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​双轮驱动下的功率半导体市场将迎来井喷

2019-06-27
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受益于新能源汽车、工业控制等市场需求大量增加,MOSFET、IGBT等功率半导体产品持续缺货和涨价,带动2018年中国功率半导体市场规模大幅增长12.76%,达到2591亿元人民币。


来自TrendForce的分析指出,作为需求驱动型产业,功率半导体在2019年的景气度仍然持续向上,虽然仍有贸易战等不利因素影响,但在需求驱动下,其受影响程度要小于其它IC产品,预计2019年中国功率半导体市场规模将达到2907亿元人民币,较2018年增长12.17%。


中国市场抢眼,在很大程度上体现出了全球功率半导体市场的状况:增长强劲,总体向好。


据WSTS统计,2018年全球分立器件市场规模达到231亿美元,较2017年增长7.4%。受益于工业、新能源汽车、通信和消费电子领域新兴应用不断出现,功率半导体市场将会不断扩大。


2019年第一季度,功率半导体仍维持高景气度,在新能源应用(电动汽车、光伏、风电)、变频家电、物联网设备等需求拉动下,功率半导体呈现淡季不淡的良好趋势,根据富昌电子 2019年Q1的市场行情报告,MOSFET、IGBT的产品交期依然普遍在30周以上,且价格有所上调。高低压MOSFET、IGBT方面,英飞凌交期最长,达到39~52周,供给紧缺情况依然严峻。


预计到2022年,全球功率半导体市场规模将达到426亿美元。英飞凌以12%的市场占有率排名第一。欧美日厂商凭借其技术和品牌优势,占据了全球功率半导体器件市场的70%。


下面,我们就从应用新工艺技术这两方面,看一下全球功率半导体市场的火爆情况。


汽车应用是第一牵引力


在应用层面,汽车是功率半导体未来发展的最大驱动力。


近5年,全球汽车产量从2012年的8213万辆,增长至2017年的9704万辆,根据中国信息产业网预估,从2018到2022年,全球汽车销量年均复合年增长率约为3.2%,预计2022年,全球汽车销量将增加至1.14亿辆。


未来几年,电动汽车的销量增速有望超过50%。据EV sales统计,2017年全球电动车销量超过122万辆,同比增长了58%。2018 年,电动车销量明显提速,1~4月,全球电动车销售达到43.55万辆,较2017年同期增长了68.18%,销量呈现出加速增长的态势。


功率半导体主要运用在汽车的动力控制、照明、燃油喷射、底盘安全等系统当中。


新能源汽车新增半导体用量中大部分是功率半导体。在传统汽车中,功率半导体主要应用在启动、发电、安全等领域,占传统汽车半导体总量的20%,单车价值约为60美元。


由于新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高电压时,需要频繁进行电压变换,这时电压转换电路(DC-DC)用量大幅提升,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也有大幅增加。以上这些极大带动了汽车电子系统对功率器件需求的增加。


根据麦肯锡的统计,纯电动汽车的半导体成本为704美元,比传统汽车的350美元增加了1倍,其中功率器件成本高达387美元,占55%。纯电动汽车相比传统汽车新增的半导体成本中,功率器件成本约为269 美元,占新增成本的76%。


市场格局


在当今的功率半导体市场,中国大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压 MOSFET 等低端功率器件市场;IGBT、中高压MOSFET 等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。


在新能源汽车用功率半导体领域,欧美日厂商三足鼎立。欧洲厂商主要包括英飞凌、意法半导体、博世、恩智浦等;美国厂商主要包括德州仪器、安森美半导体、威世半导体等;日本厂商则主要包括东芝、三菱电机、瑞萨、罗姆半导体等。


图:全球汽车功率半导体厂商排名,资料来源:strategy analytics


从汽车用功率半导体厂商排名来看,来自strategy analytics的数据显示,英飞凌以25.6%的市占率排第一,意法半导体13.4%排第二,博世9.2%排第三,恩智浦8.8%排第四,紧随其后的是德州仪器,市占率为8.2%。


而作为功率半导体行业霸主,英飞凌于近期收购了Cypress(赛普拉斯),而后者主攻的就是汽车半导体市场,这使得英飞凌在汽车半导体市场的实力更强了。


在中国,得益于国产替代的政策推动和缺货涨价的状况,2018年多家中国本土功率半导体厂商取得了亮眼的成绩,并扩大布局脚步。其中,比亚迪微电子凭借拥有终端的优势,在车用IGBT市场快速崛起,取得中车用IGBT市场超过两成的市占率,一跃成为销售额位于中国前三的IGBT供应商。此外,MOSFET厂商华微电子和扬杰科技营收大增,并且逐渐导入IGBT市场。


士兰微电子2018财报显示,全年营收30.26亿元,较2017年同期增长10.36%;归属于上市公司股东净利润为1.7亿元。虽然这一整体财报数字受到了业界的一些质疑,但其功率半导体的业绩确实亮眼。其功率器件产品营收14.75亿元,同比增长28.65%。在士兰微功率器件产品中,低压MOSFET、超结MOSFET、IGBT、IGBT大功率模块(PIM)、快恢复管等产品增长较快。而在这些产品当中,大部分都可以用于汽车。


此外,台基股份在功率半导体市场的表现稳定向好,2019年第一季度,该公司功率半导体高端产品、高毛利产品比重有所上升,半导体板块收入及净利润较去年同期均有所增长。


而在中外合作方面,中国本土市场也是动作频频。


2018年3月,上汽集团与英飞凌成立合资企业——上汽英飞凌半导体公司,上汽集团持股 51%,英飞凌持股49%。


据悉,上汽英飞凌半导体聚焦IGBT模块封装业务,旨在服务上汽集团及其他国内新能源汽车厂商,项目一期投资16亿元,预计未来2~3年实现100万套的年产能。


另外,不久前,闻泰科技已取得安世半导体控股权,安世半导体源于NXP的标准产品业务,在汽车功率半导体器件领域有着深厚的积累,其有两座晶圆厂(6英寸、8英寸)及三座封测厂,2017年销售额超过13亿美元,该公司超过50%的产品应用在汽车领域,按照规划,安世半导体未来有望在中国大陆扩产,这可以说是给我国本土汽车功率半导体产业的发展打了一针强心剂。


IGBT增长强劲


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。新能源电动车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异,需要频繁进行电压变换和直流-交流转换。加之纯电动车对续航里程的高需求,使得电能管理需求更精细化,这些对IGBT、MOSFET、二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车。而作为新兴功率器件,IGBT在汽车需求的带动下,将出现爆发式增长。


随着新能源汽车的普及,IGBT作为重要的功率器件,受到了广泛的关注。IGBT 模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心部件。有统计显示,IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。


IGBT 广泛运用于汽车电机控制系统,目前,汽车电机控制系统需要用到数十个IGBT。以特斯拉为例,特斯拉后三相交流异步电机每相要用到28个IGBT,总计要用84个IGBT,加上电机其他部位的IGBT,特斯拉共计使用了96个IGBT(双电机还要加前电机的36个)。按照 4~5美元/个的价格计算,双电机IGBT价值大概在650美元左右。


半导体元器件在汽车中的用量成倍增长,而功率半导体对硅片的消耗量巨大,一般情况下,一片8英寸硅片仅能切割70~80颗IGBT芯片。目前,电动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很大,这些将带动硅片产业进入长期、持续的供需紧张状态。


例如在纯电动车方面,一辆tesla model x汽车需要使用84颗IGBT,这样算来,基本上一辆车就要消耗掉一片硅片。混合动力汽车的功率半导体用量相对较少,以宝马i3为例,单辆汽车的功率半导体硅片消耗量约为1/4片。


下面看一下车用功率模块(当前的主流是IGBT),其决定了车用电驱动系统的关键性能,同时占电机逆变器成本的40%以上,是核心部件。


IGBT约占电机驱动器成本的三分之一,而电机驱动器约占整车成本的15~20%,也就是说,IGBT占整车成本的5~7%。2018年,中国新能源汽车销量按125万辆计算的话,平均每辆车大约消耗450美元的IGBT,所有车共需消耗约5.6亿美元的IGBT。


在技术层面,IGBT芯片经历了一系列的迭代过程,包括从PT向NPT,再到FS的升级,这些使芯片变薄,降低了热阻,并提升了Tj;IEGT、CSTBT和MPT的引入,持续降低了Vce,并提高了功率密度;通过表面金属及钝化层优化,可满足车用的高可靠性要求。



除了技术层面,IGBT在结构上也有创新,如出现了RC-IGBT,以及将FWD与IGBT集成到一起的设计;此外,在功能上也有集成,如集成电流、温度传感器等。


新工艺技术推动功率半导体加速前进


以上讲的是汽车应用对于功率半导体发展的重要作用,下面看一下新工艺技术的推动作用。


传统的功率半导体,采用的是MOS技术,主要器件是MOSFET和IGBT。而新兴的SiC和GaN,以及最新的氧化镓技术,正在给功率半导体的发展增添新的动力。


许多公司都在研发SiC MOSFET,领先企业包括美国科锐(Cree)旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆(ROHM)、新日铁等。而进入GaN市场中的玩家较少,起步也较晚。


SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成,市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。而据Yole预测,SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金,这期间的复合年均增长率预计将达19%。


目前,全球已有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。


SiC在低压领域,如高端的白色家电、电动汽车等,由于成本因素,逐渐失去了竞争力。但在高压领域,如高速列车、风力发电以及智能电网等,SiC具有不可替代性的优势。


全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,居于领导地位,占有全球SiC产量的70%~80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。


中国市场表现


我们习惯把SiC和GaN称为第三代半导体技术,中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,创新能力还不足。


虽然落后,我国也在积极推进,国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展第三代半导体产业:地方政策在2016年大量出台,福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策(不包括LED)近30条。一方面,多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划,另一方面,不少地方政府有针对性地对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。


国内企业方面,在LED芯片领域已有深厚积累的三安光电,在第三代半导体材料的研发投入达到了330亿元。


除三安光电外,扬杰科技、国民技术、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。


扬杰科技曾透露,其SiC芯片技术已达到国内领先水平。海特高新通过其子公司海威华芯开始建设6英寸的第二代/第三代集成电路生产线。中车时代电气(中国中车子公司)在高功率SiC器件方面处于国内领先地位。国民技术也开始布局这个领域,其全资子公司深圳前海国民公司与成都邛崃市人民政府签订了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》,研发第三代半导体外延片。


此外,华润华晶微电子和华虹宏力也是发展第三代半导体材料的代表企业。


氧化镓


SiC和GaN并不是最新的技术,凭借比SiC和GaN更宽的禁带,氧化镓(Ga2O3)走入了人们的视野,该种化合物半导体在更高功率的应用方面具有独特优势。因此,近几年关于氧化镓的研究又热了起来。


实际上,氧化镓并不是很新的技术,多年前就有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研,但就实际应用场景来看,过去不如SiC和GaN的应用面广,所以相关研发工作的风头都被后二者抢去了。而随着应用需求的发展愈加明朗,未来对高功率器件的性能要求越来越高,这使得人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景,相应的研发工作又多了起来,已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。而我国在这方面还是比较欠缺的。


氧化镓是一种宽禁带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性良好,因此,其在光电子器件方面有广阔的应用前景,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域,而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。


虽然氧化镓的导热性能较差,但其禁带宽度(4.9eV)超过碳化硅(约3.4eV),氮化镓(约3.3eV)和硅(1.1eV)的。由于禁带宽度可衡量使电子进入导通状态所需的能量。采用宽禁带材料制成的系统可以比由禁带较窄材料组成的系统更薄、更轻,并且能应对更高的功率,有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。此外,宽禁带允许在更高的温度下操作,从而减少对庞大的冷却系统的需求。


氧化镓是一种新兴的功率半导体材料,其禁带宽度大于硅,SiC和GaN,在高功率领域的应用优势愈加明显。但氧化镓不会取代SiC和GaN,更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器,如电动汽车和光伏太阳能系统。


结语


从全球集成电路市况来看,功率半导体已经成为未来几年全球IC产品中最具发展潜力的品类,得到了各国越来越多厂商的重视。在汽车应用和新工艺技术双轮驱动下,其强劲的发展势头及前景非常值得期待。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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