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国泰君安证券:驱动新发展,功率半导体产业展现新亮点
格隆汇 08-18 09:11

本文来自格隆汇专栏:国泰君安证券研究,作者:赵子健 梁荣达

功率半导体伴随着电力的运用而诞生,是电力控制系统的核心。在迈向“碳达峰、碳中和”的过程中,受益于下游新能源汽车、新能源发电储能(风力、光伏)、工业自动化等“新基建”的快速发展,功率半导体的市场规模进一步扩大。据Omdia预测,到2023年全球功率半导体试产规模有望超过500亿美元。

在功率半导体向着更高功率密度、更低功耗两个方向发展的过程中,半导体材料和制造工艺也随之进步。以SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)等为代表的新一代化合物半导体功率器件,正在推动功率半导体产业进入新一轮的迭代升级。与此同时,随着国内晶圆代工厂功率半导体相关工艺的积累,国内设计企业有望通过与代工厂深化合作、提升差异化设计服务能力,实现功率半导体的“国产替代”。

建议关注在IGBT领域具备技术优势和产业链整合水平的优质企业;关注GaN和SiC化合物功率半导体的商业化进展,以及在相关领域具备先发优势的优质企业。

一、功率半导体:驱动电气化发展的核心

1.1

功率半导体是电能转换和电路控制的核心器件

功率半导体,即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产品。在电子装置中,功率半导体主要承担电压、频率的调节,交流、直流转换等功能,满足各功能模块对电压、频率的不同要求。

与功率半导体这个概念相对应的,是依托微电子技术、以信息处理为核心、保持小功率的信息半导体产品。信息半导体产品主要承担信息的获取、处理和存储等功能。如果将信息半导体比作人类的大脑,那么功率半导体如同人类的心脏,负责将满足需求的电能输送到每一个用电终端。

 图1  功率半导体是以功率处理为核心的半导体产品

资料来源:《功率器件原理》

功率半导体可以分为功率分立器件和功率集成电路(IC)两大类。其中,功率分立器件又包括功率二极管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、晶闸管等。根据工作电压、频率等不同,功率分立器件适用于不同的领域。功率IC,通常是指将控制电路和大功率电力电子器件集成在同一块芯片上的集成电路,主要产品包括电源管理IC(PMIC)、驱动IC等,是电力电气器件技术与微电子技术相结合的产物。

 图2 功率半导体产品主要分为功率分立器件和功率IC两大类

资料来源:WSTS,国泰君安证券研究

在全球功率半导体市场,功率IC和功率分立器件几乎平分了整个市场份额。据Yole、IHS、Gartner数据,功率IC和功率分立器件全球市场份额分别为53%和47%。在功率分立器件市场中,MOSFET和IGBT占比较大,分别为17%和15%,功率二极管(包括整流桥等)占比为12%。

 图3  MOSFET、IGBT、功率二极管是主要的功率半导体分立器件  数字经济范畴界定

资料来源:Yole,IHS,Gartner,国泰君安证券研究

根据器件性能的不同,二极管、MOSFET、IGBT等功率分立元件适用于不同的应用场景。二极管是最常用的电子元件之一,具有单向导电性,用于整流、检波以及作为开关元件。晶闸管是一种能在高电压、大电流条件下工作的开关元件。按照导通及控制方式的差别,晶闸管可分为双向、逆导、门极关断、BTG、温控晶闸管等不同类型。晶闸管被广泛应用于可控整理、交流调压、逆变器和变频器等电路中,是典型的以小电流控制大电流的电子元件。晶体管是电子电路的核心元件。目前,主流的晶体管产品包括MOSFET和IGBT两种。MOSFET具有驱动简单、高频特性好的特点,主要适用于高频率、低功率工作环境,广泛应用于消费电子、工业控制、通信、汽车电子等领域。IGBT主要适用于低频率、高功率工作环境,应用于逆变器、变频器、开关电源等领域。

 表1  根据性能不同,功率半导体产品具有不同的应用场景

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

 图4 功率分立器件的应用领域广泛

资料来源:美国应用材料公司(Applied Materials)

1.2

应用广泛,市场空间不断扩大

近年来,功率半导体市场规模呈现稳健增长态势,中国已成为全球最大的功率半导体消费市场。随着全社会电气化水平的不断提高,功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至变频家电、新能源汽车、新能源发电等诸多领域。根据IHS Markit及Omdia数据显示,2019年全球功率器件市场规模约为463亿美元。受到疫情影响,全球功率半导体市场在2020年下降到431亿美元,同比下降6.9%。中国是全球最大的功率半导体消费国,2019年市场规模达到144亿美元,占全球的比例高达36%。预计随着全球经济的逐步恢复,未来全球功率半导体市场将恢复增长,2023年市场规模有望达到500亿美元。

 图5  全球功率半导体市场规模呈现稳健增长态势

资料来源:IHS,Omdia,国泰君安证券研究

由于功率半导体在电源管理、电能转换中必不可少,因而也成为了电子产品中的必需品。目前,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制和4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车)扩展到新能源发电、电动汽车等新领域。根据IHS Markit数据,工业控制占比最高为23%,消费电子占比20%,计算机占比20%,汽车电子占比18%,网络通讯占比18%。近几年来,以新能源汽车和光伏发电为代表的新能源行业发展迅速,未来该领域的市场占比有望进一步提升。

 图6  五大主要应用为工业控制、消费电子、计算机、汽车电子、网络通信

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

1.3

市场格局:欧美日领先全球,细分赛道国内突破

从全球市场来看,欧美日龙头厂商在功率半导体领域占据主导地位。从全球功率半导体市场格局来看,海外龙头企业长期占据主导地位。英飞凌(Infineon)、德州仪器(TI)、安森美(ON Semi)、意法半导体(STMicro)、高通(Qualcomm)等欧美半导体厂商长期处于全球半导体第一梯队。其中,总部位于德国的英飞凌长期稳居行业第一。

市场集中度相对较低。从全球来看,前五大功率半导体厂商的市占率(CR5)为39%。细分赛道也同样具有相对较低的市场集中度,其中功率IC和功率分立器件/模组前五大厂商的市占率分别为44.3%和43.5%。

 图7  全球市场中,欧美日龙头企业在功率半导体领域占据主导地位

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

中国已成长为世界最大的功率半导体消费国国产替代空间巨大。据IHS数据,中国功率半导体市场规模占比已经高达36%。中国功率半导体市场被海外企业占据,前五大供应商分别为英飞凌、安森美、德州仪器、高通和Dialog,合计市场份额为42%,国产替代空间巨大。

 图8 国内市场中,海外龙头企业同样处于领先地位

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

功率半导体细分赛道出现优质国内企业标的。近年来,随着国内功率半导体企业竞争力的不断提升,在二极管、MOSFET、IGBT等领域呈现多点开花的良好形势。多家厂商进入细分领域全球市场份额前十位,表明我国功率半导体企业逐步具备参与全球竞争、推动国产替代的实力。根据IHS数据显示,在MOSFET分立器件领域,闻泰科技成功收购的安世半导体排名全球第八;在IGBT模块领域,斯达半导实力突出,排名全球第八。

 图9  MOSFET领域中,安世半导体位列全球市占率第八

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

二、空间广阔、多点开花,下游应用带动功率半导体需求增长

2.1

汽车:电动化催生功率半导体需求,国际龙头强化布局

电动汽车行业的快速发展将拉动对功率半导体的需求。功率半导体在汽车的应用领域主要包括动力控制、照明、燃油喷射、底盘安全等系统。特别是新能源汽车中的传动、安全、车身控制,均需要大量的功率半导体器件,而电动车的到来,又将在动力方面增加对IGBT、MOSFET、二极管等功率半导体器件的需求。据Strategy Analytics测算,轻混车(48V MHEV)、混动车/插电混动车(HEV/PHEV)、纯电动车(BEV)相比燃油车71美元的功率半导体用量分别增长106%、398%、433%,至146美元、354美元与384美元。以特斯拉为例,Model X使用了英飞凌提供的132个IGBT单管,其中前后电机分别安装36个与96个,IGBT单管约4-5美元,合计单车价值约650美元。

 图10  汽车电动化推动车均半导体含量提升(按驱动力)

资料来源:Strategy Analytics,国泰君安证券研究

补足充电桩短板:2020年新增60万座充电桩,投资超100亿元。充电桩(充电设施)是新能源汽车发展必要的配套设施。随着新能源汽车保有量的不断提高,带动充电桩数量快速提升。从充电桩的成本构成来看,充电机、变压器等核心部件占到了总成本的60%;而充电机的成本构成中,充电模块占比达50%。在这些零部件中,大量使用了功率半导体器件、模块。目前,我国充电设施仍然是新能源汽车行业发展的短板。

新能源汽车产业的快速发展,将持续带动功率半导体市场规模的不断增长。根据TrendForce数据显示,受到各国政府补贴政策的激励,预计2020年全球新能源车销售量为240万辆,同比增长19.8%。展望2021年,中国与欧洲将持续成为拉升新能源车销售的主要地区,全球新能源汽车市场仍将保持快速增长。据Marklines的预测,到2025年,新能源汽车的年销量将达到1500万辆。新能源汽车在全球范围内呈现出快速增长,将大幅提升对功率半导体的需求。

 图11  全球新能源汽车销量保持快速增长1  数字经济范畴界定

资料来源:Trendforce,国泰君安证券研究

2.2

风电/光伏:新能源发电稳定增长,带动IGBT需求增长

清洁能源行业对功率半导体需求显著。新能源发电主要以光伏发电和风力发电为主,由于新能源发电输出的电能不符合电网要求,相较于传统的火力发电,需通过光伏逆变器或风力发电逆变器将其整流成直流电,再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。新能源发电行业的迅速发展将成为功率半导体,特别是IGBT行业持续增长的全新动力。

风电、光伏装机量稳步提升。据IHS预测,到2023年,光伏装机量将由2018年的103GW增长至160GW,风电装机量将由50.2GW增长至67.5GW,光伏和风电装机量的复合年均增长率(CAGR)将达9%和6%。从产业链看,下游风电、光伏核心装备国产化率提升。目前,以华为、阳光电源为代表的本土厂商在光伏逆变器市场持续突破。根据Strategy Analytics的统计,2018年,华为在全球逆变器市场的份额达22%,市占率位列全球第一;阳光电源的市场份额为15%,市占率位居全球第二位。

 图12  全球光伏、风电装机量稳步提升

资料来源:IHS,英飞凌,国泰君安证券研究

 表2  国内企业在全球光伏逆变器行业的整体实力突出

资料来源:IHS,国泰君安证券研究

2.3

白色家电:追求高能效,变频化势不可挡

对于家庭中功率较大的空调、冰箱、洗衣机等白色家电,变频化将显著提升产品能效水平。随着国内对能效水平要求的不断提高,变频化将成为白色家电发展的必然方向。以空调为例,2020年7月起实施的空调新能效标准(GB 21455)对能效提出了更高的要求。据中国标准化研究院预测,新国标实施后,将会有45%的空调被淘汰,这是由于所有定频和变频三级能效空调都被列为非节能产品。到2022年,空调将全部变频化。据产业在线的数据显示,2020年,我国空调销售中变频空调的占比为52.91%,距离实现100%的目标仍有较大差距。

 图13  变频家电销售占比不断提升,空调距离全面变频化还有一倍空间

资料来源:Wind,国泰君安证券研究

 图14 变频化是全球白色家电(空调、洗衣机、冰箱)的共同趋势

资料来源:IHS,英飞凌

三、产业链:关注设计环节、IDM企业

3.1

制造、封装环节决定产品性能

(1) 制造、封装环节决定产品性能

功率半导体与信息半导体的差异不仅体现在功能上,同样也体现在产业链的话语权上。对于存储、CPU等信息半导体,运算能力要求高,产品复杂度高,因而设计环节的技术含量较高,环节中的芯片架构、IP、指令集、EDA工具等都贡献了大量附加值。

图15  国内功率半导体(硅基)产业链

资料来源:国泰君安证券研究

对于功率半导体,由于其结构相对简单,以及特色工艺的属性,前端制造和后端封装环节决定了功率半导体产品的最终性能。因此,制造和封装在功率半导体的附加值分配中占据最大的比例。据英飞凌的报吿显示,制造环节和封装环节分别约占功率半导体价值链的50%和40%。封装环节虽然对功率半导体,尤其是功率模块的性能具有一定的影响,但由于技术难度不高,较难形成壁垒。

 图16  功率半导体产业链的重点在于制造封装环节的“know-how”

资料来源:英飞凌

(2)制造:国内晶圆代工技术水平、产能稳步提升

近年来,国内可用于制造功率半导体的晶圆制造产能快速提升。目前,包括中芯国际绍兴8寸线、华虹无锡12寸线、广东粤芯半导体12寸线、青岛芯恩8寸/12寸线等晶圆代工生产线的投产,未来国内功率半导体产能将进一步提升。国内技术逐步提升,但与国际先进水平仍有较大差距。例如,在关键技术之一的背面工艺和减薄工艺方面,国内领先水平目前可以做到120μm,而英飞凌最低可以减薄到40μm。

(3)设计:短期内关注国内设计企业实现国产替代

需求驱动行业发展,国内聚集下游客户。功率半导体是一个需求驱动型的行业,而国内聚集的大量下游客户使得功率半导体实现“国产替代”成为可能。与海外厂商相比,国内功率半导体企业在成本控制、定制化服务等方面具有优势。尽管功率半导体产品验证周期较长,存在较高的替代成本,但由于国内下游客户往往对功率半导体价格的敏感度较高,存在替换国产功率半导体产品的意愿

国内制造能力提升,设计企业有望取得快速发展。如前所述,国内功率半导体制造企业工艺水平和产能提升明显。由于功率半导体工业相对成熟、对制程的要求相对较低,同时产品迭代速度相对较慢,对于设计厂商来讲,短期内可以利用晶圆代工厂在工艺上的积累,聚焦设计领域开发产品,取得快速发展。

3.2

国产替代:从中低压向高压产品替代

中国是全球最大的功率半导体市场,本土市场的需求量巨大。在坚定推动关键元件自主可控的大趋势下,国内厂商有望长期受益于国产替代红利,实现由中低端产品向高端产品的逐步替代。

国内厂商从中低压向高压产品替代,消费电子、白色家电领域成为国产化的重要突破口。通过对功率半导体全球产业链的分析,我们看到,国际大厂纷纷向中高端应用转型,在中低压功率产品上有望率先实现国产化替代。从供应端来看,英飞凌、安森美、瑞萨等大厂纷纷调整产品结构,将有限的产能转向毛利更高的汽车电子、工控等领域,而工作电压相对较低的家电、消费电子等领域功率产品的供应将减少。而从下游需求来看,消费电子、白色家电等领域仍保持较好发展。一些新场景的出现,例如智能手机快充技术、家电变频化、智能家居等,使得单设备的功率半导体需求量不断提高,带动功率半导体整体需求保持增长。我国作为全球重要的消费电子、白色家电等产品的制造中心,通过与国内消费电子、白色家电领域相关厂家的深度合作,有利于加快国内功率半导体产品的研发、验证及大规模应用,有利于国内厂商在功率半导体相关领域实现国产替代的突破。

 图17  国内行业遵循从低端到高端的替代路径

资料来源:国泰君安证券研究

 表3  国内厂商率先在中低压二极管/MOSFET领域实现替代  

资料来源:国泰君安证券研究

四、关注赛道1:IGBT性能占优,国产化进程加速推进

4.1

IGBT性能占优,具有广阔的应用前景

IGBT是工业控制及自动化领域的核心元器件,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT是由BJT(双极性结型晶体管)和MOSFET组成的复合全控型功率半导体器件,能够根据工业电力电气装置的指令信号对电流、电压等进行调节,从而实现对装置的精准调控

IGBT在应用过程中多以模块形式出现。在应用中,IGBT常以模块形式出现。IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。通过进一步集成IGBT模块、驱动、保护(热保护、过流保护)电路,形成了IPM(智能功率模块)。其中,IGBT模块凭借其高耐压的特性,在高压、大电流、大功率的场合广泛应用。

 图18  IGBT功率器件具有多种产品形态

资料来源:英飞凌,国泰君安证券研究

IGBT技术迭代缓慢。与集成电路领域快速迭代不同,IGBT作为驱动电路简单的功率器件,技术迭代较为缓慢。截至目前,IGBT已开发至第七代;而于1997年首次发布的第四代IGBT产品仍是目前使用最广泛的IGBT芯片技术,电压包含600V、1200V、1700V,电流从10A到3600A。IGBT的技术迭代,始终沿着减少功率损耗、增加最大输出功率和功率密度的方向发展,主要体现在两方面:(1)栅极结构,从平面型到沟槽型结构;(2)纵向结构,从穿透型(PT)、非穿透型(NPT)到场效应截止型(FS)结构。

 图19  IGBT的技术演进:不断提高功率密度,减少功率损耗

资料来源:英飞凌

IGBT模块制造过程复杂,具有较高的技术壁垒。在芯片制造环节,需要通过晶圆制造、减薄、测试、切割、筛选等环节;在模块制造环节,需通过焊接及接线、安装散热器、安装外壳、模块测试等环节。通过复杂的制造工艺后,需要保证最终IGBT模块产品的一致性和可靠性,技术难度大、壁垒高。

 图20  IGBT模块工艺复杂,技术壁垒高

资料来源:日立

IGBT模块下游应用市场广阔。目前,IGBT模块在工业控制(变频器)、不间断电源(UPS)、新能源汽车、光伏及风力发电、变频白色家电、轨道交通机车、智能电网等多个领域得到广泛应用。按照工作的电压等级进行分类,IGBT覆盖400V、600-650V、1700V、3300、4500V等低、中、高压范围。

 表4  IGBT功率器件覆盖不同工作电压

资料来源:国泰君安证券研究

IGBT模块作为电气设备核心的模块,对性能指标、可靠性要求非常高。对于电动汽车而言,IGBT芯片与动力电池电芯被并称为电动车的“双芯”,决定了车辆的扭矩和最大输出功率,是影响电动车性能的关键技术。IGBT模块成本约占电动汽车整车成本的5%、电控成本的37%,是构成电控成本的主要部分。

 图21  IGBT模组是新能源汽车电控成本的主要构成

资料来源:北斗航天汽车,国泰君安证券研究

4.2

IGBT国产化已然启动,渗透率不断提高

从全球市场来看,国内IGBT模块厂商竞争力不断提高,有两家中国企业在所属细分领域进入全球前十。据IHS数据显示,斯达半导在IGBT模块领域排名第八,市占率2.2%。但从产品线来看,本土IGBT企业的产品集中在低压领域,正在向中压领域逐步突破下游客户,目前高压领域技术及产能布局仍较少。

 图22  国内厂商在IGBT模块、IPM领域进入全球前十

资料来源:英飞凌,国泰君安证券研究

目前,国内IGBT企业呈现两大特点:(1)国内实力较弱的企业大多集中在设计环节。大量国内企业选择华虹半导体、中芯国际、上海先进等公司代工完成晶圆制造,实现产品的尽快量产。但同时,这些企业在未来将会受到晶圆尺寸、厚度等产能扩张升级、晶圆质量提升等问题的影响。(2)国内龙头企业及资金雄厚的国有企业,如中车时代电气、比亚迪等,在掌握下游电控、轨道交通及新能源汽车等应用后,向上延伸完成功率半导体IDM布局,实现上下游深度结合。这势必将提高上述企业的IGBT产品自供比例,加速国产替代。

国内IGBT厂商通过长期的技术积累,已开始在中压领域取得突破,将逐步提升在新能源汽车领域的渗透率。以比亚迪半导体为例,比亚迪微电子事业部于2005年组建IGBT研发团队,正式布局IGBT产业。2018年正式发布自主研发的IGBT 4.0产品,实现国内车规级IGBT重大突破。数据显示,在同等工况下,比亚迪IGBT 4.0综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。据NE时代数据,2019中国电动乘用车IGBT市场中,英飞凌及合资公司上汽英飞凌处于领先地位,占据58.2%的市场规模,产品配套特斯拉、上汽、北汽等多家汽车主机厂;比亚迪对内供应为主,以18.0%的市占率紧随其后。除上述两家企业外,国内市场无市占率超6%的IGBT供应商,即该领域呈现“双寡头”竞争格局。

 图23  国内IGBT模块企业在新能源汽车领域实现突破

资料来源:NE时代,国泰君安证券研究

注:该图仅表示供应链关系,不表示出货量

五、关注赛道2:GaN和SiC的春天已经到来

5.1

SiC/GaN化合物功率半导体推动功率半导体迭代升级

目前,Si(硅)基半导体材料性能已接近极限,化合物功率半导体材料SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)在性能上具有明显优势,正加速推进产业化进程。第三代半导体材料SiC/GaN物理特性优势较为明显,有望引领产品性能全面提升。短期来看,SiC与MOSFET结合路径在操作性和经济性上存在一定优势,将成为部分新能源汽车主机厂商未来3年内的新选择、新需求。长期来看,SiC基IGBT的产业化进展值得关注。

 图24  SiC、GaN材料的优异特性,将带来功率器件、系统性能的显著提升

资料来源:赛迪,国泰君安证券研究

SiC与GaN各有所长,将在不同领域实现对Si基功率器件的替代。在轨道交通机车、新能源发电等高功率领域,SiC功率半导体器件更具有优势。而在消费电子(快充)、家电等中低功率、高频率的应用场景中,GaN功率半导体器件更具有优势。

化合物功率器件功耗效率领先,如何降低成本决定商业化进展。与Si基功率半导体相比,SiC功率器件有以下3点优势:(1)耐高温高压;(2)小型化、轻量化,SiC器件体积可以减少至IGBT的1/3-1/5,重量减少至40-60%;(3)功耗低、效率高,可实现60-80%的功耗降低,效率提升1-3%,续航提升约10%。但与此同时,SiC功率器件仍有以下不足:(1)成品率低、成本高,是IGBT的4-5倍;(2)可靠性存在问题。综上所述,虽然SiC相比Si基材料在功耗和效率上具有明显优势,但决定商业化的关键在于成本下降及产品可靠性的提升。

 图25  SiC和GaN功率器件将在不同领域对传统Si基器件实现替代

资料来源:英飞凌

化合物半导体功率器件成本快速下降,产品经济性日益凸显,渗透率稳步提升。根据CASA Research数据显示,SiC、GaN器件的产品价格持续走低。SiC价格方面,耐压600-650V SiC SBD 2019年底的平均价格较2017年底下降了 55.6%;GaN价格方面,GaN HEM 2019年底的平均价格较2018年底降低了43%。GaN器件的经济性更加突出,从IDM厂商给出的生产成本来看,2019年GaN器件成本已接近Si,2020年大批量生产后基本能和Si持平或更低。目前,国际上有超过20家汽车厂商在车载充电机(OBC)中使用SiC器件,特斯拉已在其纯电动汽车Model 3中使用由意法半导体提供的SiC基MOSFET产品。随着成本的控制、可靠性的提升,相信产品的市场空间将进一步打开。

 图26  SiC和GaN功率器件在电力电子器件中的渗透率稳步提升

资料来源:Yole

 图27  电动汽车、新能源并网、消费电子即将迈入成长期

资料来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA) 

5.2

GaN:消费电子领域的杀手级应用,始于快充,未来可期

基于GaN技术的快速充电器成为消费电子领域的新“爆款”。近年来,随着手机等移动设备性能的不断提升,对手机电量的需求也逐步提高。如何避免因性能提升所带来的频繁、长时间充电,保证用户体验,成为亟待解决的问题。快充技术的出现成功解决了这一痛点,各大厂家也纷纷推出了不同的快充方案,充电功率也从最初的5W提高到现在最高的100W。基于GaN技术的快速充电器,在提高了充电功率的同时,降低了充电器的体积和重量,具有极佳的产品竞争力,销量不断增加。

未来,汽车电子、UPS等都将是GaN的潜在应用场景。根据Yole的预测,随着GaN功率器件成本的不断降低、产品性能指标和可靠性的不断提升,GaN功率器件将于2025年左右在新能源汽车、汽车电子等要求更为严苛的领域得到应用;市场规模也将从目前的900万美元,快速增长至7亿美元以上。

 图28  GaN功率器件的应用将从消费电子拓展至新能源汽车等领域

资料来源:Yole

5.3

SiC:IGBT的有力竞争者,在新能源汽车上的应用已经起步

SiC功率器件的商用化已蓄势待发。特斯拉已在Model 3中第一次采用意法半导体提供的SiC基MOSFET来做逆变器。2018年12月,在比亚迪IGBT4.0技术解析会上,比亚迪宣布,投入巨资布局性能更加优异的第三代半导体材料SiC;到2023年,比亚迪旗下的电动车将全面搭载SiC电控模块。根据Yole的预测,在全球新能源汽车快速发展、SiC器件渗透率不断提升的带动下,SiC功率器件市场会保持快速增长,市场规模将从2020年的7.5亿美元增长至2025年的32亿美元左右。

 图29  SiC功率器件市场规模将迎来快速增长

资料来源:Yole

5.4

竞争格局:全球寡头竞争,国内初具规模

海外公司实力领先,呈现寡头竞争格局。科锐(Cree)是全球最大的GaN和SiC器件制造商。在SiC领域,科锐、英飞凌和Rohm三家公司占据了全球碳化硅市场约70%的份额,而前五大厂商份额约占90%,寡头竞争局面明显。

我国化合物半导体功率器件产业链已初具规模,紧跟国际先进水平。以SiC为例,单晶衬底有天科合达、山东天岳等;外延生长有瀚天天成、天域半导体等,器件与模块应用环节有泰科天润、扬杰科技、瑞能、中电55所等;北京世纪金光具备SiC器件全产业链供应能力;三安集成等公司凭借在LED领域的技术积累,正积极向GaN功率器件领域发展。

 图30  国内化合物功率半导体产业链初具规模

资料来源:国泰君安证券研究

六、行业相关企业

(1)IDM:比亚迪半导体

发展历程:2005年,比亚迪微电子事业部组建IGBT研发团队,正式布局IGBT产业。2008年,比亚迪收购宁波中纬半导体,投资建设晶圆工厂,成为功率半导体IDM企业。在紧接着的2009年,IGBT1.0芯片研发成功。2018年,自主研发的IGBT 4.0产品正式发布,实现国内车规级IGBT重大突破。2020年,比亚迪内部重组成立“比亚迪半导体”,比亚迪半导体长沙制造工厂开工建设。2021年5月27日,西安比亚迪半导体有限公司成立。

主要产品:工业级IGBT模块、汽车级IGBT模块(新能源车用,与上海先进合作),1200V IGBT单管、IGBT驱动芯片等。

(2)设计:无锡中科君芯

中科君芯成立于2011年底,依托中科院微电子所,是专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合资高科技企业。中科君芯是国内率先开发出沟槽栅场截止型(Trench FS)技术并真正实现量产的企业,其独创的DCS技术将应用于最新的汽车级IGBT芯片中。2019年3月,中科君芯收购中芯国际位于意大利的8英寸代工厂LFoundry 70%股权,有转为IDM的可能。

(3)设计:贵州芯长征

芯长征科技是一家专注于新型功率半导体器件开发的高科技设计公司,核心业务包括IGBT、coolmos,SiC等芯片产品及技术开发。技术团队依托于中科院技术专家以及引进的优秀海外技术精英共同组成,团队核心成员均拥有10年以上产品开发经验从。

(4)设计:宁波达新

董事长陈志勇博士曾在美国国际整流器公司(IR)工作。达新半导体成立于2013年,主要从事IGBT、MOSFET、FRD等功率半导体芯片与器件的设计、制造和销售。公司建有一条IGBT模块产线,在上海有芯片设计中心,负责芯片设计和制造管理。公司在8寸及6寸晶圆制造平台上成功开发600V~3300V IGBT芯片产品,芯片电流等级涵盖10A~200A。采用自主IGBT芯片,达新推出了系列化的IGBT模块,模块电压涵盖600V~1700V,电流等级涵盖10A~800A芯长征科技是一家专注于新型功率半导体器件开发的高科技设计公司,核心业务包括IGBT、coolmos,SiC等芯片产品及技术开发。技术团队依托于中科院技术专家以及引进的优秀海外技术精英共同组成,团队核心成员均拥有10年以上产品开发经验从。

(5)设计:上海陆芯

董事长张杰博士曾在美国国际整流器公司(IR)工作。陆芯科技具有强劲的工艺开发技术和设计能力。产品包括:最新一代Trench Field-Stop技术的400V 200A~400A系列IGBT、650V 10A~200A系列IGBT、1200V&1350V 15A~100A系列IGBT;500V~900V系列SJMOS、650V&1200V系列功率二极管;650V&1200V系列SiC二极管等。

(6)SiC:深圳基本半导体

基本半导体专注于SiC功率器件的研发与产业化,研发复盖碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等产业全链条,先后推出全电流电压等级SiC肖特基二极管、首款国产通过工业级可靠性测试的1200V SiC MOSFET、车规级全SiC功率模块等系列产品。

(7) SiC:北京世纪金光

世纪金光是一家半导体晶体材料及外延器件制造商,主要产品有SiC高纯粉料、SiC单晶片、GaN基外延片、石墨烯、SiC SBD器件、SiC MOSFET器件、SiC功率模块等。此外,公司还为用户提供第三代宽禁带半导体材料及器件的物理性能、材料微观结构、电性能以及环境可靠性实验等测试服务。

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