【研報】汽車與零配件行業：汽車半導體專題Ⅱ功率器件SiC時代-20200315[66頁].pdf

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1、 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 Table_MainInfo 行業研究/汽車與零配件 證券研究報告 行業專題報告行業專題報告 2020 年 03 月 15 日 Table_InvestInfo 投資評級 優于 優于大市大市 維持維持 市場表現市場表現 Table_QuoteInfo -12.77% -6.70% -0.62% 5.46% 11.53% 17.61% 2019/32019/62019/92019/12 汽車與零配件海通綜指 資料來源：海通證券研究所 相關研究相關研究 Table_ReportInfo 2020年1月全球新能源汽車市場總結： 整體市場下滑，歐洲表現突出 2

2、020.03.11 全球新能源及無人駕駛行業跟蹤周報： 通用發布全新電池技術，Waymo 更新傳 感器套件2020.03.09 2020年1月汽車數據解讀及投資展望： 春節假期提前，部分需求延后 2020.03.05 Table_AuthorInfo 分析師:王猛 Tel:(021)23154017 Email: 證書:S0850517090004 分析師:杜威 Tel:(0755)82900463 Email: 證書:S0850517070002 聯系人:曹雅倩 Tel:(021)23154145 Email: 汽車半導體汽車半導體專題專題功率器件功率器件：SiC 時代時代 Table_Su

3、mmary 投資要點：投資要點： 汽車汽車功率功率半導體半導體單車單車價值價值接近接近 5 倍倍提升提升空間空間，極具極具投資投資價價值值。汽油車功率半導 體單車價值約 500 元，純電動汽車將增至 2800 元，下游需求由混動和新能源 汽車同步拉動，我們估計未來全球市場空間約 3000 億元。同時，功率半導體技 術壁壘高、競爭格局好，已培育出英飛凌、ST 等巨頭，我們認為是十分理想的 投資方向。 IGBT 作為作為核心核心增量，增量，國內國內模組模組產品產品已已取得取得突破突破。IGBT 是新能源汽車新增的功 率半導體器件，對于純電動汽車的應用，我們估計其模組單車價值在 1500 元上 下，

4、占到總體增量的 60%。與芯片相比，模組產品更容易取得突破，國內企業 在新能源乘用車、商用車領域均已量產，我們估計 2019 年的市場份額約 2530%，并且具備持續提升空間。 SiC 性能優越性能優越，勢不可擋勢不可擋。與 Si 相比，SiC 在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具 有明顯的競爭優勢，不僅提升電動車的動力性，更能延長續航 5-10%，目前已 在特斯拉 Model 3 上量產，隨著器件價格快速下降，SiC 將逐步在逆變器、車 載充電機、 DC/DC 領域得到廣泛應用， 我們估計單車價值有望長期保持在 IGBT 的 2 倍以上。同時，國內電動商用車市場，如大中客、中重卡將為 SiC 供應

5、商 提供市場機遇。 車車規規芯片芯片尚有尚有差距差距，打牢基礎，打牢基礎，逐步逐步進階進階。我們認為，車規要求半導體芯片的 可靠性達到 0 PPM， 分立器件、 集成電路、 功率模塊等產品要通過諸如 AEC-Q、 AQG324 等一系列標準，通常需要供應商在工業、消費等領域有足夠大的出貨 量作為質量背書，目前本土的功率半導體企業基本在工業、消費領域站穩腳跟， 陸續加大投入向車規產品升級，總體水平與海外尚有差距，但我們對未來取得 突破持樂觀態度。 投資建議投資建議。我們認為汽車功率半導體行業存在兩類投資機會：1）全球市場的 SiC 趨勢， 建議關注 Cree （全球襯底市場份額超過 60%） 、

6、 ST （特斯拉 SiC MOS 供應商） ，國內企業中有山東天岳、天科合達、泰科天潤；2）國內市場的進口 替代，Si IGBT 模塊、IGBT 及 MOS 芯片，目前本土企業 IGBT 模塊已開始進 入車規體系，IGBT 及 MOS 芯片逐步開始車規認證，預計 3-5 年內取得量產突 破，建議關注斯達半導、士蘭微、聞泰科技、華虹半導體，國內相關公司還有 寧波達新等。 風險提示風險提示。汽車行業景氣度波動；新能源汽車滲透速度不及預期；功率半導體 國產替代速度不及預期；碳化硅替代速度不及預期。 行業研究汽車與零配件行業 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 2 目目 錄錄 1. 汽車功率器件：

7、電動化核心增量 . 10 1.1 功率半導體：高壁壘、強盈利、大市值 . 11 1.2 電動化拉動需求倍增 . 12 2. 低壓 MOS：市場高度成熟，面臨電動化沖擊 . 14 2.1 低壓 MOS：汽油車應用的主要功率器件 . 14 2.2 技術迭代：尺寸小、功耗低、散熱佳 . 20 2.3 市場：外資重心轉向高壓，國內車規有望突破 . 26 3. 電動車功率器件：高壓、高頻、高價值. 28 3.1 IGBT、高壓 MOS：電動車應用的主要功率器件 . 28 3.2 IGBT 模塊：電機逆變器核心部件 . 30 3.3 IGBT 分立器件：中等功率電機驅動開關 . 40 3.4 超級結 MO

8、S：最適宜充配電系統 . 41 3.5 IGBT 市場：外資基本壟斷，斯達嶄露頭角 . 42 4. SiC：性能優越，勢不可擋 . 45 4.1 性能優越，電動車應用加速落地 . 45 4.2 芯片及模組技術具備升級空間 . 48 4.3 市場：龍頭擴產，拉低器件價格 . 51 5. 國內汽車功率半導體的機遇 . 55 6. 投資建議 . 56 6.1 斯達半導（603290.SH） ：緊抓 IGBT 模塊機遇，同步夯實芯片能力 . 56 6.2 聞泰科技（600745.SH） ：低壓 MOS 龍頭 . 57 6.3 士蘭微（600460.SH） ：堅持 IDM，持續擴張產能 . 58 6.4

9、 寧波達新：致力 IGBT 芯片國產化 . 59 6.5 華虹半導體（01347.HK） ：國內功率代工龍頭 . 59 6.6 Cree（CREE.O） ：全球 SiC 襯底絕對龍頭 . 60 6.7 意法半導體（STM.N） ：SiC 器件配套特斯拉，勢頭強勁 . 61 6.8 山東天岳： SiC 襯底能力獲華為肯定 . 62 6.9 天科合達：依托中科院，SiC 襯底擴產 . 62 6.10 泰科天潤：SiC 器件已批量出貨，6 英寸工廠即將量產 . 62 7. 風險提示 . 62 行業研究汽車與零配件行業 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 3 圖目錄圖目錄 圖 1 功率開關器件的作

10、用、關鍵參數、類型 . 10 圖 2 汽車上需要功率轉換的場合 . 10 圖 3 2017-2018 年全球功率半導體市場規模（億美元） . 11 圖 4 2018 年全球功率半導體廠商市場份額 . 11 圖 5 英飛凌 FY19 營業收入構成（功率占比超過 50%） . 11 圖 6 安森美 FY19 營業收入構成（功率占比 50%）. 11 圖 7 STM FY19 營業收入構成（汽車+功率占比接近 40%） . 12 圖 8 各巨頭功率半導體毛利率水平 . 12 圖 9 功率半導體的三大作用 . 12 圖 10 不同類型汽車半導體價值量（美元） . 13 圖 11 48V MHEV 與燃

11、油車相比增加半導體價值構成（美元） . 13 圖 12 PHEV 與燃油車相比增加半導體價值構成（美元） . 13 圖 13 BEV 半導體價值構成（美元）. 13 圖 14 2018 年汽車功率半導體市場競爭格局 . 13 圖 15 電動助力轉向系統（EPS）工作原理 . 14 圖 16 目前汽車上主要直流電機應用匯總 . 15 圖 17 HVAC 控制模塊（1 鼓風機+36 個風門電機） . 15 圖 18 座椅控制模塊（座椅前后/高度/加熱、靠背/頭枕角度電機） . 15 圖 19 自適應大燈模塊（水平+垂直偏轉步進電機） . 16 圖 20 iBooster 模塊 . 16 圖 21

12、電子節氣門模塊（步進電機） . 16 圖 22 電控機油泵及控制模塊 . 16 圖 23 直流無刷電機 BLDC 典型驅動電路 . 17 圖 24 BLDC 電機 PWM 控制 . 17 圖 25 直流有刷電機 BDC 典型驅動電路（單向） . 17 圖 26 直流有刷電機 BDC 典型驅動電路（雙向） . 17 圖 27 步進電機典型驅動電路（單極） . 17 圖 28 步進電機典型驅動電路（雙極） . 17 圖 29 汽車繼電器應用場景 . 18 圖 30 直流有刷電機控制方法一：2 個繼電器形成 H 橋 . 18 行業研究汽車與零配件行業 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 4 圖

13、31 直流有刷電機控制方法二：4 個 MOS 形成 H 橋 . 18 圖 32 繼電器及 MOS 管壽命對比 . 19 圖 33 相同繼電器及固態解決方案尺寸對比 . 19 圖 34 常規 BLDC 控制電路（Reverse Battery Protection） . 19 圖 35 以 LED 驅動電路為例：可以用 DC/DC、Buck-Boost 等電路實現升降壓 . 20 圖 36 N MOS 及 P MOS 構成 . 21 圖 37 N MOS 結構及工作原理 . 21 圖 38 Infineon：MOSFET 晶圓前端及后端封測的不斷迭代過程 . 21 圖 39 MOSFET 三種架

14、構對比： 平面 Planar、 溝道 Trench、 超級結 Super Junction . 22 圖 40 傳統平面式 MOSFET 漏源導通內阻構成. 22 圖 41 不同額定電壓平面式 MOSFET 內阻構成 . 22 圖 42 超級結 MOSFET 結構 . 23 圖 43 平面 MOS 和超級結 MOS 的 RDS(on)-V(BR)DSS關系對比 . 23 圖 44 Split gate Trench 低壓 MOS 結構 . 23 圖 45 NXP：NextPowerS3 采用 SuperJunction Trench 結構 . 23 圖 46 以 Infineon 為例：MOS

15、FET die 面積及單位面積 RDS不斷縮小 . 23 圖 47 以 Nexperia 為例：不同封裝方式下 MOSFET 尺寸對比 . 24 圖 48 以 Infineon 為例：不同封裝方式下 MOSFET 導通內阻及工作電流對比 . 24 圖 49 各廠商 Power SO8 封裝存在差異 . 25 圖 50 Nexperia：D2PAK 封裝 . 25 圖 51 Infineon：D2PAK 封裝 . 25 圖 52 Nexperia：LFPAK56 封裝 . 25 圖 53 Infineon：TO-Leadless 封裝 . 25 圖 54 以 Nexperia LFPAK（40V

16、）封裝為例：封裝尺寸與導通內阻、電流及功率 的關系 . 26 圖 55 2018 年全球功率 MOSFET 市場份額 . 26 圖 56 小信號 MOS 及汽車功率 MOS 主流廠商排名 . 26 圖 57 安森美收購 Fairchild 完善高壓 MOS、IGBT 及 SiC 產品線 . 27 圖 58 NXP 出售低壓 MOS 分立器件后專注功率控制 IC 業務 . 28 圖 59 電動車對核心功率器件的需求 . 29 圖 60 Si MOS、IGBT 及 SiC MOS 導通電阻 vs 耐壓比較 . 29 圖 61 逆變器、車載 OBC 及 DCDC 最匹配功率器件 . 29 行業研究汽

17、車與零配件行業 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 5 圖 62 電機及電機控制器構成（沃爾沃 XC90 T8） . 30 圖 63 電動車電機控制器的控制電路（IGBT 模塊） . 30 圖 64 電機控制器成本構成 . 31 圖 65 HybridPACK 1 DC6 模塊內部拆解圖（705V/ 400A） . 31 圖 66 HybridPACK 2 800A 模塊內部拆解圖（650V/ 800A） . 31 圖 67 HybridPACK Drive 模塊內部拆解圖（750V /820A） . 31 圖 68 IGBT 模組制造過程 . 31 圖 69 MOSFET 及 IGBT

18、基本結構及載流子方向對比 . 32 圖 70 英飛凌 IGBT 芯片的迭代歷史 . 32 圖 71 IGBT 芯片向著降低能耗、提高功率密度的方向迭代 . 33 圖 72 EDT2 結合 IGBT3 垂直及 TrenchStop5 微溝槽柵結構 . 33 圖 73 PT 型 IGBT 生產工藝 . 33 圖 74 NPT 型 IGBT 生產工藝 . 33 圖 75 Field-Stop 型 IGBT 生產工藝 . 33 圖 76 HITACHI 全新 IGBT side gate 結構 . 34 圖 77 富士電機第 7 代 RC-IGBT 芯片 . 34 圖 78 富士電機 IGBT 與電流

19、傳感器、溫度傳感器集成 . 34 圖 79 英飛凌 HP DSC S2 半橋結構 IGBT 集成溫度及電流測量 . 34 圖 80 IGBT 模塊結構圖 . 34 圖 81 目前較為主流的芯片連接方式對比 . 35 圖 82 2010 普銳斯混動功率模塊芯片采用鋁帶連接 . 35 圖 83 Danfoss 汽車功率模塊采用銅綁線連接 . 35 圖 84 三菱電機 J1 系列汽車功率模塊采用 Cu DLB 封裝 . 36 圖 85 第二代 Volt：德爾福 Viper 采用對稱的 DBC 板連接芯片 . 36 圖 86 Semikron 的 SKiN 封裝技術：采用柔性電路板代替傳統引線連接芯片

20、 . 36 圖 87 單面間接、單面直接及雙面直接水冷結構對比 . 37 圖 88 英飛凌 HPDrive 模塊底部單面針翅水冷結構 . 37 圖 89 三菱電機 J1 系列內部結構 . 37 圖 90 富士電機第一代及第三代直接水冷結構對比 . 37 圖 91 奧迪 e-tron 逆變器爆炸圖 . 37 圖 92 日立雙面水冷 IGBT 模塊 . 37 圖 93 英飛凌 HybridPACK DSC 模塊采用雙面水冷結構 . 38 圖 94 德爾福 Viper 模塊采用雙面水冷結構 . 38 行業研究汽車與零配件行業 請務必閱讀正文之后的信息披露和法律聲明 6 圖 95 Si/SiC 與不同

21、 DBC 板或基板材料的參數對比 . 38 圖 96 Semikron 汽車功率模塊 SKiM：無銅基板設計 . 38 圖 97 SnSb 與 SnAg 焊錫溫度試驗后的裂痕擴展比較 . 39 圖 98 含 Pb 焊接、Cu 燒結及 Ag 燒結技術對比 . 39 圖 99 含 Pb 焊接、Cu/Ag 燒結技術功率循環測試結果對比 . 39 圖 100 日立汽車功率模塊使用 Cu 燒結技術 . 39 圖 101 SemikronSKiN 封裝：芯片上下層均采用 Ag 燒結 . 40 圖 102 SKiN 芯片低溫燒結至 DBC 板 . 40 圖 103 Tesla Model S 后臵電機逆變器（320kW） . 40 圖 104 逆變器由 614 個 TO-247 IGBT 分立器件構成 . 40 圖 105 高壓 PTC 加熱器驅動電路 . 41 圖 106 電動車壓縮機/油泵/冷卻液泵驅動電路. 41 圖 107 單相 3.3/6.6kW 車載 OBC 典型拓撲 . 41 圖 108 三相 11/22kW 車載 OBC 典型拓撲 . 41 圖 109 單向 DC/DC 典型拓撲 .