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电子行业深度报告:功率半导体行业格局和产业趋势

来源:国际电子商情   时间:2017-11-21 8:55:02   浏览:22

转自:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5OTM2NjgxMw==&mid=2652575377&idx=1&sn=6067d0e3ed99ab37b05a853c7386b50a&chksm=bcd32f638ba4a67593e47d3139dfcbe2fdf6b6b2fb355c8d285c7cda61f04646f4637a144746&mpshare=1&scene=23&srcid=1119PMolOHaWHemUk5Q7f8pJ#rd


功率半导体是大国重器,战略地位突出


在半导体产业中,功率半导体产值在 180-200 亿美金。功率半导体是我国汽车工业、 高铁、空调洗衣机、电网输电等系统应用的上游核心零部件,战略地位突出。

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功率半导体产品形态多种多样,几乎所有与电力能源相关的产品都需要用到功率半导 体器件。按照年产值贡献口径,IGBT、MOSFET、二极管及整流桥是功率半导体最 主要的三个产品类别,占据功率半导体八成左右市场。

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国家大基金秉承支持半导体产业战略使命,功率半导体领域必将鼎力 支持集成电路国家大基金承担着支持半导体产业发展的历史使命。


功率半导体是半导 体产业中产值高达 200 亿美金的大板块,是关系着高铁动力系统 、汽车动力系统、 消费及通讯电子系统等领域能否实现自主可控的核心零部件。功率半导体战略地位突 出,国家大基金必将全力支持。

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回顾过去 3 年国家大基金的投资历史,集中投资行业细分龙头企业是大基金一贯 始终的投资策略。


我们认为在资本助力下,我国功率半导体龙头企业将加速整合海外 优质资源,加速向中高端市场迈进的进程。

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行业格局解析:高端市场欧美日把控,中低端市场大陆厂商 站稳脚跟


 IGBT 产业格局


全球功率半导体巨头主要集中美国、欧洲、日本三个地区。大陆、台湾地区厂商主要 集中在二极管、晶闸管、低压 MOSFET 等低端功率器件领域,IGBT、中高压 MOSFET等高端器件主要由欧美日厂商占据。

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全球 IGBT 器件及模块 2015 年销售额 39.44 亿美金,德国英飞凌及赛米控(semikron), 日本三菱及富士电机,美国仙童半导体基本把控了全球 IGBT 市场,前五大厂商占据 了 73.2%的市场份额。

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MOSFET 产业格局


2015 年功率 MOSFET 市场产值达到 54.84 亿美金,英飞凌、仙童半导体、日本瑞萨 电子、欧洲意法半导体、日本东芝等厂商占据了绝大部分市场份额,前五大厂商的市 场占有率合计达到了 60.1%。

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二极管产业格局


据世界半导体贸易组织数据,全球功率二极管及整流桥市场容量约为 368 亿元人民币。IGBT 及 MOSFET 市场相对集中,而功率二极管及整流桥产业市场格局相对分散, 从分散走向集中是大势所趋。

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二极管及整 流桥的芯片制造环节具有明 显的规模效应, 我们认为龙头企业规模扩大后会挤占掉小型厂商的生存空间,实现更高的行业市占率 和集中度。

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产业趋势一:功率器件供需紧张,产业进入前所未有的景气周 期


半导体全产业链进入景气周期


今年,半导体产业呈现出全产业链景气的态势,从上游设备材料、中游芯片制造、到 终端芯片器件成品,订单量均出现远超往年的增长速度。


Gartner 预测今年全球半导 体产值将达到 4014 亿美金,产值首次突破 4000 亿美金大关。

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MOSFET 率先上调价格,吹响功率器件价格周期集结号


今年 9 月,国内 MOSFET 大厂率先上调价格,长电科技对旗下所有 MOSFET 产品价格全面上调 20%,随后深圳德普微电子上调 MOSFET 产品价格。 此轮涨价主要有两方面原因。

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一是今年半导体上游材料硅片价格上涨使得下游芯片成本上升,器件厂商不得不涨价 维持利润。


二是应用于汽车的功率器件用量大幅上升,功率器件整体市场需求超预期,造成供需 缺口。

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二极管及整流桥订单出货量比值上升至历史高峰,交货期大幅延长


功率二极管市场供给紧张,行业龙头交货期大幅延长。


从今年二季度开始,Visahy的订单量暴增,订单出货量比值达到 1.22,三季度 Vishay 订单出货比值进一步攀升 至 1.44,中高端二极管市场进入前所未有的景气周期。


目前行业龙头厂商 Vishay 今年二季度的二极管交货期已经拉长至 5.8 个月,远远高 于 2 个月左右的正常交货期。

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行业巨头芯片产能调整,进一步加大供需缺口


二极管行业巨头达尔科技(Diodes)在今年三季度关闭了美国芯片制造工厂 Kfab,所需要的芯片缺口将通过外购方式获得,巨头的产能调整进一步加大了供需缺口。

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产业趋势二:电动化趋势下,汽车功率器件用量翻倍


汽车功率半导体 ASP 翻倍


电动化趋势下,汽车半导体用量翻倍以上的增长。根据 strategic analysis 数据,传统 燃油车的半导体用量为 338 美金单辆车,电动汽车的半导体用量达到了 704 美金, 增长幅度达到 108%。电动车新增的半导体用量集中在功率器件产品,单辆汽车将新 增 282 美金的功率器件用量。


功率器件在单辆车的半导体用量占比从汽油车的 21%提升至电动车的 55%。

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增量一:电机控制系统新增大量功率器件应用


电动汽车新增大量 IGBT 功率器件应用。TESLA model S 车型使用的三相异步电机驱 动,其中每一相的驱动控制需要使用 28 颗塑封的 IGBT 芯片,三相共需要使用 84 颗IGBT 芯片。

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Model s 中的 P85D 车型采用峰值功率 310KW 的交流感应电机,峰值电 流达到 1200 安培,性能要求较高,目前仅有几家国际巨头厂商具有生产能力。


Tesla P85D 采用的 IGBT 芯片来自 international rectifier。

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增量二:充电桩、汽车充电器新增大量功率器件需求


充电桩及汽车充电器(charger on board,每辆车一个)是电动化趋势下完全新增的功率器件,是动力总成以外的功率半导体增长的主要驱动力之一。

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。


另外汽车上会配置一颗板上充电器 (charger on board)用于管理充电过程。

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产业趋势三:二极管、晶闸管进口替代率持续上升,MOSFET、IGBT 进口替代刚刚起步


进口替代空间巨大


目前国内厂商市占率不足 1%,国产替代空间巨大。根据 WSTS(全球半导体贸易统 计协会)数据,全球功率分立器件市场容量 2016 年为 187 亿美金。


目前以扬杰科技、 捷捷微电为代表的功率半导体龙头企业市场占有率不到 1%,进口替代的空间巨大。

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功率半导体主要市场在中国,国产品牌替代率上升是大势所趋


中国是功率半导体最大的市场,国内厂商与下游客户的距离更近,与本土客户的沟通 交流更加顺畅,能够对客户的需求做出更加快速的响应。


功率二极管国际一线品牌厂 商达尔科技 58%的收入来自中国,功率器件领导品牌 NXP 有 41%的收入来自中国。


目前二极管及中低压 MOSFET 等成熟产品线,国外厂商占据着大部分市场份额。相 比国外厂商,国内厂商 在服务响应客户需求,降低成本等方面具 有竞争优势,功率器 件 国产品牌替代率逐渐上升是大势所趋。

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大陆本土厂商成本领先,盈利能力远远高于海外厂商


在成熟产品线领域,大陆厂商具有成本优势。


二极管产品线,大陆龙头厂商扬杰科技 的盈利能力远远高于台系厂商。

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欧美功率器件厂商的产能分布在全球各地,一般来说前段芯片制造制程产能主要分布 在欧美地区,后段封装制程则主要分布在菲律宾、马来西亚、中国大陆等地区。


在二 极管等产品线上,前后段制程的区域分割 使得海外厂商对客户的产品 需求响应较慢, 而大陆厂商芯片、封装、销售集中在某一区域,能为客户提供更好的技术服务。

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产业趋势四:碳化硅技术革命将重塑行业格局,国内厂商有 望弯道超车


碳化硅器件优势明显,是下一代功率半导体发展方向


回顾功率半导体的发展历史,技术进步不断诞生新型的功率器件。1957 年美国通用 电气研制出世界上第一只晶闸管,开启了功率半导体产业发展的序幕。


六十到七十年 代是晶闸管统治功率器件的全盛时代;八十年代晶闸管与 MOSFET 共同主导了功率 器件市场;到九十年代,晶闸管逐步让位于 MOSFET 及 IGBT,中小功率应用 MOSFET开始主导市场, IGBT 则统治了中大功率应用。

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碳化硅和氮化镓是下一代功率半导体的核心技术方向。碳化硅器件的效率、功率密度 等性能远远高于当前市场主流产品。


受制于成本因素,碳化硅功率器件市场渗透率不 到 1%。我们判断技术进步将推动碳化硅成本快速下降,中长期看碳化硅器件将会是 功率半导体的市场主流产品。

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目前碳化硅器件主要用于 600 伏及以上的应用领域,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。


碳化硅重在中大功率,氮化镓重在中小功率碳化硅、氮化镓在应用领域上略有区分,碳化硅的优势应用领域集中在中大功率应用,而氮化镓集中在中小功率应用。

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碳化硅成本不断下降,渗透率将持续提升


2012 年碳化硅二极管的成本是硅基肖特基二极管的 5-7 倍,碳化硅 MOSFET 是硅基MOSFET 成本的 10-15 倍。经过 3 年时间,碳化硅二极管的价格下降了 35%,碳化 硅 MOSFET 的价格下降了 50%。


功率半导体:大国重器,战略性投资机遇时不我待


我们认为碳化硅成本将持续下降,驱动成本下降的主要有以下几个因素。


(1)4 寸线向 6 寸线迁移的过程降低 20-40%成本。


(2)碳化硅外延片技术在持续进步,颗粒污染等缺陷率在持续下 降,推动芯片良率 大幅上升。


(3)随着规模的扩大和经验的积累,碳化硅芯片制程工艺日益成 熟,制造的良率在 持续提升


目前碳化硅、氮化镓产品的成本相对较高 ,应用领域受限于一些性能 要求高的领域。 整体来看,碳化硅器件的良率和硅工艺有着明显的差距。


汽车应用将推动碳化硅渗透率快速上升


汽车应用领域,碳化硅器件替代硅器件是确定的发展趋势。碳化硅功率器件的应用领 域在持续的拓展。


早期碳化硅主要应用于功率校正电路(power factor correction 电 路),目前量产应用领域已经拓展至光伏逆变器、汽车车载充电机(onboard charger)。


预计 2019-2020 年,电动车动力系统将导入碳化硅功率器件,进一步拓宽量产应用 领域。


目前 Tier-1 汽车供应链企业都在尝试导入碳化硅,积极开展碳化硅功率器件的测试工 作。丰田在 2015 年 2 月启动了碳化硅功率器件的实车测试工作,路测原型车在 PCU的升压转换器和电机控制逆变器搭载了碳化硅功率器件。


据产业链调研信息,比亚迪 已经在电动车车载充电机(charger on board)导入碳化硅功率器件。

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国内产业链初具雏形碳化硅产业链可分为三个产业环节,一是上游衬底,二是中游外延片,三是下游器件制造。


国外供应链体系主要有:


衬底:Cree、Rohm、EPISIL

EPI 外延片:Cree、Rohm、英飞凌、GE、三菱 器件:英飞凌、Cree、Rohm、意法半导体、美高森美、GenSiC、三菱

碳化硅器件方面,国际上碳化硅 SBD、碳化硅 MOSFET 均已实现量产,产品耐压范 围 600v-1700v,单芯片电流超过 50A。

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国内已经形成相对完整的碳化硅产业链体系。


衬底材料:山东天岳、天科合达 、河北同光晶体、北京世纪金光

EPI 硅片:东莞天域半导体、厦门瀚天天成

器件:泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电 55 所、中电 13 所、科能芯、中车时代电 气

模组:嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气

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目前碳化硅市场处于起步阶段,国内厂商与海外传统巨头之间差距较小,国内企业有 望在本土市场应用中实现弯道超车。


国内企业已经在碳化硅 SBD 形成销售收入,碳 化硅 MOSFET 的产业化尚在原型器件研制阶段。


另外国内已经开发出 1700V/1200A的混合模块(硅 IGBT 与碳化硅 SBD 混合使用)、4500V/50A 等大容量全 SiC 功率 模块。

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