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智芯文库 | 功率半导体总览:驱动更高效精密的世界
更新日期:2018-12-03   来源:基业常基   点击:45  

 

?驱动世界向更高效、更精密、更清洁的方向发展,功率半导体2022年市场规模可达426亿美元

功率半导体是电力控制的核心,驱动现代社会的电气化运作

功率半导体,即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产业;

与功率半导体这个概念相对应的,则是更为大众所熟知的依托微电子技术、保持小功率的特点、以信息处理为核心的信息半导体产业。

以手机、电脑这些具体的电子产品为例,信息半导体是这些产品的大脑和神经,负责感知、运算、操纵等,实现电子产品的设计功能;而功率半导体则是这些产品的心脏和血脉,负责将合适的电能传输给每一个用电终端。

而当我们放眼一条完整的从电能产生到电能最终被用电终端应用的电力传输链时,功率半导体则更类似于一名“厨师”的角色。

它负责将发电设备产生的、电压和频率杂乱不一的粗电“加工”成电压、频率统一的工频电,再将“加工好”的工频电“烹饪”成拥有不同电压、电流、频率等电能参数的特定电来满足各个用电终端的不同“口味”。

需要特别注意的是,我们这里提到的用电终端,并不是电脑、手机这些终端设备,而是指电脑、手机里的传感器、摄像头这类的功能终端。

功率半导体的“厨师”职能,从本质上来说,是通过利用半导体的单向导电性实现的电源开关和电力转换的功能。

电源开关功能,顾名思义,指实现电力传输某一具体环节的导通和关断;而电力转换功能则是指通过变压、变频、直交流转换等实现特定电的转换,具体又分为AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC四种形式(AC:交流;DC:直流)。

正是功率半导体这看似简单的电源开关和电力转换功能,通过多样化的组合方式,实现了“粗电”向“精电”的转换,从而满足了现代生活中复杂的用电需求。

因此,我们可以毫不夸张地说,当今世界一切涉及发电、输电、变电、配电、用电、储电的事宜都离不开功率半导体。

伴随着社会电气化程度的加深,功率半导体长远追求更高的功率密度与更低的功耗

功率半导体伴随着电力的运用而诞生,自然也就随着社会电气化程度的加深而发展。而社会电气化程度的提高又主要源于两个方面:应用领域的广泛化与应用形式的精密化。

应用领域的广泛化一方面是指新型应用的诞生,代表性的应用包括智能手机、可穿戴设备等;另一方面是指越来越多传统领域的电气化,代表性的应用比如过去10年间实现对传统灶具部分替代的电磁炉、未来的电动汽车与物联网等。

而应用形式的精密化则是指对用电终端的供电,从原来粗犷地向所有用电终端统一直供,渐渐转化为对每一个用电终端的精确化控制,代表性的产品比如电源管理芯片、负载开关等。

自然,社会电气化程度的提高也对功率半导体提出了相应的要求。

从功率半导体的发展轨迹来看,高功率、高频率(小型化)与低功耗是技术演进的方向,但三者的关系有层次之分:

不同应用场景对功率的硬性要求不同,在满足特定功率要求的基础上,新的技术、工艺都在尽量追求小型化和低功耗。例如新能源汽车等新兴应用市场对高功率半导体的需求巨大,但GTO等前代功率器件在在体积(重量)、功耗层面性能不足,而以IGBT为代表的新型功率器件在保证实现高功率的基础上保持了小型化和相对低功耗的特点,进而成为主流的高功率器件。

因此我们认为功率半导体的发展实际上是在满足特定功率的基础上,追求于更小的体积(重量)和更低的功耗。

所以功率半导体长远所追求的,是实现自身的低功耗与高功率密度(功率和体积之比)。而拥有着更低的功耗和更高的功率密度的功率半导体,驱动着我们的世界向着更高效、更精密的方向发展。

受益于清洁能源、电动汽车与物联网的发展,预计2022年功率半导体市场规模可达426亿美元

作为一个从1956年发展至今的成熟产业,功率半导体行业每年的市场空间可以被很容易地拆解成两个方面:折旧带来的替换市场以及电气化程度加深带来的新增市场。

既然新增市场源于电器化程度的加深,那么能对功率半导体市场规模造成较大影响的下游行业无疑又将符合两个条件:应用市场具备一定的规模基数;以及相应新产品对功率半导体的需求大幅增加。

经过我们的观察,有三个行业显著符合这两个条件:清洁能源行业、电动汽车行业以及物联网行业。

首先是清洁能源行业,未来5-10年,清洁能源行业占据主导的依然是光伏发电和风能发电,根据“十三五”规划,风电、光伏装机总量将从2015年的1.9亿千瓦时提升至2020年的4亿千瓦时,复合增长率约为16%,而无论是风力发电或是光伏发电,相较于传统的火力发电,都会增加汇流/整流与逆变这两个环节,大幅提高功率半导体的用量。

其次是电动汽车行业,根据StrategyAnalytics测算,轻混车(MHEV)、混动车/插电混动车(HEV/PHEV)、纯电动车(BEV)相比燃油车71美元的功率半导体用量分别增长106%、398%和433%,至146美元、354美元与384美元。

最后是物联网行业。如果物联网实现大规模应用,一方面会通过新增的数据收集与数据传输环节产生更多的用电需求,自然带来了功率半导体的增长空间;

另一方面,由于物联网设备高精密度和低功耗的需求,在实现同样功能的设备中,可能需要通过加装负载开关等功率半导体元件来实现每一用电终端的单独控制,从而节省设备功耗。

受益于折旧带来的替换市场、电气化程度加深带来的新增市场以及供需格局带来的价格增长,结合YoleDéveloppement的相关测算,我们预计功率半导体市场在2018年将大概率延续2017年11%左右的增长速度,在2019、2020年由于价格的回落增长速度下降至5%、3%,在2021年以后由于物联网应用的兴起回升至4%的年化增长速度,至2022年实现约426亿美元的市场规模。

?制造铸就地位、设计把握增长,长远看来IDM为大势所趋

前段晶圆制造决定产品性能,占据产业链核心话语权

尽管制造流程依然分为设计、制造、封测这三个环节,但与更为大众所广泛认知的信息半导体行业不同,功率半导体的核心环节并不在于设计,而是在于前段晶圆制造环节。

造成这种现象,主要是由于功率半导体电路简单,且对运算功能的要求大幅度降低。因此技术含量相对较高、在IC设计环节构成了大量附加值的控制芯片架构、IP、指令集、设计流程、设计软件工具等环节并不参与功率半导体的利润分配。

相反,由于功率半导体特色工艺的属性,前段制造和后段封装对产品最终性能的影响加大,技术含量也均有所提高,在功率半导体的附加值分配中也占据了更大的比例。

一般来说,由于对产品性能的决定性作用,前段制造环节占据功率半导体价值链的40%以上。但结构改进、封装调整或差异化需求可能会提升不同环节的价值链占比。

设计能力主导客户开拓,影响企业发展速度

在图表13中我们提到,设计环节主要在两个方面影响功率半导体的最终产品:基于系统Know-how能力实现的差异化参数调整,以及通过结构优化带来的单片晶圆可切割芯片数的提升。

单片晶圆可切割芯片数的提升显而易见地带来成本的下降,而系统Know-how能力实现的差异化参数调整则意味着为客户开发定制化产品的能力。

从图表17中我们不难发现,即使是使用同一类型的功率器件,不同下游场景应用对应着不同的功率和频率需求。同理,同样的下游应用,也会因为产品定位等原因对功率半导体的功率、频率、功耗等指标产生不同的需求。

因此,在同一种产品结构上,通过差异化参数调整,先满足客户基础指标要求,然后再实现功耗与成本的最优解,是企业设计能力的核心体现。

因此,一家功率半导体企业的设计能力越强,就意味着这家企业在其制造能力的制约框架内的业务开拓能力越强,而这较大程度上影响着一家企业的发展速度。

设计、制造、封装三者协同,长远来看IDM为大势所趋

尽管后段封装,尤其是功率模块的封装,对产品的性能、一致性、稳定性和工作环境耐受性均具有一定的影响,但由于技术壁垒较低,并不构成功率半导体的核心竞争力。

然而从长远来看,由于决定核心竞争力的前段制造能力和关乎企业发展

速度的设计能力对于一家功率半导体企业而言缺一不可,再加上掌握封测环节一方面可以占据更广阔的利润空间,另一方面可以增强对产品性能的把控、与设计制造环节形成协同效应,因此我们判断从长远来看IDM是功率半导体厂商的必然选择。

目前世界范围内一流的功率半导体厂商无论是欧洲的英飞凌、意法半导体,美国的德州仪器、安森美,或是日本的三菱等,均以IDM模式为主。

?进口替代空间打造独特竞争格局,短期内设计企业迎发展良机

国际巨头垄断国内市场,进口替代空间巨大

根据Yole和IHS的研究结果显示,尽管功率半导体在中国的销售额占据了全球销售额的40%左右,但全球排名前列的功率半导体企业中并没有中国企业的身影。

如果将中国与国际顶尖的功率半导体厂商进行比较的话,2017年全球营收规模最大的功率半导体厂商英飞凌仅仅在中国区域实现的营收,便是同

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