6月15日，比亚迪发布公告，比亚迪半导体将引入SK、小米、招银等多家战投合计8亿元投资。

在此之前的5月底，红杉、中金等14位投资者，已经向比亚迪半导体注入19亿元的投资。

与此同时，美国正在将一系列禁令砸向另一家中国公司，这家公司正在被全方位地封锁。

这两家公司同在一座城市，并且都在努力突破桎梏，打造“中国芯”。

站在更长的时间维度，突破封锁是一定的。

甚至超越也是可能的。

如果中国半导体能在哪个领域能率先实现对欧美日的超越，那这一领域很有可能是功率半导体，具体来说就是IGBT。

能为中国的IGBT产业送上助攻的，是中国蓬勃发展的新能源汽车和新能源发电产业。

而对于中国的新能源企业来说，在欧美日垄断的高端功率器件领域，缺货、涨价、卡脖子，时有发生。最大的市场却得不到更好的服务。

中国的新能源产业，已经苦“英飞凌们”久已。

国产，该来，也必须来。

一

“虽然我们成立只有15年，量产才10年，但是我们的车规级IGBT已经属于世界先进水平。和英飞凌这些在IGBT领域干了30年的公司相比，差距已经不大。”比亚迪半导体产品总监杨钦耀在接受记者采访时表示。

汽车级IGBT是功率半导体皇冠上的明珠，中国人在这个领域只有比亚迪一枝独秀。

2018年，全球半导体市场规模达4688亿美元，其中功率半导体市场717亿美元，占比约为15%。

与数字集成电路被广泛关注不同，功率半导体并不是被大众熟知的概念。

以手机、电脑等产品为例，CPU、存储、MEMS等大众熟知的半导体负责感知、运算、执行等功能，主要处理的是信息。

而上述的各种信息半导体不能直接使用220V的交流电，这时候就需要功率半导体来对电能进行处理，使其适合传感器、摄像头等具体的终端器件使用。

有一个很形象的比喻是，功率半导体像一名“厨师”。

在发电领域，功率半导体将发电设备发出的电压、频率杂乱不一的粗电，统一加工成电压、频率统一的工频电。

在用电设备上，功率半导体将工频电“烹饪”成适合设备中每个器件使用的电流，可能是交流电、直流电的转换，也可能是降低、提高电压等。

图片来源：中金公司研究部

具体到实际应用上，功率半导体是个宽泛的概念。要实现电能转换，需要借助一些基本的功率器件，例如二极管、晶闸管、功率MOSFET、IGBT等。

这些功率器件与电容、电阻、电感、互感线圈等一起组成了各类电能转换设备，用以对电路中电压、电流、频率进行管理。

随着电气化、高功率场景的推进，功率器件的应用范围越来越广。

图片来源：半导体行业观察，西部证券

近20年来，各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，功率MOSFET和IGBT逐渐成为主流。

不同的功率器件，都有自己的高效区间。

MOSFET，中文名为金属-氧化物半导体场效应晶体管，被广泛应用在数字电路和模拟电路上。

在功率领域，MOSFET本质上是一个开关，其开关速度很高，高频特性好，工作频率可以达几十kHz到上千kHz，能够在高电流状态下工作，但耐电压特性差。

这里要着重强调一下，MOSFET随着电压上升电阻变大，传导损耗很高，只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

例如，消费电子、小家电、电动自行车等对功率要求不高的产品上，主要采用MOSFET。

而IGBT可以算是MOSFET的副产品，IGBT能够很好地结合BJT（双极型三极管）处理高电流的能力和功率MOSFET的易用性。相比起MOSFET，IGBT还能阻隔极高电压，同时以极低损耗来通过高电流。

图片来源：中信建投证券研究发展部

在大电压、大电流，中频（中等的开关速度）的领域，是IGBT（电压范围为650V-6500V，电流范围为1A-3600A）的完美应用区间。

图片来源：东北证券

小到电磁炉，大到高铁、地铁中用到的牵引变流器，IGBT都是最核心的器件之一。

在低压条件下，IGBT相对于功率MOSFET，在电性能和价格上都没有优势。所以，基本上没有低压IGBT应用，并不是造不出来，而是没有性价比。而在600V以上，IGBT的优势明显，电压越高，优势越明显。

来源：Power Electronics Technology，中泰证券研究所

IGBT与功率MOSFET，在某些电压和频率场景上有一定的相互替代关系，特别是第三代半导体材料制作的MOSFET与硅基IGBT之间的竞争。

场景、成本、效率共同决定了该使用什么样的功率器件。

资料来源：Yole，中银证券

在实际应用中，IGBT可分为单管、模块和智能功率模块IPM三类产品。

图片来源：西部证券根据斯达半导、三菱电机官网整理

IGBT芯片经过多芯片并联、衬板加装、基板加装、外壳加装等封装工艺后，形成IGBT模块。在电动汽车中，IGBT模块是电控的重要组成部分。

二

与快速发展的处理器、存储器等芯片不同，功率半导体是个缓慢且封闭的行业。虽然同属于硅基芯片行业，摩尔定律在这里却是失灵的。

首先，这两种类型的器件在结构上就有非常大的差异。

集成电路强调的是控制，集成电路是个表面器件，制造时需在硅片的表面很薄的一层，大概几微米的厚度上，像搭建一个城市一样，进行复杂的线路设计。这种对制程先进性要求较高，不断在追求纳米级的极致线宽。

数字芯片主要为CMOS工艺，沿着摩尔定律发展，追逐高端制程，产品强调的是运算速度与成本比。

而功率器件，电流从正面（或背面）进去，从背面（或正面）出来，电流是穿透芯片的。

IGBT等功率器件，本质上是个开关，一般只需画三条线，对线宽没这么大的要求，再加上需要处理高电压、大电流，微米级（注：1微米=1000纳米）的线宽即可。

功率器件追求的是低损耗、高可靠性。背面工艺和减薄工艺对IGBT尤为重要，例如英飞凌目前已经将IGBT的厚度减薄到40微米。而衬底背面工艺中的减薄极易使硅片破碎、翘曲，所以对加工工艺要求很高。

在产业结构上，两者也有较大差异。

在集成电路领域，晶圆代工（Foundry）模式，已经成了摩尔定律的核心推动力。军备竞赛、先进设备的发展使得晶圆加工的投资规模持续增大。

对先进制程的追求，也诞生了台积电这种巨无霸，一方面顺应趋势，延续了摩尔定律；另一方面，通过分工，提高了行业的发展效率。

注：台积电和Intel在工艺制程上的演进过程对比  来源：华金证券研究所整理

在功率半导体领域，由于功率半导体需要不同的CMOS半导体材料和工艺，需要专门的晶圆厂。

全球功率半导体主要厂商大部分采用IDM模式进行功率器件的生产，即芯片设计、晶圆制造、封装测试全流程均自主生产。这与集成电路的厂商主要掌握芯片设计环节，将晶圆交由台积电等代工厂生产有很大不同。

英飞凌靠着领先的减薄技术，从第三代产品开始，一直占据IGBT行业的鳌头。

IGBT从80年代出现以来，已经发展到了第7代产品。其更新换代主要围绕着一些结构设计和加工工艺展开。不同代际之间的产品虽有性能上的差别，却不像集成电路有非常明显的区隔。目前，IGBT第四代产品目前仍是应用最广泛的技术。

出于对可靠性的追求，经过时间积累的工艺know-how，是英飞凌、安森美、瑞萨、东芝等欧美日厂商的最大屏障。

基本半导体技术营销总监魏炜在与记者的一次交流中，打趣地说道，“他们（欧美日巨头）趟了很多的坑，但他们不会告诉你，差距在这里。”

在这样一个相对缓慢的行业，中国的功率器件厂商们，如果在终端拥有丰富的应用场景，也就是搞定客户资源，是非常有希望追上国际巨头们的。

三

以电动汽车为主的新能源产业为IGBT行业送来了助攻。

在全球范围内，IGBT最大的下游市场是工控、新能源汽车和新能源发电行业。而具体到中国，2018年最大的下游市场已经是新能源汽车。

2018年中国IGBT各细分市场份额

在传统汽车上，功率半导体仅限于空调系统以及汽车的各种控制和执行器。

车辆由于车载电子部件的工作电压和功率低，总体功率不超过十几kW，只需MOSFET即可实现电压、电流控制。

在混动车时代，多出了电机、电池等部件，车辆各部件运行电压和总体功率明显提升，IGBT开始应用于汽车之上。

在纯电动车时代，电压、功率大幅提升，IGBT已经成为标配。

图片来源：比亚迪

在电动汽车上，由于动力电池所输出的是直流电，需要借助DC-AC（直流-交流）逆变器，将电池的直流转换成交流供给动力电机。

这是IGBT在电动车中的最大应用场景，例如特斯拉在Model S中为主逆变器配置了84颗IGBT。

图片来源：东北证券根据英飞凌官网以及公开资料整理

据Strategy Analytics统计，在传统汽车的功率半导体成本约在70美元左右，而纯电动车中功率半导体成本达到380美元。IGBT是其中最大的增量。

中信证券根据英飞凌财报、IHS、比亚迪财报、斯达半导招股书测算

在新能源发电行业，IGBT是风机变流器和光伏逆变器的重要部件。新能源电发出来的不稳定能源，需要借助IGBT等功率半导体进行转换后才能并网。据了解，新能源电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。

再加上高铁、特高压等，这些高要求、大规模的应用场景，最大的市场都在中国。

随着新能源产业的发展，特别是汽车作为最大的消费品开始全面电动化，中国的功率半导体厂商们赶上了电气化的最大一波浪潮。

据智研咨询统计，2018年我国IGBT芯片需求量为7989万个，同比增长将近20%；国产数量为1115万个，国产化率为13.96%。

IGBT的市场需求、国产化率都在稳步提升。

尽管在新能源汽车等高端IGBT领域差距还非常大，但在某些工业领域，功率器件的国产化比例已经超过50%。

可以说，“农村包围城市”，从工业、家电等领域向汽车等高端领域发展，是中国功率半导体厂商的必由之路。

中国的功率半导体企业们，普遍起步较晚，刚开始只能从低端二极管和低压MOSFET等产品开始做起。由于不掌握设备和材料等核心环节，只能在价格上进行厮杀，生存处境较为艰难。

目前，国内的电动汽车厂，为了培养二供，纷纷开始接受国产IGBT的送样。

对于IGBT厂商来说，在这样一个验证周期特别长的行业，只有终端客户的大门对其敞开，获得了试错机会，才有可能走的更远。

四

外资企业们还在把守着汽车市场。

据盖世汽车统计，2019年英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块，市占率达58%。中国厂商中，仅有比亚迪自产了19.4万套，市占率为18%，其他国产厂商的份额几乎可以忽略。

汽车行业出于安全性的考量，对零部件的一致性和合格率有非常高的要求。

相对于国内厂商主攻的工控领域，汽车行业对IGBT等功率器件的要求更高：

首先是，室内外的差距，不同于工业产品主要在室内运行，汽车产品要面对从-40度到40度的环境温度，条件更恶劣。

汽车产品带有震动和冲击的特性，也对IGBT产品提出了更高要求。

在安全问题上，汽车的动力系统是绝对不允许出现问题的，对可靠性要求非常高，失效率要非常低。

由于电动车的续航里程非常关键，IGBT的功率损耗和发热等指标，也非常关键。

最后，汽车产品一般需要20年的寿命，这对电力电子产品也是极大的考验。

在长期可靠性方面，企业需要拿数据说话，这些都需要时间的积累。

基本半导体技术营销总监魏炜在交流中表示，

对于汽车使用的IGBT来说，功率循环次数，是个比较难克服的参数。

IGBT芯片封装之后，穿过电流的时候铝线（绑定线）会出现热胀冷缩，而微弱膨胀产生的应力，会传达到铝线和IGBT表面的焊点上。这样焊点会出现疲劳，出现松脱，进而影响其他电性能。最终，导致热量传递不出去，温度提升直接导致IGBT模块烧坏。

另外，在汽车领域，成本优势也非常重要。

英飞凌等龙头厂商晶圆制造以8英寸、12英寸产线为主，相对比国内的6英寸、8英寸产线，单位芯片的制造成本更低。

在对外依赖程度高达90%的IGBT领域，中国厂商姗姗来迟，但也开始出现在排行榜上。2018年，斯达半导以2.2%的市场份额，在全球IGBT模块市场排名第8。

追求长寿命、高可靠性的功率半导体产业，背后的逻辑是以十年为计的长期投入。

2008年，株洲中车时代收购英国丹尼克斯半导体75%的股权，成为我国第一家掌握IGBT芯片技术研发、模块测试的厂商。

2009年9月，比亚迪IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定。

如今，呼啸着川流在中国大地上的“复兴号”搭载着中车自产的国产IGBT。

比亚迪的70万辆新能源车上搭载着自家工厂出产的IGBT芯片。

2019年底，媒体报道，华为开始招兵买马，试图杀入IGBT领域。华为先后投资了杰华特、山东天岳先进材料，都是为了在功率半导体领域谋篇布局。

2020年初，斯达半导、华润微登陆A股。斯达半导的23个涨停板和华润微的“绿鞋机制”第一股，引发了关注。

6月9日，SEMI发布的报告显示，2021年将会是全球晶圆厂设备支出的关键一年，增长率将高达24%。其中，功率半导体相关的设备投资2021年将大幅增长67%，远高于行业平均水平。

新一轮的投资热潮正在开启。

10年以后的2030年，L4级别的自动驾驶将会变得普及，而在背后为其提供驾驭电流能力的，将是一股股中国力量。