干货分享——功率半导体行业研究报告

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功率半导体器件基本概念

功率半导体器件(PowerSemiconductor Device)又称电力电子器件(PowerElectronicDevice)。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。

功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电压和频率,或将支流转换为交流,交流转换为直流等的电力转换,也可精确的将发动机从低速到高速的循环运转,或用于太阳能电力转送至电站,或给各家电、电器等提供安定的电源,并同时可具有节能的功效。

功率器件可以分为电源管理IC、功率模块和功率分立器件三大类,其中功率分立器件又可以分为全控制器件、半控制器件和不可控器件。

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图1:功率半导体器件主要作用,来源:富士电机

 

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图2:功率器件是半导体行业重要分支,来源:产业信息网   


从功率半导体的工艺角度看,主要分为硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。迈向节能世界的下一个关键步骤是使用新材料,比如宽带隙半导体,这些材料可以实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量、更低的总体成本——或者同时实现上述所有优点。与硅相比,碳化硅(SiC)具有3电子伏特(eV)的宽带隙和更高的导热率。碳化硅(SiC)器件属于所谓的宽禁带半导体组别。与常用硅(Si)器件相比,它们为高压功率半导体提供了许多有吸引力的特性。特别是,碳化硅具备更高的击穿电场强度和导热率,可以制造出远超相应硅基的器件。

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ROHM的SiC功率元器件开发历史


从产品类别类别上分,主要又分为IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)等等.

IGBT裸片是硅基的绝缘栅双极晶体管芯片。裸片和晶圆级别的芯片可帮助模块制造商提高产品集成度和功率密度,并有效节约电路板空间。独立塑封IGBT系列包括单片IGBT,以及和续流二极管集成封装的产品,广泛应用于通用逆变器、太阳能逆变器、不间断电源(UPS)、感应加热设备、大型家电、焊接以及开关电源(SMPS)等领域。单管IGBT电流密度高且功耗低,能够提高能效、降低散热需求,从而有效降低整体系统成本。

功率模块是比分立式IGBT规模稍大的产品类型,用于构造电力电子设备的基本单元。这类模块通常由IGBT和二极管组成,可有多种拓扑结构。而即用型组件模块则专用于满足大功率应用的需求。这些组件常被称作系统,根据具体应用领域采用IGBT功率模块或单管进行构造。从具有整流器、制动斩波器和逆变器的一体化功率集成模块,到最大功率的组件,产品覆盖了几百瓦到几兆瓦的功率范围。这些产品高度可靠,性能、效率和使用寿命均很出色,有利于通用驱动器、伺服单元和可再生能源应用(如太阳能逆变器和风力发电应用)的设计。

功率半导体行业的市场情况

Yole预测,2016年全球功率器件市场规模约为292亿美元,预计至2022年市场规模将增长至364亿美元,2016-2022年复合增速为3.8%。其中,2022年电源管理IC市场规模约为187亿美金,2016-2022年复合增速为3.4%;功率模组市场规模约为50亿美金,复合增速为7.0%;功率分立器件市场规模约为137亿元,复合增速为3.1%;

 

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图3:全球功率半导体器件市场规模 ,来源:Yole


功率半导体器件可用于几乎所有的电子制造业,其下游应用非常广泛,包括消费电子、电动汽车、智能电网、新能源、轨道交通等。根据高频和高功率两大物理性能,不同的功率器件(MOSFET、IGBT、SiC等)可以应用于不同的领域。

功率半导体按照下游应用领域,主要可以分为五大类,包括工业控制(市场占比约为 23%),消费电子(20%),计算机(20%),汽车电子汽车电子(18%),网络通信(15%)。

MOSFET、IGBT、整流桥是功率半导体器件最为重要的三个细分产品。2017年MOSFET在功率器件的占比达到41%,整流桥21%,功率模块占比23%,IGBT则为7%。

MOSFET、IGBT、整流桥是功率半导体器件最为重要的三个细分产品。2017年MOSFET在功率器件的占比达到41%,整流桥21%,功率模块占比23%,IGBT则为7%。

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图4:2017年功率器件细分占比,来源:Yole


中国功率器件市场规模为全球首位,国产替代空间巨大

根据赛迪数据统计,2016年中国功率器件的市场规模达到1494.5亿元,2017年市场规模则为1611.1亿元,同比增长7.8%,为全球最大的功率器件市场。赛迪预计中国功率器件市场规模未来三年CAGR达到7.83%,高于全球平均增速。

 

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图5:中国功率器件市场规模,来源:赛迪顾问

 

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图6:功率器件全球各地区市场占比,来源:前瞻产业研究院

中国功率器件市场占比全球达40%,中国是全球最大的功率器件消费国,功率器件细分的主要几个产品在中国的市场份额均为第一。其中,MOSFET中国市场规模占比全球为39%,IGBT为43%,BJT为49%,电源管理IC为47%,其它如晶闸器,整流器,IGBT模组等产品中国市场占比均为40%左右。

功率半导体的增长空间与投资逻辑

在半导体各个领域,功率半导体产业具有高中低端器件市场分层的特点,国内企业目前已经在中低端市场占据牢固的行业地位,具备向中高端器件产业升级的基础。功率器件结构上相对简单,追赶海外先进水平的难度相对较小。

中国功率半导体企业的具备主要体现在以下三个方面:一)汽车半导体行业进入黄金十年,功率半导体占据汽车半导体增量市场的一半以上;二)海外企业在不断退出中小尺寸晶圆制造领域,中国企业可直接占领该市场;三)美国对中兴、华为通讯芯片禁用事件之后,供应链安全成为下游系统厂商的核心考虑要素,导入国内供应链紧迫性强烈,国内企业进口替代有望加速。

伴随着电动车销量增长,功率半导体市场将成倍爆发

电动汽车未来几年的销售增速有望保持50%以上。根据EVSale数据,2017年全球电动车销售超过122万辆,较2016年增长58%。2018年1-4月销售数据来看,全球电动车销售数据达到43.55万辆,较去年同期增长68.18%,销量呈加速增长的态势。

功率半导体是电动车成本占比仅次于电池的第二大核心零部件。相比燃油车,电动汽车的功率器件用量急剧上升,尤其是IGBT用量成倍增长。据StrategicAnalysis数据,平均来看燃油车半导体用量在338美金,电动车半导体用量达到704美金,单车半导体使用量增长108%。

中国市场是新能源汽车最重要的市场之一,中国新能源车销售量占全球销售一半以上。国内功率半导体企业有望利用地缘优势,强化与本土汽车厂商的战略合作,在新能源汽车产业发展储器获得战略卡位。

功率半导体对硅片面积的消耗量巨大,一般情况下一片8寸硅片仅能切割70-80颗IGBT芯片。电动汽车尚处于渗透率较低的产业化初期,汽车半导体用量需求的成长空间及成长持续性强,有望拉动硅片产业进入长期持续的供需紧张局面。预计2022年,全球电动车销售量有望突破1000万辆,以平均每片消耗1/2硅片测算,对应功率半导体硅片消耗量将达到500万片左右。

新能源汽车尚处于量产初期阶段,伴随着电动车渗透率的提升,功半导体用量将成倍增长。

大陆企业有望全面承接晶圆制造领域的产业转移

功率半导体产品的差异化主要来源于三个方面,一是基于系统know-how理解的设计能力。二是晶圆制造环节的工艺水平差异。三是芯片封装工艺水平的差异。功率半导体领域的价值链较短,晶圆制造能力和封装能能力构成产品附加值的核心,IDM模式成为功率半导体的主流,并更具备竞争力。IDM设计部门和生产部门可以不断迭代工艺技术,不断调整工艺参数形成差异化产品,所以产品溢价更高。

中国是全球最大的电子产品制造基地,每个电子产品制造商的每个电子产品均需要用到功率半导体。下游庞大的本土市场需求是台湾、韩国地区所不具备的客观条件。随着功率半导体产业成熟度的增加,功率半导体产业向大陆转移的长期趋势确立。

长期来看,功率半导体产业从海外转移到大陆的趋势非常明朗。伴随着海外企业不断关闭中小尺寸晶圆厂,外包芯片制造甚至退出市场是海外企业的发展方向。2009-2017年全球共有92座芯片晶圆企业不断关闭中小尺寸晶圆厂,6寸晶圆厂退出数量占比为41%,8寸晶圆厂退出比例为26%。中国大陆地区有望超过北美、日本成为全球第三大晶圆制造区域。特别是海外持续退出的6寸、8寸芯片制造市场,大陆企业有望全面承接产业转移。

贸易战导致供应链紧迫性加强,进口替代有望加速

中兴、华为芯片禁运事件后,国内下游整机厂的供应链安全问题日益紧迫,供应链安全成为选择供应商的核心因素。在中美贸易战的背景下,国内功率半导体企业有望加速导入到下游整机系统客户。

总体来看,进口替代和下游需求持续增长是功率半导体行业投资的主要逻辑。长期来看,功率半导体产业从海外转移到大陆的趋势非常明朗。同时,新能源汽车尚处于产业发展的初期阶段,伴随着电动车渗透率的提供,功率半导体用量将成倍增长,为功率半导体企业提供巨大的成长机会。

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干货分享——功率半导体行业研究报告

功率半导体器件(PowerSemiconductor Device)又称电力电子器件(PowerElectronicDevice)。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。

IGBT技术进展及其新能源汽车应用

IGBT是在MOS基础上发展出的复合型功率半导体器件,是传统电力电子技术与微电子技术结合的产物。IGBT是电压控制型的功率开关器件,工作频率介于MOS和BJT之间,功率容量较大。它最大的技术挑战是要以微电子的精细结构,耐受传统电力电子的功率开关与开关过程中的各种电磁热机械应力等非常严酷的应用考验。

功率半导体器件的分类和封装介绍

功率半导体器件,也就是我们说的电力电子器件,是一种广泛用于电力电子装置的电能变换和控制电路方面的半导体元件。

了解近年来,汽车功率器件的最新发展

功率半导体器件是半导体的一个重要分支,功率半导体器件可以分为电源管理IC、功率模组和功率分立器件三大类。

罗姆:带你看透电源管理IC的“进化”之路

虽然电源管理IC不像CPU、GPU那样吸睛,但它属于一个相对稳定的市场,如果能在这一领域深耕,那也能培育自己的“一亩三分地”。毕竟,电源管理IC不可或缺。据预测,电源IC市场规模到2023年将增长至227亿美元,2018~2023年期间的复合年增长率(CAGR)将达4.6%。而一方面随着自身在提升集成度、模块化、数字化不断进阶,另一方面新型应用拉升对GaN、SiC等材料需求,为电源管理IC发展注入全新动力。