功率半导体之行业篇:产业和资本催生新一轮景气周期

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分享人:慢跑者397 大湾汇价投俱乐部

分享时间:2020年12月22日

录音整理/编辑/排版:马晓静/萧然/小韭菜 大湾汇科投苑团队

第一部分:投资逻辑

1、产业逻辑:新能源正在对乘用车动力系统产生深刻而不可逆的趋势性改变,这个改变极大地推动上游半导体行业进入新一轮景气周期。

2、宏观逻辑:国内大循环的政策引导和支持,为国产行业龙头企业的成长提供了产业和资本双重支持。


1.1 重要观察

1)功率半导体和电源管理半导体是一个具有高确定性的中长期投资机会。

2)功率半导体的技术迭代更依赖研发人员的研究能力。相对于集成电路,对设备精度不高,资本投入门槛不高。

3)功率半导体市场是一个高度碎片化的市场。导致碎片化的深层原因源自技术特征,即对特色工艺平台的依赖。

4)IDM模式的企业在技术向上迭代上更有优势。

5)当前国内功率半导体企业处于原始积累阶段,表现为研发投入不足,热衷产能扩张。


1.2 核心观点:

1)国内功率半导体行业未来的行业景气受益于来自新能源革命和中国产业升级两个层面的共同推动。具体地说,就是新能源汽车的兴起,引发了乘用车动力系统的技术升级迭代,国内大循环对供应链安全的考虑推动了产业链关键环节的国产替代。

2)虽然国产功率半导体行业未来成长空间巨大,但是国内功率半导体企业作为技术追赶者,议价能力较差,高成长的另一面是低价值创造,这个领域的长期投资价值取决于技术升级迭代预期逐步兑现。

3)技术升级迭代的长期性提升往往会滞后于市场乐观预期,而且会随着技术升级迭代周期,存在周期性的过度竞争风险。


第二部分:行业分析

2.1 功率半导体基本概念和原理

根据贺茂飞(国元证券,2020年)对功率半导体的概述:功率半导体是电子装置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、直流交流转换等,可以从概念上细分为功率器件(分立器件的一支)、功率IC(集成电路的一支)和功率模组IPM。功率器件特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频率;功率控制指控制输入和输出的功率大小。电力转换核心目标是提高能量转换率、减少功率损耗。比如,关断时没有漏电,导通时没有电压损失,在开关切换时没有功率损耗。功率IC核心是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。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。

功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心,是实现电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件,主要包含二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。二极管和晶闸管都属于比较老的技术,由于技术相对比较成熟,附加值较低,正在逐渐被国际大厂抛弃。而MOSFET和IGBT是目前最主要、价值含量最高、技术壁垒最高的功率器件,对应的是中低压与高压大功率,广泛应用于新能源汽车、工业控制、家电、消费电子等领域。

参见下图:

关于MOSFET和IGBT

两者的共同点:MOSFET和IGBT都属于功率离散元件。都是用于将发电设备所产生电压和频率杂乱不一的电流,透过一系列的转换调制变成拥有特定电能参数的电流,以供应各类终端电子设备,是电子电力变化装置的核心元件之一。


两者的不同点:

1)技术上的差异:MOSFET是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效电晶体,具有导通电阻小,损耗低,驱动电路简单,热阻特性佳等优点。IGBT则是由双载子接面电晶体(BJT)和MOSFET组成的复合式半导体功率元件。兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通电阻两方面的优点。

2)性能上差异:

i)MOSFET依内部结构不同,可达到的电流也不同,一般大到上KA也是可行,但MOSFET耐电压能力没有IGBT强。而MOSFET优势在于可以适用高频领域,MOSFET工作频率可以适用在从几百KHZ到几十MHZ的射频产品。而IGBT到达100KHZ几乎是最佳工作极限。

ii)电子元件需要进行高速开关动作,MOSFET则有绝对的优势,主要在于IGBT因有整合BJT,而BJT本身存在电荷存储时间问题,也就是在OFF时需耗费较长时间,导致无法进行高速开关动作。

3)应用场景上的差异:

MOSFET适用在携带型的充电电池领域,或是移动装置中,如PC、手机、行动电源、车载导航、电动交通工具、UPS电源等电源控制领域。IGBT则适用在高电压、大功率的设备,如电动马达、汽车动力电池、交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动(电动汽车,电动自行车,高铁)等。

关于三代半导体材料:

1)按照不同应用材料,功率半导体可分为3个阶段。

第一代:SI高纯硅主要应用在低压低频,包括功率二极管、IGBT、光电探测器等。

第二代:砷化镓用在手机的PA,毫米波器件。与SI相比,砷化镓的优势是具有7倍高的电子迁移率。但是生产成本更高且有毒性,其物理性能相对于第三代差一些。原来主要用于雷达,手机PA,特别是军品用得比较多,现在慢慢转向第三代。

第三代:主要使用氮化镓、碳化硅,且二者有具体的分工。碳化硅(600V以上)走得快一些,耐压能力比氮化镓更强。在高温高频,抗辐射和大功率有应用,IGBT也在往碳化硅在发展。氮化镓(600V以下)主要在低压和中压这一块,主要是取代MOSFET这一块。相对于SI,电能转换效率高,耐压程度也高一些,现在用在快充领域。能做小,充电效率高。

2)碳化硅和氮化镓的概述

碳化硅:年增速高达40%,主要特点是清洁耐高压,热效能比较好,因而在低碳和产业升级要求上有优势。碳化硅材料器件种类丰富,例如二极管、晶体管、MOSFET等。目前碳化硅器件在太阳能、逆变器、电机控制、UPS、智能电网都

有应用,但是主要市场需求仍然来自新能源汽车,特斯拉(Model3,ModelS/Y)大量应用了碳化硅器件,丰田也在用。

氮化镓:年增速约25%,特点是材料成本高、推广慢,主要用于光电领域、电源快充、高频(微波射频、5G基站)等。在国家层面大力推行以5G为代表的新基建的背景下,氮化镓市场在发展迅速。

中信建投最近举办的一次半导体高峰论坛上,中芯国际创始人张汝京对第三代半导体的三个观点值得重视:

1)功率半导体在制程上限制不大,投资门槛不高;

2)第三代半导体刚刚开始兴起,处于大规模产业化的早期,国内企业产业链配套布局良好(参见下表);

3)与通用逻辑芯片不同,功率半导体的应用需要基于特色工艺平台上,因此IDM的制造模式有利于上下游协同实现技术向上迭代。

2.2 行业竞争格局

MOSFET:主要国际半导体公司有英飞凌、安森美和ST。国内半导体公司主要是华润微闻泰科技,其中华润微原计划收购安森美,但因为政治原因未成功收购,闻泰成功收购了安世。

IGBT:在国际市场上,主要有三家公司英飞凌、安森美和富士电机,参见下图:

国内的IGBT在芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局,参考下图:

需要补充两点:

第一:IGBT从80年代出现以来,已经发展到了第7代产品。其更新换代主要围绕着一些结构设计和加工工艺展开。不同代际之间的产品虽有性能上的差别,却不像集成电路有非常明显的区隔;

第二:国内布局IGBT的上市公司主要是斯达半导(模组)、比亚迪半导体(IDM)、华润微(IDM)、士兰微(IDM),扬杰科技(IDM)、中车时代半导体(IDM)。

IPM(智能功率模块):三菱电机一家独大,市场份额达到30%以上,随后是安森美、英飞凌。国内主要是士兰微,白电行业在替代三菱和安森美,趋势比较积极。

二极管:由于技术门槛低,毛利率薄,主流厂商逐渐退出。同时国内一些企业,如扬杰科技在接过来,成长较快。

在IGBT分立器件及模组领域,仍以英飞凌等海外龙头为首,国内斯达半导在IGBT模块领域排第八,市场占比2.2%。IPM广泛用于驱动电机,三菱电机领先全球,国内公司吉林华微电子处在第十的位置,市场占比0.5%。

2.3 市场空间测算

根据国内市场:2019年集中释放补贴压力后,延期两年的新能源汽车补贴政策平缓了补贴退坡力度和节奏,有望于2020年开启新一轮以安全、低成本为导向的补贴周期,预计2021-2022产销量保持较快增长,后补贴时代增速短期内会显著降低,长期看预计2025年新能源乘用车产量有望突破600万辆,非电池零部件总规模达到1800亿元。

全球市场:电动化转型加快,政策+供给双轮驱动产销增长。2020年欧洲启动最严碳排放法规,叠加欧6D法规和补贴税收优惠政策,供给端燃油车成本压力激增,消费端新能源车平价优势扩大,车企电动化规划落地也加速全球范围内的电动车投放。预计2020-2025年新能源乘用车产量年均复合增长率达38%,至2025年有望突破1500万辆,非电池零部件总规模达到4500亿元。

以5G为代表的新基建、特高压输电、城际高铁、新能源汽车的发展将会拉动功率器件市场需求。相关配套技术有A(人工智能)、B(大数据)、C(云计算)、区块链和IOT等。

5G基站对IGBT、MOSFET和氮化镓都有需求。与4G相比,5G频率更高,对功率器件的要求更高。5G天线、5G基站背后的电源管理、服务器、数据处理,都是比较大的需求。未来5G并不是终极应用,是数据交换的工具,主要用于实现智慧家庭和物联网。

特高压、城际高铁对晶闸管需求持续。自动驾驶对数据交换速度要求非常高,云计算、远程服务器对数据交换频率要求高。人工智能、区块链和云计算实现数据交换、电源管理和AC-DC转换等功能都需要功率器件。


国内替代格局

功率二极管:相对来说比较有竞争力,国产技术成熟、国产化率高、门槛比较低。功率二极管竞争力主要来自品控和成本。

MOSFET:华润微士兰微华微电子在慢慢追赶英飞凌和安森美的市场份额,尤其是在低压领域,华润微和士兰微追赶势头明显。功率器件可靠性和稳定性对品控控制要求高,更依赖于公司管理水平。

IGBT:国外英飞凌、三菱和富士电机共占70%份额,国内主要有斯达半导(工控)、株洲中车时代电气(轨道交通、高铁)、比亚迪(电动汽车)、士兰微(白电)、华虹宏力、中科君芯、华润微电子、上海先进和中芯国际在绍兴成立的8寸产线。根据智研咨询统计,2018年我国IGBT芯片需求量为7989万个,而产量仅为1115万个。总体而言国内企业仍处在构建产业链、提高良率、追赶国际先进技术水平的过程中,但也已有重大技术及市场应用成果。

比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企:包含IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等。其车规级IGBT4.0产品已并批量化用于其“王朝”车型。2019年底产能预计将达5万片/月,可以满足其全部新能源车型每年的需求且有富余产能。

上汽集团和英飞凌成立上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司,上汽集团持股51%。现已实现10万套IGBT模块下线。

自主硅基IGBT在我国新能源汽车市场中的份额有望逐步提升;类似于合资生产

动力电池,合资生产硅基IGBT也将是未来产业整合的重要趋势之一。

功率IC:国内比较差,依赖进口,在电源管理、LED照明和电动自行车等低端产业实现了一定国产化。

碳化硅:目前绝大多数的半导体器件和集成电路都是由硅制作的,出色的性能和成本优势让硅在集成电路等领域占有绝对的优势。在电力电子领域,硅基器件在低压、低频、中功率等场景,应用也非常广泛。但在一些高功率、高压、高频、高温等应用领域,硅基器件的表现较为吃力。功率半导体本质上起到的是开关作用,在实际应用中可通过多个功率开关组合,控制拓扑电路中电流的开闭、流向、大小,进而通过调速、调频对执行部件进行控制和驱动。

不同材料,如Si、SiC,不同类型的功率器件,如MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,绝缘栅双极型晶体管)分立器件或模块等,均有其适合的工作电压、功率和开关频率范围。

在绝大多数场景下,硅基IGBT和超级结MOSFET是高压大功率器件的主要选择,但在性能和效率上,以SiC为代表的第三代半导体,更具有优势。当前,SiC电力电子器件市场的主要驱动因素是直流充电桩和光伏应用中大规模采用的SiC二极管。

在直流快充桩上,充电模块对高频、高压、耐高温的要求较高,这正是SiC器件的优势所在。国内的大的功率半导体厂商都在往这里面切入,材料制备是技术含量比较高的,材料厂商主要有山东的天岳、中电科的2所和中科钢研。但是整体市场占有率比较小,尤其是大尺寸的碳化硅晶圆。


氮化镓:氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,在电子信息领域有三个重要的应用场景:

1、快速充电器。现在市面上已经在出售各种品牌的氮化镓充电器了,这类充电器可以实现15-30分钟把手机充满。对于新能源汽车的充电应用,就更重要了。未来无线充电系统的普及会大幅提升GaN的需求;

2、柔性显示屏。用于可折叠手机或其它可弯曲的显示屏,满足人们对智能可穿戴电子设备的需求;

3、新一代5G基站。依托氮化镓半导体器件所具有的尺寸小、效率高和功率密度大的特点,可实现5G基站阵列天线等高集化解决方案,如模块化射频前端器件。

制约国内企业在功率半导体市场份额上升的原因

材料、设备、制程、人才是影响半导体行业发展的关键因素。功率半导体应用设备不属于顶尖级别,且对线宽要求不高,IGBT有一些专用设备,边缘减薄,总体比集成电路好很多,因此设备不是制约功率半导体发展的主要障碍。

与传统集成电路相比,功率半导体设备领域制程更差、技术和人员的流动性更弱。IDM技术和制程不对外交流,自己生产,自己封装。MOSFET各家的制造方式,器件结构,制程方式都不一样。具体来看,传统集成电路厂商台积电联电工艺制程相差不到,功率器件在华虹流片、华润微流片上具有较大的差异。

技术成熟度不够。功率半导体对功率器件的稳定性、可靠性要求高,需要较长时间的技术积累。国内主要厂商成立时间比较晚,技术积累时间短。因此,国内厂商短时间提升技术的可靠性主要通过购买国外先进生产线的形式。

例如,中车在高铁和轨道交通领域的优势得益于购进的英国生产线。


2.4 行业空间分析

市场潜力与空间分析

汽车和工业应用是功率半导体增长最快的细分应用领域,参见下图:

(本图摘自,分析师刘凯光大证券,2020.12)

其中,新能源汽车会极大提升功率半导体的市场价值。

根据广发证券研究团队的预测(陈子坤,纪成炜,2019年):

1)国内市场,长期看,预计2025年新能源乘用车产量有望突破600万辆,非电池零部件总规模达到1800亿元。

2)在国际市场,2020-2025年新能源乘用车产量复合增长率达38%,至2025年有望突破1500万辆,非电池零部件总规模达到4500亿元。

第三部分:商业模式

IDM/Fabless/Foundry是半导体行业的主要三大商业模式。IDM(垂直集成)是半导体全产业链布局;Fabless(无制造工厂)专注于设计;Foundry(代工)则专注于制造环节。三种模式各有优势,其中,IDM是早期多数集成电路企业采用的模式,在设计和制造环节协同优化,有助充分发掘技术潜力;Foundry由于不负责产品设计研发,减少了市场调研失误、产品设计缺陷等风险;Fabless模式则因为不用将产品加工制造,有初始投资规模小,转型灵活的优点。

需要强调的是:在当前技术追赶阶段,IDM所具有上下游协同的特点是进行技术迭代上是最有效率的制造模式。

小结:来自技术和产业层面的反思

通过上面的资料整理,将一些基本事实和相关思考进行总结:

技术层面:

1)功率半导体这个领域的产品和技术创新最终可以概括为:提高能量转化效率,而这个基本功能对于当前正处于技术迭代期的新能源汽车的性能提升和优化来说尤为重要。

2)我们本土功率半导体企业在技术上处于追赶期。本土企业通过海外优质资产的并购机会并不多,更多依托本土市场和政策呵护来实现核心技术自主迭代,在这个背景下,IDM会有很大的协同优势。


产业层面:

1)考虑到我们国家能源安全战略和国内大循环的大背景,新能源应用场景扩散和国产替代这两个趋势的长期性,功率半导体技术特征使得这个领域会成为我国新能源汽车,乃至新能源产业链技术迭代的重点培育方向。

2)功率半导体行业的国际竞争格局高度分散主要分布在欧洲和日本,即英飞凌、意法半导体(欧洲)、三菱、东芝(日本)、安森美(美国)。多元化的竞争格局使得美国进行技术封锁的难度很大,这也意味着来自非市场扰动比较小。未来主要的不确定性和风险主要还是在市场层面的供需错配导致的周期性供给短缺和过度竞争。更长期的风险在于自主技术向迭代过程中的技术路线试错风险。


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Jianh2022-06-25 10:47

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ddup1232021-03-05 08:13

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