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功率半导体市场规模及发展趋势深度分析!

最新更新时间:2019-03-15
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本文来自基业常青经济研究院,感谢分享!


1 驱动世界向更高效、更精密、更清洁的方向发展,功率半导体2022年市场规模可达426亿美元


1.1 功率半导体是电力控制的核心,驱动现代社会的电气化运作


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业; 与功率半导体这个概念相对应的,则是更为大众所熟知的依托微电子技术、 保持小功率的特点、以信息处理为核心的信息半导体产业。



以手机、电脑这些具体的电子产品为例,信息半导体是这些产品的大脑 和神经,负责感知、运算、操纵等,实现电子产品的设计功能;而功率半导 体则是这些产品的心脏和血脉,负责将合适的电能传输给每一个用电终端。



而当我们放眼一条完整的从电能产生到电能最终被用电终端应用的电力 传输链时,功率半导体则更类似于一名“厨师”的角色。它负责将发电设备 产生的、电压和频率杂乱不一的粗电“加工”成电压、频率统一的工频电, 再将“加工好”的工频电“烹饪”成拥有不同电压、电流、频率等电能参数 的特定电来满足各个用电终端的不同“口味”。 需要特别注意的是,我们这里提到的用电终端,并不是电脑、手机这些 终端设备,而是指电脑、手机里的传感器、摄像头这类的功能终端。



功率半导体的“厨师”职能,从本质上来说,是通过利用半导体的单向 导电性实现的电源开关和电力转换的功能。 


电源开关功能,顾名思义,指实现电力传输某一具体环节的导通和关断; 而电力转换功能则是指通过变压、变频、直交流转换等实现特定电的转换, 具体又分为AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC四种形式(AC:交流;DC:直流) 。



正是功率半导体这看似简单的电源开关和电力转换功能,通过多样化的 组合方式,实现了“粗电”向“精电”的转换,从而满足了现代生活中复杂 的用电需求。



因此,我们可以毫不夸张地说,当今世界一切涉及发电、输电、变电、 配电、用电、储电的事宜都离不开功率半导体。


1.2 伴随着社会电气化程度的加深,功率半导体长远追求更高的功率密度与更低的功耗


功率半导体伴随着电力的运用而诞生,自然也就随着社会电气化程度的 加深而发展。而社会电气化程度的提高又主要源于两个方面:应用领域的广 泛化与应用形式的精密化。 应用领域的广泛化一方面是指新型应用的诞生,代表性的应用包括智能 手机、可穿戴设备等;另一方面是指越来越多传统领域的电气化,代表性的 应用比如过去10 年间实现对传统灶具部分替代的电磁炉、未来的电动汽车与 物联网等。 而应用形式的精密化则是指对用电终端的供电,从原来粗犷地向所有用 电终端统一直供,渐渐转化为对每一个用电终端的精确化控制,代表性的产 品比如电源管理芯片、负载开关等。 


自然,社会电气化程度的提高也对功率半导体提出了相应的要求。



而当这些性能要求具体到性能指标的层面时,则又分为基础指标和功耗 指标。前者是指为了能实现某一特定功能,功率半导体必须满足的指标,比如只有满足一定的工作电压、电流密度、工作频率的功率器件才能驱动电动 汽车的电机实现特定的转速,又比如只有能耐受一定温度的功率半导体才可 以运用到一些特定的航天领域;而后者则是满足了基础指标后,为了实现更 高效的目的,所有功率半导体追求更低功耗所参考的指标。


 这些指标中,频率指标需要特别关注,因为频率(反向恢复时间的倒数) 一方面决定直流电转化成交流电的最高频率,另一方面决定了变压器等电气 设备的最小体积,通常来说由功率半导体及配套被动元件组成的电气设备的 体积和重量与供电频率的平方根成反比。



为了满足越来越高的指标要求,自 1956年美国贝尔实验室发明晶闸管以 来,功率半导体一刻不曾停歇,一直在通过多种方式实现技术演进。



从功率半导体的发展轨迹来看,高功率、高频率(小型化)与低功耗是 技术演进的方向,但三者的关系有层次之分:不同应用场景对功率的硬性要 求不同,在满足特定功率要求的基础上,新的技术、工艺都在尽量追求小型 化和低功耗。例如新能源汽车等新兴应用市场对高功率半导体的需求巨大, 但GTO等前代功率器件在在体积(重量)、功耗层面性能不足,而以 IGBT 为代表的新型功率器件在保证实现高功率的基础上保持了小型化和相对低功 耗的特点,进而成为主流的高功率器件。 


因此我们认为功率半导体的发展实际上是在满足特定功率的基础上,追 求于更小的体积(重量)和更低的功耗。 


所以功率半导体长远所追求的,是实现自身的低功耗与高功率密度(功 率和体积之比)。而拥有着更低的功耗和更高的功率密度的功率半导体,驱 动着我们的世界向着更高效、更精密的方向发展。


1.3 受益于清洁能源、电动汽车与物联网的发展,预计2022年功率半导体市场规模可达426亿美元


作为一个从1956年发展至今的成熟产业,功率半导体行业每年的市场空 间可以被很容易地拆解成两个方面:折旧带来的替换市场以及电气化程度加 深带来的新增市场。 


既然新增市场源于电器化程度的加深,那么能对功率半导体市场规模造 成较大影响的下游行业无疑又将符合两个条件:应用市场具备一定的规模基 数;以及相应新产品对功率半导体的需求大幅增加。经过我们的观察,有三 个行业显著符合这两个条件:清洁能源行业、电动汽车行业以及物联网行业。 


首先是清洁能源行业,未来5-10 年,清洁能源行业占据主导的依然是光 伏发电和风能发电,根据“十三五”规划,风电、光伏装机总量将从2015年 的 1.9 亿千瓦时提升至 2020 年的 4 亿千瓦时,复合增长率约为 16%,而无论 是风力发电或是光伏发电,相较于传统的火力发电,都会增加汇流/整流与逆 变这两个环节,大幅提高功率半导体的用量。



其次是电动汽车行业,根据 StrategyAnalytics 测算,轻混车(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%和 433%,至 146 美元、354 美元与 384美元。



最后是物联网行业。如果物联网实现大规模应用,一方面会通过新增的 数据收集与数据传输环节产生更多的用电需求,自然带来了功率半导体的增 长空间;另一方面,由于物联网设备高精密度和低功耗的需求,在实现同样 功能的设备中,可能需要通过加装负载开关等功率半导体元件来实现每一用 电终端的单独控制,从而节省设备功耗。



受益于折旧带来的替换市场、电气化程度加深带来的新增市场以及供需 格局带来的价格增长,结合 Yole Développement 的相关测算,我们预计功率 半导体市场在 2018 年将大概率延续 2017 年 11%左右的增长速度,在 2019、 2020年由于价格的回落增长速度下降至5%、3%,在2021 年以后由于物联网 应用的兴起回升至 4%的年化增长速度,至 2022 年实现约 426 亿美元的市场 规模。



2 制造铸就地位、设计把握增长,长远看来IDM为大势所趋


2.1 前段晶圆制造决定产品性能,占据产业链核心话语权 


尽管制造流程依然分为设计、制造、封测这三个环节,但与更为大众 所广泛认知的信息半导体行业不同,功率半导体的核心环节并不在于设计, 而是在于前段晶圆制造环节。造成这种现象,主要是由于功率半导体电路 简单,且对运算功能的要求大幅度降低。因此技术含量相对较高、在 IC 设计环节构成了大量附加值的控制芯片架构、IP、指令集、设计流程、设 计软件工具等环节并不参与功率半导体的利润分配。 


相反,由于功率半导体特色工艺的属性,前段制造和后段封装对产品 最终性能的影响加大,技术含量也均有所提高,在功率半导体的附加值分 配中也占据了更大的比例。



一般来说,由于对产品性能的决定性作用,前段制造环节占据功率半导 体价值链的40%以上。但结构改进、封装调整或差异化需求可能会提升不同 环节的价值链占比。



但总体而言,前段晶圆制造环节因为其较高的技术含量以及决定产品性 能所带来的更高的地位,毫无疑问地占据着功率半导体价值链的核心。



2.2 设计能力主导客户开拓,影响企业发展速度


在图表13中我们提到,设计环节主要在两个方面影响功率半导体的最终 产品:基于系统 Know-how 能力实现的差异化参数调整,以及通过结构优化 带来的单片晶圆可切割芯片数的提升。 


单片晶圆可切割芯片数的提升显而易见地带来成本的下降,而系统 Know-how 能力实现的差异化参数调整则意味着为客户开发定制化产品的能力。


 从图表17中我们不难发现,即使是使用同一类型的功率器件,不同下游 场景应用对应着不同的功率和频率需求。同理,同样的下游应用,也会因为 产品定位等原因对功率半导体的功率、频率、功耗等指标产生不同的需求。 


因此,在同一种产品结构上,通过差异化参数调整,先满足客户基础指 标要求,然后再实现功耗与成本的最优解,是企业设计能力的核心体现。



同时,由于从市场的角度上来看,功率半导体行业本质上是一个需求驱 动型的行业,它的发展链条,往往是由政策、技术等因素的驱动,传导至新能源汽车等下游产业的增长,再传导至对应的功率半导体行业,促使其发展。



因此,一家功率半导体企业的设计能力越强,就意味着这家企业在其制 造能力的制约框架内的业务开拓能力越强,而这较大程度上影响着一家企业 的发展速度。


2.3 设计、制造、封装三者协同,长远来看IDM为大势所趋


尽管后段封装,尤其是功率模块的封装,对产品的性能、一致性、稳定 性和工作环境耐受性均具有一定的影响,但由于技术壁垒较低,并不构成功 率半导体的核心竞争力。



然而从长远来看,由于决定核心竞争力的前段制造能力和关乎企业发展 速度的设计能力对于一家功率半导体企业而言缺一不可,再加上掌握封测环 节一方面可以占据更广阔的利润空间,另一方面可以增强对产品性能的把控、与设计制造环节形成协同效应,因此我们判断从长远来看IDM是功率半导体 厂商的必然选择。



目前世界范围内一流的功率半导体厂商无论是欧洲的英飞凌、意法半导 体,美国的德州仪器、安森美,或是日本的三菱等,均以IDM模式为主。


3 进口替代空间打造独特竞争格局,短期内设计企业迎发展良机


3.1 国际巨头垄断国内市场,进口替代空间巨大


根据 Yole 和IHS的研究结果显示,尽管功率半导体在中国的销售额占据 了全球销售额的 40%左右,但全球排名前列的功率半导体企业中并没有中国 企业的身影。



如果将中国与国际顶尖的功率半导体厂商进行比较的话, 2017年全球 营收规模最大的功率半导体厂商英飞凌仅仅在中国区域实现的营收,便是 同年中国营收规模最大的功率半导体厂商华微电子的8倍。



而根据 Yole Développement 相关数据,2017 年大陆功率半导体市场总体 国产化率不到50%。据此我们不难得出结论,功率半导体行业的进口替代空 间十分广阔。



3.2 多因素共振,短期内国内设计企业更容易把握进口替代机遇


在2.2中我们提到,功率半导体是一个需求驱动型的行业,因此,功率半 导体之所以存在实现“进口替代”的可能,本质上是由于国内功率半导体的 下游客户市场主要为国产厂商,而面对国内的下游厂商,国内的半导体功率 企业在和国外的企业竞争时往往具备成本与定制化的优势。


图表25 国内功率半导体厂商在国内下游厂商中的竞争优势


此外,由于国内下游厂商很大一部分也是依靠成本优势在与国际的同类 厂商进行竞争,因此他们对上游功率半导体的价格敏感度也更高,因此当国 内功率半导体厂商的产品性能能够满足下游厂商的需求时,尽管功率半导体 行业因为较长的验证周期存在一定的替换成本,但国内的下游厂商往往会愿 意进行尝试。


 因此我们认为当国内的功率半导体厂商在工艺技术达到国际同等水平, 甚至是在略微不足国际同等水平,但可以依靠定制化生产进行一定的产品性 能弥补时,便可以实现相应的“进口替代”。 


同时,与信息半导体行业相比,功率半导体由于产品迭代速度相对较慢, 对制程、晶圆线和投资规模的要求相对较低,以及全球华人功率半导体人才 较为丰富等原因,在短期内实现工艺技术的突破,实现国际一流的产品性能 的可能性相对更高。



因此我们认为,国内功率半导体行业具备较高的实现进口替代的可能性。 从实际情况来看,包括士兰微、比亚迪、中国中车在内的一系列中国企业均 在功率半导体行业实现了对国外垄断领域的突破。 


但对于国内的功率半导体厂商而言,由于“进口替代”这一特殊市场空 间的存在,尽管IDM从长远来看无疑是最优的选择,但我们认为短期内设计 厂商可以利用晶圆代工厂的技术积累,通过聚焦于设计领域的研发,快速提 升产品的性能与规模,在同等的资金投入下相较于IDM厂商更容易把握“进 口替代”进程,取得快速发展。






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