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功率半导体产业链全景梳理

Panoramic Analysis of Power Semiconductor Industry Chain

作者:本站  来源:转载  浏览:1257  发布时间:2021-01-16

根据世界半导体贸易统计组织( WSTS )的分类,半导体产业可细分为四大领域:集成电路、分立器件、光电子器件和传感器。

其中分立器件主要分为两类,一类是功率器件(包括模块),另一类是集成电路的功率 IC

IHS 数据显示, 2019 年全球功率半导体市场规模达到 403 亿美元。从单个产品市场规模占比数据来看,功率 IC 与功率器件的总体市场规模占比基本持平,分别占比 54% 46%

中国是全球最主要的功率器件消费国,功率器件细分的主要产品在中国的市场份额均处于第一位。虽然国际大厂目前占据主要市场,但其高端产品价格高昂,无法满足国内迅速爆发的市场需求,国产替代空间十分广阔。



功率半导体产业链

功率半导体是处理较高电压的半导体器件,是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等,一般处理的电压范围在几十伏到几百伏之间。

功率半导体产业链包括上游原材料,中游的芯片制造设计封装,以及下游的应用。



功率半导体产业链上游原材料层面,与整体半导体产业相似,晶圆供应商在上游产业链中仍占据较大话语权。

全球范围来看, 12 寸晶圆产能是过去几年主流新建方向, 8 寸晶圆产能增长缓慢。在行业需求迅速回暖之时,功率器件代工供给资源更显紧张。在供需失衡情况下,晶圆代工成本及功率器件售价均呈现上涨趋势,行业有望迎来量价齐升。

产业链中游层面,国内功率半导体厂商基本为 IDM 模式,即具备从设计、制造到封装测试完整生产链。但绝大多数厂商只在二极管、低压 MOS 器件、晶闸管等相对低端器件的生产工艺方面较为成熟,对于 IGBT 等高端器件,国内只有极少数厂商拥有生产和封装能力,国内销售的高端功率器件产品仍然被美、日、欧厂商所主导。

下游几乎应用于所有的电子制造业。功率模组多用于新能源汽车、智能电网、轨道交通等各传统和新兴产业中的 DC/AC逆变器、整流器、驱动控制电路方面。



功率器件中 MOSFET IGBT 价值量最大

功率半导体行业是一个需求驱动型的行业。功率半导体器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、 MOSFET IGBT 等。在各类半导体功率器件中,增长最强劲的产品是 MOSFET IGBT 模块。

MOSFET IGBT 属于电压控制型开关器件,相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件,具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。

WSTS 数据, MOSFET IGBT 分别占据全球功率半导体分立器件和模组市场 41% 30% 的市场份额,为价值量最大的两个品种。



IGBT:电力电子装置的 CPU

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写,即绝缘栅双极型晶体管,是一种大功率的电力电子器件,是能源变换和传输的核心器件,可以理解为非通即断的开关,主要用于变频逆变和其他逆变电路,将直流电压逆变成频率可调的交流电,俗称电力电子装置的 CPU ”

20 世纪 80 年代至今, IGBT 芯片经历了 6 代升级,从平面穿通型( PT )到沟槽型电场截止型( FS-Trench ),芯片面积、饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从 600 V 提高到 6500 V 以上。



IGBT 产业链分为四大环节

IGBT 产业链可以分为四个环节,芯片设计、芯片制造、模块设计及制造封测,其中芯片设计和模块设计以及工艺设计都有非常高的技术壁垒,需要非常专业化的研发团队和长时间的技术积累。

IGBT 行业上游产业主要包括半导体材料(硅片、光刻胶等)与设备(光刻机、刻蚀机、 PVD CVD 等),是支撑IGBT 行业发展的基石。

IGBT 行业根据芯片制造的工序又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。

IGBT 行业下游产业为广泛的各细分应用市场, IGBT 在工业控制、新能源汽车、消费电子、电力储存、轨道交通、家用电器等领域均大量应用。



IGBT 分三种商业模式

半导体行业内一般依据覆盖环节的不同而将各半导体公司分类为三种商业模式:

Fabless (无工厂芯片供应商)模式、 Foundry (代工厂)模式与 IDM Integrated DeviceManufacture ,集成器件制造)模式。

Fabless 模式是指只负责芯片的电路设计与销售,将具体生产环节外包的公司,例如斯达半导、中科君芯等;

Foundry 模式是指负责制造、封装或测试的其中环节,不负责芯片设计的公司,例如上海先进、江苏宏微等;

IDM 模式是指集芯片设计、制造、封测多个环节于一身的公司,例如比亚迪、英飞凌、三菱、士兰微等。



IGBT 市场竞争格局:国外长期垄断,国产替代势头正劲

IGBT 市场一直被英飞凌、三菱、富士电机、安森美等少数供应商所垄断,国内功率半导体市场自给率偏低, 2019 IGBT 的自给率仅为 16.3% ,行业仍存巨大供需缺口,国产替代将会是未来重要的发展方向。

Omdia 数据, 2019 年全球 IGBT 模块市场前十大厂商中有 9 家为海外厂商,国内仅斯达半导进入前十,市占率为 2.5%

过去我国电子产品制造企业,尤其是高端产品厂商,在器件原材料选用过程中往往偏好性能更为卓越的海外功率器件产品。近年来由于海外技术封锁、中美贸易摩擦、中兴事件华为制裁等地缘政治事件影响,国内厂商开始尝试引进本土半导体供应商,为我国功率半导体厂商提供发展机遇。



目前国内功率器件产业链中, IC 设计部分主要有东威半导体、中科君芯、无锡新洁能;制造部分有华虹半导体、中芯国际、华润微电子、上海先进,其中华虹半导体已经为 IGBT 代工;封装部分有赛晶电力电子、中车永电、威海新佳、美林电子,其中赛晶电力电子是国内 IGBT 封装较为成熟的公司,其也是外资 ABB 在国内最大的大功率半导体器件分销商; IDM 部分有比亚迪、中车时代电气、斯达半导体及士兰微,前三家公司主要从事 IGBT 器件的 IDM 生产。



据机构预测,国内市场预计受新能源汽车渗透率提升驱动,未来五年 IGBT 市场规模增速中枢将在 20%-23% 的高增长区间,到 2025 年全球车载 IGBT 市场规模将达到 60 亿美金。同时,光伏风电和充电桩等也快速拉动着 IGBT 的需求,预计 2025 IGBT 整体市场有望超过 100 亿美金。



MOSFET 产业链

MOSFET 是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管。功率 MOSFET 器件工作速度快,故障率低,开关损耗小,扩展性好。适合低压、大电流的环境,要求的工作频率高于其他功率器件。

其应用范围覆盖电源、发频器、 CPU 及显卡、通讯、汽车电子等多个领域, MOSFET 采用 IDM 模式更具竞争力。

MOSFET 经历了 3 次器件结构上的技术革新:沟槽型、超级结、 Insulated Field Plates 。每一次器件结构的发化,在技术指标上产品性能得到飞跃,大幅拓宽产品的应用领域。

MOSFET 产业链:



MOSFET 竞争格局:欧系厂商主导,国产替代空间广阔

根据 Omdia 数据,全球功率 MOSFET 以欧系厂商占主导。 2019 年英飞凌在全球功率 MOSFET 占比达到 25% ,安森美和意法半导体各占 12.8% 9.5%



国内市场中则仅有华润微进入前十,市占率为 3.0%

相对 Omdia 2018 年统计无国内企业进入 IGBT 模块和 MOSFET 器件市场前十,国内功率厂商在销售规模上已有明显进步,但从绝对价值量和占比来说,国产替代空间仍十分广阔。

我国功率半导体产业近年来在 IDM 、制造、封装等领域也涌现出了华润微、斯达半导、新洁能、扬杰科技、捷捷微电等众多优秀企业。

部分功率半导体产业公司:



新材料碳化硅( SiC )有望改变市场格局

随着 IGBT 即将逼近硅基材料的性能极限,近年来在国际厂商带动下,以碳化硅( Sic )及氮化镓( GaN )为代表的第三代半导体材料(也称宽禁带半导体材料)成为新的替代材料的重点。

电动汽车目前为驱动功率半导体市场需求的最大增量,在传动体系与传统燃油车有显著差异,其对于 Mosfet IGBT SiC 等各方面需求都有较大提升。



SiC 市场当前受制于产能不足、良率低,在技术改进后, SiC 功率半导体有望从 2023 年左右开始扩大市场,其中最大的市场是 EV/HEV 电机控制。而根据 Yole 数据,至 2025 EV/HEV 是功率器件增长最快的领域,将由 6 亿美元增长至 18 亿美元。

IHS 数据显示,到 2027 年全球 SiC 功率半导体市场规模为 102 亿元,其中 SiC 肖特二极管占比为 16.2% SiC MOSFET 占比 31.3% SiC JFET 占比 3% ,混合 SiC 模块占比 25.9% ,纯 SiC 模块占比 23.6%

根据英飞凌( Infineon )数据,相较传统燃油汽车, 48V/MHEV FHEV/PHEV 、及 BEV 在功率器件上单车价值量分别提升 90 305 350 美元。



对于国内厂商来说,通过国际产业并购、自主技术突破以实现产品提升是当下的必然选择。随着国内企业逐步突破行业高端产品的技术瓶颈,我国功率半导体器件对进口的依赖将会进一步减弱,进口替代效应将显著增强,国内企业有望深度受益国产替代进程。伴随新兴行业快速发展,功率半导体市场规模呈加速发展态势。



转自:功率半导体产业链全景梳理