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需求量大技术壁垒低功率半导体成“国产替代”

作者:币游 发布时间:2020-09-25 15:59 点击数:

  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。根据可控性分类

  ,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。

  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,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%。

  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 间的电压至一定程度,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 间施加一定电压即可导通,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 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,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%。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。Yole 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 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 的数据,2018 年全球 IGBT 芯片市场规模为 11.36 亿美元,IGBT 模块市场规模为 37.61 亿美元,总计 48.97 亿美元,占功率器件市场的 32.68%。

  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,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%。

  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。

  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%。

  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。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。

  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,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,特斯拉共使用 96 个 IGBT。按照每个 IGBT4-5 美元的价格计算,双电机 IGBT 价格大概在 650 美元左右,如果使用IGBT 模块则为 1200 美元左右。

  (1)车载充电机(chargeronboard),(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。

  电动汽车将搭载大量新的功率模块,拉动功率半导体快速发展。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%.

  通信行业也是功率半导体的一大终端市场,其中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 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。

  根据 MarketResearch Future 的预测,受益于 5G 通信爆发,全球通信设备市场规模将维持高速增长,2016 年全球通信设备市场规模约 288 亿美元,预计到 2023 年市场规模将达到 562 亿美元,复合增长率约 10%。

  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。

  功率半导体厂商大多有完整的晶圆厂、芯片制造厂和封装厂,英飞凌、安森美等龙头企业均为 IDM 模式,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。

  功率半导体行业集中度很高,根据 IHS 的数据,2017 年全球前 10 大功率半导体厂商占据了 60.60%的市场份额。其中英飞凌是全球最大的功率半导体厂商,市场占比为 18.50%。

  功率半导体厂商以欧美日为主,中国厂商起步较晚,技术比较落后,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,第二梯队亿三菱电机、富士电机等日本厂商为主,第三梯队是士兰微、安世半导体等中国厂商。

  从供给端来看,全球功率半导体的主要产地集中在欧美日,当地厂商拥有先进的技术和良好的成本管理能力,是 IGBT 和中高压 MOSFET 的主要制造商,占据全球功率半导体 70%的市场份额。其次是中国台湾,中国台湾的厂商从代工向设计的方向发展,与欧美日仍然有一定差距,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。

  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,进口替代空间巨大。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。

  根据 IHS 的数据,中国 MOSFET 市场规模约 26.40 亿美元,市场被欧美厂商所把持,国内最大的 MOSFET 厂商是英飞凌,2017 年在中国市场占比为 26.90%,前 5 大厂商市场占比为 64.00%,MOSFET 市场集中度较高。国内厂商士兰微市场占比为 2.5%,排名第十。建广资本收购恩智浦的标准业务部门后成立了 Nexperia(现已经被闻泰收购),公司承接了恩智浦的 MOSFET 业务,2017 年 Nexperia 在国内市场占比为 3.2%,排名第八,在全球市场排名第十。士兰微与 Nexperia 市场占比总计为 5.7%,国产替代空间巨大。当中中低压市场国外大厂退出,国内厂商有望承接市场份额,

  瑞萨电子是全球最大的中低压MOSFET厂商,公司在该领域市场占比为40%,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。中国是全球最大的消费电子生产国,对中低压 MOSFET需求巨大,目前士兰微的产品已经覆盖了白色家电领域,国内厂商有望承接中低压MOSFET 领域的市场份额,实现国产替代。

  IGBT 市场上的主要供应商是英飞凌、三菱、富士电机、ABB、安森美等欧美和日本厂商。英飞凌是全球最大的 IGBT 厂商,2016 年英飞凌市场占比为 21.40%,前 5 大厂商占比为 64.10%,市场集中度很高。

  英飞凌、富机电子和安森美等厂家在 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:公司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,2018年汽车产品占公司总营收的 43%,电源管理占公司总营收的 31%,工业领域产品占公司总营收的 17%。2014-2018 年公司营收从 43.20 亿欧元增长至 75.99 亿欧元,复合增长率为 15.16%,净利润从 5.35 亿欧元增长至 10.75 亿欧元,复合增长率为19.06%。英飞凌的营收主要来自中国,中国市场占总营收的 34%。

  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。

  根据集邦咨询的数据,2017 年我国 IGBT 市场规模为 121 亿元,按当年美元汇率折算,市场规模为 17.92 亿美元,占全球 IGBT 市场的 39.83%。我国是全球最大的 IGBT消费国,但自给率很低。2017 年中国 IGBT 行业产量为 820 万只,我国 IGBT 市场需求为 6680 万只,

  中国 IGBT 厂商大多专注于某一领域的产品,斯达股份的产品主要用于电力和电机牵引,2017 年营收排名世界前 10,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。

  中国时代专注于 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。

  比亚迪专注于汽车IGBT 领域,拥有 IGBT 全产业链。2017 年公司推出 IGBT4.0,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。

  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,硅主要用于数据运算领域。

  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,常用于蓝、绿、紫光的发光二极管,第三代半导体材料的另一个优点是环保,不会产生砷化镓(GaAs)、镓离子、铟离子等污染物。

  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。

  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。

  碳化硅前景广阔:在过去,高昂的价格制约了碳化硅的发展。根据各个厂商的报价,SiC MOSFET 的价格约 20 美元,而硅基 IGBT 的单价为 4-5 美元,碳化硅器件的价格是硅基器件的 4-5 倍,考虑到碳化硅器件价格过高,目前大部分厂商还是采用硅基 IGBT。预计到 2020 年碳化硅器件的价格将于硅器件价格持平,在新能源汽车、风力发电和轨道交通等领域,碳化硅器件将逐步取代硅基 IGBT 等器件,碳化硅器件市场将迎来爆发。

  根据 Yole 的数据,2015 年碳化硅器件市场规模在 2.1亿美元左右,2016-2020 年碳化硅功率器件市场复合增长率为 28%,在 2020 年后碳化硅功率器件市场迎来爆发,复合增长率达到 40%,预计到 2022 年碳化硅市场将达到 10 亿美元。

  在新能源汽车、风力发电和轨道交通等领域用来替代硅基 IGBT。目前 SiCMOSFET 最大的应用领域为能量传输,主要是因为其导通压降很低,输电时损耗很小。SiC MOSFET 的损耗和体积都比硅基 IGBT 小,可以缩小新能源汽车中器件的尺寸,降低功耗。随着新能源汽车爆发,SiC MOSFET 需求不断上升,预计未来新能源将成为 SiC MOSFET 最大的应用领域。

  场上处于领先地位。英飞凌和科锐处于第一梯队,英飞凌在 2001 年就将 SiCMOSFET 等产品投入市场,2012 年 1200V 碳化硅器件量产,科锐在 2012 年实现 6寸碳化硅晶圆量产。2014 年英飞凌和科锐市场占比为 68%。第二梯队是日本和欧洲的企业,如意法半导体、富机电子、罗姆半导体等,市场占比为 32%,碳化硅功率半导体市场集中度很高。其中美国企业占全球碳化硅产量的 70%-80%,欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链,日本在设备和模块开发方面处于领先地位。

  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。

  受制于衬底成本,GaN 发展较慢: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%。

  各厂商加紧布局 GaN 市场:英飞凌在全球 GaN 市场上处于领先地位,公司的CoolGaN 已经可以实现量产。2015 年安森美与 Transphorm 建立合作关系,共同开发及推广基于 GaN 的产品和电源系统方案,两家公司联名推出 600V GaN 级联结构晶体管。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。意法半导体预计在 2020 年前建立 GaN-on-Si 异质外延生产线。

  中国企业积极布局 GaN 领域,中航微电子(已被华润微电子收购)2015 年成功研制出 600V硅基 GaN 器件。GaN 材料厂商有三安光电、士兰微,其中三安光电的 6 寸氮化镓外延片产线已经建成,填补了国内的空白。2017 年 12 月,士兰微投资一条 4/6 英寸兼容先进化合物半导体器件生产线。珠海英诺赛科在这个市场也进展神速。

  本文整理自新时代证券行业研究报告,供分享交流学习之用。如有任何疑问,敬请与我们联系。


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