電動(dòng)汽車(chē)工控和通訊需求高漲芯片賣(mài)出百億美元
MOSFET全稱(chēng)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(lái)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(guó)占比43.65%，約為35.21億美元。據(jù)其預(yù)測(cè)，未來(lái)在5G、服務(wù)器、電動(dòng)汽車(chē)、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(zhǎng)，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(guó)本土企業(yè)中，聞泰收購(gòu)的安世半導(dǎo)體、中國(guó)本土成長(zhǎng)起來(lái)的華潤(rùn)微電子、揚(yáng)杰科技進(jìn)入前十，分別占比4%、3%和2%。
國(guó)內(nèi)外主要MOSFET企業(yè)產(chǎn)品及技術(shù)特點(diǎn) 資料來(lái)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(lèi)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(jiàn)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(lái)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(lèi)眾多，新能源汽車(chē)、工控、電源、通訊等需求不斷增長(zhǎng)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(lèi)。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(lái)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(lái)看，隨著新能源車(chē)的快速發(fā)展，車(chē)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(wú)線(xiàn)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(lái)源：拓墣產(chǎn)業(yè)研究院，芯八哥整理
近年來(lái)，在汽車(chē)電動(dòng)化、智能化的發(fā)展下，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到消費(fèi)者的認(rèn)可。2021年全球新能源車(chē)型累計(jì)銷(xiāo)量近650萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)108%。其中中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)售350萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)157.5%，遠(yuǎn)超全球平均增長(zhǎng)率。此外，除了銷(xiāo)量大幅增長(zhǎng)外，新能源汽車(chē)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(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)合計(jì)滲透率將超過(guò)50%。
數(shù)據(jù)來(lái)源：英飛凌
隨著新能源汽車(chē)銷(xiāo)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(chē)電子將迎來(lái)結(jié)構(gòu)性變革，推動(dòng)車(chē)規(guī)級(jí)MOSFET高速發(fā)展。
在進(jìn)入新能源汽車(chē)時(shí)代前，MOSFET已應(yīng)用于燃油車(chē)中涉及電動(dòng)功能的區(qū)域，單車(chē)用量約100個(gè)。隨著汽車(chē)電動(dòng)化開(kāi)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(chē)動(dòng)力域以完成電能的轉(zhuǎn)換與傳輸，單車(chē)用量將提升至200個(gè)以上；此外，隨著汽車(chē)智能化發(fā)展，ADAS、安全、信息娛樂(lè)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(chē)型單車(chē)用量可增至400個(gè)以上。
新能源汽車(chē)領(lǐng)域中，除了汽車(chē)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(lèi)。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(chē)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(lái)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(kāi)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(chē)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(zhǎng)。
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(kāi)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(kāi)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)提高電壓來(lái)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(lái)調(diào)整。后來(lái)出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式，即通過(guò)低電壓高電流來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)巨大的功率半導(dǎo)體需求，主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于基站密集度和功率要求、Massive MIMO射頻天線(xiàn)、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(zhǎng)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(lái)增加發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的數(shù)量。根據(jù)英飛凌的統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)MIMO天線(xiàn)需要的功率半導(dǎo)體價(jià)值大約為25美元，而過(guò)渡為Massvie MIMO 天線(xiàn)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(lái)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(kāi)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(lái)有望在基站數(shù)量和單機(jī)價(jià)值量的“量?jī)r(jià)雙擊”下實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)，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(guó)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(lái)看，20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來(lái)；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(mǎn)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(lái)，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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(lái)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(mǎn)足未來(lái)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(guó)競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)制高點(diǎn)。
目前，國(guó)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(lái)，隨著工藝技術(shù)的成熟及配套產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的逐步投建，第三代半導(dǎo)體功率器件將成為未來(lái)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(hù)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(wèn)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(lái)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(guò)隨著新能源汽車(chē)、5G技術(shù)的興起，未來(lái)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
