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深度解析功率半导体器件概念及发展趋势

作者: 时间:2019-07-18 09:13   

前言

功率半导体器件在电力电子行业有着非常广泛的应用,是电子产品的基础元器件之一,在产业电子化升级过程中,越来越得到重视与应用。

近年来,万物互联的呼声越来越高,以汽车、高铁为代表的交通工具,以光伏、风电为代表的新能源领域,以手机为代表的通信设备,以电视机、洗衣机、空调、冰箱为代表的消费级产品,都在不断提高电子化水平,其中又以新能源汽车的高度电子化最为引人注目;与此同时,工业、电网等传统行业也在加速电子化进程。

几乎全行业的电子化发展,势必大大增加了对功率半导体器件的需求。目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供,他们凭借先进的技术和生产制造工艺,以及领先的品质管理体系,大约占据了全球70%的市场份额。

而在需求端,全球约有39%的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗,是全球最大的需求大国,但其自给率却仅有10%,严重依赖进口。

另外,当下中国大陆正寻求转型,要将“中国制造”提升为“中国智造”,许多新技术、新应用都走在了全球前列,如新能源汽车、风力发电等;中国大陆还利用人工智能技术对传统产业进行智能化升级。未来,中国大陆对功率半导体器件的需求将会越来越大;供需矛盾或将继续被拉大。

为确保本土电子制造业的平稳发展,国家从资本、政策、产业链等多个维度对本土功率器件企业给予了大力支持。

值此产业升级的关键期,本报告将从市场规模、市场结构、各主要细分市场需求以及供需格局几个方面高度浓缩地介绍全球功率半导体器件的市场现状。

在了解了这些信息的基础上,中国大陆功率半导体器件的发展现状也就跃然纸上,进而从国产替代的机会点、潜力企业、短期国际环境影响等方面展开国产替代分析。

当然,第三代半导体材料是功率半导体器件的未来发展方向,本报告也会就国内外对第三代半导体材料的研发进度及本土产业链布局进行阐述,以期给大家最完整的信息参考。

功率半导体器件概述

功率半导体器件基本概念

功率半导体器件(Power Semiconductor Device)又称电力电子器件(Power Electronic Device)。

1940年贝尔实验室在研究雷达探测整流器时,发现硅存在PN结效应,1958年美国通用电气(GE)公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。

从此功率半导体器件的研制及应用得到了飞速发展,并快速成长为电子制造业的核心器件之一,还独立成为电子电力学科。

作为制造业大国,功率半导体器件在中国大陆的工业、消费、军事等领域都有着广泛应用,具有很高的战略地位。

功率半导体器件分类

从发展历程看,功率半导体器件先后经历了:全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率MOSFET及其相关器件,以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件,它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。

概括来说,功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路(即Power IC,简写为PIC,又称为功率IC)和分立器件三大类;其中,功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装;功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成;而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

深度解析功率半导体器件概念及发展趋势

图表1 功率半导体器件分类(来源:中泰证券研究所)

功率半导体器件又可根据对电路信号的可控程度分为全控型、半控型及不可控型;或按驱动电路信号性质分为电压驱动型、电流驱动型等划分类别。

常用到的功率半导体器件有Power Diode(功率二极管)、SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(大功率电力晶体管)、BJT(双极晶体管)、MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SIT(静电感应晶体管)、BSIT(双极型静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强栅晶体管)、IPEM(集成电力电子模块)、PEBB(电力电子积木)等。

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图表2 功率半导体器件分类方式及代表类型(来源:电力电子技术馆)

不同功率半导体器件,其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同,实际使用中,需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

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图表3 功率半导体器件比较(来源:中信证券研究部)

随着技术的不断进步,功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起,功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。

其中IGBT经历了器件纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺等7次技术演进,目前可承受电压能力从第四代的3000V跃升到了第七代的6500V,并且实现了高频化(10-100kHz)应用。

功率半导体器件主要应用领域

作为电能/功率处理的核心器件,功率半导体器件主要用于电力设备的电能变换和电路控制,更是弱电控制与强电运行之间的沟通桥梁,主要作用是变频、变压、变流、功率放大和功率管理,对设备正常运行起到关键作用。

与此同时,功率半导体器件还具有绿色节能功能,被广泛应用于几乎所有的电子制造业,目前正从传统工业制造和4C产业向新能源、电力机车、智能电网等领域发展。

另外,不同的细分领域,对功率半导体器件的电压承受能力要求也不一样,以IGBT为例,消费电子电压一般在600V以下,太阳能逆变器及新能源汽车要求在600V-1200V,而轨道交通要求最高,范围在3300V-6500V之间。

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图表4 功率半导体器件的应用及工作频率(来源:Applied Materials)

注:IPM即智能功率模块,常见类型有IGBT类

功率半导体器件材料迭代演进

半导体行业从诞生至今,先后经历了三代材料的变更历程,截至目前,功率半导体器件领域仍主要采用以Si为代表的第一代半导体材料。

但随着功率半导体器件逐渐往高压、高频方向发展,传统的硅基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限,再往下发展的空间很有限。

而以砷化镓(GaAs)为代表的第二代化合物半导体材料又存在成本高、有毒性、环境污染大等缺点,难以被采用。

于是产业将目光向以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料聚焦,以期开发出更能适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的功率半导体器件,目前各国仍在努力布局中。

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图表5 半导体材料比较(来源:电子发烧友)

功率半导体器件市场规模

全球市场规模

综合Yole、IHS、Gartner多家分析机构数据得知,包含功率模块及功率分立器件在内的功率半导体器件在2017年的全球市场规模为181.5亿美元,2018年可达到187.6亿美元。

其中,中国大陆功率半导体器件市场规模约为全球的40%;并预估2023年全球功率半导体器件市场规模有望达到221.5亿美元规模,年复合增长率为3.38%。

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图表6 全球及中国大陆功率分立器件市场规模分析(来源:Yole、IHS、Gartner、中国半导体协会、赛迪顾问,单位:亿美元)

注:中国大陆市场规模按当年汇率换算成美元

功率半导体器件产品市场结构

2017年,功率IC继续占据总体市场的半壁江山;同时,在“功率模块+器件”市场结构中,MOSFET、二极管/整流桥、IGBT也占据了接近一半的市场份额,比例分别为17%、15%、12%。

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图表7 2017年全球功率半导体器件市场结构(来源:Yole、IHS、Gartner)

MOSFET厂商市场份额

据IHS统计数据,从市场份额来看,MOSFET几乎都集中在国际大厂手中,其中英飞凌自2015年收购美国国际整流器公司(International Rectifier)后超越富士电机一跃成为行业龙头;安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后,市占率跃升至第二位。

进入2017年,英飞凌的市占率同比再提高0.3%,达到26.1%,排名前五的企业合计占据了全球62%的市场份额。

前7大厂商排名继续保持不变,不过出现了两个明显的变量,一是新增安世半导体的统计数据,并位列全球第8名;二是本土企业士兰微市占率提升至2.5%,位列全球第10名。

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图表8 2017年全球MOSFET厂商市场份额(来源:IHS)

中国大陆市场部分,根据IHS的行业报告显示,2016年英飞凌以25.8%的比例占据第一位,前三大品牌的市占率超过了50%;而本土企业中,士兰微和华微电子分别以1.8%、1.1%的市占率位列第11、第15位。

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图表9 2017年中国大陆MOSFET厂商市场份额(来源:IHS)

IGBT厂商市场份额

作为全控型功率半导体器件的代表,IGBT的重要性日益显著,已成为全球工业的重要基础元件。

目前全球IGBT市场结构与MOSFET类似,主要被5大原厂所长期垄断,排名前五的企业占据了全球超过70%的市场份额,它们在中国大陆同样拥有超过70%的市占率。

根据赛迪智库统计,2017年英飞凌全球市场份额全球最高,占比达29%;其后分别为三菱电机(19%)、富士电机(12%)、安森美(9%)、ABB(5%)。

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图表10 2017年IGBT全球主要供应商市场份额(来源:赛迪智库)

功率二极管厂商市场份额

功率二极管是中国大陆发展最好的功率半导体器件领域,根据中国电子信息产业统计年鉴数据,2017年全球除Vishay(威世)以11.71%的市占率排名第1外,第2至第8名之间的市场份额差距均不大;又因功率二极管门槛低、毛利小,不少国际大厂正逐渐放弃该类别市场,产能有望向中国大陆和中国台湾转移。

另外,从2014年开始,中国大陆的二极管及相关产品就呈现出出口量超过进口量的走势;目前中国大陆功率半导体器件领头羊扬杰科技的功率二极管全球市占率已经达到2.01%。

不过,在美国第45届总统唐纳德·特朗普上任后,中美两国陷入了有史以来规模最大的贸易战,严重影响了中国电子产品的出口。自2017年年底以来,中国功率二极管的出口数量已经回落到与进口数量大致相当。

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图表11 中国二极管及类似半导体器件进出口情况(来源:中国电子信息产业统计年鉴,单位:百万个)

细分行业市场规模

工业领域市场规模

功率半导体器件在占比最大的工业领域应用非常广泛,如数控机床的伺服电机、轧钢机和矿山牵引、大型鼓风机、发电系统等的电力电子变频调速部分均有采用。

从ABI Research和中商产业研究院的统计数据可知,2017年全球工业半导体市场规模达490亿美元,其中功率半导体器件规模大约为98亿美元,占比达到20%,并以8.6%的年复合增长率继续成长,预计到2020年,全球工业功率半导体市场规模有望达到125亿美元。

不仅如此,功率半导体在工业领域的市场份额比重也在不断提升,将由2016年的19.7%提升至2020年的20.8%。

图表12 2016-2020年全球工业领域半导体整体市场及其功率半导体器件市场规模分析(来源:ABI Research、中商产业研究院,单位:亿美元)

光伏、风电领域市场规模

光伏、风电行业已经成为电力行业的重要补充,部分国家,如丹麦,40%的电力由风电供应,中国大陆近几年可再生新能源发电量更是快速增长中根据中国光伏行业协会、CWEA统计,2017年全球风电新增装机量为59.4GW,光伏新增装机量约为80GW,合计带动功率半导体器件市场规模约为16.6亿美元。

中国产业信息研究院推断,预计2020年全球光伏与风电市场将带动功率模块27.54亿美元。其中IGBT模块市场占比达到74%,约为20亿美元。

图表13 2015-2020年全球、中国大陆光伏、风电市场分析(来源:中国光伏行业协会、CWEA)

汽车领域市场规模

近年来,最受关注的应用领域为汽车行业,正在经历汽车发展史上最快的电子化转型期,搭载电机、电池、电控的新能源汽车在汽车总产量中的占比由2014年的0.39%增长至2017年的1.26%,预计2020年占比有望达到4.65%。

2018年1~8月,中国大陆新能源汽车产销分别完成60.7万辆和60.1万辆,比上年同期分别增长75.4%和88%;其中,新能源乘用车销量占比达87%。

图表14 全球新能源汽车产量及在总产量中的占比分析(来源:搜狐、中国汽车工业协会)

结合英飞凌、中商产业研究院数据得知,2017年全球汽车半导体市场规模约为347.69亿美元,并以3.3%的年复合增长率增长,预计到2020年,全球汽车半导体市场规模可扩大到383亿美元。

与此同时,功率半导体器件市场规模也达到了58亿美元,并以6.4%的增速发展,预计到2020年达到70亿美元。功率半导体器件的增长速度几乎是汽车半导体市场增速的2倍,其比重也在不断增大,将从2014年的15.66%增加到2020年的18.27%。

图表15 全球汽车半导体、功率半导体器件市场规模分析(来源:英飞凌、中商产业研究院、中国汽车工业协会)

充电桩市场规模

充电桩是与新能源汽车产业相关的一大应用领域,也是IGBT或MOSFET重要应用高地。

现阶段,主流直流充电桩的功率在60kw和120kw,如果采用15kw的功率模块,则需要4个或8个功率模块。目前充电桩的功率模块有两种解决方案,一是采用MOSFET芯片,另一种是采用IGBT芯片。

其中IGBT适用于1000V以上、350A以上的大功率直流快充,其成本可达充电桩总成本的20-30%;只是当下基于充电桩功率、工作频率、电压、电流、性价比等综合因素考量,MOSFET暂时成为充电桩的主流应用功率半导体器件。

不过,近年新能源车采用快充方式越来越多,着眼未来,IGBT才是充电桩的最佳选择,预计未来其将在充电桩领域获得快速发展。

由于国内外新能源汽车产业发展进度不一样,对配套的公共充电桩、私人充电桩建设进度也不一样,下面以全球充电桩建设规模最大的中国大陆市场为例介绍。

据信息产业研究院统计数据,截至2018年4月,中国大陆在运营公共充电桩约为262058台,同比增长62.5%;其中交流充电桩114472台、直流充电桩81492台、交直流一体充电桩66094台;另外还投建有281847台私人充电桩,同时国家政策也在向私人充电桩倾斜,预测2020年,私人充电桩累计建设规模有望达到400万台。

图表16 中国大陆2015-2020年充电桩新增建设规模分析(来源:易车网、中国产业信息研究院,单位:万台)

目前公共充电桩制造成本约为3万元/台、私人充电桩约为5000元/台,若以每台充电桩中功率半导体器件成本占比为25%计算,则有,2015-2020年中国大陆充电桩功率器件新增市场规模分别为:7.8亿、3.3亿、6.7亿、10.87亿、19.79亿、37.84亿元。

另外,从数据中我们发现,2016年中国大陆因整顿新能源车企造假问题,充电桩产量增量大幅下滑,该年充电桩功率半导体器件市场增速为-56.9%,但进入2017年后,并预计到2020年,年增速不低于61%。

图表17 2015-2020年充电桩功率半导体器件新增市场规模分析(来源:易车网、中国产业信息研究院,单位:亿人民币)

通信领域市场规模

通信行业同样拥有庞大的应用市场,细分市场主要包括路由器、交换机、通信基站、光端机、对讲机等。

中国产业信息研究院统计数据显示,2017年全球路由器、无线路由器、交换机、光端机、通信基站的市场规模分别为:153亿美元、266亿美元、97.9亿美元、36.6亿美元、530亿美元。

图表18 全球通信行业市场规模及结构分析(来源:中国信息产业研究院,单位:亿美元)

注:本图表不含通信卫星领域市场规模

以2017年通信领域功率半导体器件占整体15%的比例计算,2017-2020年通信领域功率半导体器件市场规模将分别为57.45亿美元、59.39亿美元、62.44亿美元、65.96亿美元。其中,基站向5G升级将会成为通信设备功率半导体器件用量增加的最大变动因素。

图表19 2017-2020年通信领域功率半导体器件市场规模分析(来源:中国信息产业研究院、英飞凌,单位:亿美元)

消费领域市场规模

消费类电子也是功率半导体器件的消费重地,由于消费电子产品类型非常多,包括电视机、电脑、冰箱、收/录机、数码像机、手机、平板电脑、平衡车、空调、照明等产品,因此消费类电子产品对功率半导体器件的应用类型也各不一样,一般以600V以内的产品为主,其中0-40V低耐压功率半导体器件是使用量最为庞大的类别产品。

另外,新兴的无线充电等科技产品虽然比较分散,但数量也比较可观,由此也是功率半导体器件不可忽略的消耗大户。

图表20 不同中低压耐压范围功率半导体器件应用领域(来源:百度文库)

根据中商产业研究院数据,2017年消费类电子行业功率半导体器件市场规模为19.6亿美元,占全球总体市场份额的20%左右。预计到2020年,全球消费类电子行业功率半导体器件市场规模将达到23亿美元。

图表21 2017-2020年全球消费类功率半导体器件市场规模分析(来源:中商产业研究院,单位:亿美元)

功率半导体器件供需格局

限于技术实力、电子制造行业需求的不同,全球功率半导体器件的供需呈现出了非常明显的特点。

欧美日牢牢掌控并领导着全球功率半导体器件技术与市场的走向;即便在全球半导体市场有很强影响力的中国台湾,在功率半导体器件领域也存在诸多不足。

而中国大陆无论技术还是产能更是落后,与之相对应的是,作为世界工厂,其需求却领衔全球,呈现出巨大的供需缺口,功率半导体器件主要依赖进口来满足。下面进行具体分析。

主要供应国家/地区分布

全球功率半导体产能主要集中在欧洲、美国、日本三个国家和地区,拥有先进的技术和生产制造工艺,品质管理也领先其他国家和地区,是IGBT、中高压MOSFET等高端器件的主要提供方,长期占据全球70%的市场份额。

其次是中国台湾地区,从代工起步,目前技术水平较欧、美、日仍有差距,大约占据全球10%的市场份额。

最后是中国大陆,处于功率半导体器件供应链末端,以提供二极管、晶闸管、低压MOSFET等低端功率半导体器件为主;用于生产、制造的设备也需要从国外进口,整体实力还比较弱。

图表22 2017年全球功率半导体器件主要产地市场份额分析(来源:东兴证券研究院)

全球销售国家/地区分布

与供应不同的是,在销售端,全球最大的功率半导体器件消费地在中国大陆。

根据Yole和中国半导体协会数据显示,2017年中国大陆功率半导体器件销售额达2170亿元人民币,同比增长3.93%,约占据全球市场份额的39%,其次才是欧洲地区的18%;另外,美国和日本的销售额占比差不多,分别为8%、6%。

图表23 2017年全球功率半导体器件销售额占比分析(来源:Yole,中泰证券研究院)

需要说明的是,中国大陆已经成为国际功率半导体器件龙头企业的重要销售市场,甚至是它们在全球的最大市场,比如英飞凌、达尔、恩智浦等知名企业。

图表24 2016-2017年度中国大陆市场3大功率半导体器件厂家营收比重分析(来源:产业信息研究院)

原厂特点及分布

与很多逻辑、存储半导体厂家不同,功率半导体器件原厂基本都具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节,尤其是几家龙头企业,均为IDM(整合组件制造商Integrated Design and Manufacture的英文缩写)模式,如英飞凌、安森美、罗姆等,无需代工就可独立执行产品制造的全部流程,利于成本的控制和对工艺及品控的改进。

图表25 全球功率半导体IDM企业(来源:中泰证券研究所)

全产业链布局,除了需要技术外,还需要充足的资金支持,但行业内很多企业无法承担高成本风险,于是也衍生出了专门的功率半导体器件设计企业,需要借助台积电/联电/中芯国际等代工厂、长电科技/台湾日月光等封装企业来辅助完成制造。

当然,相比IDM功率半导体器件企业的规模来说,这部分厂家的产能及产值占比较小。

图表26 全球功率半导体产业链情况(来源:中泰证券研究所)

从地域分布来看,欧洲、美国、日本的功率半导体器件厂家多采用IDM模式,中国大陆也基本为IDM厂家,唯独中国台湾以Fabless为主。

图表27 功率半导体器件主要产地产业链模式及优势分析(来源:乐晴智库)

功率半导体器件企业的分布相对来说较为集中,英飞凌、意法半导体、赛米控等不仅是欧洲的代表企业,更在全球名列前茅;美国则有安森美、IR、凌力尔特等为其扬名立万;日本也是功率半导体器件的主要玩家,瑞萨东芝、富士电机、罗姆闻名全球。

中国台湾和韩国也有不少功率半导体器件企业,不过相对来说,他们的影响力较为有限。

作为需求大国,中国大陆也早已对功率半导体产业进行布局,但发展至今,本土品牌的话语权仍较低,以IGBT为例,活跃于中国大陆的一线品牌为赛米控、EUPEC(优派,英飞凌子公司)、三菱电机、三垦电气、仙童半导体等以欧洲品牌为主导的欧美日公司。

二线品牌则以日企主导的欧美日梯队,如富士电机、IR、东芝、艾赛斯、意法半导体等;第三梯队才是中国大陆的本土企业,如南车、华微电子、中环股份、无锡凤凰等。

图表28 各国家/地区主要功率半导体器件代表企业(来源:芯师爷研究院整理)

产业高度集中于国际大厂

功率半导体器件是一个规模高度集中的行业,根据IHS的分析,2017年全球前10大厂商清一色为欧美日企业,供应规模占比达到了全球的60%以上,其中英飞凌(18.5%)、安森美(9.2%)、意法半导体(5.3%)分别位列第一、二、三位。

虽然欧洲的企业数量没有美、日两国多,但几乎都是行业内有着重大影响力的企业,尤其是英飞凌,雄霸功率半导体器件市场榜首,市占率是排在第二位安森美的2倍。

图表29 2017年前十功率半导体器件企业市场占有率分析(来源:IHS)

中国大陆企业受起步晚、技术水平较低、产品线不齐全、企业规模小等因素制约,目前还处于追赶阶段。

2016年建广资产以27.5亿美元收购恩智浦(NXP)标准件业务并独立为安世半导体(Nexperia),建广资产也由此成为了中国大陆半导体业规模最大且利润最高的IDM(垂直一体化)企业,并成为中国大陆功率半导体器件的重要支柱,致力于填补国内汽车、工业IC领域的空白。

而吉林华微作为中国大陆功率半导体器件排名第一的企业,2017年其与行业龙头英飞凌的差距,仅营收一项就达34倍以上,差距仍然非常明显。

图表30 2017年中国大陆功率半导体器件十强企业排名(来源:中国半导体协会)

国产替代可行性

国产替代机会点

目前,中国大陆在功率半导体器件领域几乎处于全产业链落后的被动局面,包含国际大厂产能在内的国内市场自给率大约只有10%,而由本土企业贡献的份额甚至只有5%,这其中还包括了功率二极管等本土最具优势的中低端器件,其余产品供应主要依赖进口实现。

图表31 2017年中国大陆功率半导体器件自给率分析(来源:乐晴智库)

与活跃于中国大陆的国际功率半导体器件厂商相比,本土企业优势不明显,如消费领域为西门康、仙童半导体的天下;中等电压的工业级市场基本被ABB、英飞凌、三菱电机所把持;而在3300V以上高电压领域,更是被英飞凌、ABB、三菱电机三家所垄断;在大功率沟槽技术方面,也为英飞凌、三菱电机马首是瞻。

而在新材料技术方面,国际龙头的研发都比较早,如丰田早在上世纪80年代就开始进行SiC等第三代半导体材料研发,Cree、三菱也在上世纪90年代就初就取得了SiC成果,这些企业在第三代半导体领域的技术积累,领先中国大陆20-30年,造成了目前本土企业突围困难的局面。

但这不是说本土企业就没有机会。中国大陆是世界上产业链最齐全的经济活跃区,在功率半导体领域,同样活跃着一群本土制造商,目前已基本完成了产业链的布局,且正处于快速发展当中。虽然短期内仍与国际龙头存在非常大的技术差距,但在他们的努力下,已在中低端领域实现了部分国产替代。

分析认为,本土企业在用量最大的0-40V低压领域的替代机会最大;同时在400-6500V的高压领域开始有了本土企业的声音;但在40-100V、100-400V应用较多的中间领域,本土企业还在努力争取挤进世界前15大企业排名中;呈现出先发展两极,再向中间包围的态势。

图表32 功率半导体市场格局及国产化替换机会分析(来源:中信证券研究部、中泰证券研究所)

本土国产替代潜力企业

从行业走势看,由于国际大厂渐渐往新能源汽车等高端领域发展,对低端市场的投入将会逐渐下降,给了中国大陆本土功率半导体器件企业良好的替代发展机会;并在众多领域开始展现多点开花的良好形势,如耕耘MOSFET的华微、扬杰、士兰微,精于IGBT的嘉兴斯达、中国中车、比亚迪、士兰微,在SiC领域有所建树的北京泰科天润等企业。

图表33 中国大陆主要功率半导体器件厂家主营业务及市场地位分析(来源:WIND)

以本土车企比亚迪为例介绍,2018年9月,比亚迪第一次对外宣布其新能源汽车采用了自主研发的IGBT功率半导体器件。

截至2018年11月,比亚迪在该领域累计申请IGBT相关专利175件,其中授权专利114件。其实比亚迪早已经在秦、唐等多个新能源车型中采用自主研发的IGBT模块。截至目前,比亚迪车用IGBT装车量已累计超过60万只。

不仅如此,比亚迪还对性能更优异的第三代半导体材料SiC(碳化硅)投入巨资,并成功研发了SiC MOSFET,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪旗下的电动车将全面搭载SiC电控。


 

图表34 比亚迪自主研发的IGBT模块(来源:腾讯网)

大环境对国产替代的影响

目前,影响功率半导体器件价格走势的最大因素为中美贸易战,持续至今,对中国大陆电子产品及出口贸易的不利影响日益显现。目前美国仍掌控着大约5000亿美元关税的主动权,如果其在进入2019年后对这部分进口产品关税全部提升至25%,将会加剧中国大陆电子制造业的低迷走势。

与此同时,美国对华频频采取禁运措施,严重依赖进口的中国大陆功率半导体器件市场将受此影响,产品供给得不到稳定保证。

中美贸易战还会对中国大陆全产业链水平的持续提升产生影响,尤其是在制造设备和材料方面表现得最为明显。

目前本土设备供应商并不能提供所需的所有设备,部分设备的技术水平距离国际先进水平还有不少差距,如国产设备芯片焊接空洞率高达20%-50%,而德国的真空焊接机可将空洞率控制低于1%。

即便可以通过国际采购也只能解决部分问题,不少设备很难采购得到,往往需要付出高昂代价,如薄片加工设备;更有甚者,部分设备被禁止进口,如日本的表面喷砂设备等。

中美贸易战的持续,不利于中国大陆功率半导体器件产业的国产替代发展。

市场缺货有助于国产替代

由于国际功率半导体器件大厂近年寻求向新能源领域产品升级,又对原有产能的扩产计划异常谨慎,使得原有产能无法应对新增需求。

直到2018年5月,英飞凌才在奥地利菲拉赫投入16亿欧元建300毫米芯片工厂,这是近年来功率半导体器件大厂的最大动作,不过该项目投产时间最快要到2021年初;另外,罗姆也在日本计划投建新厂房来强化SiC功率元器件产能,但该项目基建至少要到2020年才能建成;扩产计划对当下缺货问题并无帮助。

而汽车、高铁、动车、物联网以及智能手机等领域又在持续发展中,尤其是新能源汽车,对功率半导体器件的需求量逐年快速上涨,导致了市面库存紧张。

另外指纹识别IC、双摄芯片与第三代身份证IC等产品又不断挤占原有的8英寸、6英寸产能,导致用于MOSFET等功率半导体器件生产的晶圆产能萎缩;更为重要的是,不少8英寸晶圆厂开始转向利润更高的12英寸晶圆制造,加剧了功率半导体器件的可用晶圆的短缺。

中国大陆目前公开的19个扩建产能项目中,仅有5个新工厂是针对8英寸晶圆制造,其中明确用于功率半导体器件生产的工厂并不多,仅有万国半导体重庆厂、华润微电子重庆厂等少数几家。

图表35 中国大陆晶圆厂新产能建设规划情况(来源:ittbank,安信证券研究中心)

在2018年3月左右,功率半导体器件同比涨幅普遍在15%-20%区间,其中高压MOSFET市场缺口最大,达到了30%。此后供需矛盾持续紧张,截至2018年第三季度,以MOSFET为首的功率半导体器件出现了罕见的价格连续3个季度调涨情况。

由此,功率半导体器件成为了继MLCC等被动元件之后,大幅涨价的半导体器件;与之相伴而来的是,交货周期一再延长,并致使主要功率器件原厂2019年上半年产能都被预订完。

图表36 2018年上半年低压(上图)、高压(下图)MOSFET交货周期情况(来源:ittbank、中泰证券研究所)

直至2018年10月,功率半导体器件才收住了涨价势头;不过2019年1月,合晶打响了2019年硅晶圆涨价第一枪,给功率半导体器件2019年的价格走势再次蒙上了一层阴影。

与此同时,在新能源汽车上使用的车规级IGBT的延期情况仍未得到有效解决。据全球知名分销商富昌电子统计,2018年,应用于新能源汽车的IGBT模块的交货周期最长已经达到52周(IGBT的交货周期正常情况下为8-12周)。

而2018-2022年全球新能源汽车产量年复合增长率超过30%,但同期车规级IGBT产量的年复合增长率仅为15.7%(IGBT产业整体同期增长率为10.69%)。由此可见,车规级IGBT未来仍将继续面临交期延长问题。

本土功率半导体器件企业将可继续借助市场缺货行情获得巨大的成长机会。

与国际大厂一样,本土企业的扩产计划也处置得很谨慎,不过本土企业于2015-2016年间实施的产能扩产工程,几乎都在本轮涨价过程中得以顺利投产,并加快了企业业绩的增长势头。

如扬杰科技的4寸线、6寸线扩产项目如期投产并实现产能释放,其在2018年上半年业绩同比增长了27.75%,第三季度再度同比增长24.93%;华微电子的利润率更是一路走强,自进入2017年以来,净利润率同比增速基本都维持在40%以上。

同时,本土企业的产能利用率也得到了良好提升。

图表37 本土4大功率半导体器件企业2015-2018年上半年营收情况(来源:企业财报,单位:亿人民币)

在借助行业良好势头,本土企业扩产计划也将陆续出台。

华微电子正在进行的新型电力电子器件基地项目(二期)建设正在如火如荼进行中,建成后将成为大陆本土首家以新能源领域功率半导体芯片制造为核心、规模最大的八英寸生产线;该项目有望打破市场格局,享受进口替代红利,华微电子也将借此具备加工8英寸芯片产能24万片/年的能力。

本土IGBT龙头企业嘉兴斯达,在2018年上半年产销率已达到97%,基本达到了产销平衡;目前正计划扩建新产线,用于IPM模块生产,新增产能计划为700万个/年。

另外,捷捷半导体也在计划投建四条生产线及三条新产品研发线,一个产品性能检测和试验站,预计可形成年产90万片半导体分立器件芯片及11.48亿只半导体分立器件生产能力。

不仅如此,本土企业还发力技术、人才及产业链布局,静待破发时机。如扬杰科技一方面控股宜兴杰芯,进行6寸产线、8寸产线技术及人才储备;另一方面收购成都青洋电子,以获得稳定外延片供应;同时加大第三代半导体SiC的技术储备与产品开发工作。

第三代硅基材料发展现状

传统的硅基功率半导体器件及其材料已经满足不了当下行业对高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境及小型化功率半导体器件发展需求,且每取得一次突破都要付出高昂的代价。

于是人们的目光转向了以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,它们具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点,结合卓越的开关性能、温度稳定性和低电磁干扰(EMI),更适用于如太阳能逆变器、电源、电动汽车和工业动力等下一代电源转换。

图表38 SiC、GaN相比于传统材料性能更优(来源:中泰证券研究所)

碳化硅(SiC)现状及前景

目前碳化硅器件定位于功率在1kw-500kw的应用,工作频率在10Khz-10Mhz之间的场景,特别是一些对能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车充电装置、电动汽车动力总成、光伏微型逆变器领域等应用。

随着技术缺陷不断得到补足,以及规模化生产,SiC的成本正在不断下降,如从2012-2015年3年中,SiC器件价格就下降了35-50%。

而随着汽车、工业领域的规模化应用,虽然单个碳化硅器件的成本仍高于传统Si基产品数倍,但SiC凭借其产品特性,大幅下降外围器件成本,使得整体成本与Si基方案的差距已经缩小到可接受范围。

如单个60kw碳化硅功率模块的BOM(物料清单)成本在732美元,而相应的硅基IGBT功率模块的BOM成本约为458美元,碳化硅功率系统已成本降低至硅基功率系统成本的159.8%。随着成本进一步下降,未来SiC器件的替代将会加速。

图表39 SiC器件单价走势分析(来源:中国产业信息研究院)

从全球角度看,目前SiC的技术和市场都被国际企业所垄断,主要为Infineon、Cree和Rohm,而且他们已经形成了产品体系。

英飞凌公司最早在2001年推出SiC肖特基二极管。

罗姆于2008年收购生产SiC晶圆的德国SiCrystal公司后,形成了从晶圆制造、前期工序、后期工序再到功率模块的一条龙生产体系,并率先量产SiC器件。

Cree在2002年推出首款商业化600V SiC肖特基二极管,并于2011年发布工业用SiC MOSFET。

这三家企业目前约占据了90%的SiC市场份额,处于三足鼎立的龙头地位。此外,意法半导体、丰田也在积极进行SiC布局。

与国际大厂相比,中国大陆的碳化硅功率半导体器件研发起步晚,于20世纪末才开始重视SiC的开发,在技术上仍有很大差距。

不过截至2018年,中国大陆的SiC已经形成了相对完整的产业链,比如,泰科天润研发的碳化硅肖特基二极管产品已于2014年成功量产,产品涵盖600V-3300V等中高压范围,产品成品率达到国际先进水平;华天恒芯已经具备量产650V/1200V/1700V SiC肖特基二极管的能力;嘉兴思达、扬杰科技、三安光电等公司也在积极布局SiC功率半导体器件。

图表40 国内外碳化硅产业链代表企业一览表(来源:中国产业信息研究院、创头条)

氮化镓(GaN)现状及前景

与适用于中大功率的SiC相比,GaN的方向是中小功率,因此GaN成为紧随SiC的第三代半导体材料。

国际上,住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本公司已可以出售标准2-3英寸HVPE制备的GaN衬底,具备4英寸衬底的小批量供应能力。

6英寸制备600V以上电力电子器件的Si上GaN外延材料则由美国Nitronex、德国Azzuro和日本企业提供;目前已推出耐压650V及以下系列Si基GaN功率半导体器件,主要应用于服务器电源(PFC)、车载充电、光伏逆变器等,美国Navitas、美国Dialog均为此类供应商。

GaN微波射频器件目前主要用于远距离信号传输和高功率级别,如雷达、移动基站、卫星通信、电子战等,主要玩家有东芝、三星等。

而中国大陆,在国家多项科研计划的扶持下,已经大幅缩小了与国际的技术差距,并取得了不少成就,如中电13所已形成系列化GaN微波功率半导体器件和MMIC产品,已获得华为、中兴用于基站研发;苏州纳维、东莞中镓具备2-4英寸GaN单晶衬底材料的供货能力。

苏州能讯、苏州晶湛、江苏能华、杭州士兰微、江苏华功半导体均已进入布局GaN电力电子材料和器件;三安光电也已建设GaN射频器件工艺线;海特高新通过其子公司海威华芯开始建设6英寸的第二代/第三代半导体集成电路芯片生产线,氮化镓(GaN)半导体芯片(6寸)项目建设规模为30000片/年。

2018年11月,聚力成半导体(重庆)有限公司奠基仪式在大足高新区举行,该项目以研发、生产全球半导体领域前沿的氮化镓外延片、芯片为主,计划在12个月内完成一期厂房建设并开始试生产;该项目同时是聚力成在中国大陆的第一个生产、研发基地,将有望打破德国、日本、美国对GaN的垄断局面。

该项目建成后,可为高铁、新能源汽车、5G通讯、雷达、机器人等行业的电力控制系统和通讯系统的核心部件提供大量的氮化镓高功率半导体和高射频半导部件。

图表41 国内外氮化镓(GaN)产业链代表企业一览表(来源:材料深一度)

中国大陆第三代半导体材料发展计划

鉴于本土与国际在第三代半导体材料领域存在的巨大差距,在2016-2017年2年时间里,中国大陆以中央政府为主导,联合各地方政府集中出台了近30个第三代半导体材料相关政策,并分2批部署了11个研究方向。

进入2018年,则转由地方政府为主导,对第三代半导体材料的发展进行具体推动及落实。

图表42 2016-2018年中国大陆第三代半导体材料相关支持政策(来源:CASA,中信证券研究部)

在应用端,中国大陆半导体照明产业是全球最大的半导体照明产品生产和出口地,成为中国大陆第三代半导体材料成功产业化的第一个突破口。

以大基金入股三安光电/士兰微、安世半导体本土化为标志,目前中国大陆已开始围绕长三角、珠三角、环渤海经济圈及闽赣地区开展第三代半导体产业布局,其中珠三角地区是中国大陆LED封装企业最集中、封装产业规模最大的地区,企业数量约占全国一半左右。

全球第三代半导体材料市场规模

根据Yole的统计,2017年全球SiC模组市场为2.8亿美元,GaN模组的市场规模约为4000万美元左右;结合时下国内外发展情况,芯师爷研究院预测,至2020年,全球SiC模组市场将达7.8亿美元,GaN的模组市场规模也将扩大到1.1亿美元左右。

图表43 全球SiC、GaN模组市场规模及增速分析(来源:Yole,单位:百万美元)

小结

由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性、实用性和战略性,未来,由SiC和GaN材料制成的半导体功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋势,成为节能设备最核心的器件,许多发达国家已将第三代半导体材料列入国家计划,全面部署,竭力抢占战略制高点。

根据发展目标,2018~2020年间,中国大陆将完成第三代半导体的产业基础建设,进行产业链的完善、核心装备研发、核心工艺开发、开发基础器件并开始示范应用等。

但由于中国大陆开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,在SiC和GaN材料的制备与质量等方面仍有较多亟待破解的问题。

目前看,阻碍中国大陆第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。借助功率器件产业的国产替代,或将能让中国大陆在实践应用中,更利于获得更多有利于第三代半导体材料研发的原始创新专利。