功率半导体作为电子电力设备中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换(变频、变压、变流和功率管理)等。功率半导体可以分为功率IC和功率分立器件两大类。功率分立器件主要包括二极管晶闸管晶体管等产品;功率IC可分为AC-DC、AC-DC和PMIC等器件。本文将主要讨论功率分立器件的产业现状及发展趋势。

 

功率半导体产品范围示意图,来源:华润微招股书

 

功率器件的种类较多,根据可控性分类可以将功率半导体分为不可控型(二极管)、半可控型(晶闸管为主)及全控型(IGBTMOSFET为主)。二极管、晶闸管等传统器件在较复杂的高频率下应用较为困难,但优势在于成本较低,生产工艺相对简单,主要适用于结构相对简单的产品领域。IGBT、MOSFET等器件更多应用于高压、高可靠性领域,工艺结构相对复杂且生产工艺难度较高,成本也相对较高,在汽车、逆变器、轨交等领域广泛使用。

 

各类功率半导体特性,来源:东亚前海证券研究所

 

 功率分立器件全球市场现状

 

功率半导体器件是半导体器件的重要组成部分,是电力电子应用装备的基础和核心器件,主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关、变频等,具有应用范围广、用量大等特点。


 

功率半导体分立器件,来源:WIND

 

功率器件可用于几乎所有的电子制造业,其下游应用非常广泛,包括新能源(风电、光伏、电动汽车)、消费电子、智能电网、轨道交通等,根据每个细分领域性能要求的不同(频率、电压、损耗),不同的功率器件(MOSFET、IGBT、SiC等)可以应用于不同的领域。按照下游应用领域,功率器件主要可以分为五大类,包括工业控制(市场占比约为23%),消费电子(20%),计算机(20%),汽车电子(18%),网络通信(15%)。MOSFET、二极管和IGBT是三种占比最高的功率器件。

 

功率半导体器件下游应用市场结构,来源:来源:前瞻产业研究院

 

功率半导体器件类型市场结构,来源:前瞻产业研究院

 

从应用角度来看,功率分立器件的下游应用主要包括消费电子、白色家电、工业控制、新能源汽车等。针对不同应用场景对应的功率和频率,各领域产品选择使用相应的功率器件。功率MOSFET因其开关高频、低损耗特性,主要应用于手机、相机、PC、车载、照明、TV等领域。IGBT因其耐压高、开关速度快特性,主要应用于变频家电、新能源汽车、工业领域。新能源汽车无疑将是功率半导体下游中最具发展潜力的行业。同时电气化需求及新能源汽车发展也将驱动可再生能源发电、工业(包括IoT和自动驾驶)等领域成长,这些领域都将驱动功率半导体市场需求增长。

 

功率半导体下游应用广泛,来源:Rohm

 

2021年全球功率分立器件市场规模约300亿美元,工业、汽车是重要应用领域。功率器件主要作用为电力转换和功率控制,可有效提高能量转换效率减少功耗,可分为二极管、晶闸管、晶体管等。根据WSTS的数据,2020年全球功率分立器件市场规模为238亿美元,预计2021、2022年将分别增长26.4%、7.2%至301亿美元和323亿美元。根据IHSMarkit 的数据,2018年全球功率半导体市场中工业占比35.08%,汽车占比23.55%,通讯占比23.19%,消费电子占比18.18%。

 

目前全球功率器件市场仍由欧美日企业主导,其中英飞凌以19%的市占率占据绝对领先地位。其后的安森美和三菱市占率分别为10.0%和7.0%。前十大公司合计市占率达到58.9%。具体到MOSFET和IGTB细分领域,在中国MOSFET市场中,市占率前三分别是英飞凌、安森美和华润微,市占率分别为28.4%、16.9%和8.7%。IGBT市场同样英飞凌一家独大,全球市占率达到37%,其后的安森美和富士电气市占率达到10%和9%。功率器件高端应用市场和技术基本被国外企业垄断。在市场方面,国内轨道交通、通讯基站等高端应用领域的MOSFET及IGBT产品主要被国际巨头垄断,尤其在超低能耗高可靠性功率器件细分市场,几乎全部被国际一流半导体企业垄断。在技术方面,一些半导体功率器件关键技术仍掌握在少数国外公司手中;以高端功率MOSFET为例,国际一流半导体企业如英飞凌、安森美、意法半导体等均已推出全球先进技术的屏蔽栅功率MOSFET和超结功率MOSFET,而国内仅有少数几家企业具备研发设计能力并推出相关产品。

 

全球功率器件和模组市场格局,来源:IHS

 

 中国本土功率器件产业情况

 

相对于发达国家,中国的功率器件行业起步较晚,技术实力、产品稳定性与行内主要企业相比,仍然存在较大的差距特别是中高档产品仍一定程度依赖进口。

 

但是,中国已经成为全球功率半导体产业的重要市场。2021年中国功率半导体市场规模将达159亿美元,2015-2021年CAGR达6.3%。国内功率半导体市场发展日益成熟,中国作为全球最大的功率半导体消费国,市场规模稳步增长。我国功率半导体器件行业的高速发展,离不开下游应用产品的旺盛需求。从应用领域来看,工业控制、汽车电子等领域是我国功率半导体领域需求最大的几个领域。根据IHS Markit预测,MOSFET和IGBT是未来5年增长最强劲的半导体功率器件。随着新能源车(电机控制器、车载空调、充电桩)、光伏等行业的快速发展,MOSFET、IGBT在功率半导体的市场规模占比有望持续提升。

 

2020中国半导体功率器件十强企业(中国半导体行业协会)

 

据与非研究院统计,目前,国内功率器件厂商约为88家,从城市分布来看(总部所在地),广东25家,江苏18家,上海16家,陕西6家,北京5家,浙江5家,福建4家,四川2家,山东2家,安徽2家,重庆1家,湖南1家,河南1家。广东、江苏、上海成为了功率半导体发展的三大重镇,对比2021年中国IC设计业规模最大的十个城市(按IC销售额排名:上海、北京、深圳、杭州、无锡、西安、南京、武汉、珠海、成都。)重合度并不大。可见功率器件产业规模的发展有其自身的行业特殊性,考虑到功率器件的应用中工业、汽车、通信占比较高,从贴近客户的角度,或许可以解释相对应的城市区位分布。

 

中国功率半导体产业链(上市部分),来源:上市公司公开资料

 

与非研究院同时也罗列了国产功率半导体产业链上的上市公司。其中功率分立器件业务为主的公司主要以IDM模式为主,也有一些Fabless模式的公司:

 

闻泰科技于2006年创立,2008年主营业务转型升级为ODM,2016年借壳中茵股份“曲线上市”。2018年收购功率半导体IDM企业安世半导体打通了产业链上下游从芯片设计、晶圆制造、半导体封装测试全流程,并拥有自建模具厂和完善的智能化生产线。安世半导体是全球领先的功率半导体制造商。据安世数据显示,公司全球整体市占率达到8.4%,其中在小信号二极管和晶体管、ESD保护器件全球排名第一,PowerMOS汽车领域、逻辑器件全球排名第二,小信号MOSFET排名第三。

 

新洁能成立于2013年,目前已成长为国内8英寸及12英寸芯片投片数量最大的功率半导体公司之一,公司连续四年名列“中国半导体功率器件十强企业”。目前公司已经掌握MOSFET、IGBT等多款产品的研发核心技术。是国内最早同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、屏蔽栅功率MOSFET及IGBT四大产品平台的本土企业之一。产品电压覆盖12V~1700V的全系列产品,是国内MOSFET、IGBT等半导体功率器件市场占有率排名领先的企业。此外,公司在SiC/GaN第三代半导体器件亦有所布局。

 

嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月,主要从事功率半导体芯片和模块尤其是IGBT芯片和模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业。公司在全球IGBT模块市场市占率为3.3%,全球排名第六,国内排名第一,是国内IGBT领军企业。公司的产品广泛应用于工业控制和电源、可再生能源、新能源汽车、白色家电等领域。

 

中车时代电气是中国中车旗下股份制企业。公司于2006年在香港联交所主板上市,2021年科创板上市,实现A+H股两地上市。功率半导体领域,公司建有6英寸双极器件、8英寸IGBT和6英寸碳化硅的产业化基地,拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。公司全系列高可靠性IGBT产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电工程关键器件由国外企业垄断的局面。目前正在解决新能源汽车核心器件自主化问题。

 

华润微成立于2003年,自2004年起连续被工信部评为中国电子信息百强企业。公司是国内领先的掌握芯片设计、制造、封测一体化运营能力的IDM企业。主营产品:MOSFET、IGBT、FRD、SBD等功率器件。在MOSFET领域中,公司是国内少数能够提供100V至1500V范围内低、中、高压全系列MOSFET产品的企业。同时,公司成功研发1200V和650VSiC肖特基二极管产品。此外,公司国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。2020年MOSFET市场公司排名全球第八,中国大陆第一,市占率达到3.9%。

 

士兰微成立于1997年9月,2003年3月公司在上交所上市。目前已发展成为国内规模最大的集成电路芯片设计与制造一体(IDM)的企业之一。公司被国家发展和改革委员会、工业和信息化部等国家部委认定为“国家规划布局内重点软件和集成电路设计企业”,且陆续承担了国家科技重大专项“01专项”和“02专项”多个科研专项课题。公司主要产品包括集成电路、半导体分立器件、LED(发光二极管)产品。公司拥有5、6、8英寸芯片生产线和正在建设的12英寸芯片生产线和先进化合物芯片生产线。产品方面,公司完成了国内领先的高压BCD、超薄片槽栅IGBT、超结高压MOSFET、高密度沟槽栅MOSFET、快恢复二极管MEMS传感器等工艺的研发,形成了较完整的特色工艺制造平台。2020年MOSFET市场公司排名全球第十,中国大陆第三,市占率2.2%。IGBT分立器件市场公司排名全球第十,中国大陆第一,市占率2.6%。

 

捷捷微电子成立于1995年,主要从事功率半导体芯片和器件的研发、设计、生产和销售。公司产品包括单向可控硅双向可控硅、TVS、固体放电管整流二极管、快恢复二极管、MOSFET等。目前拥有200多个品种的功率半导体芯片和器件产品。其中,公司晶闸管业务在国内处于领先地位。2021年6月,公司拟发行可转债募投11.95亿元,用于投入车规级功率半导体先进封测项目,未来随着公司逐步开发车规级MOSFET产品,MOSFET将成为公司业绩增长的主要动能。

 

扬州扬杰电子科技股份有限公司成立于2006年,于2014年1月23日在深交所上市。公司是国内少数集半导体分立器件芯片设计制造、封装测试、终端销售与服务等产业链垂直一体化(IDM)的杰出厂商。公司已连续数年入围"中国半导体功率器件十强企业"前三强。公司主营产品为包括分立器件芯片、整流器件、保护器件、小信号、MOSFET、IGBT等。其中二极管、整流桥类产品在国内占据领先地位。产品广泛应用于消费类电子、安防、工控、汽车电子、新能源、家电等领域。IGBT:8英寸工艺的1200VTrench FS IGBT 芯片及对应模块开始风险量产,IGBT高频系列模块、IGBT变频器系列模块等也取得批量订单。MOSFET:公司持续优化提高TrenchMOSFET 和SGTMOS 系列产品性能,扩充产品品类。

 

无锡芯朋微电子成立于2005年,主要业务为电源管理为主的模拟及数模混合集成电路设计,专注于开发绿色电源管理和驱动芯片。公司主要产品包括家用电器类芯片、标准电源类芯片、工控功率类芯片产品创新方面,公司开发并率先量产700V单片集成MOS开关电源管理芯片、1000V智能MOS开关电源管理芯片、零瓦待机的高压工业开关电源芯片、200VSOI集成驱动电源芯片等创新产品目前,公司已发展成为国内家用电器、标准电源行业电源管理芯片的主要供应商,产品已渗透至国内知名终端客户,包括美的、格力、海尔、创维、苏泊尔、九阳、小米、联想等。

 

富满微电子集团股份有限公司创立于2001年,目前已经成为集成电路行业电源管理类芯片、LED控制及驱动类芯片等细分领域的领先企业。2012年起,公司陆续投建封测产线,实现了集设计、生产一体化,保障客户需求的同时,提升自身的市场竞争力。公司主要产品包括电源管理类芯片、LED控制及驱动类芯片、射频前端芯片等。产品广泛应用于消费电子、通讯设备、工业控制、汽车电子、物联网等领域。

 

 结论:芯片大缺货给国产功率器件带来机会

 

2021Q4功率半导体交期及价格现状,来源:东亚前海证券研究所

 

从2021年的市场行情来看,四季度MOSFET、IGBT交货周期平均维持25周以上,交期持续拉长,供不应求局面短期仍难以缓解。从交期趋势上来看,2021年三季度受东南亚新一轮疫情影响,功率半导体各大厂商出货受阻,市场缺货加剧,交期进一步拉长。国外功率器件品牌的交期普遍延长,缺货情况严重导致产品价格快速上涨,这也让终端客户由于缺芯被迫削减订单。

 

以往功率器件对产品性能和耐用性起到至关重要作用,因此下游厂商缺乏动力替换供应商。即使产品性能一致,国内厂商也缺乏机会进入供应链。在海外半导体供应不确定性加剧的情况下,从供应链安全的角度考虑,越来越多的客户考虑选择本土供应商,这也给了国产功率器件巨大的机遇和挑战。对于一些不涉及、不影响核心的产品,本土OEM可能会主动趋于国产化产品,或者进行相关的备份,以培育本土供应商体系。一旦本土企业的技术在市场上经过了规模化验证,加之本土企业本身在成本以及供货保障上的优势,有希望在不同领域打破国外品牌的垄断。

 

近年来,国内功率器件厂商也在不断增强产品的国际竞争力。随着智能化时代的到来,例如新能源汽车实现自动驾驶和联网化,需要更长的续航能力的和高效的电池管理,对于功率半导体将提出更高的要求。而新一代半导体材料,例如碳化硅和氨化镓,在电场强度、热导率禁带宽度饱和迁移速度方面有着优异表现,已经成为国内功率半导体厂商的重点研发方向。在制造工艺方面,国内企业与国际一流的技术水平差距逐渐缩小。因为模拟电路设计和工艺制程更新速度相对较慢,所以国内厂商有机会拉近与一流水平的差距,以BCD工艺制程为例,目前华虹无锡12英寸厂的90纳米BCD工艺平台是世界先进水平。

 

此外,国内企业的研发部门在国内,可以配合客户的定制化需求,更好的贴近客户。在二极管、中低压MOSFET、晶闸管等领域,本土厂商已经开始进口替代,但市场份额占比仍然较低,未来有望依靠上述优势提升市占率。当然,要提供我国功率器件的核心竞争力,除了在产量上要提升,更要加强核心技术,在高端领域进行突破,摆脱我国功率器件高端产品的进口以来。据悉,在高压MOSFET和IGBT器件等中高端领域,目前部分企业已经实现突破。