新闻动态
全部新闻公司新闻行业新闻

2019

02/20

功率半导体器件市场现状,这篇文章说透了

功率半导体器件在电力电子行业有着非常广泛的应用,是电子产品的基础元器件之一,在产业电子化升级过程中,越来越得到重视与应用。


近年来,万物互联的呼声越来越高,以汽车、高铁为代表的交通工具,以光伏、风电为代表的新能源领域,以手机为代表的通信设备,以电视机、洗衣机、空调、冰箱为代表的消费级产品,都在不断提高电子化水平,其中又以新能源汽车的高度电子化最为引人注目;与此同时,工业、电网等传统行业也在加速电子化进程。


几乎全行业的电子化发展,势必大大增加了对功率半导体器件的需求。目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供,他们凭借先进的技术和生产制造工艺,以及领先的品质管理体系,大约占据了全球70%的市场份额。


而在需求端,全球约有39%的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗,是全球最大的需求大国,但其自给率却仅有10%,严重依赖进口。


另外,当下中国大陆正寻求转型,要将“中国制造”提升为“中国智造”,许多新技术、新应用都走在了全球前列,如新能源汽车、风力发电等;中国大陆还利用人工智能技术对传统产业进行智能化升级。未来,中国大陆对功率半导体器件的需求将会越来越大;供需矛盾或将继续被拉大。


为确保本土电子制造业的平稳发展,国家从资本、政策、产业链等多个维度对本土功率器件企业给予了大力支持。


值此产业升级的关键期,本报告将从市场规模、市场结构、各主要细分市场需求以及供需格局几个方面高度浓缩地介绍全球功率半导体器件的市场现状。


在了解了这些信息的基础上,中国大陆功率半导体器件的发展现状也就跃然纸上,进而从国产替代的机会点、潜力企业、短期国际环境影响等方面展开国产替代分析。


当然,第三代半导体材料是功率半导体器件的未来发展方向,本报告也会就国内外对第三代半导体材料的研发进度及本土产业链布局进行阐述,以期给大家最完整的信息参考。

                                                                                                 功率半导体器件概述

功率半导体器件基本概念

功率半导体器件(Power Semiconductor Device)又称电力电子器件(Power Electronic Device)。


1940年贝尔实验室在研究雷达探测整流器时,发现硅存在PN结效应,1958年美国通用电气(GE)公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。


从此功率半导体器件的研制及应用得到了飞速发展,并快速成长为电子制造业的核心器件之一,还独立成为电子电力学科。


作为制造业大国,功率半导体器件在中国大陆的工业、消费、军事等领域都有着广泛应用,具有很高的战略地位。

功率半导体器件分类

从发展历程看,功率半导体器件先后经历了:全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率MOSFET及其相关器件,以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件,它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。


概括来说,功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路(即Power IC,简写为PIC,又称为功率IC)和分立器件三大类;其中,功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装;功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成;而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

image.png


功率半导体器件又可根据对电路信号的可控程度分为全控型、半控型及不可控型;或按驱动电路信号性质分为电压驱动型、电流驱动型等划分类别。


常用到的功率半导体器件有Power Diode(功率二极管)、SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(大功率电力晶体管)、BJT(双极晶体管)、MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SIT(静电感应晶体管)、BSIT(双极型静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强栅晶体管)、IPEM(集成电力电子模块)、PEBB(电力电子积木)等。

image.png


不同功率半导体器件,其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同,实际使用中,需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

image.png

随着技术的不断进步,功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起,功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。


其中IGBT经历了器件纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺等7次技术演进,目前可承受电压能力从第四代的3000V跃升到了第七代的6500V,并且实现了高频化(10-100kHz)应用。

功率半导体器件主要应用领域

作为电能/功率处理的核心器件,功率半导体器件主要用于电力设备的电能变换和电路控制,更是弱电控制与强电运行之间的沟通桥梁,主要作用是变频、变压、变流、功率放大和功率管理,对设备正常运行起到关键作用。


与此同时,功率半导体器件还具有绿色节能功能,被广泛应用于几乎所有的电子制造业,目前正从传统工业制造和4C产业向新能源、电力机车、智能电网等领域发展。


另外,不同的细分领域,对功率半导体器件的电压承受能力要求也不一样,以IGBT为例,消费电子电压一般在600V以下,太阳能逆变器及新能源汽车要求在600V-1200V,而轨道交通要求最高,范围在3300V-6500V之间。

image.png


功率半导体器件材料迭代演进

半导体行业从诞生至今,先后经历了三代材料的变更历程,截至目前,功率半导体器件领域仍主要采用以Si为代表的第一代半导体材料。


但随着功率半导体器件逐渐往高压、高频方向发展,传统的硅基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限,再往下发展的空间很有限。


而以砷化镓(GaAs)为代表的第二代化合物半导体材料又存在成本高、有毒性、环境污染大等缺点,难以被采用。


于是产业将目光向以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料聚焦,以期开发出更能适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的功率半导体器件,目前各国仍在努力布局中。

image.png


功率半导体器件市场规模

全球市场规模

综合Yole、IHS、Gartner多家分析机构数据得知,包含功率模块及功率分立器件在内的功率半导体器件在2017年的全球市场规模为181.5亿美元,2018年可达到187.6亿美元。


其中,中国大陆功率半导体器件市场规模约为全球的40%;并预估2023年全球功率半导体器件市场规模有望达到221.5亿美元规模,年复合增长率为3.38%。

image.png

功率半导体器件产品市场结构

2017年,功率IC继续占据总体市场的半壁江山;同时,在“功率模块+器件”市场结构中,MOSFET、二极管/整流桥、IGBT也占据了接近一半的市场份额,比例分别为17%、15%、12%。

image.png

MOSFET厂商市场份额


据IHS统计数据,从市场份额来看,MOSFET几乎都集中在国际大厂手中,其中英飞凌自2015年收购美国国际整流器公司(International Rectifier)后超越富士电机一跃成为行业龙头;安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后,市占率跃升至第二位。


进入2017年,英飞凌的市占率同比再提高0.3%,达到26.1%,排名前五的企业合计占据了全球62%的市场份额。


前7大厂商排名继续保持不变,不过出现了两个明显的变量,一是新增安世半导体的统计数据,并位列全球第8名;二是本土企业士兰微市占率提升至2.5%,位列全球第10名。

image.png

中国大陆市场部分,根据IHS的行业报告显示,2016年英飞凌以25.8%的比例占据第一位,前三大品牌的市占率超过了50%;而本土企业中,士兰微和华微电子分别以1.8%、1.1%的市占率位列第11、第15位。

image.png

IGBT厂商市场份额

作为全控型功率半导体器件的代表,IGBT的重要性日益显著,已成为全球工业的重要基础元件。


目前全球IGBT市场结构与MOSFET类似,主要被5大原厂所长期垄断,排名前五的企业占据了全球超过70%的市场份额,它们在中国大陆同样拥有超过70%的市占率。


根据赛迪智库统计,2017年英飞凌全球市场份额全球最高,占比达29%;其后分别为三菱电机(19%)、富士电机(12%)、安森美(9%)、ABB(5%)。

image.png

功率二极管厂商市场份额


功率二极管是中国大陆发展最好的功率半导体器件领域,根据中国电子信息产业统计年鉴数据,2017年全球除Vishay(威世)以11.71%的市占率排名第1外,第2至第8名之间的市场份额差距均不大;又因功率二极管门槛低、毛利小,不少国际大厂正逐渐放弃该类别市场,产能有望向中国大陆和中国台湾转移。


另外,从2014年开始,中国大陆的二极管及相关产品就呈现出出口量超过进口量的走势;目前中国大陆功率半导体器件领头羊扬杰科技的功率二极管全球市占率已经达到2.01%。


不过,在美国第45届总统唐纳德·特朗普上任后,中美两国陷入了有史以来规模最大的贸易战,严重影响了中国电子产品的出口。自2017年年底以来,中国功率二极管的出口数量已经回落到与进口数量大致相当。

image.png

工业领域市场规模

功率半导体器件在占比最大的工业领域应用非常广泛,如数控机床的伺服电机、轧钢机和矿山牵引、大型鼓风机、发电系统等的电力电子变频调速部分均有采用。


从ABI Research和中商产业研究院的统计数据可知,2017年全球工业半导体市场规模达490亿美元,其中功率半导体器件规模大约为98亿美元,占比达到20%,并以8.6%的年复合增长率继续成长,预计到2020年,全球工业功率半导体市场规模有望达到125亿美元。


不仅如此,功率半导体在工业领域的市场份额比重也在不断提升,将由2016年的19.7%提升至2020年的20.8%。

image.png

光伏、风电领域市场规模

光伏、风电行业已经成为电力行业的重要补充,部分国家,如丹麦,40%的电力由风电供应,中国大陆近几年可再生新能源发电量更是快速增长中根据中国光伏行业协会、CWEA统计,2017年全球风电新增装机量为59.4GW,光伏新增装机量约为80GW,合计带动功率半导体器件市场规模约为16.6亿美元。


中国产业信息研究院推断,预计2020年全球光伏与风电市场将带动功率模块27.54亿美元。其中IGBT模块市场占比达到74%,约为20亿美元。

image.png

汽车领域市场规模


近年来,最受关注的应用领域为汽车行业,正在经历汽车发展史上最快的电子化转型期,搭载电机、电池、电控的新能源汽车在汽车总产量中的占比由2014年的0.39%增长至2017年的1.26%,预计2020年占比有望达到4.65%。


2018年1~8月,中国大陆新能源汽车产销分别完成60.7万辆和60.1万辆,比上年同期分别增长75.4%和88%;其中,新能源乘用车销量占比达87%。

image.png

结合英飞凌、中商产业研究院数据得知,2017年全球汽车半导体市场规模约为347.69亿美元,并以3.3%的年复合增长率增长,预计到2020年,全球汽车半导体市场规模可扩大到383亿美元。


与此同时,功率半导体器件市场规模也达到了58亿美元,并以6.4%的增速发展,预计到2020年达到70亿美元。功率半导体器件的增长速度几乎是汽车半导体市场增速的2倍,其比重也在不断增大,将从2014年的15.66%增加到2020年的18.27%。

image.png

充电桩市场规模


充电桩是与新能源汽车产业相关的一大应用领域,也是IGBT或MOSFET重要应用高地。


现阶段,主流直流充电桩的功率在60kw和120kw,如果采用15kw的功率模块,则需要4个或8个功率模块。目前充电桩的功率模块有两种解决方案,一是采用MOSFET芯片,另一种是采用IGBT芯片。


其中IGBT适用于1000V以上、350A以上的大功率直流快充,其成本可达充电桩总成本的20-30%;只是当下基于充电桩功率、工作频率、电压、电流、性价比等综合因素考量,MOSFET暂时成为充电桩的主流应用功率半导体器件。


不过,近年新能源车采用快充方式越来越多,着眼未来,IGBT才是充电桩的最佳选择,预计未来其将在充电桩领域获得快速发展。


由于国内外新能源汽车产业发展进度不一样,对配套的公共充电桩、私人充电桩建设进度也不一样,下面以全球充电桩建设规模最大的中国大陆市场为例介绍。


据信息产业研究院统计数据,截至2018年4月,中国大陆在运营公共充电桩约为262058台,同比增长62.5%;其中交流充电桩114472台、直流充电桩81492台、交直流一体充电桩66094台;另外还投建有281847私人充电桩,同时国家政策也在向私人充电桩倾斜,预测2020年,私人充电桩累计建设规模有望达到400万台。

image.png

目前公共充电桩制造成本约为3万元/台、私人充电桩约为5000元/台,若以每台充电桩中功率半导体器件成本占比为25%计算,则有,2015-2020年中国大陆充电桩功率器件新增市场规模分别为:7.8亿、3.3亿、6.7亿、10.87亿、19.79亿、37.84亿元。


另外,从数据中我们发现,2016年中国大陆因整顿新能源车企造假问题,充电桩产量增量大幅下滑,该年充电桩功率半导体器件市场增速为-56.9%,但进入2017年后,并预计到2020年,年增速不低于61%。

image.png


通信领域市场规模

通信行业同样拥有庞大的应用市场,细分市场主要包括路由器、交换机、通信基站、光端机、对讲机等。


中国产业信息研究院统计数据显示,2017年全球路由器、无线路由器、交换机、光端机、通信基站的市场规模分别为:153亿美元、266亿美元、97.9亿美元、36.6亿美元、530亿美元。

image.png

以2017年通信领域功率半导体器件占整体15%的比例计算,2017-2020年通信领域功率半导体器件市场规模将分别为57.45亿美元、59.39亿美元、62.44亿美元、65.96亿美元。其中,基站向5G升级将会成为通信设备功率半导体器件用量增加的最大变动因素。

image.png

消费领域市场规模

消费类电子也是功率半导体器件的消费重地,由于消费电子产品类型非常多,包括电视机、电脑、冰箱、收/录机、数码像机、手机、平板电脑、平衡车、空调、照明等产品,因此消费类电子产品对功率半导体器件的应用类型也各不一样,一般以600V以内的产品为主,其中0-40V低耐压功率半导体器件是使用量最为庞大的类别产品。


另外,新兴的无线充电等科技产品虽然比较分散,但数量也比较可观,由此也是功率半导体器件不可忽略的消耗大户。

image.png

根据中商产业研究院数据,2017年消费类电子行业功率半导体器件市场规模为19.6亿美元,占全球总体市场份额的20%左右。预计到2020年,全球消费类电子行业功率半导体器件市场规模将达到23亿美元。

image.png


                          功率半导体器件供需格局

限于技术实力、电子制造行业需求的不同,全球功率半导体器件的供需呈现出了非常明显的特点。


欧美日牢牢掌控并领导着全球功率半导体器件技术与市场的走向;即便在全球半导体市场有很强影响力的中国台湾,在功率半导体器件领域也存在诸多不足。


而中国大陆无论技术还是产能更是落后,与之相对应的是,作为世界工厂,其需求却领衔全球,呈现出巨大的供需缺口,功率半导体器件主要依赖进口来满足。下面进行具体分析。

主要供应国家/地区分布

全球功率半导体产能主要集中在欧洲、美国、日本三个国家和地区,拥有先进的技术和生产制造工艺,品质管理也领先其他国家和地区,是IGBT、中高压MOSFET等高端器件的主要提供方,长期占据全球70%的市场份额。


其次是中国台湾地区,从代工起步,目前技术水平较欧、美、日仍有差距,大约占据全球10%的市场份额。


最后是中国大陆,处于功率半导体器件供应链末端,以提供二极管、晶闸管、低压MOSFET等低端功率半导体器件为主;用于生产、制造的设备也需要从国外进口,整体实力还比较弱。