汽車功率半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀

汽車功率半導(dǎo)體作為汽車電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，近年來隨著新能源汽車的快速發(fā)展而備受關(guān)注。根據(jù)市場研究公司的數(shù)據(jù)，2021年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到191億美元，預(yù)計到2026年將增長至285億美元，年復(fù)合增長率為8.9%。功率半導(dǎo)體產(chǎn)品主要包括功率晶體管、功率集成電路、肖特基二極管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等，其中IGBT和MOSFET是最受歡迎的產(chǎn)品類型。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、新能源等領(lǐng)域，尤其是在電動汽車和可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。

在汽車領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體主要用于動力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全系統(tǒng)等關(guān)鍵部位。隨著新能源汽車的普及，對功率半導(dǎo)體的需求大幅上升。例如，傳統(tǒng)燃油車使用的半導(dǎo)體器件價值為355美元，而純電動汽車/混合動力汽車則高達(dá)695美元，其中功率器件的增加最為顯著，從17美元增加到265美元，增長了近15倍。此外，功率半導(dǎo)體也在朝著模塊化、集成化、智能化、低碳化和節(jié)能化的方向發(fā)展，以提高性能、降低成本并簡化設(shè)計。

汽車功率半導(dǎo)體未來技術(shù)突破方向

未來，汽車功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展將集中在幾個關(guān)鍵領(lǐng)域。首先，模塊化和集成化將繼續(xù)是重要的發(fā)展方向，通過將多個功率半導(dǎo)體器件集成到一個封裝內(nèi)，實現(xiàn)更高的功能密度和更低的系統(tǒng)成本。其次，智能化和自動化也是未來的發(fā)展趨勢，功率半導(dǎo)體將通過引入物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)自我診斷、自適應(yīng)控制以及與其他設(shè)備的智能互聯(lián)。

特別值得注意的是，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這兩種關(guān)鍵材料的發(fā)展。它們具有高耐壓、高頻率、低損耗等優(yōu)點，為功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。碳化硅器件因其在高溫、高壓、高頻環(huán)境下的工作能力和較低的能量損失而備受關(guān)注，尤其是在電動汽車、新能源、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。然而，碳化硅器件的制造成本較高，良品率有待提高，這限制了其目前的普及程度。未來，需要進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提高碳化硅器件的可靠性，以推動其廣泛應(yīng)用。氮化鎵器件在高頻、高效、高功率應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢，但需要深入研究其材料特性，優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，以提升其穩(wěn)定性和可靠性。

汽車功率半導(dǎo)體市場需求變化趨勢

隨著全球?qū)?jié)能減排和駕駛舒適性要求的提高，新能源汽車市場呈現(xiàn)出強勁的增長勢頭。2022年全球純電動汽車銷量達(dá)到780萬輛，同比增長68%，這一增長趨勢凸顯了新能源汽車的市場需求。特別是在中國，新能源汽車的產(chǎn)銷已經(jīng)連續(xù)8年保持全球第一，這直接推動了對功率半導(dǎo)體需求的大幅增加。據(jù)StrategyAnalytics測算，傳統(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體用量僅71美元，而新能源汽車上功率半導(dǎo)體用量至少翻番，純電動車上更是大幅增長至384美元，增幅高達(dá)441%。

此外，功率半導(dǎo)體的交貨期也受到了影響。由于供應(yīng)鏈的緊張，車規(guī)功率半導(dǎo)體的交貨期一再延長，截至2022年11月，功率半導(dǎo)體的交貨時間已從5月底的31~51周延長至39~64周。IGBT成為短缺的大戶，全球知名元器件分銷商公布的2023年半導(dǎo)體產(chǎn)品Q1貨期顯示，IGBT的貨期普遍在40周以上，這表明汽車對功率半導(dǎo)體的需求仍然旺盛，而供應(yīng)端的緊張狀態(tài)短期內(nèi)難以緩解。

汽車功率半導(dǎo)體行業(yè)競爭格局及發(fā)展趨勢

目前，全球功率半導(dǎo)體市場的主要競爭者包括德國英飛凌、日本三菱、富士電機(jī)、美國安森美、瑞士ABB等，這些企業(yè)的市場份額超過70%。在中國市場，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展較晚，但正在通過技術(shù)創(chuàng)新加快國產(chǎn)化進(jìn)程。國內(nèi)企業(yè)在服務(wù)客戶需求和降低成本等方面具有競爭優(yōu)勢，預(yù)計未來國產(chǎn)代替空間十分廣闊。

國內(nèi)功率半導(dǎo)體行業(yè)的競爭格局呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性競爭的特點，市場集中度較低。隨著新能源汽車的推廣和充電樁數(shù)量的增加，半導(dǎo)體分立器件將迎來新的市場空間。此外，智能家電的更新?lián)Q代和新增光伏裝機(jī)量的持續(xù)上升也將為功率半導(dǎo)體提供廣闊的市場空間。然而，國內(nèi)車規(guī)級功率半導(dǎo)體的自主率較低，IGBT、MOSFET領(lǐng)域與國外差距較大，國內(nèi)在功率分立器件和模塊等領(lǐng)域更為擅長。盡管如此，國內(nèi)汽車客戶正在逐步接受國產(chǎn)車規(guī)級功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品，國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商迎來了新的發(fā)展機(jī)會。

全球汽車功率半導(dǎo)體發(fā)展趨勢對比

全球功率半導(dǎo)體市場近年來呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，特別是在中國，市場規(guī)模迅速擴(kuò)大。2017年至2019年，中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模從126.8億美元增至153.9億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到4.3%。這一增長趨勢得益于下游行業(yè)需求的增加，尤其是中高端產(chǎn)品需求的增長。功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括消費電子、工業(yè)制造、電力輸配、交通運輸、航空航天、新能源及軍工等重點領(lǐng)域。

在全球范圍內(nèi)，功率半導(dǎo)體的市場需求大，中國是主要的消費國家之一。2020年，全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為422億美元，同比增長4.6%，而中國市場規(guī)模約為153億美元，占全球市場規(guī)模的36%，同比增長6.3%。盡管中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，但通過技術(shù)創(chuàng)新，國內(nèi)企業(yè)正逐步加快行業(yè)的國產(chǎn)化進(jìn)程，以滿足市場下游需求的增長。

汽車功率半導(dǎo)體發(fā)展的政策影響

功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展受到了國家政策的高度重視和支持。近年來，為提高行業(yè)整體發(fā)展水平，打破國外壟斷，增強科技競爭力，國家多部門出臺了一系列支持和引導(dǎo)功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)。這些政策從財稅、投融資、研究開發(fā)、進(jìn)出口、人才、知識產(chǎn)權(quán)、市場應(yīng)用、國際合作等多維度切入，促進(jìn)集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展。功率半導(dǎo)體作為集成電路產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，全方位受益于政策的支持。

特別是在“十四五”規(guī)劃期間，集成電路先進(jìn)工藝和IGBT、MEMS等特色工藝突破，碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展攻關(guān)成為重要任務(wù)。這表明功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展正處于“攻堅克難”時期，國家層面對功率半導(dǎo)體的重視程度不斷提升。此外，國家還提出了建設(shè)集成電路研發(fā)中心，提高研發(fā)水平，增強基礎(chǔ)電子自主發(fā)展能力，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈高端延伸的目標(biāo)。這些政策的實施為功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持和保障。

功率半導(dǎo)體器件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在電驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是IGBT器件，它是電驅(qū)系統(tǒng)主逆變器的核心部件。隨著汽車電動化趨勢的加速，車用功率半導(dǎo)體的單車價值顯著提升。據(jù)英飛凌統(tǒng)計，功率半導(dǎo)體的平均售價將從傳統(tǒng)燃油車的71美元提升至全插混/純電汽車的330美元，增長了4.6倍。預(yù)計到2025年，全球汽車功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到80億美元，其中新能源車用功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到53億美元，是2020年的7.3倍，年復(fù)合增長率為48.8%。在這一增長過程中，IGBT因其在新能源車中的重要作用，將成為最受益的品種之一。

然而，車用功率半導(dǎo)體行業(yè)存在較高的進(jìn)入壁壘，包括產(chǎn)品、工藝和先發(fā)優(yōu)勢。產(chǎn)品方面，車規(guī)級IGBT需要滿足長使用壽命、低故障率、高抗震性等嚴(yán)格要求，能夠適應(yīng)極端溫度、惡劣環(huán)境和頻繁啟停帶來的電流變化。工藝方面，車規(guī)級IGBT設(shè)計時需要平衡開通關(guān)斷、抗短路和導(dǎo)通壓降，生產(chǎn)制造過程中的薄片工藝、退火溫度控制和模塊封裝的焊接、鍵合環(huán)節(jié)技術(shù)要求較高。此外，認(rèn)證周期長、替換成本高，行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯，新進(jìn)入者面臨較大的挑戰(zhàn)。

盡管如此，國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在國家政策的扶持下，正迎來快速發(fā)展的機(jī)遇。中國作為全球最大的汽車消費市場，為國內(nèi)IGBT廠商提供了良好的發(fā)展契機(jī)。貿(mào)易摩擦加劇和半導(dǎo)體自主可控需求的提升，使得國產(chǎn)替代成為行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。國內(nèi)廠商在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的布局和先發(fā)優(yōu)勢，以及政策鼓勵和資金支持，都有助于國內(nèi)IGBT行業(yè)的快速發(fā)展。預(yù)計到2025年，中國新能源車用功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到177億元，年復(fù)合增速為44%，新能源汽車IGBT市場規(guī)模將達(dá)到147億元，充電樁用IGBT市場規(guī)模將達(dá)到109億元。

目前，全球功率半導(dǎo)體市場供應(yīng)緊張，主要晶圓代工廠商均處于滿產(chǎn)狀態(tài)。隨著5G商用和疫情宅經(jīng)濟(jì)的推動，社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速，新能源車、家電、數(shù)碼等終端設(shè)備市場需求增長，半導(dǎo)體需求也隨之增長。此外，半導(dǎo)體廠商為保障供應(yīng)鏈安全，提高安全庫存，進(jìn)一步加劇了產(chǎn)能緊張的局面。預(yù)計到2022年，全球?qū)⑿略?080萬片等效8寸晶圓產(chǎn)能，而中國在建的晶圓制造等效8寸產(chǎn)能約2796萬片/年，大部分集中在2022年投產(chǎn)，這將為功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展提供更多的產(chǎn)能支持。

·         車規(guī)級IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

·         水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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