涨价潮点名,功率半导体会喊“到”吗?

半导体商城 2020-12-04

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功率半导体当前主要由 8 寸晶圆生产线制造,现在8 寸晶圆迎来涨价趋势,功率半导体需求如何呢?涨价潮是否将蔓延至整个功率半导体?


本文经授权转载自东方证券研究报告《功率半导体需求旺盛,涨价潮与国产替 代驱动业绩增长 》,作者为分析师蒯剑、马天翼,全面剖析功率半导体产业。

核心观点


功率半导体下游需求快速增长。1)发电端:新能源发电的兴起对电能转换需 求更大,功率半导体可用作 AC/DC、DC/AC 转换器,输出稳定高质电能到电 网。2)用电端:新能源电动车带来巨大增量市场;物联网、云计算的发展对 计算、存储提出了更高的要求,云、雾数据中心的扩容带来了更大的电力需求; 工业自动化使用机器代替人力,电力供应、功率转换需求亦显著增加;用电设 备的升级,如家电变频化、工业电机变频化、快充兴起也为市场整体贡献了显 著增量。根据 Omida,全球功率半导体市场规模有望从 2020 年的 430 亿美元 增长至 2024 年的 520 亿美元以上,CAGR 约为 5%。


国产替代进程加速,头部厂商充分受益。根据 IHS,2019 年中国市场规模为 144 亿美元,占全球市场约 36%的份额。而从国产化情况来看,在 2017 年, 功率半导体主要器件国产化率均未超过 50%,IGBT 模组、MOSFET、晶闸管、 整流器的国产化率更是只有 30%多,国产替代空间广阔。同时由于功率半导 体技术更迭慢,制程相对逻辑 IC 工艺投资力度小,技术难度低、生态要求也 更低,国产厂商更易突破。加之国内厂商相比国外头部厂商收入体量和份额低, 有望伴随细分市场的高速成长带来较大的业绩弹性。而头部厂商更易产生规模 效益和更低的渠道成本,未来受益国产替代进程市场份额提升将更为显著。


国内产能布局完善,中高端产品不断取得突破。产能方面:目前中国主要功率 半导体厂商在境内共有 29 条功率半导体产线,6 条在建及拟建产线,建设充 分的产能能够充分支撑下游需求的快速增长,为国产替代建立良好的基础。


中高端产品不断取得突破:中高端 MOSFET 领域,国内厂商研发及量产进度不 断加快,华润微聚焦车载、工控领域产品进行研发,闻泰科技推出了针对 5G 电信基础设施的高耐用的功率 MOSFET 产品超微型 MOSFET 和 LFPAK56 封装的 P 沟道 MOSFET。


IGBT 领域,中车时代已在轨道交通、智能电网、新 能源汽车等多个高端领域得到认可和应用,斯达半导和比亚迪已在国内新能源 车 IGBT 领域占据可观份额。第三代半导体器件领域,闻泰科技已实现 GaN 器件量产,华润微、扬杰科技已实现 SiC 功率器件的产品送样。


1.

下游需求旺盛,多领域增量显著


功率半导体广泛应用于电网的发电端、传输端和用电端。未来的主要增量来自:1)发电端:新能 源发电的兴起对电能转换需求更大,功率半导体可用作 AC/DC、DC/AC 转换器,输出稳定高质电 能到电网。2)用电端:新能源汽车带来巨大增量市场;物联网、云计算的发展对计算、存储提出 了更高的要求,云、雾数据中心的扩容带来了更大的电力需求;工业自动化使用机器代替人力,电 力供应、功率转换需求亦显著增加;用电设备的升级,如家电变频化、工业电机变频化、快充兴起 也为市场整体贡献了显著增量。

从应用领域占比来看,汽车是全球功率半导体最为主要的市场,其次是工业与消费电子领域,根据 智研咨询的数据,2019 年汽车、消费电子、工业占比分别为 35%、13%和 27%。国内市场方面, 2019 年汽车、消费电子、工业电源应用占比分别为 27%、23%和 19%。

1.1 电动车领域:汽车电动化为主要动能

汽车:电动化趋势带动汽车功率半导体量价齐升


高电压、功率需求带动电动汽车功率半导体价值量提升。传统内燃机汽车中,电气系统电源通常来 源 12V 蓄电池,功率管理、转换需求在 10kW 以下,低价值量的低压低功率器件即可满足需求, 单车功率半导体总成本约在 71 美元左右。而混合动力/电动车集成了高压动力电池(通常 144V 或 336V),电机驱动功率为 20-150kW。更高的电压、功率需求带动整车主流器件类型从低压 MOSFET、二极管/整流桥转向 IGBT 模块、SiC 以及 SJ MOSFET,单车功率半导体价值量也因此 提升,根据英飞凌的数据,BEV-纯电动车中新增功率半导体成本达 350 美元,是传统燃油汽车的 近 5 倍。



低速电动车/电动自行车:铅酸电池向锂电池升级带来功率半导体巨大需求增量


低速电动车锂电池优势明显,未来新国标的出台有望加速锂电池渗透率提升。与铅酸电池对比来 看,锂电池的能量密度是铅酸蓄电池的 2 倍以上,电池重量和充电时间不足铅酸蓄电池的 1/2,理 论循环寿命更是可以达到铅酸蓄电池的 3 倍以上,且随着锂电池技术的逐步成熟,成本端优势也 有望逐步显现,成为低速电动车电池升级趋势。新国标有望成为重要催化剂,目前低速电动车新国标正在向社会征求意见,预计 2021 年推出,届时低速电动车的国标将从推荐性变为强制性,推动 铅酸电池向锂电池转化。


低速电动车锂电池渗透率提升推动功率半导体用量大幅提升。低速电动车方面,非锂电电动车控制 电路板上用到十几个 MOSFET,加入锂电保护还需要用到二十几个。根据 EVTank 的预测和我们 的测算,我国低速电动车销量在 2022 年有望达到 500 万辆,锂电池渗透率在悲观、中性和乐观的 情况下分别有望达到 30%、50%、70%,对应 MOSFET 需求分别为 1.13、1.38 和 1.63 亿颗,相 较 2019 年分别提升为原来的 2.7、3.1 和 3.5 倍。


电动自行车迎新国标换购潮,锂电保护需求大幅拉动功率半导体需求。2018 年 5 月,《电动自行 车安全技术规范》强制性国家标准(GB 17761-2018)发布,并于 2019 年 4 月 15 日起强制执行。一方面,新国标极大拉动了换购需求:截至 2018 年末,国内电动自行车的保有量超过 2.5 亿辆, 绝大部分为新国标推出之前生产和销售,假设其中 90%不符合新国标的要求,则存量的换购需求 为 2.25 亿辆,按保守估计,假设该部分换购需求有 50%在 2022-2024 年期间实际发生换购,则年 均新增约 4,000 万辆左右的换购需求,总需求达到 7000 万辆以上,将比 2019 年的产量增长一倍以上。


另一方面,新国标推动锂电池渗透率提升,新国标下的整车重量要控制在 55kg 以下,重量 更轻、能量密度更高的锂电池将成为电动车企业的主流选择,根据 ZDC 互联网消费调研中心的数 据,锂电渗透率已于 2013 年的 6.7%提升至 2019 年的 13.2%,新国标出台后预计加速提升。因 此,新国标的实施催生了巨大的新增市场需求,加入锂电保护的电动自行车也将产生大量额外的 MOSFET 需求,成为 MOSFET 市场重要驱动因素。


充电桩:快充需求不断提升,单桩功率半导体价值量显著增加


功率半导体是充电桩的重要组成部分,充电模块中,PFC 整流和 DC/DC 变换器会应用到 IGBT、 SJ 或 SiC MOSFET 等器件。目前 150kW 及以下功率充电桩目前主流采用 Si 基 IGBT 方案,每 10kW IGBT 模组所需功率半导体价值为 20 美元,SiC 解决方案成本为 Si IGBT 的 5 倍,达到每 10kW 100 美元。


受新能源汽车销量快速增长和快充需求带动,充电桩功率半导体市场快速增长。受新能源汽车销 量快速增长的电动,充电桩市场将保持旺盛的需求。大功率快充桩占比将逐步提升,带动充电桩平 均价值量提升:一方面,大城市停车位紧张,对于大功率公共充电是刚需;另一方面,高速公路充 电对时效性要求更高,对大功率快速充电亦是刚需。目前,充电设施企业已在北京、深圳、南京等 地建起了大功率示范站,北京未来科技城示范站充电功率最高已达 360kW。根据英飞凌的预测,2020 至 2023 年,全球充电桩功率半导体市场规模 CAGR 将达到 10.4%,至 2023 年,整体市场 规模有望达到 1.3 亿美元。


1.2 泛工业领域:多因素共同驱动成长


工业具体下游较为复杂,我们以全球功率半导体龙头厂商英飞凌 2018 年中国区 IPC 业务(工业功 率控制)的收入拆分为指引对该领域下游分布和驱动力做一个概观的了解。根据英飞凌披露的数据, 我们可以看到,家电、工业驱动及供电、新能源应用为主要应用下游,而家电变频化、工业自动化、 新能源发电的发展成为主要驱动力。


新能源发电:电力稳定及转换需求驱动功率半导体用量提升


相比于传统燃煤发电,新能源发电由于电力稳定以及转换需求,增加了整流/汇流和逆变的环节, 这两个环节均大量应用功率半导体,功率半导体需求因此显著提升。


新能源功率半导体用量方面,以光伏发电为例,逆变器方面,采用集中式逆变器其中功率半导体成 本为 2000-3000 欧元/MW,而组串式功率半导体成本为 2500-5000 欧元/MW,电池接线盒方面, 1MW 的光伏组件将消耗 1 万元的光伏二极管。


新能源发电市场有望持续增长,为功率半导体带来增量。一方面,能源需求的提升和 CO2 排放量 下降的需求促使新能源兴起;另一方面,新能源发电成本越来越低,根据 Financial Times 的统计, 中国大部分地区已达到或接近(<5%)市电平价,成为新能源发电市场增长的催化剂。根据 IHS 等 机构的预测,全球光伏和风电装机量将分别从 2018 年的 103GW 和 50GW 增长至 2023 年的 160GW 和 67GW,为新能源功率半导体增添重要成长动能。


工业自动化:中国制造 2025 战略推动工业功率半导体市场稳步增长


国务院《中国制造 2025》战略规划,提出了未来发展的十大重点发展领域,其中包括了机器人、 数控机床、电力装备等方向,明确了智能制造、工业强基、高端装备创新等五项重大工程,为工业 半导体带来持续的增长动能。根据安森美半导体的数据,人力制造向机器人制造升级将带来单机 250 美元的功率半导体增量,交流感应驱动电机向可变频驱动电机升级亦会带来单机 40 美元的功 率半导体增量。


普通焊接设备向逆变焊接设备升级也增加了功率半导体的用量。逆变焊接设备更加节能高效,未来 有望持续渗透。据前瞻产业研究院数据,2017 年,我国逆变焊接产品市场容量为 242 亿元,在整 体电弧焊接产品市场中渗透率为 56%,仍有广阔渗透空间。


家电:变频化趋势带动功率半导体用量提升


家电变频化趋势为功率半导体带来巨大增量市场。变频家电拥有节能,低噪音等优势:变频空调其 压缩机不会频繁开启,整体节能达到 15%-30%的效果,变频洗衣机高速脱水时电机啸声可比定频 洗衣机减少 10 至 20 分贝,变频冰箱的速冻能力比普通冰箱提高 20%。


因此,变频家电渗透率迅 速将持续快速提升,有望从 2019 年的 57%提升至 2023 年的 88%。从 IPM 和二极管、MOSFET、 IGBT 等功率半导体的用量来看,变频家电功率半导体价值相比普通家电增长 12 倍以上。受益于 上述驱动,全球家电功率半导体规模有望从 2019 年的 41 亿美元增长至 2023 年的 70 亿美元,4 年 CAGR 在 14%以上。


1.3 消费电子:快充兴起带动用量提升


快充兴起带动 MOSFET 需求提升。快充通过提高电压来达到高电流高功率充电,但高电压存在安 全隐患,需要添加同步整流的 MOS 管来调整,增加了 MOS 管的用量;后来出现较为安全的“闪充” 模式,即通过低电压高电流来实现高速充电,对同步整流 MOS 管提出了更高的要求,发热少、体 积小的 GaN-MOS 管成为主流。预计 2022 年快充占比将达到 21%,整个充电器市场规模将近 130 亿美元,为 MOS 管市场带来显著增量。



快充的采用需要配备更多的 ESD 静电保护器件。移动电子设备热插拔行为或客户本身所产生的静 电放电会对设备造成干扰,ESD 静电保护器件能够在静电放电现象发生时,在纳秒级的时间内迅 速将浪涌电压瞬间抑制住,保护移动设备电路不受静电放电影响。ESD 静电保护器件一般采用高 性能 TVS 管(瞬态抑制二极管)。


用量方面,未采用快充的手机用量在 10 个以上,主要应用于麦 克风、SIM 卡、WIFI/GPS/RF 天线、USB 接口等位置,充电接口所需 ESD 数量为 1 颗甚至不采 用。快充的采用需要更多的 ESD 器件,需要分别在手机充电接口端、充电线两端增加一颗 ESD 芯 片,充电器部分至少增加 2 颗 ESD 芯片。因此,快充的采用带来了至少 5 颗的 ESD 芯片增量, 相比于原来 10 颗左右的用量增加幅度达到了 50%。


CPU 与 GPU 的算力提高使推动 MOSFET 用量增加。PC 是 MOSFET 重要的应用市场,多相供 电电路中每一相都至少需要上下桥两个 MOSFET,随着 CPU、GPU 运算能力的上升,电源相数 随之提升,以英伟达领先产品 NVIDIA TITAN RTX 为例,其中搭载的 iMOS DrMOS 电源高达 13 相,远高于五年前主流的 4-6 相供电,对应 MOSFET 的用量提升了 1 倍以上。


1.4 通信/存储计算领域:5G 建设拉动需求增长


5G 建设对功率半导体需求的拉动来自四个部分:


1) 5G 基站相比 4G 更为密集,功率更大,带来更多的电源供应需求。基站数量方面,5G 通信频 谱分布在高频段,信号衰减更快,覆盖能力大幅减弱,相比于 4G,通信信号覆盖相同的区域, 5G 基站的数量将大幅增加。据战新 PCB 产业研究所调查,目前 4G 基站的密度约为 500 米 一个,郊区 1.5 公里,农村 5 公里左右。5G 覆盖城市中心区域大概需要 200-300 米一个 5G 基站,郊区大概 500 米-1 公里左右 1 个 5G 基站,农村需要 1.5-2.5 公里一个 5G 基站,总体 基站数量需求是 4G 的 2-3 倍。基站功率方面,根据华为公布的数据显示,5G 基站功率较 4G 基站提升幅度达到 68%。更高的覆盖密度、更大的功率需求都对电源相关功率半导体器件产 生了更大的需求。


2) Missive MIMO 技术的采用使得基站射频端需要 4 倍于原来的功率半导体。Massive MIMO 指 的是发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,信号可以通过发射端与接收端的多 个天线发送和接收,在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下,提升系统信道容量和信号覆 盖范围。根据英飞凌的统计,传统 MIMO 天线需要的功率半导体价值大约为 25 美元,而过渡 为 Massvie MIMO 天线阵列后,所需的功率半导体价值增加至 100 美元,达到原来的 4 倍。


3) 5G 时代数据量大幅增加,云计算中心扩容带动功率半导体用量提升。一方面,5G 具备更高 的速率,其理论上能提供最高 10Gbps 的峰值传输速率,相比于 4G 100Mbps 的峰值速率提 升了 100 倍,使得蜂窝网络传输承载的数据量变大。另一方面,5G 大连接的特性推动了物联 网行业的发展,众多物联网终端均是数据的提供者。数据量的快速提升创造了巨大的数据运算 需求,推动了云计算中心的扩容,整体运算功率提升,增加了功率半导体的应用需求。


4) 雾计算中心的出现带来全新增量市场。与云计算相比,雾计算所采用的架构呈分布式,更接近 网络边缘。雾计算将数据、数据处理和应用程序集中在网络边缘的设备中,数据的存储及处理 更依赖本地设备,本地运算设备的增加带动 MOSFET 等功率半导体用量提升。


1.5 第三代半导体进一步打开成长空间


第三代半导体材料 SiC/GaN 具备高功率密度、低能耗、抗高温等特性,在高压、高频率、高温等 工作环境优势显著,SiC/GaN 功率器件凭借其优良性能有望在新能源汽车、快充、新能源发电、工 业等高频、高压市场中获得广泛应用,并助推功率半导体高频、高功率演进。


新能源汽车应用中,SiC 功率半导体相比于 Si 基器件可实现轻量化和高效率。SiC 功率半导体可 应用于 DC/AC 逆变器、DC/DC 转换器、电机驱动器和车载充电器(OBC)等核心部件。在 DC/AC 逆变器的设计中,SiC 模组代替 Si 模组能够显著降低逆变器的重量和尺寸,同时做到节能;有数 据表明,在相近的功率等级下,SiC 模组逆变器相比 Si 基模组逆变器重量可降低 6kg,尺寸可降 低 43%,同时开关损耗降低 75%。目前,根据英飞凌的统计数据,SiC 在电动汽车中渗透率约为 3%,预计到 2025 年可以达到 20%,增长近 6 倍。


快充领域,GaN 可集成外围驱动,减小整体体积。传统的硅器件是垂直结构,不能集成外围驱动;GaN 功率器件是平面架构,可以集成外围驱动和控制电路,将 IC 体积做小,显著降低成本。


受益 SiC/GaN 器件技术成熟&成本下降,SiC/GaN 器件有望加速渗透。以 SiC MOSFET 为例, 其 50%-60%的成本来源于 SiC 晶圆。加工技术的成熟将带动 SiC/GaN 器件平均晶圆成本下降, 以英飞凌的冷切技术为例,采用冷切技术可以将原本 300μm 的切口损失将至 0,材料的利用效率 提升一倍以上,显著降低平均晶圆成本。根据 Omida 的预测,150mm SiC 晶圆价格有望从 2017 年的近 1200 美元降至 2025 年的接近 700 美元。随着 SiC/GaN 器件成本的不断下降,其有望在 新能源汽车、快充等市场中获得广泛应用,根据 Yole 的预测,2023 年 SiC、GaN 电力电子器件 的市场规模将分别增长至 14 亿和 3.7 亿美元,市场渗透率分别达到 3.75%和 1%。


功率半导体整体市场规模:受益于以上所有需求的驱动,根据 Omdia 的预测,全球功率半导体市 场规模有望从 2020 年的 430 亿美元增长至 2024 年的 520 亿美元以上,CAGR 约为 5.1%。

2.

 国产替代有望驱动国内厂商高增长


虽然根据 Omdia 的预测,功率半导体市场整体增速较为平稳,并不出彩,但是我们认为,市场整 体的增速对于国内功率半导体公司的业绩参考意义较弱,细分市场的高增速和国产替代的进程将 驱动行业内公司业绩处于高增长。


2.1 国产化率低,替代空间广


国内功率半导体近千亿市场,国产化率不足 50%。根据 IHS 的统计,2019 年全球功率半导体市场 规模为 404 亿美元,其中,中国市场规模为 144 亿美元,占全球市场约 36%的份额。而从国产化 情况来看,在 2017 年,功率半导体主要器件国产化率均未超过 50%,IGBT 模组、MOSFET、晶 闸管、整流器的国产化率更是只有 30%多,国产替代空间广阔。

图:功率半导体市场规模预测 

图:各类器件国产化率情况(2017 年)


高端产品市场集中度更高,国产替代趋势下国内市场有望呈现向龙头集聚的特征。从全球器件及 模组整体市场格局来看,目前,功率半导体分立器件和模组行业依然为全球市场欧美所主导,尚无 国内厂商进入前十之列,且整体竞争格局较为分散,CR5 仅 38%。从高端产品 IGBT、功率 MOSFET 来看,由于 IGBT 和 MOSFET 市场技术门槛更高,行业集中度也更高,2018 年 CR5 均超过 50%, 且龙头份额占比显著高于器件及模组整体市场,MOSFET 和 IGBT 龙头厂商份额占比分别达到 27.7%、34.4%,显著高于整体市场的 15%。受益于国产替代,头部国内厂商市场份额有望持续提 升,重塑行业竞争格局。

图:2019 全球功率半导体分立器件及模组市场格局

图:2018 年全球 IGBT 分立市场竞争格局 

图 :2018 年全球功率 MOSFET 分立器件竞争格局


国内厂商收入体量低,业绩弹性大。从收入体量来看,海外功率半导体领先厂商英飞凌和安森美 2019 年收入规模在大概 600 亿和 400 亿元人民币,而国内收入规模领先的功率半导体代工厂华虹 半导体和 IDM 厂商华润微 2019 年收入规模在 60 亿元上下,相较海外厂商具有较大差距。

图 :国内功率半导体厂商营收和毛利率与海外头部厂商对比情况


但差距 也意味着机会,功率半导体下游的汽车、工控、家电等领域细分市场增长迅速,国内诸如华润微等 厂商已开始积极布局家电、工控和汽车领域的应用,斯达半导的 IGBT 产品已在汽车领域大规模应 用。在细分市场高增速和国产替代浪潮的带动下,国内技术领先的功率半导体企业有望获得巨大的 业绩弹性,迎来黄金的发展时期。


2.2 技术更迭慢、产品生命周期长、制程难度低


功率半导体技术更迭慢。功率半导体分立器件的技术迭代主要通过结构升级、制程缩小、工艺进步 以及材料更迭。由于功率半导体并不追求逻辑运算能力,同时要考虑不同结构、工艺的成本,因此 与数字芯片相比,功率半导体在结构、制程、工艺上的迭代速度相对较慢。

图:功率半导体与数字集成电路对比


功率半导体产品生命周期长。以英飞凌 IGBT 产品为例,该产品已升级至第七代,但诞生于 2007 年的 IGBT4 仍是目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术,电压范围 600V,1200V,1700V 的各种应用 中都可以见到它的身影,更早诞生于 2000 年的 IGBT3 在 3300V,4500V,6500V 等高压领域依 然占主导地位。


从产品导入市场后的收入变化情况来看,IGBT3 和 IGBT4 在产品导入的前 10 年收入均呈现显著 的上升态势,同时,英飞凌预计该两款产品在未来贡献的收入将依然呈现稳步提升的态势。


中国企业较容易实现技术追赶。相对较长的产品生命周期给予技术落后于国际巨头的中国企业提 供了较长的追赶期,更容易实现国产替代。在逻辑芯片领域,技术节点的升级周期基本为 1-2 年, 技术落后厂商的技术追赶期更短,更容易处于长期落后的状态。


功率半导体制程相对逻辑 IC 工艺技术难度低,国产厂商易突破。数字芯片主要为 CMOS 工艺, 追逐高端制程,先进工艺投入巨大,台积电在 5nm 节点投资 250 亿美元发展 5nm 制程,2020 年 量产,根据公开市场数据,3nm 芯片的设计费用约达 5-15 亿美元,兴建一条 3nm 产线的成本约 为 150-200 亿美元,前期研发投入巨大,资金壁垒很高。功率半导体采用非尺寸依赖的特色工艺 (More than Moore),产品性能与应用场景密切相关,先进制程并不是影响特色工艺产品性能的决定性因素,意法半导体最先进的 BCD 工艺也只是 65nm,国内士兰微总投资 170 亿元建设两条 12 英寸 90—65nm 的特色工艺芯片生产线,该产线尺寸和制程都处于先进水平,单条产线建设成 本约为 100 亿元,相比只有信息半导体 3nm 的 1/10。和逻辑 IC 7nm、5nm 工艺相比,功率半导 体研发成本和技术难度较低,国内厂商已逐渐布局 12 寸 100nm 以下工艺产线,国内功率半导体 厂商作为后来者有望居上。


过去数十年,功率半导体以 IDM 业务模式为主,工艺是 IDM 厂商的一个差异化方式,近年来,功 率半导体的 IDM 厂商开始加大晶圆制程的外包,英飞凌计划功率半导体的外包比例提升至 15%。


2.3 生态要求低


相比逻辑芯片,功率半导体对生态的要求较低,不需要底层架构、操作系统的支持,较容易协调产 业链生态,只需做好自身产品,满足下游客户的需求。


3.

 国内厂商布局完善,中高端产品持续突破


国内企业已实现产业链全环节覆盖。依托于国内消费市场以及政策资本的助力,国内孕育了一批功 率半导体厂商,涵盖各器件的设计、制造、封装环节,已形成相对完善的上下游产业链,在各器件 领域相继涌现了一部分行业龙头。扬杰科技在二极管领域处于领先地位;捷捷微电在晶闸管领域处 于行业龙头地位;功率 MOSFET 领域较为领先的有华润微、闻泰科技(收购安世半导体)、士兰 微;斯达半导为国内 IGBT 龙头,中车时代电气、比亚迪在 IGBT 领域也获得了广泛认可。代工方 面,国内中芯国际、华虹半导体均有充分的技术和经验积累。


图:国内功率半导体主要上市公司情况


3.1 产能:布局完善,充分支撑国产替代


国内产线建设充足。目前中国主要功率半导体厂商在境内共有 29 条功率半导体产线,6 条在建及 拟建产线。投产产线中,晶圆尺寸以 8 寸、6 寸及 6 寸以下产能为主,12 寸产线方面,华虹半导 体拥有一条爬坡产线,华润微和闻泰科技各拟建一条,士兰微规划投资 170 亿元建设 2 条 12 英寸 产线。建设充分的产能能够充分支撑下游需求的快速增长,为国产替代建立良好的基础。

图 :国内主要功率半导体厂商产线情况


12 寸产线建设长期有望提升厂商盈利能力。根据英飞凌的数据,成熟的 12 寸生产工艺晶圆尺寸 是 8 寸片 2.25 倍,晶圆价格是 8 寸片的 2.8 倍,设备成本是 8 寸片的 1.7 倍,员工费用是 8 寸片 的 0.8 倍,其他费用是 8 寸片的 1.5 倍,整体计算下来,在特定条件下,用成熟 12 寸片生产工艺 生产的功率半导体产品单位成本仅为 8 寸片的 70%-80%。随着国内 12 寸产线的建设和功率半导 体器件在 12 寸片上生产工艺逐步成熟,具备 12 寸片生产能力的厂商盈利能力有望提升。

图 :12 寸片和 8 寸片相对成本对比


3.2 技术:中高端产品持续突破


从器件来看,低端领域已实现国产替代,高端领域不断突围:


二极管、晶闸管等领域率先实现国产替代。低端功率半导体产品门槛较低,国内厂商已实现国产替 代。以功率二极管为例,从 2014 年开始,中国大陆的二极管及相关产品就呈现出口量超过进口量的走势。晶闸管领域,目前捷捷微电晶闸管产品市场份额占国内同类产品(进口替代部分)接近 50%。


图:中国二极管及相关器件进出口数量


国内中低端 MOSFET 份额有望提升,中高端领域持续突破。消费电子领域中低压 MOSFET 的技 术壁垒较低,核心竞争力在于厂商的成本控制能力,国产厂商在成本端占优,迫于国内厂商的竞争, 部分国际大厂逐步退出部分中低端产能,国内厂商中低端产品市场份额有望提升。在中高端 MOSFET 领域,国内厂商研发及量产进度不断加快:华润微已经可以提供提供-100V 至 1500V 范 围内低、中、高压全系列 MOSFET 产品,同时积极调研汽车电子与工控市场客户需求,进行新品 立项开发,客户送样与量产供应;闻泰科技 2019 年推出了针对 5G 电信基础设施的高耐用的功率 MOSFET 产品,又在 2020 上半年推出了尺寸缩小 36%、RDS(on)最低的超微型 MOSFET 和 采用坚固材料、更节省空间的 LFPAK56 封装的 P 沟道 MOSFET。

图 :国际大厂退出部分中低端 MOSFET 产能


IGBT 已实现部分高端领域突围,规模有望不断拓展。在大功率高电压领域,中车时代电气目前已 实现 650V-6500V IGBT 全电压范围覆盖,在轨道交通、智能电网、新能源汽车等多个高端领域得 到认可和应用;车用领域,比亚迪拥有车用 IGBT 完整产业链,于 18 年底发布了 IGBT 4.0 技术 (相当于国际第五代),4 月底其位于长沙的英寸晶圆生产线开工建设。斯达半导在 2018 年全球 IGBT 模块市场中所占份额约为 2.2%,其于 2019 年底已量产成功 1- 6 代所有型号的 IGBT 芯片, 第 7 代和华虹联合研发中。据盖世汽车和斯达半导数据,2019 年英飞凌为国内电动乘用车市场供应 62.8 万套 IGBT 模块,比亚迪供应了 19.4 万套,斯达半导车规级 IGBT 模块合计配套超过 16 万辆新能源汽车,公开数据显示我国 2019 年新能源汽车销量为 120.6 万辆,比亚迪、斯达半导市 占率分别为 16%、13%。随着国内厂商设计能力提升、产线建设以及下游车厂的认证,国内车规 级 IGBT 市占率将不断提升。

图 :国产厂商已在车规级 IGBT 领域占据可观份额


积极布局第三代半导体器件,部分产品已批量出货。GaN 领域,闻泰科技子公司安世 2019 年发 布了 650V 的 GaN 功率器件,主要应用于电动汽车、数据中心和高端电源等,在车载 OBC 领域 全球领先,并批量出货。SiC 领域,扬杰 2016 年定增募资 1.5 亿,用于 SiC 芯片、器件研发,目 前自主封装的 SiC-SBD 及 SiC-JBS 产品正逐步实现量产;华润微则已完成 6 英寸 SiC JBS 工艺 平台和生产线的建立,自主开发完成第一代 JBS 产品,并交客户试用,未来还将形成系列化的 MOSFET 器件产品。代工领域,三安光电 2018 年已经完成了商业版本的 6 英寸碳化硅(SiC)晶圆 制造技术的全部工艺鉴定试验,预计 2021 年实现量产。IDM 厂商中车时代电气 6 英寸 SiC 器件生 产线成功通线,实现碳化硅全产业链贯通。


受益于国产替代趋势和部分细分市场的高增速, 国内功率半导体产业链中华润微、闻泰科技、 华虹半导体、斯达半导值得关注。


华润微:国内 IDM 巨头,产品线齐全


公司采用 IDM 模式,是目前国内产品线最为全面的功率器件厂商,产品主要包括 MOSFET、 IGBT、SBD、FRD 等,主要应用于消费电子、工业控制、新能源、汽车电子等领域。2020 年上 半年,公司产品与方案业务(功率器件业务为主)实现收入 13.69 亿元,其中功率器件业务同比 增长 22%以上。公司在 MOSFET 产品方面优势显著,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,也是目前国内拥有全部 MOSFET 主流器件结构 研发和制造能力的主要企业。IGBT 产品方面,公司已建立国内领先的 Trench-FS 工艺平台,并具备 600V-6500V IGBT 工艺能力,2020H1 IGBT 产品收入同比增长近 50%。同时公司 1200V 和 650V 工业级 SiC 肖特基二极管系列产品也已在上半年投入市场。


闻泰科技:汽车功率半导体巨头,与 ODM 业务协同


闻泰科技通过安世半导体(原属 NXP)从事功率半导体业务。2019 年安世半导体营收约 100 亿 元,其中,汽车业务占比超过 40%,净利润为 12.6 亿元。安世是全球第九大功率分立器件厂 商,并在汽车功率 MOSFET 和小信号 MOSFET 器件等细分市场位居全球前三大。安世拥有 10000 多种产品,年产销功率器件超过 900 亿件。被闻泰收购以后,安世有望加速拓展国内客 户,叠加新能源车对功率半导体需求旺盛,业绩有望迎来高速增长期。安世提前布局化合物半导 体,已经推出全新高压 GaN FET,化合物半导体功率器件有望打开安世长期成长空间。闻泰的 ODM 业务方面,也不断开拓优质客户,迎来 5G 手机量价齐升。


华虹半导体:功率半导体代工巨头,8 寸厂产能紧俏


华虹半导体是中国大陆第二大晶圆厂,在上海有 3 座 8 寸厂,在无锡有 1 座 12 寸厂,合计月产 能约 20 万 8 寸片。公司通过在成熟节点打造差异化技术平台来实现盈利,在功率器件、分立器 件、存储等领域竞争力强。


斯达半导:专注 IGBT 模块研发设计及封装


公司专注 IGBT 模块研发设计及封装,与上海华宏和上海先进两家 主要的代工厂深度合作,IGBT 模块市占率国内第一、全球第十。


公司产品主要用于工业和新能 源汽车领域,工业领域长期绑定英威腾、汇川技术等龙头,车用领域已获得国内主流汽车品牌认可。2020 年上半年,公司实现营业收入 4.2 亿元,同比增长 13.7%,公司应用于燃油车微混系统 的 48V BSG 功率组件开始大批量装车应用,预计公司 48V BSG 功率组件出货量在下半年会继续 上升。


同时公司新增多个国内外知名车型平台定点,将对 2022-2028 年公司新能源汽车模块销售 增长提供持续推动力。此外,国产化趋势下,公司在风电、光伏、高压变频器等领域的市场份额 也有望不断提升。第三代半导体器件方面,公司应用于新能源客车的 SiC 汽车级模块通过国内龙 头大巴车企定点,预计 2021 年开始大批量装车。


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