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两会提案:功率半导体将成为“中国芯”的最好突破口

已有213次阅读2020-05-22标签:
随着中美科技较量短兵相接,两会上代表委员们关于中国半导体产业发展的提案和建议备受瞩目。其中民进中央拟提交“关于推动中国功率半导体产业科学发展的提案”。

提案表示,近年来,国家出台了一系列政策措施支持和推动半导体产业发展,取得了较为突出的成效,已基本完成了产业链的布局,且在功率半导体领域呈现多点开花的良好形势。

但是,当前从全球功率半导体市场看,一方面传统的硅材料功率半导体仍然有巨大的发展空间,有研究显示全球市场的碳化硅及氮化镓等新材料功率半导体芯片市场应用量是约3亿多美金,硅材料功率半导体芯片市场应用量超过200亿美金。国际市场的IGBT芯片主流是硅材料5代、6代及7代产品,国际功率半导体行业认为,硅材料功率半导体材料已经有30多年的大规模市场应用验证,稳定可靠,价格低,尚有技术发展空间等特点,在未来至少7至8年左右仍是市场应用主流。另一方面以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料正蓬勃发展,而我国碳化硅、氮化镓功率半导体器件研发起步晚,在技术上仍有很大差距。可喜的是,在国家多项科研计划的扶持下,这方面已经大幅缩小了与国际的技术差距,并取得了不少成就。

随着工业、汽车、无线通讯和消费电子等领域新应用的不断涌现以及节能减排需求日益迫切,我国功率半导体有庞大的市场需求,容易催生新产业新技术,在国家政策利好下,功率半导体将成为“中国芯”的最好突破口。

为此,建议:

一、进一步完善功率半导体产业发展政策,大力扶持硅材料功率半导体芯片技术攻关,立项支持硅材料功率半导体材料、芯片、器件等设计和制造工艺流程技术。经过多年布局和发展,我国在硅材料IGBT芯片技术方面有一定的技术基础和沉淀,可以将集中突破硅材料6代功率芯片产品设计及批量制造工艺技术作为发展重点,采取先易后难、解决“有无”问题的发展策略,尽快实现功率半导体芯片自主供给。

二、加大新材料科技攻关。大数据传输、云计算、AI技术、物联网,包括下一步的能源传输,对网络传输速度及容量提出了越来越高的要求,大功率芯片的市场需求非常大。从产业发展趋势看,碳化硅、氮化镓等新材料应用于功率半导体优势明显,是下一代功率半导体的核心技术方向。目前碳化硅、氮化镓市场处于起步阶段,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。

  • 一是要把功率半导体新材料研发列入国家计划,全面部署,竭力抢占战略制高点。

  • 二是引导企业积极满足未来的应用需求,进行前瞻性布局。推动功率半导体龙头企业着力攻克一批产业发展关键技术、应用技术难题,在国际竞争中抢占先机。

  • 三是要避免对新概念的过热炒作。新材料从发现潜力到产业化,需要建立起高效的产学研体系,打造更加开放包容的投资环境。


三、谨慎支持收购国外功率半导体企业。通过收购很难实现完全学会和掌握国际先进的功率半导体芯片设计及制造工艺技术,同时海外工厂制造的产品仍然存在着无法出口到中国的危险。

功率半导体概述

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,来实现变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等,被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。
 
功率半导体主要分为功率器件、功率IC。其中功率器件主要包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别,其中晶体管是分立器件中市场份额最大的种类。常见晶体管主要有BJT、IGBT和MOSFET。MOSFET和IGBT逐渐成为主流,而多个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。
 

图:功率半导体分类(中银证券)


根据Yole数据,2017年功率IC占全球功率半导体市场规模的54%,是市场份额占比最大的功率半导体产品;MOSFET市场规模占比17%;功率二极管市场规模占比15%;由于IGBT的操作频率范围较广,能够覆盖较高的功率范围,市场规模占比12%。
 

图:功率半导体市场结构(新时代证券)

二极管:二极管是最简单的功率器件,通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。整流器由二极管与一些金属堆叠而成,二者在功能上相似。根据Yole的数据,2016年全球二极管及整流器市场规模为33.43亿美元,其中整流器市场规模为27.58亿美元,占比为82.50%。
 
MOSFET(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,运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。MOSFET在功率器件中占比最高,2018年全球MOSFET市场规模为59.61亿美元,占功率器件市场的39.78%。预计2020年全球市场规模可达68.81亿美元。


图:全球MOSFET市场规模(新时代证券)

 

IGBT(绝缘栅双极型晶体管):是电机驱动的核心,广泛应用于逆变器、变频器等,其应用领域非常广泛,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。IGBT分为IGBT芯片和IGBT模块,IGBT模块常用于大电流和大电压环境。预计2022年全球IGBT芯片市场规模为14.07亿美元,IGBT模块市场规模为47.75亿美元。
 

图:全球IGBT市场规模

功率IC: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、开关稳压器、 电压基准、开关IC和其他功率IC。

功率半导体的应用领域广泛,市场规模持续增长

根据Yole数据,2017年全球功率半导体市场规模为327亿美元,预计到2022年达到426亿美元,复合增长率为5.43%。其中,工业、汽车、无线通讯和消费电子是功率半导体的前四大终端市场。根据中商产业研究院的数据,2017年工业应用市场占全球功率半导体市场的34%,汽车领域占比为23%,消费电子占比为20%,无线通讯占比为23%。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。


图:全球功率半导体市场规模 

图:功率半导体终端市场格局

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,功率半导体器件市场规模不断增长。根据Yole数据,2017年全球功率半导体器件市场规模为144.01亿美元,预计到2022年功率半导体器件市场规模将达到174.88亿美元,复合增长率为3.96%。

图:全球功率半导体器件市场规模

工业领域:工业领域是功率半导体最大的市场,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。

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,复合增长率为8.56%。 

汽车电子:与传统汽车相比,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比传统汽车高出近1倍。根据中商产业研究院、英飞凌数据,2017年全球汽车功率半导体市场规模为58亿美元,预计到2020年达到70亿美元,复合增长率6.47%。
 
同时,与新能源汽车相配套的充电桩对功率半导体需求也很大,新能源汽车充电桩分为直流IGBT充电桩和交流MOSFET充电桩,预计2020 年直流充电桩需求为151万个,交流充电桩需求90.6万个,2020年全球充电桩市场对功率半导体的需求为15.22亿美元。
 
智能电网:智能电网发电过程中使用大量的逆变器和整流器,其中核心的功率半导体是 IGBT。光伏电网还需要使用大量的光伏二极管,预计2020年全球光伏功率半导体市场规模27.54亿美元。
 
通信行业:5G将成为通信功率半导体市场的增长动力,5G通信带动基站等设备的建设。通信设备市场规模不断提升,功率半导体需求不断增加,根据中商产业研究院数据,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,复合增长率为4.71%,5G基站升级是通信功率半导体市场最重要的推动力。
 
消费电子:消费电子类型很多,电视、手机、冰箱、空调等产品都要使用功率半导体,一般是小电压的功率半导体,如MOSFET等。受益于Type-C接口普及以及电子产品升级换代,消费电子对功率半导体需求稳步增加。根据中商产业研究院数据,2017年全球消费电子功率半导体的市场规模为19.6亿美元,预计到2020年市场规模将达到23亿美元,复合增长率为5.48%。

市场格局

功率半导体行业壁垒较高,在高端功率器件领域,以美、日、欧龙头厂商为主导。根据IHS统计,英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝半导体是全球前五的功率半导体供应商,前五大供应商市场占比达到42.6%,前十大供应商占比达到60.6%。
 
而功率半导体厂商大多采用IDM模式,有完整的晶圆厂、芯片制造厂和封装厂,垂直整合优势明显,对成本和质量控制能力很强,实力强劲。欧美日的功率半导体厂家大多是IDM模式,以高端产品为主;中国大陆的厂商大多也是IDM模式,产品以低端二极管和低压MOSFET为主,实力较弱;中国台湾以Fabless模式为主,主要负责芯片制造和封装。

图:功率半导体竞争格局情况 

从供给端来看,全球功率半导体的主要产地集中在欧美日,占据全球功率半导体大部分的市场份额。其次是中国台湾,目前占据全球10%的市场份额。中国大陆以二极管、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,中国是全球最大的功率半导体消费国。根据Yole数据,中国功率半导体市场空间占全球比例39%,居第一位;

 如此看来,中国大陆功率半导体呈供需严重不匹配的格局,且国内以低端产品为主,国产替代缺口巨大。随着新领域的应用增加以及欧美产品升级产业转移到国内,国内市场将有很大的增长空间。

图:全球功率器件供给按照区域划分占比

图:全球功率器件需求按区域划分占比

全球功率半导体厂家









中国大陆生产企业:

杨杰科技:光伏二极管领域龙头,国内功率器件市占率第二。
捷捷微电:消费电子领域晶闸管龙头, 国内晶闸管市场占有率45%以上。
台基股份:工控领域晶闸管龙头。
华微电子:中功率IGBT行业国内领导者。
士兰微:中高功率IGBT国内领军企业。
斯达半导:国内IGBT龙头,IGBT全球前十。
华润微:国内营业收入最大、产品系列最全的MOSFET厂商。
闻泰科技:安世半导体分立器件、逻辑器件、MOSFET器件的主要产品市占率均位于全球前三。
苏州固锝:国内整流器件龙头、全球最大的二极管生产商之一。
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