電動(dòng)汽車工控和通訊需求高漲芯片賣出百億美元
MOSFET全稱為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于具有高頻、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、抗擊穿性好等特點(diǎn)，目前已廣泛使用在電力電子電路中。
| MOSFET百億美元市場(chǎng)，主要廠商交期和價(jià)格依然保持在高位
從市場(chǎng)規(guī)模來看，據(jù)Omdia統(tǒng)計(jì)，2020年全球MOSFET市場(chǎng)規(guī)模達(dá)80.67 億美元，其中中國占比43.65%，約為35.21億美元。據(jù)其預(yù)測(cè)，未來在5G、服務(wù)器、電動(dòng)汽車、新基建等市場(chǎng)的推動(dòng)下，全球MOSFET將以將不低于6.7%較高速度增長，預(yù)計(jì)到2025年其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 118.47億美元。
競(jìng)爭(zhēng)格局方面，2021年全球MOSFET器件市場(chǎng)中，英飛凌排名第一，市場(chǎng)占有率達(dá)到24%。安森美、意法半導(dǎo)體緊隨其后，市占率分別為12%、9%；中國本土企業(yè)中，聞泰收購的安世半導(dǎo)體、中國本土成長起來的華潤微電子、揚(yáng)杰科技進(jìn)入前十，分別占比4%、3%和2%。
國內(nèi)外主要MOSFET企業(yè)產(chǎn)品及技術(shù)特點(diǎn) 資料來源：芯八哥整理
受益于行業(yè)景氣度的高企，2022年四季度各類型MOSFET（低壓、高壓、 寬帶隙）交期均維在24周以上，其中英飛凌、意法半導(dǎo)體等大廠的交期更是在42周以上，由此可見市場(chǎng)對(duì)MOSFET產(chǎn)品需求依舊維持高漲；從價(jià)格趨勢(shì)上來看，大部分MOSFET廠商產(chǎn)品價(jià)格維持穩(wěn)定，市場(chǎng)短期內(nèi)未看到下行的風(fēng)險(xiǎn)。
| MOSFET品類眾多，新能源汽車、工控、電源、通訊等需求不斷增長帶動(dòng)其景氣度高企
MOSFET的產(chǎn)品規(guī)格豐富，按不同的技術(shù)特點(diǎn)可以將其分為平面型功率MOSFET、中低壓屏蔽柵MOSFET、溝槽型功率MOSFET、高壓超級(jí)結(jié)MOSFET四大類。不同規(guī)格的產(chǎn)品由于具有不同的電壓電流特點(diǎn)被應(yīng)用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，未來以高壓超級(jí)結(jié)MOSFET 為代表的高性能產(chǎn)品在功率器件領(lǐng)域的市場(chǎng)份額以及重要性將不斷提升。
從MOSFET的下游市場(chǎng)來看，隨著新能源車的快速發(fā)展，車用高壓MOSFET市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，占比約為35%左右；其次為工業(yè)市場(chǎng)，包括電機(jī)控制、軌道交通、無線電力供給、能源控制、智慧電網(wǎng)等領(lǐng)域，占比約為29%；此外，消費(fèi)電子因筆記本電腦、智能手機(jī)、穿戴裝置、快充頭等需求提高，占比也達(dá)18％，而通訊領(lǐng)域受益于5G滲透率的提高，占比也達(dá)到了10％。
2021年全球MOSFET的下游主要市場(chǎng)占比 資料來源：拓墣產(chǎn)業(yè)研究院，芯八哥整理
近年來，在汽車電動(dòng)化、智能化的發(fā)展下，新能源汽車越來越受到消費(fèi)者的認(rèn)可。2021年全球新能源車型累計(jì)銷量近650萬輛，同比增長108%。其中中國新能源汽車銷售350萬輛，同比增長157.5%，遠(yuǎn)超全球平均增長率。此外，除了銷量大幅增長外，新能源汽車滲透率也不斷提高。根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2027年純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車合計(jì)滲透率將超過50%。
數(shù)據(jù)來源：英飛凌
隨著新能源汽車銷量和滲透率的提高，對(duì)能量轉(zhuǎn)換的需求不斷增強(qiáng)，汽車電子將迎來結(jié)構(gòu)性變革，推動(dòng)車規(guī)級(jí)MOSFET高速發(fā)展。
在進(jìn)入新能源汽車時(shí)代前，MOSFET已應(yīng)用于燃油車中涉及電動(dòng)功能的區(qū)域，單車用量約100個(gè)。隨著汽車電動(dòng)化開啟，以電制動(dòng)的方式使得DC-DC中高壓MOEFET、OBC中的超級(jí)結(jié)MOSFET等應(yīng)用于汽車動(dòng)力域以完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車用量將提升至200個(gè)以上；此外，隨著汽車智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂等功能所需MOSFET作為電能轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)器件支撐數(shù)字、模擬等芯片完成功能實(shí)現(xiàn)，使得中高端車型單車用量可增至400個(gè)以上。
新能源汽車領(lǐng)域中，除了汽車內(nèi)部需要大量用到MOSFET外，在外部的充電樁領(lǐng)域也需要用到大規(guī)模的MOSFET。
業(yè)內(nèi)周知，充電樁可分為公共直流、公共交流和私人樁三大類。其中高充電功率的直流樁充電速度最快，一個(gè)150kW的直流充電器可以在大約 15 分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車增加 200 公里續(xù)航。根據(jù)Yole預(yù)計(jì)，2020-2025 年全球 100kW 及以上的大功率直流充電樁數(shù)量將以高達(dá)36.85%的速度發(fā)展，成為充電樁未來的主流。
在大功率直流充電樁中，由于高壓超級(jí)結(jié)MOSFET具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、高可靠性、高功率密度等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于充電樁的功率因數(shù)校正（PowerFactor Correction，“PFC”）、直流-直流變換器以及輔助電源模塊等領(lǐng)域。
據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)，100kW的充電樁需要功率器件價(jià)值量在200-300美元，預(yù)計(jì)隨著充電樁的不斷建設(shè)， 2025年全球直流樁超級(jí)結(jié)MOSFET市場(chǎng)規(guī)模有望超20億元，將充分受益于充電樁的快速發(fā)展。
除了汽車外，工業(yè)領(lǐng)域也是功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，大部分工業(yè)設(shè)備均需要使用MOSFET，且工業(yè)產(chǎn)業(yè)正朝自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)MOSFET的需求數(shù)量會(huì)大規(guī)模增長。
與傳統(tǒng)Si MOSFET、IGBT產(chǎn)品相比，在工業(yè)領(lǐng)域使用SiC MOSFET可實(shí)現(xiàn)高耐壓性、高速開關(guān)與低導(dǎo)通電阻，并有助于降低功耗和系統(tǒng)小型化，是當(dāng)前所有廠商的發(fā)展重心，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在光伏儲(chǔ)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、UPS電源、機(jī)器人等領(lǐng)域中。
以光伏為例，雖然光伏目前在功率器件上仍以IGBT為主，但30千瓦以上的光伏產(chǎn)品和1,700伏輔助電源已開始用SiC MOSFET。此外，儲(chǔ)能、工業(yè)變頻等也需要大量使用SiC MOSFET模塊。
值得注意的是，消費(fèi)電子市場(chǎng)也是MOSFET的主要需求市場(chǎng)之一。雖然消費(fèi)電子近年來需求不振，但受益于其龐大的市場(chǎng)，仍然可為MOSFET等功率半導(dǎo)體帶來穩(wěn)定且廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。
以智能手機(jī)市場(chǎng)為例，功率半導(dǎo)體在智能手機(jī)中的應(yīng)用十分廣泛，其中，MOSFET是智能手機(jī)的充電保護(hù)電路、放電保護(hù)電路等組件的核心元件，未來隨著以智能手機(jī)為代表的消費(fèi)電子市場(chǎng)觸底反彈，MOSFET等功率半導(dǎo)體的需求量有望穩(wěn)步提升。
此外，由于5G智能手機(jī)傳輸速度較4G更快，射頻元件數(shù)量更多，不可避免將增加功耗、耗電速度。隨著人們對(duì)充電效率的要求逐步提高，手機(jī)充電出現(xiàn)了“快充”模式，即通過提高電壓來達(dá)到高電流高功率充電，但高電壓存在安全隱患，需要添加同步整流的MOS管來調(diào)整。后來出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式，即通過低電壓高電流來實(shí)現(xiàn)高速充電，這對(duì)同步整流MOS管的要求更高，對(duì) MOSFET的用量需求也不斷提升。
快充拆解圖 資料來源：GEEKIFIX
在材料方面，隨著GaN技術(shù)發(fā)展與普及，USB Type-C PD充電器市場(chǎng)日新月異，高功率密度、體積小的充電器漸成主流，發(fā)熱量低、體積小的GaN也就成為MOSFET在快充上發(fā)揮的最佳材料。目前行業(yè)較為普遍使用的是GaN-mos管，從而來實(shí)現(xiàn)發(fā)熱少、體積小的目的。
通訊方面，隨著5G通信基站建設(shè)的加速將帶來巨大的功率半導(dǎo)體需求，主要驅(qū)動(dòng)力來自于基站密集度和功率要求、Massive MIMO射頻天線、霧運(yùn)算和云計(jì)算的需求提升。
根據(jù)華為官網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示，4G 基站所需功率為6.877kW，而5G 基站所需功率為11.577kW，提升幅度達(dá)到68%。對(duì)于多通道基站，功率要求甚至可能達(dá)到20kW。更高的覆蓋密度、更大的功率需求對(duì)MOSFET 等功率器件產(chǎn)生了更大的需求。
此外，5G 網(wǎng)絡(luò)主要部署在高頻頻段，即毫米波頻段（mmWave）。因接收功率與波長的平方成正比，毫米波的信號(hào)衰減嚴(yán)重，而發(fā)射功率又受到限制，所以5G網(wǎng)絡(luò)部署需要使用Massive MIMO 技術(shù)來增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量。根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)MIMO天線需要的功率半導(dǎo)體價(jià)值大約為25美元，而過渡為Massvie MIMO 天線陣列后，所需的MOSFET 等功率半導(dǎo)體價(jià)值增加至100 美元，達(dá)到原來的4 倍。
與傳統(tǒng)MOSFET技術(shù)相比，采用電荷平衡理論的超級(jí)結(jié)MOSFET功率器件能夠顯著降低高電壓下MOSFET單位面積的導(dǎo)通電阻。同時(shí)，超級(jí)結(jié)MOSFET擁有極低的FOM值，從而擁有極低的開關(guān)能量損耗和驅(qū)動(dòng)能量損耗。因此，超級(jí)結(jié)MOSFET未來有望在基站數(shù)量和單機(jī)價(jià)值量的“量價(jià)雙擊”下實(shí)現(xiàn)高速增長，預(yù)計(jì)到2025年全球5G通信基站超結(jié)MOS市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1.99億元，其中中國市場(chǎng)規(guī)模為1.40億元。
| MOSFET不斷演進(jìn)，工藝進(jìn)步、材料替代、集成化將成為其主要演變方向
從MOSFET的發(fā)展歷程來看，20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來；20世紀(jì)80年代后期，溝槽型功率MOSFET逐步面世，半導(dǎo)體功率器件正式進(jìn)入電子應(yīng)用時(shí)代；20世紀(jì)90年代，超結(jié)MOSFET逐步出現(xiàn)，打破傳統(tǒng)“硅限”以滿足大功率和高頻化的應(yīng)用需求；2008年，英飛凌（Infineon）率先推出屏蔽柵功率MOSFET，半導(dǎo)體功率器件的性能進(jìn)一步提升。
未來，隨著技術(shù)進(jìn)步，MOSFET的發(fā)展將沿著器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)、材料替代和集成化方向演變。
對(duì)于功率MOSFET 而言，技術(shù)驅(qū)動(dòng)的性能提升主要包括三個(gè)方面：更高的開關(guān)頻率、更高的功率密度以及更低的功耗。為了實(shí)現(xiàn)更高的性能指標(biāo)，功率器件主要經(jīng)歷了工藝進(jìn)步、器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)等幾個(gè)方面的演進(jìn)。在制造工藝上，線寬制程從10 微米縮減至0.15-0.35 微米，提升了功率器件的密度、品質(zhì)因數(shù)（FOM）以及開關(guān)效率。在器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，功率器件經(jīng)歷了平面（Planar）、溝槽（Trench）、超級(jí)結(jié)（Super Junction）等器件結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步提高了器件的功率密度和工作頻率。
未來5年，MOSFET中會(huì)出現(xiàn)新技術(shù)不斷擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢(shì)。具體而言，溝槽MOSFET將替代部分平面MOSFET，屏蔽柵MOSFET將進(jìn)一步替代溝槽MOSFET，而超級(jí)結(jié)MOSFET將在高壓領(lǐng)域替代更多傳統(tǒng)的VDMOS。
此外，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體具有寬禁帶、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，在高壓、大功率、高效節(jié)能等方面扮演著極其重要的角色，可以滿足未來電力系統(tǒng)對(duì)電力電子器件耐高壓、低功耗的需求，成為世界各國競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)制高點(diǎn)。
目前，國外第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，SiC 高品質(zhì)4 英寸、6英寸襯底已經(jīng)商業(yè)化，8英寸襯底的商業(yè)化也在持續(xù)推進(jìn)；而硅基GaN外延材料方面，6 英寸和8 英寸均已量產(chǎn)，8 英寸是業(yè)界發(fā)展方向。未來，隨著工藝技術(shù)的成熟及配套產(chǎn)線設(shè)備的逐步投建，第三代半導(dǎo)體功率器件將成為未來MOSFET的發(fā)展方向。
除了在工藝及材料方面的優(yōu)化外，終端領(lǐng)域的高功率密度需求也帶動(dòng)了MOSFET功率器件的模塊化和集成化。
在中大功率應(yīng)用場(chǎng)景中，客戶更傾向于使用大功率模塊。由于大功率模塊需要多元件電氣互聯(lián)，同時(shí)要考慮高溫失效和散熱問題，其封裝工藝和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜；在小功率應(yīng)用場(chǎng)景中，功率器件被封裝到嵌入式封裝模塊中來提高集成度從而減小整體方案的體積。
盡管目前工業(yè)領(lǐng)域仍是功率模塊的主要應(yīng)用領(lǐng)域，不過隨著新能源汽車、5G技術(shù)的興起，未來MOSFET模塊化將在更多領(lǐng)域中加速滲透。
編輯：ZQY 最后修改時(shí)間：2022-11-01
