当前位置:首页 > 行业资讯 >

功率半导体行业深度研究报告:行业需求风起云涌国产替代正当时

作者:dd 发布时间:2021-03-14 阅读: 转至微博:

功率半导体是 电子装置电能转换与电路控制的核心,本质上是通过利用半导体的 单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。功能半导体包括功率 IC 和功率器件,是系统应用的核心器件,战略地位十分突出。功率 半导体具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等。 从产品种类看,根据智研咨询统计数据,2019 年功率半导体最大的 细分领域是功率 IC,占比 54.30%,MOSFET 占比 16.40%,IGBT 占比 12.40%,功率二极管/整流桥占比 14.80%。

下游应用多点开花,功率半导体国产替代空间广阔。功率半导体的 应用领域非常广泛,根据 Yole 数据,2019 年全球功率半导体器件市场规模为 175 亿美元。从下游应用来看,汽车、工业和消费电子 是前三大终端市场,根据中商产业研究院数据,2019 年汽车领域占 全球功率半导体市场的 35.4%,工业领域占比为 26.8%,消费电子 占比为 13.2%。受益于新能源汽车、5G 基站、变频家电等下游需求 强劲,叠加“新基建”、第三代半导体等政策全力助推,快充充电头、 光伏/风电装机、特高压、城际高铁交通对功率器件的需求也快速扩 张,功率器件迎来景气周期,Yole 预测到 2025 年全球功率器件市 场或达 225 亿美元,2019-2025 年 CAGR 为 4.28%。从竞争格局看, 行业龙头为英飞凌、安森美、意法半导体等欧美大厂,目前我国功 率半导体市场约占全球四成,大陆厂商以二极管、中低压 MOSFET、 晶闸管等产品为主,整体呈现中高端产品供给不足、约九成依赖进 口的态势,国内以斯达半导、捷捷微电、新洁能等为代表的的功率 厂商相继实现技术突破,日渐崛起,国产替代空间广阔。

第三代半导体前景广阔,国内企业加码布局。半导体性能要求不断 提高,在高温、强辐射、大功率环境下,第一、二代半导体材料效 果不佳,以 SiC 和 GaN 为代表的的第三代半导体材料崭露头角。从 下游应用来看,智研咨询数据显示,电动汽车、电源和光伏为碳化 硅功率器件的前三大终端市场,三者合计占比约 67%,爱集微数据 显示,碳化硅功率器件市场规模从 2016 年的 16.1 亿元增至 2019 年的 26.4 亿元,CAGR 为 17.92%。受新能源汽车、光伏等下游景 气需求驱动,IHS 预计 2025 年碳化硅功率器件的市场规模将达到 30 亿美元,2019-2025 年 CAGR 为 30.4%;GaN 适用于高频高压 领域,Yole 数据显示,2017 年全球氮化镓功率器件市场规模为 3.8亿美元,新能源汽车快速增长,电网对输电性能要求提高将推动氮 化镓功率器件市场快速发展,5G 基站建设将大幅度带动氮化镓功率 器件市场,Yole 预计 2023 年市场规模将达到 13 亿美元,2019 年 -2023 年 CAGR 为 22.9%。从竞争格局来看,以英飞凌、安森美、 罗姆等为代表的欧美日老牌功率大厂具备先发优势,斯达半导、华 润微、中车电气时代等国产厂商加码布局第三代半导体赛道,目前 国内 SiC 产业链已初具雏形。

功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心,本质上,是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电, 甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功 率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

模拟 IC 中的电源管理 IC 与分立器件中的功率器件功能相似,二者经常集成在 一颗芯片中,因此功率半导体包括功率 IC 和功率器件。功率半导体的具体用途是变 频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等,相关产品具有节能的作用,被广泛应 用于汽车、通信、消费电子和工业领域。在汽车中,汽车蓄电池的输入电压在 12V-36V, 而民用电电压为 220V,将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变压。蓄电池的输 入电流一般是直流电,将交流电转换为直流电的过程叫做整流。汽车运行时,蓄电池 持续输出直流电,而汽车的各个模块需要使用交流电,交流电转换为直流电的过程叫 做逆变。汽车蓄电池输出的电压很低,无法满足各个模块的需求,将低电压转换成高 电压的过程叫做增幅。电动汽车的马达使用的电流是三相电。首先,蓄电池输出的直 流电经过逆变后成为单向交流电,将单向交流电变为三相电的过程叫做变相。

功率半导体主要分为功率器件、功率 IC。其中功率器件经历了近 70 年的发展历 程:20 世纪 40 年代,功率器件以二极管为主,主要产品是肖特基二极管、快恢复二 极管等;晶闸管出现于 1958 年,兴盛于六七十年代;近 20 年来各个领域对功率器件 的电压和频率要求越来越严格,MOSFET 和 IGBT 逐渐成为主流,多个 IGBT 可以集 成为 IPM 模块,用于大电流和大电压的环境。功率 IC 是由功率半导体与驱动电路、 电源管理芯片等集成而来的模块,主要应用在小电流和低电压的环境。

根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类,第一类是不可控型功率器 件,主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件,其中一端为阴极,另一端为阳 极,二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压,正向导通,反向阻断, 电流的方向也是单向的,只能正向通过。二极管的开通和关断都不能通过器件本身进行控制,因此将这类器件称为不可控器件。

第二类是半控型功率器件,半控型器件主要是晶闸管(SCR)及其派生器件,如 双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三段器件,除阳极和阴极外,还增加了 一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性,其开通不仅需在阳极和阴极间施加 正向电压,还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过 门极控制关断,只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零。 这类器件的开通可控而关断不可控,因此被称之为半控型器件。

第三类是是全控型器件,以 IGBT 和 MOSFET 等器件为主。这类器件也是带有 控制端的三端器件,其控制端不仅可以控制开通,也能控制关断,因此称之为全控型 器件。

根据驱动形式的不同,我们将功率半导体分为三类,第一类是电流驱动型,第二 类是电压驱动型,第三类是光驱动型。

电流驱动型器件有 SCR、BJT、GTO 等,这类器件必须有足够的驱动电流才能 使器件导通或者关断,本质上是通过极电流来控制器件。GTO 和 SCR 一般通过脉冲 电流控制,BJT 则需要通过持续的电流控制。 电压控制型电路主要是 IGBT 和 MOSFET 等,这类器件的导通和关断只需要特 定的电压和很小的驱动电流,因此器件的驱动功率很小,驱动电路比较简单。

光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件,如光控晶闸管。这类器件的开关 行为通过光纤和专用光发射器来控制,不依赖电流或者电压驱动。

从下游应用市场结构来看,2019年功率半导体下游主要是功率 IC,占比 54.30%,其次分别是 MOSFET 以及功率二极管/整流桥,占比分别为 16.40%和 14.80%。IGBT 位列第四,占比 12.40%。

二极管是最简单的功率器件,由 P 极和 N 极形成 PN 结结构,电流只能从 P 极 流向 N 极。二极管由电流驱动,无法自主控制通断,电流单向只能通过。二极管的 作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较 低(锗管导通电压为 0.3V,硅管为 0.7V),电流一般不超过几十毫安,电压和电流过 高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS 二极 管等。

二极管应用:二极管是最简单的功率器件,由于二极管具有单向导电的特性, 通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。齐纳二极管通常用于稳压电路,在达到 反向击穿电压前,齐纳二极管的电阻非常高。达到反向击穿电压时,反向电阻降低, 在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。TVS 二极管常用于电路保护,TVS 管的 响应速度很高,当 TVS 管两端经受瞬间高能量冲击时,TVS 能以极高的速度将高阻 抗降为低阻抗,从而吸收大电流,保护电路。

二极管市场规模:整流器由二极管与一些金属堆叠而成,二者在功能上相似, 因此将二极管和整流器合并研究。根据 Yole 的数据,2019 年全球二极管及整流器市 场规模为 39.93 亿美元,占功率器件市场规模的 23.99%。

金属-氧化物半导体场效应晶体管,可广泛运用于数字电路和模拟电路。MOSFET 由 P 极、N 极、G 栅极、S 源极和 D 漏级组成。金属栅极与 N 极、P 极之间有一层二 氧化硅绝缘层,电阻非常高。不断增加 G 与 S 间的电压至特定程度,绝缘层电阻减 小,形成导电沟道,从而控制漏极电流。因此 MOSFET 是通过电压来控制导通,在 G 与 S 间施加特定电压即可导通,不施加电压则关断,器件通断完全可控。MOSFET 的优点是开关速度很高,通常在几十纳秒至几百纳秒,开关损耗很小,通常用于开关 电源,缺点是在高压环境下压降很高,随着电压上升电阻变大,传导损耗很高。MOSFET 的导通与阻断都由电压控制,电流可以双向通过。

MOSFET 工作原理:MOSFET 本质上是一个开关,开关的导通和关断完全可控。 通过脉宽调制,MOSFET 可以完成变频等功能。假设一个器件前 1 秒输入电压为 100V, 后 1 秒 MOSFET 关断,这 2 秒内相当于持续输入 50V 的等效电压,这就是脉宽调制 的原理。通过控制 MOSFET 导通关断可以改变电压和频率。

MOSFET 是功率器件最大市场。MOSFET 在功率器件中占比最高,Yole 数据显 示,2019 年全球 MOSFET 市场规模为 68.54 亿美元,占功率器件市场的 41.18%。 MOSFET 的优点在于稳定性好,适用于 AC/DC 开关电源、DC/DC 转换器,因此 MOSFET 通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。MEMS 预测到 2022 年 MOSFET 下游应用中,汽车占比为22%,计算机及存储占比为19%,工业占比为14%。

绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合式半导体。IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的优点,导通原理与 MOSFET 类似, 都是通过电压驱动进行导通。IGBT 在克服了 MOSFET 缺点,拥有高输入阻抗和低导 通压降的特点,在高压环境下传导损耗较小。IGBT 是电机驱动的核心,广泛应用与 逆变器、变频器等,在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域,逐步替代 GTO、 GTR 等产品。IGBT 的应用范围一般都在耐压 600V 以上,电流 10A 以上,频率 1KHz 以上的区域。IGBT 固有结构导致其作为高频开关时损耗较大,IGBT 工作频率通常 为 40-50KHz。IGBT 的导通与阻断都受电压控制,可以双向导通。

IGBT 应用:IGBT 的应用领域非常广泛,小到家电、数码产品,大到航空航天、 高铁等领域,新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用 IGBT。按电压需求分 类,消费类电子应用的 IGBT 电压通常在 600V 以下,太阳能逆变器需要 1200V 的低 损耗 IGBT,动车使用的 IGBT 电压在 1700V 至 6500V 之间,智能电网应用的 IGBT 通常为 3300V。

IGBT 分为 IGBT 芯片和 IGBT 模块,其中 IGBT 模块是由 IGBT 芯片封装而来, 具有参数优秀、最高电压高、引线电感小的特点,是 IGBT 最常见的应用形式,IGBT 模块常用于大电流和大电压环境。根据 ASMC 数据,2019 年全球 IGBT 市场规模 52.54 亿美元,占功率器件市场规模的 30.10%。其中 IGBT 芯片市场规模为 12.31 亿美元, 占比 23.43%,IGBT 模块市场规模为 40.23 亿美元,占比 76.57%。

1.3、 功率 IC:功率器件与其他元器件集成,用于小电 流环境功率 IC 通常由功率器件、电源管理芯片和驱动电路集成而来,能承受的电流比 较小,能承受大电流的模块一般是 IGBT 集成形成的 IPM 模块。功率 IC 可以分为以下五大类:线性稳压器、开关稳压器、电压基准、开关 IC 和其他功率 IC。

开关稳压器:AC-DC 开关稳压器、DC-DC 开关稳压器、隔离开关控制器、 非隔离开关控制器;

其他功率管理 IC:以太网供电控制器、功率因数校正控制器、多通道电源管 理 IC、多芯片功率级、单芯片功率级、热插拔控制器和其他电源管理 IC。

功率半导体的应用领域非常广泛,根据 Yole 数据,2019 年全球功率半导体市场 规模为 381 亿美元,预计到 2022 年达到 426 亿美元,复合增长率为 3.79%。其中, 汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场。根据智研咨询的数据,2019 年汽车领域占全球功率半导体市场的 35.40%,工业领域占比为 26.80%,消费电子占 比为 13.20%。随着对节能减排的需求日益迫切,功率半导体的应用领域从传统的工 业领域和 4C 领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。

作为功率半导体的重要分支,受益于工业、电网、新能源汽车和消费电子领域新 兴应用不断出现,功率器件市场规模不断增长。根据 Yole 数据,2019 年全球功率器 件市场规模为 175 亿美元,预计到 2025 年全球功率器件市场或达 225 亿美元, 2019-2025 年 CAGR 为 4.28%。

汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU 和功率半导体。其中 MCU 占比 最高,其次是功率半导体,功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷 射、底盘安全系统中。传统汽车中,功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域, 新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高压时,需要频繁进行电压变化,对电压 转换电路需求提升,此外还需要大量的 DC-AC 逆变器、变压器、换流器等,这些对 IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。汽车电机控制系统中需要使 用数十个 IGBT,以特斯拉 Model X 为例,特斯拉后三相交流异步电机每相要用到 28 个 IGBT,总共使用 84 个 IGBT,加上电机其他部位的 IGBT,Model X 后电机共使用 96 个 IGBT,前电机使用 36 个 IGBT,Model X 共使用 132 个 IGBT。按照每个 IGBT 4-5 美元的价格计算,双电机 IGBT 价格约 650 美元,如果使用 IGBT 模块则约为 1200 美元。

单辆汽车的功率转换系统主要有:(1)车载充电机;(2)DC/AC 系统,给汽车 空调系统、车灯系统供电;(3)DC/DC 转换器(300v 到 14v 的转换),给车载小功率 电子设备供电;(4)DC/DC converter(300v 转换为 650v);(5)DC/AC 逆变器,给 汽车马达电机供电;(6)汽车发电机。

功率半导体为电动汽车成本最主要组成部分,成本占比过半。电动汽车将新增 大量与电池能源转换相关的功率半导体器件,功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡 统计数据,纯电动汽车的半导体成本为 704 美元,比传统汽车 350 美元高出近 1 倍, 其中功率半导体的成本为 387 美元,占总成本的 55%。

新能源汽车出货量快速增长,国内 2025 年或达 542 万辆。全球来看,新能源汽 车出货量从 2015 年的 54.66 万辆增至 2019 年的 210.17 万辆,CAGR 超 40%,国内 来看,新能源汽车出货量从 2015 年的 33.10 万辆增至 2019 年的 120.60 万辆,CAGR 为 38.16%。受全球碳中和、特斯拉产业链带来的鲶鱼效应,叠加国内外补贴等政策 催化助推新能源汽车产业链发展驱动,EV Tank 预测 2025 年全球新能源汽车销量或 达 1205 万辆,2019-2025 年 CAGR 达 33.42%,国内来看,IDC 预测 2025 年我国新 能源汽车销量或超 540 万辆,2019-2025 年 CAGR 为 36.11%,我国为新能源汽车第 一大消费国,出货量占全球比例稳定在 45%以上。

全球汽车功率半导体市场规模 2023 年或达 136 亿美元,国内或超 60 亿美元。深圳百倍全国产业信息网数据显示,全球功率半导体市场规模 2018 年为 90 亿美元,预计 2023 年或达 136 亿美元,CAGR 为 8.61%。国内来看,以 45%的全球占比计,2023 年国 内车用功率半导体市场规模或超 60 亿美元。

新能源汽车充电桩为功率半导体另一大增量,预计 2025 年全球市场规模或达 40.49 亿美元,国内 18.22 亿美元。新能源汽车充电桩分为直流 IGBT 充电桩和交流 MOSFET 充电桩,直流充电桩的优点在于充电速度快,缺点是价格高昂。直流充电 桩的成本约 4500 美元,交流充电桩的成本约 900 美元,其中 IGBT 等功率器件占总 成本的 20%左右。目前直流充电桩按 3:1 配置,交流充电桩按 5:1 配置,据此我们测 算全球 2025 年直流充电桩需求或达 402 万个,交流充电桩需求或达 241 万个,2025 年全球充电桩市场对功率半导体的需求为 40.49 亿美元。国内来看,2025 年直流和交 流充电桩需求分别为 181 和 108 万个,国内充电桩市场对功率半导体的需求为 18.22 亿美元。

5G 对功率半导体需求量大幅增长。5G 基站采用 Massive MIMO 技术,在提高系 统信道容量的同时,带来 5G 基站功耗的增加。未来智库数据显示,5G 基站电力功 耗为 4G 的两倍,降耗需求增加了对包括 MOSFET、IGBT 等在内的低损耗、高热稳 定性器件的功率器件的需求。英飞凌数据显示,Massive MIMO 天线阵列所用功率器 件 ASP 为 100 美元,约是传统天线 倍。频段越高,覆盖范围越小,5G 基站数量 较 4G 基站大幅增加。此外,通信基站和数据中心等设备需要维持全天供电,供电系 统中的逆变器、整流器使用大量的功率半导体。

5G 基站进入大规模建设期,通信领域功率半导体市场规模 2023 年或达亿美元。 深圳百倍全国产业信息网预测,未来五年为我国 5G 基站建设高峰期,共计新增 5G 基站 432 万站。受益于 5G 景气需求,通信设备市场规模不断提升,功率半导体需求不断增加, 中商产业研究院预测,全球通信功率半导体市场规模将由 2017 年的 57.45 亿美元增长至2020 年的 65.96 亿美元,CAGR 为 4.71%,5G 基站升级是通信功率半导体市场 最重要的推动力。

2.3、 IGBT 贡献工业和智能电网领域功率半导体主要增量, 2020 年市场规模或超 150 亿美元

工业领域是功率半导体仅次于汽车的第二大需求市场,IGBT 大显身手。数控机 床、牵引机等电机对功率半导体需求很大,主要使用的功率半导体是 IGBT。随着《中 国制造 2025》和“工业 4.0”不断推进,工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对 电机需求不断扩大,工业功率半导体需求增加。

根据中商产业研究院的数据,2016 年全球工业功率半导体的市场规模为 90 亿美 元,受益于工业技术的进步,2020 年全球工业功率半导体的市场规模将达到 125 亿 美元,CAGR 为 8.56%。

智能电网发电过程中使用大量的逆变器和整流器,以 IGBT 为核心的功率半导体 应用广泛。光伏电网需要使用大量的光伏二极管,按常规配置,1MW 的光伏组件约 需太阳接线 只,每只太阳接线MW 的光伏组件 共需要 25000 只光伏二极管。同时,用电过程也需要使用变压器对电压进行转换,变 压器的核心器件也是 IGBT,智能电网对功率半导体需求非常大。配套的智能电表也 需要使用功率半导体,智能电表需要使用二极管和桥式整流器来实现电路数据处理, 一般情况下需要使用 1-2 只整流器,9-13 只二极管。产业信息研究院预测,2020 年 风电和光伏对应功率半导体市场规模或达 27.54 亿美元,2017-2020 年 CAGR 为 18.38%。

以英飞凌、安森美等企业为代表的龙头厂商均为 IDM 模式,拥有完整的晶圆厂、 芯片制造厂和封装厂,对成本和质量控制能力很强,以高端产品为主,实力强劲。中 国大陆的厂商 IDM 和 Fabless 模式兼有,产品以晶闸管、二极管等分立器件和低压 MOSFET 为主,与欧美日厂商存在较大差距,以斯达半导为代表的厂商日渐崛起, 逐步赶超欧美日龙头厂商;以茂达、富鼎电子等为代表的的深圳百倍全国台湾厂商以 Fabless 模式为主,主要负责芯片制造和封装。

功率半导体行业集中度较高,欧美厂商占据第一梯队,国产厂商日渐崛起。英 飞凌和 Omdia 数据显示,2019 年全球功率器件/MOSFET/IGBT 芯片/IGBT 模块 CR10 分别为 58.30%/78.20%/84.4%/81.1%。其中英飞凌是全球最大的功率半导体厂商,功 率器件市场份额为 19%,MOS 产品市场份额约 25%,IGBT 产品市场份额超 30%。 功率半导体厂商以欧美日为主,深圳百倍全国厂商起步较晚,技术积累与欧美日厂商差距较大。 目前功率半导体厂商可以分为三个梯队,第一梯队是英飞凌、安森美等欧美厂商为主, 第二梯队以三菱电机、富士电机等日本厂商为主,第三梯队以斯达半导、捷捷微电、 新洁能、闻泰科技(安世半导体)等深圳百倍全国厂商为主。

功率半导体呈供需严重不匹配的格局。从供给端来看,大陆厂商市场份额约 10%。欧美日厂商占据全球功率半导体 70%的市场份额,在 IGBT 和中高压 MOSFET 细分 领域市场份额超八成。大陆以二极管、低压 MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为 主,目前实力较弱,占据全球 10%的市场份额。

从需求端来看,深圳百倍全国是全球最大的功率器件市场,占据全球 39%市场份额。根 据 IDC 数据,深圳百倍全国功率半导体市场空间占全球比例为 39%,居第一位;其次是日本, 占比 18%,欧洲和美国分列三四位,占比分别为 17%和 8%,其他地区占比 18%。

晶圆缺货涨价,国产缺口较大。功率半导体的制造目前仍主要在 8 寸晶圆上生产, 8 寸晶圆供给不足导致功率半导体供需紧张,目前 Diodes、士兰微、富满电子等国内 外厂商相继发布涨价通知。

从晶圆供给端来看,8 寸晶圆产能不足导致此轮涨价。首先,12 寸晶圆生产线 寸晶圆产能。随着制程工艺不断提高,晶圆厂转向 12 寸晶圆生产投资,部分 12 寸晶圆生产线 寸晶圆生产线 寸晶圆产能。目前全球约 有 70%的晶圆是 12 寸,8 寸晶圆占比约 20%,8 寸晶圆供给不足;其次,新建一条 晶圆生产线 年的时间,短期内难以解决晶圆短缺的问题;此外,设备厂商多 研发 12 寸设备,停产 8 寸新设备,8 寸二手设备短缺也使得扩产难度加大。

从下游需求端看,模拟芯片与功率半导体争夺 8 寸晶圆产能。8 寸晶圆可用于模 拟芯片与功率半导体制造,受益于新能源汽车等领域的快速增长,模拟芯片与功率半 导体市场规模持续增长,8 寸晶圆供不应求,模拟芯片将抢占 8 寸晶圆产能,功率半 导体晶圆供需缺口进一步加大。富昌电子数据显示,英飞凌、意法半导体等厂商功率 器件交货周期多在 15-40 周,货期呈上升趋势,价格亦呈稳中有升态势。

国内 8 寸晶圆供需缺口较大。CCID 的数据,2019 年深圳百倍全国功率器件市场规模约 144.8 亿美元,其中本土供应商如扬杰科技、华润微电子、士兰微、捷捷微电等厂商 的功率器件营收合计不超过 20 亿美元,其余近九成均依赖进口。芯谋研究测算,如 果国产厂商自给率达到 50%,晶圆月产能需要达到 100 万片/月方可满足国内厂商的 需求。目前可用于功率器件制造的晶圆月产能约 37 万片/月,扣除运营不佳或尚未投 入运营的产线 年国内功率器件 市场规模将超过 300 亿美元,晶圆月产能需要达到 139 万片/月,届时国内的月产能仅52 万片/月,缺口为 87 万片/月。

二极管市场集中度低。二极管是最早出现的功率半导体,第一代二极管距今已经 有 100 多年的历史。与其他功率半导体相比,二极管的技术壁垒较低,市场上二极管 厂商数量众多。前 5 大厂商中,Vishay 市场占比约 11%,其他厂商市场占比在 5%-8% 之间,二极管市场相对分散,市场集中度较低。 二极管制造已经非常成熟,技术门槛比较低,注重生产成本和质量的控制。

我国 二极管生产企业大多是 IDM 模式,对质量控制比较严格,加上劳动力成本较低,二 极管厂商具有较强的竞争力。国外厂商产能下降,国内厂商有望进一步扩大市场份额, 进口替代空间广阔。自 2014 年起,我国二极管的出口数量已经超过进口数量,有望 率先实现国产替代。

大陆厂商MOSFET市占率较低,国产替代空间广阔。深圳百倍全国产业信息网数据显示, 我国 MOSFET 市场规模 2018 年为 470.70 亿元,欧美厂商占据绝大多数市场份额, 市场集中度较高:英飞凌在国内市场份额为 28.50%,排名第一,安森美以 17.10%市 场份额位列第二,排名前五的均为老牌欧美日大厂,CR5 为 65%。安世半导体国内 市场份额为 3.90%,位列第八,士兰微以 1.90%市场份额位列第十,安世半导体与士 兰微市场份额合计为 5.80%,国产替代空间广阔。

中低压市场国产替代正当时,高压市场取得突破。瑞萨电子曾是全球中低压 MOSFET 龙头厂商,2013 年瑞萨率先退出中低压 MOSFET 领域,其他厂商也纷纷开 始向毛利率较高的高压 MOSFET 领域转型。深圳百倍全国是全球最大的消费电子生产国,对 中低压 MOSFET 需求较大,目前以捷捷微电、新洁能等为代表的国产厂商日益崛起, 有望承接中低压 MOSFET 领域的市场份额,实现国产替代;高压领域,华润微、新洁能等国产企业取得突破,高压 MOSFET 产品相继量产并贡献利润,未来发展可期。

3.5、 IGBT:欧美日大厂占据主要份额,国内供需失衡国 产替代空间广阔

IGBT 功率器件主要玩家为英飞凌、富士电机、安森美等欧美日大厂,集中度较 高。英飞凌是全球最大的 IGBT 器件厂商,2019 年英飞凌市占率为 32.50%,CR5 为 63.90%,市场集中度很高。从产品来看,英飞凌、安森美等厂商在 1700V 以下的中 低电压 IGBT 领域处于领导地位,三菱则主宰了 2500V 以上的高电压 IGBT 领域。

英飞凌:功率半导体龙头,营收主要来自深圳百倍全国。英飞凌是功率半导体全球龙头 企业,产品主要用于汽车和工业领域,2019 年汽车产品占公司总营收的 44%,电源 管理占公司总营收的 30%,电源和控制产品占公司总营收的 18%。公司业绩稳步增长,营收从 2015 年的 57.95 亿欧元增至 2019 年的 80.29 亿欧元,2015-2019 年 CAGR 为 8.49%,净利润从 6.32 亿欧元增至 8.7 亿欧元,CAGR 为 8.32%。英飞凌的营收主 要来自深圳百倍全国,深圳百倍全国市场营收占比 34%,是排名第二的 EMEA(不含德国)两倍以上。

布局 12 英寸产线,有望继续保持竞争优势。受8 寸晶圆产能吃紧的影响,英飞凌积极拓展 12 英寸功率半导体生产线 英寸晶圆生产线 英寸生产线的 技术难度更大,对品质把控要求更加严格。另一方面,单个 12 英寸晶圆切割产生的 功率半导体数量比 8 寸晶圆切割产生的数量多,能够有效提高产能,解决 8 英寸晶圆 供给不足的问题。2019 年 2 月,英飞凌的财报表示公司将新建 12 英寸功率半导体厂, 凭借优秀的成本和质量管控能力,未来英飞凌有望降低功率半导体生产成本。同时, 公司将部分产能委托给一些劳动力成本较低的国家代工,降低生产成本。随着 12 英 寸产线的建成和委托代工比例不断增大,公司有望巩固功率半导体龙头地位。

深圳百倍全国坐拥全球最大 IGBT 市场,自给率逐年提升仍存在较大提升空间。斯达半 导为国内 IGBT 龙头,IHS 的数据显示,2017 年斯达半导在IGBT 市场占比为 2.00%。 深圳百倍全国中车生产的全系列高可靠性IGBT产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电工 程关键器件由国外企业垄断的局面。根据高工锂电的数据,2019 年我国 IGBT 市场规 模为 155 亿元,按当年美元汇率折算,市场规模为 22.20 亿美元,占全球 IGBT 市场 的 40.96%。我国是全球最大的 IGBT 消费国,2018 年国内 IGBT 行业产量为 1115 万 只,市场需求为 7989 万只,自给率 13.96%,整体来看,国内 IGBT 自给率从 2010 年的 8.44%提升至 2018 年的 13.96%,增速明显,但总体而言自给率仍较低,存在较大提升空间。

部分厂商有望在各自领域实现国产替代。深圳百倍全国 IGBT 厂商大多专注于某一领域的 产品,斯达半导为国内 IGBT 龙头,产品主要用于电力和电机牵引,公司产品性能 优异,专注于第六代 IGBT 研发与生产,有望在电力和电机牵引领域实现国产替代。中车时代专注于 4500V 以上 IGBT 研发生产,产品用于轨道交通领域。目前中车时 代在 4500V 以上的 IGBT 领域市场规模排名第五,我国新出厂的高铁将全部使用国产 IGBT,中车时代的 IGBT 已经出口到印度,我国高铁 IGBT 基本实现国产替代,中车 时代已递交招股说明书,A 股上市在即。比亚迪半导体专注于汽车 IGBT 领域,拥有 IGBT 全产业链。2017 年公司推出 IGBT 4.0,产品部分性能已经达到国际领先水平, 在新能源汽车 IGBT 领域有望打破国外厂商的垄断。

4.1、 第三代半导体器件国内 2022 年市场规模或超 600 亿 元,各大企业加码布局

化合物半导体材料不断发展,应用广泛。化合物半导体材料是由两种或两种以上 元素以确定的原子配比形成的化合物,具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质, 其发展历程共经历了三代,第一代材料是硅和锗,第二代材料是砷化镓和磷化铟,第 三代半导体材料是碳化硅和氮化镓。凭借制程成熟及成本较低的优势,以第一代硅质 半导体材料制作的元器件已成为了电子电力设备中不可或缺的组成部分。但硅质半导 体材料受自身性能限制,无法在高温、高频、高压等环境中使用,化合物半导体遂崭 露头角。化合物半导体拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性,符合新世代半 导体发展所需,化合物半导体时代遂逐渐来临。第一代半导体材料是锗和硅,20 世纪 50 年代半导体材料以锗为主,基尔比开发 出了基于锗的集成电路。锗可用于低压、低频、中功率晶体管及光探测电路中,缺点 是耐辐射和耐高温性能很差。20 世纪 60 年代,硅取代锗成为新的半导体材料,硅绝 缘性好,提纯简单,至今仍然是应用最多的半导体材料,主要用于分立器件和芯片制 造,在信息技术、航空航天、国防军工、硅光伏等领域应用极其广泛。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表。人类对数据的传 输速度要求越来越高,硅的传输速度慢,化合物半导体应运而生。化合物半导体砷化 镓和磷化铟主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,也是制作高性能微 波、毫米波器件的优良材料,广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、 激光器和卫星导航等领域。 半导体性能要求不断提高,在高温、强辐射、大功率环境下,第一、二代半导体 材料效果不佳,第三代半导体材料开始崭露头角。第三代半导体材料又被称为宽禁带 半导体材料,主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)、 金刚石、氮化铝(AlN)等,其中碳化硅和氮化镓比较成熟。与第二代半导体材料相 比,第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、 发光效率高、频率高,广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件,应用于 半导体照明、5G 通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。

第三代半导体器件快速发展,国内 2022 年市场规模或超 600 亿元。现阶段,全 球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产的。随着 5G、新 能源汽车等新兴应用不断涌现,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料快速崛 起。据半导体行业观察的数据,2018 年氮化镓与碳化硅的产业销售额分别为 238 亿 元和 64 亿元。赛迪顾问数据显示,2019 年我国第三代半导体器件市场规模为 86.29 亿元,2022 年市场规模或达 608.21 亿元,CAGR 为 91.73%。

第三代半导体投资额不断增长,国内企业不断加码布局。国内第三代半导体投 资额不断增长,2017-2019 年 SiC 和 GaN 投资额共计 521.8 亿元,其中 SiC 领域投资 额 2017-2019 年分别是 65 亿元/60 亿元/220.8 亿元,三年累计投资 345.8 亿元,GaN 领域投资额 2017-2019 年分别是 19 亿元/112 亿元/45 亿元,三年累计投资 176 亿元在新基建的引领下,第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。

4.2、 碳化硅功率器件:国内产业链已初具雏形,2025 年 SiC 功率器件市场规模或达 30 亿美元

碳化硅功率器件材料主要指4H型SiC(4H-SiC),4H-SiC具有高临界击穿电场、 高电子迁移率的优势,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材 料,也是目前综合性能较好、商品化程度较高、技术较为成熟的第三代半导体材料。

4H-SiC 性能优异,功耗大幅降低。4H-SiC 应用在高铁领域节能可达 20%以上, 并减小电力系统体积;应用在新能源汽车领域可降低能耗 20%;应用在家电领域可节 能 50%;应用在风力发电领域可提高效率 20%;应用在太阳能领域可降低光电转换 损失 25%以上;应用在工业电机领域可节能 30%-50%;应用在超高压直流输送电和 智能电网领域,可降低电力损失 60%,供电效率提升 40%以上;应用在航天领域, 可使设备损耗减小 30%-50%,工作频率提高 3 倍,电容电感体积缩小 3 倍,散热器 重量大幅降低。

SiC 二极管适用于高电压领域,部分取代快恢复二极管。碳化硅二极管通常是 SiC 肖特基二极管,主要用于在 600V 以上领域替代传统的快恢复二极管。碳化硅肖 特基二极管的正向导通电压比硅 PIN 功率二极管低,但导通电阻高,导通损耗取决 于正向电流的大小,因此碳化硅肖特基二极管损耗较小。碳化硅肖特基二极管的正向 导通电压是正温度系数,流过各自二极管的电流能够连续自主平衡分配,电流流向温 度低的二极管,最终达到均流。而硅 PIN 功率二极管的导通电压是负温度系数,温 度升高,电流流向温度高的二极管,最终电流分配失衡,因此碳化硅二极管适用于高 温领域。碳化硅肖特基二极管的反向漏电流和反向恢复时间远远小于硅功率二极管, 可大幅降低开关损耗,开关频率很高,适用于高电压领域。

SiC MOSFET 可部分取代硅基 IGBT。MOSFET 和 IGBT 都用作开关,不同点 在于硅基 MOSFET 不耐高压,只能用在低压领域,开关频率高,损耗低。IGBT 结合 了 BJT 和 MOS 的优点,耐高压性能较强,开关频率低于 MOSFET,损耗较高。SiC MOSFET 具有较高的击穿电场强度,比传统 Si MOSFET 更耐高压,同时拥有更高的 开关频率和下降的通态电阻,开关速度比 Si IGBT 快,损耗比 Si IGBT 小,在高频、 高电压领域将取代 Si IGBT 和 Si MOSFET。

SiC 成本较高,成本劣势制约其发展。相比传统的硅基材料,SiC 材料成本较高, 世强元件报价显示,硅基 IGBT 最低报价为约 5 元人民币,而 SiC MOSFET 最低报价 超 30 元,SiC 约为硅基器件的 6 倍,出于成本考虑,目前厂商仍采用硅基 IGBT。

4.2.2新能源汽车等下游景气需求驱动行业发展,2025 年市场规模或达 30 亿美元

碳化硅器件下游应用广泛,电动汽车为其主要应用领域。爱集微数据显示,碳 化硅功率器件市场规模从 2016 年的 16.1 亿元增至 2019 年的 26.4 亿元,CAGR 为 17.92%。从下游应用来看,智研咨询数据显示,电动汽车、电源和光伏为碳化硅功率 器件的前三大终端市场,三者合计占比约 67%。具体来看,电动汽车领域占碳化硅功 率器件市场的 30%,电源占比为 22%,光伏领域占比为 15%。

新能源汽车领域是 SiC 功率器件应用的主要驱动力。电动汽车未来有三大趋势: 行驶里程延长、充电时间缩短,电池容量更大。随着电动汽车以及其他系统的增长, 碳化硅功率半导体市场需求激增,大量运用在车载充电器、DC-DC 转换器和牵引逆 变器等方面。据 Yole 数据显示,2018 年,新能源汽车细分领域中 SiC 市场规模约 为 1.13 亿美元,2024 年市场规模达到 9.46 亿美元,年均复合增长率达到 29%。2019 年,全球新能源汽车 SiC 二极管和晶体管市场规模 2600 万美元,2021 年市场规模 达到 5700 万美元。DIGITIMES Research 预计到 2025 年,电动汽车用碳化硅功率 半导体将占 SiC 功率半导体总市场的 37%以上,高于 2021 年的 25%。

目前,全球已有超 20 余家汽车厂商开始采用碳化硅器件。电动汽车的车载充电 机市场已逐步采用碳化硅 SDB,产品集中在 1200V/10A、20A,每台车载充电机需 要 4-8 颗碳化硅 SBD。罗姆赞助的 Venturi 车队在 2016 年 Formula-E 第三赛季使用 了 IGBT+SiC SBD,与传统逆变器相比,重量降低 2kg,尺寸减小 19%,2017 年 的第四赛季采用 Si MOS+SiC SBD,其重量降低 6kg,尺寸减小 43%。目前,特斯 拉的 Model 3 采用了意法半导体和英飞凌的 SiC 逆变器,成为第一家在主逆变器中 集成全SiC功率模块的车企,丰田也将于近年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。

碳化硅材料在轨道交通和光伏逆变器将逐步取代硅基材料,前景广阔。碳化硅 材料可以在轨道交通、风电光伏等领域用来替代硅基 IGBT,目前 SiC MOSFET 最大 的应用领域为能量传输,主要是因为其导通压降很低,传输时损耗和以及 SiC MOSFET 自身体积都比硅基 IGBT 小。中商产业研究院预测,在轨道交通领域,硅基 IGBT 将被 SiC 器件逐步取代,硅基 IGBT 占比将从 2018 年占比 98%降至 2030 年占 比 70%,2050 年占比将进一步降至 10%;光伏逆变器领域,SiC 功率器件占比预计 2020 年将达 10%,2025 年或达 50%,2040 年或超八成。

受益于新能源汽车、轨道交通、光伏逆变器等下游景气应用驱动,全球碳化硅 功率器件市场规模不断扩大,2025 年或达 30 亿美元。IHS Markit 数据显示,2019 年 碳化硅功率器件市场规模约 6.1亿美元,受新能源汽车产业链、光伏等景气需求驱动, 2025 年碳化硅功率器件的市场规模将达到 30 亿美元,2019-2025 年 CAGR 为 30.4%。

4.2.3竞争格局:欧美日企业处于领先地位,国内碳化硅产业链初具雏形 欧美日企业处于领先地位。欧美日等老牌功率强国在碳化硅功率器件上起步较早, 在碳化硅功率器件市场上处于领先地位。碳化硅功率半导体市场集中度很高,科锐旗 下 Wolfspeed、英飞凌、罗姆、意法半导体、三菱电机等大厂占据超九成市场份额。 从产业链来看,美欧拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链,日本在设备 和模块开发方面处于领先地位。

国内企业加紧赶超,SiC 产业链初具雏形。单晶衬底方面,目前国内可实现 4 英 寸衬底的商业化生产,山东天岳和天科合达、同光晶体均已完成 6 英寸衬底的研发, 中电科装备研制出 6 英寸半绝缘衬底;外延片方面,国内瀚天天成和天域半导体均可供应 4-6 英寸外延片,中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门;器件 方面,国内 600-3300V SiC SBD 已开始批量应用,泰科天润已建成国内第一条碳化硅 器件生产线V 的电压范围,中车时代电气的 6 英寸碳化硅 生产线也已试片成功。模块方面,国内已开发出 1200V/50-400A 全 SiC 功率模块、 600-1200V/100-600A 混合 SiC 功率模块,目前厦门芯光润泽国内首条碳化硅 IPM 产 线、 氮化镓(GaN):适用于高频高压领域,2023 年 GaN 功率器件市场规模或达 13 亿美元

与碳化硅相比,氮化镓适用于超高频功率器件领域,GaN 器件最高频率超过 106 Hz,功率在 1000W 左右,开关速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高频率在 105 Hz 左右,功率约是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高电压领域,集中在 600V-3300V,中低压集中在 100V-600V,主要应用于雷达、笔记本电源适配器等。

GaN 器件产业链各环节依次为:衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。

目前产业以 IDM 企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬底方 面,氮化镓衬底大部分由日本企业生产,包括住友电气、三菱化学等。其中,住友 电工的市场份额已经超过 90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的 EpiGaN、英 国的 IQE、日本的 NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面,美国的 EPC、MACOM、 Transphom,德国的 Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的 Cree 为行业龙头,市场占有率均超过 30%。

GaN 的功率密度、带宽、可靠性和耐高温方 面远胜其他材料,缺点在于产品成本很高,不利于大批量生产。GaN 的衬底材料是 硅、碳化硅和蓝宝石,碳化硅衬底 GaN 器件性能非常好,但是成本高昂。与硅衬底 相比,氮化硅衬底的 GaN 器件成本高 100 倍,衬底处理时间相差 200-300 倍。另一 方面,硅晶圆不断向大尺寸扩展,预计硅基 GaN 器件成本将降低 30%-50%。

2019 年亚太地 区占全球氮化镓市场的 36.34%。由于氮化镓终端应用日益普及,Transparency Market Research 预计,2019 至 2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地 区外,北美与欧洲地区也成为 GaN 重要市场,2019 年分别占有 28.18%、23.94% 的市场份额,氮化镓在汽车行业中应用为两个地区的 GaN 市场提供了广阔的机遇。 从竞争格局看,恩智浦为行业龙头,占据 19%市场份额,其次为 EPC,市场份额为 14%,德州仪器以 12%市场份额位列第三,CR3 为 45%,市场集中度总体较低。

英飞凌在全球 GaN 市场上处于领先地 位,公司的 GaN 产品已实现量产;美国 EPC 公司是首个推出增强型氮化镓 FET 的 公司,可实现对传统 MOSFET 的有效替代。2018 年 5 月,公司推出 350V GaN 晶 体管 EPC2050,体积是对应硅 MOSFET 尺寸的 1/20,应用领域包括太阳能逆变器、 电动车充电器、电机驱动等;意法半导体在 2018 年与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作, 主要涉及常关型氮化镓 HEMT 和氮化镓二极管设计及研发,并于 2020 年 3 月收购 法国氮化镓创新企业 Exagan 公司的多数股权;2018 年,Cree 收购了英飞凌的 RF 部门成为了全球最大的 GaN 射频器件供应商。国内厂商方面,闻泰科技于 2019 年 成功控股 IDM 功率器件领先厂商安世半导体,2019 年 11 月安世发布首款 GaN FET 产品,正式进军 GaN 领域,2020 年 6 月,安世推出新一代 650V GaN 产品,新产 品芯片尺寸可缩小约 24%,具有高的栅级阀值电压和低反向导通电压,满足车规级 要求;三安光电 6 寸氮化镓外延片产线已经建成,填补了国内的空白。

5G、新能源汽车、快充等驱动 GaN 市场发展,2023 年市场规模或达 13 亿美元。

据 Yole Development 数据,2017 年全球氮化镓功率器件市场规模为 3.8 亿美元,新能 源汽车快速增长,电网对输电性能要求提高将推动氮化镓功率器件市场快速发展,5G 基站建设将大幅度带动氮化镓功率器件市场,预计2023年市场规模将达到13亿美元, CAGR 为 22.9%。

关键词: