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两轮驱动下的半导体动力市场将迎来爆炸式增长

时间:2019-06-27 23:26 作者:皇马国际娱乐点击:
半导体产业观察

本文来自 “半导体行业观察”,作者为畅秋,本文观点不代表智通财经观点。

受益于新动力汽车和工业控制市场需求的大幅增长,MOSFET和IGBT等功率半导体产品继续缺货和价格上涨,2018年中国功率半导体市场增长12.76%,达到人民币2591亿元。

根据TrendForce的分析,作为一个需求驱动的行业,功率半导体在2019年继续上升。尽管仍然存在贸易战等不利因素,但它们受需求的影响要小于其他IC产品。据估计,到2019年,中国半导体电力市场规模将达到人民币2,907亿元,比2018年增长12.17%。

具有吸引力的中国市场在很大程度上反映了世界半导体电力市场的状况:强劲增长和整体改善。

根据WSTS的统计数据,2018年全球分立器件市场达到231亿美元,比2017年增长7.4%。受益于工业,汽车,通信和消费电子领域新兴应用的出现,半导体电源市场将继续扩大。

在2019年第一季度,功率半导体仍然保持着高度的繁荣。随着对新能源应用(电动汽车,光伏,风力发电),逆变器和物联网设备的需求,功率半导体在淡季呈现出良好的趋势。昌电子2019年第一季度市场报告显示,MOSFET和IGBT产品的交付时间一般仍高于30周,且价格有所上涨。在高压和低压MOSFET和IGBT方面,英飞凌的交付周期最长,为39至52周,供应短缺依然严峻。

据估计,到2022年,全球半导体市场将达到426亿美元。英飞凌以12%的市场份额排名第一。凭借其技术和品牌优势,西方和日本的制造商占全球半导体功率器件市场的70%。

下面,我们从应用和新工艺技术来看全球半导体电源市场的热点情况。

汽车应用是第一个拉力

在应用层面,汽车是功率半导体未来发展的最大驱动力。

在过去的五年中,全球汽车产量从2012年的8213万辆增加到2017年的9704万辆。据中国信息产业网统计,从2018年到2022年,汽车年均销量增长约为3.2。预计到2022年,全球汽车销量将增至1.14亿辆。

未来几年,电动汽车销量增长应超过50%。根据EV的销售统计数据,2017年全球电动汽车销量超过122万辆,比上年增长58%。 2018年,电动汽车的销量大幅增加。 1 - 4月,全球电动汽车销量达到43.55万辆,同比增长68.18%。销量呈现加速增长态势。

功率半导体主要用于电力控制,照明,燃料喷射和底盘安全等系统。

新能源汽车中使用的大多数新半导体都是电力半导体。在传统汽车中,功率半导体主要用于启动,发电,安全和其他领域,占传统汽车半导体总数的20%,自行车的价值约为60美元。

由于新能源汽车通常使用高压电路,当电池产生高电压时,需要频繁的电压转换。此时,电压转换电路(DC-DC)的量大大增加。此外,还需要大量的DC-AC逆变器和变压器。对IGBT,MOSFET和二极管等半导体器件的需求也显着增加。这大大增加了对汽车电子系统中功率器件的需求。

根据麦肯锡的统计数据,纯电动汽车的半导体成本为704美元,是传统汽车350美元的两倍。功率器件的成本高达387美元,即55%。与传统电动汽车的新半导体成本相比,功率器件的成本约为269美元,占新成本的76%。

市场标准

在目前的功率半导体市场中,中国大陆和台湾主要集中在低成本能源设备,如低压MOSFET和二极管;高端器件,如IGBT和中压MOSFET,主要由欧洲和美国制造商占据。

在新能源汽车的动力半导体领域,欧洲和美国的制造商是三条腿的。欧洲制造商主要包括英飞凌,意法半导体,博世,恩智浦等;美国制造商主要包括德州仪器,安森美半导体,Vishay半导体等;日本制造商主要包括东芝,三菱电机,瑞萨和罗马半导体等。

图:全球汽车功率半导体制造商评级,来源:战略分析

从汽车半导体制造商的排名来看,战略分析数据显示,英飞凌以25.6%的市场份额排名第一,意法半导体排名第二,占13.4%,博世占9.2%;恩智浦8.8%,其次是德州仪器。市场份额为8.2%。

作为功率半导体行业的领导者,英飞凌最近收购了赛普拉斯,后者是汽车半导体市场,使英飞凌在汽车半导体市场更加强大。

在中国,由于国内的替代政策和价格上涨的情况,许多中国本土半导体电力制造商在2018年取得了显着成绩并扩大了布局。其中,比亚迪微电子凭借其终端优势在IGBT汽车市场快速增长,并在中国汽车的IGBT市场中实现了超过20%的市场份额。它已成为中国三大IGBT的领先供应商。此外,华为电子和扬杰科技的MOSFET制造商也大幅增加并逐步进入IGBT市场。

思兰微电子2018年财务报告显示,年收入30.26亿元,比2017年同期增长10.36%;归属于上市公司股东的净利润为1.7亿元。虽然这份一般财务报告受到了业界的质疑,但其功率半导体的性能确实令人印象深刻。电力设备产品收入14.75亿元,同比增长28.65%。在Silan的微功率器件中,低压MOSFET,超级MOSFET,IGBT,高功率IGBT模块(PIM)和快速恢复管迅速发展。大多数这些产品可用于汽车。

此外,台湾股票在半导体电源市场的表现稳定。 2019年第一季度,公司高端产品和高利润半导体产品的比例有所增加,半导体产业的收入和净利润与去年同期相比有所增长。

在中外合作方面,中国国内市场也是一个经常性的行动。

2018年3月,上汽与英飞凌成立合资公司——上汽英飞凌半导体,上汽拥有51%,英飞凌拥有49%。

据悉,上汽英飞凌半导体专注于IGBT模块的封装业务,以服务于上汽集团等全国新能源汽车制造商。该项目一期工程投资16亿元,预计未来2 - 3年年产能将达到100万套。

此外,不久前,Wingtech收购了安士半导体的股权控制,该控股源于恩智浦的标准产品业务,并在半导体汽车功率器件领域积累了深厚的经验。它有两个工厂(6英寸,8英寸)和一个三处测试和测试工厂,2017年销售额超过13亿美元,超过50%的公司产品用于汽车领域。根据该计划,安希半导体有望在未来扩大其在中国大陆的生产。你可以说这是针对中国的。当地汽车功率半导体产业的发展受到了抨击。

IGBT增长强劲

功率半导体是电动汽车的第二大核心部件,仅次于电池。从新能源电动车辆产生和传递能量的过程与汽油发动机的过程完全不同,并且需要频繁的电压转换和DC-AC转换。再加上纯电动汽车对耐久性里程的高需求,对电源管理的需求更加精细,对IGBT,MOSFET和二极管等分立功率器件的需求远高于传统汽车。作为一种新兴的功率器件,IGBT将在汽车需求的推动下爆炸。

随着新能源汽车的普及,IGBT作为重要的能源设备受到了极大的关注。 IGBT模块在电动汽车中起着至关重要的作用,是电动汽车和负载桩的主要部件。统计数据显示,IGBT模块几乎占电动汽车成本的10%,约占电池充电成本的20%。

IGBT广泛用于汽车发动机控制系统。目前,汽车发动机控制系统需要数十个IGBT。以特斯拉为例,特斯拉的三相异步电动机每相使用28个IGBT。总共使用了84个IGBT。除了发动机其他部分的IGBT外,特斯拉共使用了96个IGBT。这两款发动机还增加了36个前置发动机。根据4~5美元/片的价格,双引擎IGBT的价值约为650美元。

汽车中半导体元件的使用增加了一倍,而功率半导体消耗了大量的硅。一般情况下,8英寸硅片只能切割70到80个IGBT芯片。目前,电动汽车仍处于低渗透工业化的早期阶段,汽车半导体需求增长幅度较大,这将导致晶圆产业长期处于供需紧张状态。

例如,在纯电动汽车中,特斯拉x汽车的型号必须使用84个IGBT。这样,基本上,汽车消耗一块硅。混合动力汽车中使用的功率半导体相对较小。以BMW i3为例,单个车的半导体晶圆功率消耗约为1/4。

让我们来看看车辆的电源模块(目前主流是IGBT),它决定了车辆电驱动系统的关键性能,占电机驱动成本的40%以上。它是主要组成部分。

IGBT约占发动机成本的三分之一,而发动机约占整车成本的15-20%。也就是说,IGBT占整车成本的5%至7%。到2018年,如果估计来自中国的新能源汽车的销量为125万辆,那么每辆车平均将消耗450美元的IGBT。所有车辆将消耗约5.6亿美元的IGBT。

在技术层面,IGBT芯片经历了一系列迭代过程,从PT到NPT再到FS更新,减少了芯片,降低了热阻,提高了Tj;在引入IEGT,CSTBT和MPT后,Vce不断降低,功率密度提高;表面金属和钝化层经过优化,可满足车辆的高可靠性要求。

除技术方面外,IGBT还在结构上进行了创新,例如RC-IGBT的出现以及FWD和IGBT的集成。此外,还提供集成电流和温度传感器等集成功能。

新工艺技术促进功率半导体加速

以上讨论了汽车应用在功率半导体发展中的重要作用。让我们来看看新技术的推动力。

传统功率半导体使用MOS技术,主要元件是MOSFET和IGBT。新兴的SiC和GaN以及最新的氧化镓技术正在为功率半导体的发展增添新的动力。

许多公司正在开发SiC MOSFET。领先的公司包括Wolfspeed,Cree,SiCrystal,德国,ROHM,日本和新日铁。进入GaN市场并且起步较晚的参与者较少。

SiC电力电子市场于2016年正式成立,市场规模在2.1亿至2.4亿美元之间。根据Yole的说法,到2021年,SiC市场的规模将增加到5.5亿美元,这一时期的复合年增长率预计将达到19%。

如今,全球有超过30家公司能够在电力电子领域生产,设计,制造和销售SiC和GaN相关产品。

SiC在低压领域,如高端白线产品,电动车等,由于成本因素,逐渐失去竞争力。但在高速列车,风力发电和智能电网等高压领域,SiC具有不可替代的优势。

SiC工业的全球标准已经显示出美国,欧洲和日本的三大支柱。其中,美国是世界上最大的,处于领先地位,占全球碳化硅产量的70%至80%;欧洲拥有完整的SiC衬底,外延,器件和应用链,并在全球电力电子市场拥有强大的声音;日本是设备和模块开发的绝对领导者。

中国市场表现

我们习惯将SiC和GaN称为第三代半导体技术。中国在SiC和GaN材料和器件方面的研究工作相对较晚,与国外相比水平较低,其创新能力仍然不足。

虽然落后,中国也在积极推动。国家和地方政府先后启动政策和产业支持资金,发展第三代半导体产业:2016年引入地方政策,引进福建,广东,江苏,北京,青海等27个地区。近30项与第三代半导体(不包括LED)相关的政策。一方面,许多第三方半导体都是在“十三五”规划中写成的。另一方面,许多地方政府正在寻求具有某些优势的SiC和GaN材料公司的支持。

在国内公司方面,在LED芯片领域积累了大量资金的三安光电在第三代半导体材料的研发上投入了330亿元。

除了三安光电,扬杰科技,国家科技,海特高科技等上市公司开始引入第三代半导体业务。

杨杰科技透露,其SiC芯片技术已达到国内领先水平。海特高新通过其子公司海威华鑫开始建设第二代/第三代6英寸集成电路生产线。 CRRC Times Electric(中国CRRC)是高功率SiC器件的全国领导者。国家技术也开始呈现这一领域。其全资子公司深圳前海国家公司已与成都市人民政府签署了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》,以开发第三代半导体外延插件。

此外,华润华晶微电子和华虹宏力也是第三代半导体材料开发的代表公司。

氧化镓

SiC和GaN不是最新技术。由于带隙比SiC和GaN宽,氧化镓(Ga2O3)已进入视场。该复合半导体在高功率应用中具有独特的优势。因此,近年来对氧化镓的研究已经变暖。

事实上,氧化镓不是一项非常新的技术。许多年前,公司和研究机构研究了它们在功率半导体领域的应用。然而,就实际应用而言,过去并未像SiC和GaN那样广泛使用。相关研究和开发工作的关注焦点已被后两者窃取。随着应用需求的日益明显,未来大功率器件的性能要求越来越高,使人们对氧化镓的优势和前景更加深入,相应的工作研发也越来越多,并已成为美国。日本和德国等国家的研究地点和竞争优先事项。中国在这方面仍然相对缺乏。

氧化镓是一种宽带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,具有良好的导电性和发光性。因此,它在光电器件中具有广泛的应用前景,并且用作Ga基半导体材料的绝缘层。以及紫外线过滤器。这些是氧化镓的传统应用,其未来的功率,尤其是高功率应用,值得期待。

尽管氧化镓具有低导热率,但其禁带宽度(4.9eV)超过碳化硅(约3.4eV),氮化镓(约3.3eV)和硅(1.1eV)。由于禁止的带宽测量将电子携带到传导状态所需的能量。由宽带隙材料制成的系统可以比由更窄的带隙材料制成的系统更薄更轻,并且可以处理更高的功率,并且预期以低成本生产高损耗和低损耗能量部件。此外,宽带空间允许在更高温度下运行,从而减少了对笨重冷却系统的需求。

氧化镓是一种新兴的间隙半导体材料,具有比硅,SiC和GaN更大的间隙,并且其在高功率应用中的优势变得更加明显。然而,氧化镓不能取代SiC和GaN,并且更有可能在扩展超宽带隙系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。也许最有希望的应用是功率调节和分配系统中的高压整流器,例如电动车辆和太阳能光伏系统。

结论

从CI全球市场条件的角度来看,功率半导体在未来几年已成为全球CI产品中最具潜力的类别,并受到越来越多国家的关注。在汽车应用和新工艺技术的两轮驱动下,值得您等待强劲的发展动力和前景。

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