场规模为 43.26 亿美元，预计 2024 年为 46.62亿美元，19- 24 年 CAGR为 1.51%；中国市场 2019年为 14.39 亿美元，预计2024 年为 15.54 亿美元，19-24 年 CAGR 为 1.55%。从变化增速可以看出， 两者市场规模基本趋于稳定。

功率半导体从衬底材料角度的细分领域分析，Si仍旧占据市场主导位 置，SiC 和 GaN的市场占比加速增加。SiC 和 GaN由于成本和技术原 因，在功率器件中的占比仍较小，2019 年 SiC 占总份额的 3.3%，GaN 仅占 0.4%，但是占比在不断增加。GaN的市场占比2017-2023年平均每 年增长 0.57pct，SiC 的市场占比 17-22 年平均每年增长 0.88pct

以 SiC和 GaN为首的第三代半导体，将进入快速发展时期。根据Omdia 的 SiC＆GaN Power 数据，随着市场规模达到临界规模，这一转变即将 到来，预计到 2021 年，收入将超过 10 亿美元，这得益于混合动力和电 动汽车，电源和光伏（PV）逆变器的需求。另外，分立 SiC 功率器件 将占第三代半导体器件的主要份额。未来规模扩张速度将不断加快， 预计从 2021 年到 2024 年将增加 10 亿美元，年均增加 3.3 亿美元，从 2024 年到 2029 年将增加 30 亿美元，年均增加 6 亿美元。

2.细说功率半导体三大行业特性

功率半导体行业有着三个独有的行业特性，分别为：①非尺寸依赖型 工艺，专注于结构和技术改进以及材料迭代；②商业模式以IDM为主， 利于技术积累和迭代；③细分需求多样化，依赖特色工艺平台的全面 性和深度性。

从功率半导体产业链流程来看，设计、制造工艺和封装集成均十分重 要。功率半导体以晶圆、光刻板、衬底材料等半导体材料为基础，经 过设计、制造、封装后形成细分终端产品。其中，除了设计之外，功 率半导体的制造工艺和封装工艺亦十分关键：

① 在制造工艺中，需要涉及外延工艺、光刻工艺、减薄、背面金属化 等制造工艺，制造工艺是影响器件性能的核心因素之一；

② 在封装工艺中，裸片会进行器件封装或模组封装或集成封装，裸片 若经过器件封装会形成功率分立器件，若经过模组封装会形成功率 模组。由于功率半导体工作环境极端，对可靠性和寿命等要求较高， 因此封装技术同样是影响器件性能的核心因素之一。

最后成型的功率器件会用于各类终端，功率分立器件主要用于消费电 子、家用电器等，功率 IC 多用于电源管理芯片，适用于工业控制、网 络通信等，功率模组可承受更高压环境，则主要用于军工航天、轨道 交通等产业内的 DC/AC 逆变器、整流器、驱动控制电路方面。

2.1. 行业特性一：非尺寸依赖型工艺，专注结构与材料特 性

集成电路技术的发展主要分为三个技术方向：尺寸依赖的先进工艺， 非尺寸依赖的特色工艺以及先进封装工艺。在纵向的先进工艺中，业界追求特征线宽的缩小、工作电压的降低、 开关频率的提高等。它主要追赶摩尔定律，不断实现更高密度的技术， 从 130 nm 到 3 nm 工艺，晶体管的集成度越来越高，成本大幅下降，芯 片的价格也不断下降。

在横向的特色工艺中，强调器件特征多样化，专注于芯片如何在不同 场景下承受高电压、输出高电流，以及如何提高电路线性特征，降低 噪声。特色工艺追求的不完全是器件的缩小，而是根据不同的物理特 性，做出不同的产品，比如射频器件、模拟器件、无源器件、高压功 率半导体、传感器等。第三个方向为先进封装工艺方向，利用特种的 封装进行高密度的组装做出更高价值产品。

功率半导体属于特色工艺产品，非尺寸依赖型，在制程方面不追求极 致的线宽，不遵守摩尔定律。数字芯片更加注重制程的升级，目前处 理器等高端数字芯片的先进制程基本在 14 nm 以下，高端产品更是达到 了 5 nm 制程，算力发展速度较快。而对于功率半导体而言，性能发展 速度较慢，制程基本稳定在 90 nm-0.35 μm 之间，其发展关键点主要包 括制造工艺、封装技术、基础材料的升级。

发展关键点 1：制造工艺。功率半导体制造工艺的具体难点在于沟槽工 艺以及背面工艺（晶圆减薄、高剂量离子注入）等。以 IGBT 为例，自 上世纪 80 年代被推出后，每一次的性能升级都离不开表面结构及背面 工艺的进步。

（1）沟槽工艺：目前中高端的功率器件（MOSFET和IGBT）均使用 沟槽工艺。IGBT 的表面结构发展曾历经平面栅工艺到沟槽栅工艺的演 变。第一代和第二代的 IGBT 采用平面栅工艺，由于 pbase 与扩散区形 成球面 PN 结，产生 JFET 效应，导致导通压降较大。英飞凌在第三代 IGBT 中采用沟槽栅结构，使得 P 型发射区的反型沟道垂直于硅片表面， 有效消除 JFET 效应，增加了表面沟道密度，降低了器件导通损耗。另 外，最新的 IGBT 7 对沟槽工艺进一步升级，采用 MPT（Micro Pattern Technology）结构将微沟槽栅和 FS 组合并应用低压 MOS 技术，进一步 大幅提高了沟道密度，从而实现更大的器件性能控制范围。相比于平 面栅，沟槽栅结构性能得到了显著的提升，所以对于 IGBT 器件而言， 表面结构升级也是产品高端化的必经之路。

制备沟槽型器件工艺壁垒高，设计-制造环节须历经长期技术沉淀。沟槽栅 IGBT 的沟槽宽度仅有 1-2 μm，而沟槽深度要达到 4 μm 以上。因 此，通过酸腐蚀工艺制备沟槽时，须对沟槽的宽度和深度实现精确控 制。此外，沟槽壁亦要尽可能光滑以提升良率。同时，IGBT 沟槽底部 的倒角亦须圆润、均一以免影响器件耐压。而沟槽形貌与设备条件、 刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系，须大力协调三者之间关系才 可规模量产沟槽形貌良好的 IGBT 产品。因此，功率半导体的制造工艺 壁垒较高，需要晶圆厂与芯片设计部门长期合作，对器件的设计及制 造技术长期打磨及优化。

（2）背面工艺：对良率、成本影响显著，减薄和背金是关键。同以 IGBT 为例，背面工艺主要包括正面贴膜、背面减薄、背面清洗、背面 P 注入、激光退火、背面 B注入、背面金属化、烘烤等。IGBT 4相较于 3 进一步减薄了背面结构，使得开关损耗进一步降低，同时最高工作结 温也从 125 ℃提升至 150 ℃，但相应的背面工艺复杂度也显著提升，主 要体现在晶圆减薄、注入及金属化等工艺中。

在背面工艺易产生碎片。在晶圆被减薄至100-200 μm后，后续的掺杂 以及背面金属化的过程中，亦会因为工艺控制及搬运不慎带来碎片的 风险。因此，在 wafer 尺寸超过 8 寸后，背面工艺难度提升，对 IGBT 良率影响也显著放大，目前能够规模量产 12英寸 IGBT 的晶圆厂较少。此外，使用场截止技术时，亦对背面掺杂工艺提出更高要求，须综合考量深度、浓度、分布以及与集电极的匹配等影响因素，涉及的变量 较多，优化难度大。

发展关键点 2：封装工艺。由于功率半导体工作环境极端，对可靠性和 寿命等要求较高，因此封装工艺同样是功率半导体的主要关注点。封 装工艺主要从三种途径进行改进：①提高芯片面积与占用面积之比；②将封装的电阻和热阻减至最小；③将寄生电阻和电感减至最小。TOLL可以被应用于离散型功率器件封装。

车规级 IGBT模块封装技术壁垒更高，封装质量及散热重要性突出。车 规级 IGBT 模块是功率半导体封装技术壁垒最高的产品之一。车规级封 装是保障高温运行、高功率密度、高可靠性的关键因素，不仅仅涉及 到芯片表面互连、贴片互连、端子引出、散热等关键技术工艺。

直接液冷是目前车规 IGBT模块的主流散热方案。对于模块散热设计而 言，其结构设计难度大，需要厂商对热力学及材料体系有较为深入的 理解。早期车规 IGBT 模块采用基于铜基板的三明治结构，该设计散热 性能差且结构笨重，限制模块功率进一步提升。为提升散热能力，针翅直接水冷散热结构以及更为先进的双面散热被提出并广泛采用，目 前日本电装、日立以及英飞凌的双面散热模块已实现商业化。

发展关键点 3：材料迭代。功率半导体还专注于材料的迭代，现有第三 代半导体材料可有效提升原有硅基材料的性能，突破原有器件性能天 花板。以 SiC、GaN 等第三代半导体材料为基础的功率半导体可在更高 频、更高压的环境下工作，性能上超过原有 Si基 IGBT 和 Si基MOSFET， 且原有的成本问题也不断得到了优化。（报告来源：未来智库）

更多详见：功率半导体：新能源需求引领，行业快速发展（二）