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功率半导体,不相信下行周期

发布者: 类别:行业新闻 发布时间:2022-10-12 17:01:53

        日前,半导体市场研究机构IC insights公布的数据显示,2022年全球功率半导体的销售额预计将同比增长11%,达到245亿美元,实现连续第六年的增长,达到创纪录的历史最高水平。

       IC insights表示,功率半导体销售额的持续增长,主要是因为这一细分市场产品的平均销售价格(ASP)达到了近十多年来的最高涨幅,功率半导体的平均销售价格在2021年同比增长了8%,预计2022年将同比增长11%,这是自2010年从2007-2008年金融危机引发的经济衰退中复苏以来的最高增长率。

       预计至2026年,功率半导体市场年销售额将稳步增长,达到289亿美元,复合年增长率(CAGR)为5.5%。

       相比之下,当前半导体下行周期的冷风吹向了行业的方方面面。

       台积电不久前声称,预计2023年芯片需求将面临一个下滑周期。同时,有半导体行业风向标之称的存储芯片,在2022年上半年开始就在不断下滑。据TrendForce集邦咨询研究显示,四季度DRAM价格跌幅将扩大至13-18%。

       鉴于此,美光表示:“我们大幅削减了资本支出,现在预计2023财年的资本支出将在80亿美元左右,同比下降逾30%。”美光准备利用库存而非增产以满足订单需求,并将减少对新厂和设备的支出。

       近日,AMD和三星也纷纷发布今年三季度预测业绩,两家大厂深受消费市场疲软影响,AMD预测今年三季度比之前的预测降低约11亿美元;三星Q3营业利润则同比大降31.7%,为近三年来首次下滑。由于三星电子主力产品DRAM价格进一步下跌,业界预测三星电子第四季度前景也并不乐观。

      不难看出,在高通胀影响下,冲击消费类电子产品需求,致使消费类芯片、存储芯片等价格不断下跌、订单锐减。

      紧接着晶圆代工持续吹着降价风,半导体市场进入去库存调整期,晶圆代工成熟制程报价也持续下跌。根据半导体行业周期规律来看,市场预期这波库存修正将延续到2023年。

      半导体行业协会(SIA)统计:“近几个月来,全球半导体销售增长停滞不前,8月份的月度销售额环比下降幅度为2019年2月以来的最大百分比”。

      相比之下,功率半导体及第三代半导体市场却频频传来扩厂、扩建、加大投资的消息,这股持续的“暖流”好像没有被“寒气”击退,反而愈演愈烈。

功率半导体的“底气”

       功率半导体器件(Power Electronic Device)又称为电力电子器件和功率电子器件,是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电路变换和控制的核心电子器件,其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。

       从产品形态分类,功率半导体大致可分为分立器件(Power Discrete)(包括功率模块)和功率 IC两大类。

       据Omdia统计数据,2017-2021年功率半导体领域中功率芯片占比超过50%,是功率半导体领域的主要细分产品,其次为功率半导体分立器件,2021年全球功率芯片和功率半导体分立器件产品占比分别为55.78%和32.03%。预计到2024年,功率半导体全球市场规模将达到538亿美元,市场前景广阔。

图源:腾讯科技

       功率半导体行业“逆风”而起,缘起何处?

汽车功率半导体的增量时代

       功率半导体发挥电能转换的作用,是新能源车最重要的芯片部件之一。

新能源汽车销量走势图

(图源:驭势资本)

        随着新能源汽车井喷式上量,功率半导体的价值量和市场规模随之快速提升。

       根据Strategy Analytics的统计数据,2019年传统燃油车中功率半导体的价值量仅为71美元,价值量较低;而混合动力汽车中功率半导体的价值量提升至425美元,是传统燃油车的6倍;纯电动汽车中的功率半导体价值量提升至387美元,是传统燃油车的5.5倍。

       在全球功率分立器件的下游需求中,汽车市场占比最高,达到35%左右。以MOSFET为代表的中低压分立器件广泛应用于汽车的电动天窗、雨刮器、安全气囊、后视镜等领域,电动汽车的车载充电机(OBC)、DC-DC转换器对于MOSFET的需求进一步增加。

       另外,汽车车灯转为LED大灯以后,MOSFET的需求量从原来每个车灯需要1颗增加至18颗,很多造车新势力热衷的车顶和侧边渐变玻璃对于MOSFET的需求也在增长。

车用MOSFET和IGBT

(图源:驭势资本)

        从全球竞争格局来看,MOSFET市场基本被欧美日企业垄断,英飞凌以24.6%的市占率位居第一,CR5约59.8%,安世半导体和华润微电子分别以4.1%和3%的市占率位列第八和第九。

       今年中旬,全球功率半导体的巨头英飞凌称由于市场供需平衡及上游材料涨价,暗示将涨价。基于英飞凌在MOSFET领域的龙头地位,其涨价预警或对整个行业有重要意义。

       据英飞凌统计数据,传统燃油乘用车单车半导体价值量约500美元,功率半导体价值量约占20%,即约100美元,然而纯电、插混新能源汽车单车半导体价值量则陡增至约1000美元,在价值增量中,用于实现开关、整流基础功能的功率半导体占据绝大部分份额。


       虽然当前以手机、PC为代表的消费电子市场需求疲软给功率半导体带来一定影响,但汽车领域的应用增量成为支撑其市场空间和走势的关键因素,力保功率半导体“逆势而上”。

IGBT方兴未艾

      再往细看,相较于MOSFET,IGBT适用于较低开关频率和大电流的应用。

      IGBT功率半导体是众多电力电子应用的关键,具有导通电阻小、开关速度快、工作频率高等特点,可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率,实现节约能源、提高工业控制水平的目的。

      依据电压等级不同,IGBT可划分为低压、中压和高压IGBT,分别广泛应用于消费电子、新能源汽车、新能源发电、轨交以及电网等领域。600V以下的低压IGBT主要应用于消费电子领域,600V-1200V的中压IGBT主要应用于新能源车、光伏、家电、工业领域,1700V以上的超高压IGBT主要应用于轨交、风电、智能电网领域。

       据华经产业研究院,新能源车IGBT在2020年就已成为中国IGBT第一大应用领域,占比约 30%。此外,工业控制、消费电子与新能源发电市场分别占比27%、22%、11%,为中国新能源汽车外前三大应用领域。

       Yole预计,在新能源车逐渐普及的推动趋势下,在2020年至2026年间,IGBT的复合年增长率为7.5%,届时将达到84亿美元。可见,汽车成为驱动IGBT需求的主要动力。据比亚迪半导招股书,汽车电动化、智能化推动车规级IGBT成为增长最快的细分领域,远超行业平均增速。

       从市场供需情况来看,英飞凌表示,包括尚未确认的订单在内,2022年1-3月积压的订单金额从去年四季度的310亿欧元增长了19.4%至370亿欧元,这些订单当中超过五成是汽车相关产品,75%的订单在未来12个月内才能交货,积压订单显然远超出英飞凌的交付能力。

       天风证券近日在对国内25家IGBT企业的调查显示,在车规领域,55%的企业订单完成率不足75%;在光伏领域,65%的厂商订单完成率不足75%。IGBT行业内普遍存在订单积压问题,现有产能仍无法满足市场整体需求。

在此行业现状下,各公司竞相布局,产能逐渐成为功率半导体抢滩市场的关键点。

       富士通半导体业务前负责人Masao Taguchi表示,随着电动汽车的大规模起量,功率半导体可能会变得更加标准化,从而使能够扩大生产规模的公司主导市场。

       对此,IGBT头部企业相继宣布投建新产能,以应对订单积压,而订单饱满也反映在国内IGBT公司上半年业绩中,已披露业绩预告的IGBT公司盈利均大幅增长。其中,功率半导体海外头部厂商(英飞凌、安森美、ST、三菱电机、富士电机)Q2季度营收同比平均增速达21.67%,较一季度19.14%的增速出现进一步加速。

       据IHS统计数据,中高端产品生产厂商主要集中在欧洲、美国和日本地区。其中英飞凌无论在MOSFET、IGBT器件还是IGBT模块上,都是市占率排名第一,2020年其市场份额占比达到19.7%。据初步统计,2021年英飞凌市场份额超20%。

       不过,供应格局在本轮缺芯潮中悄然改变。全球芯片产业链陷入短缺,上述大厂产能有限,而且价格高昂,于是国产公司一把被推上了台面,技术好、价格低、定义准、迭代快的企业更受欢迎。国内百舸争流,国产IGBT替代加速。

       国产车载IGBT拐点已至,市占率正在快速上升。据统计,2022年一季度国内出货量前五的功率器件供应商中,已经有三家中国本土企业入列,分别为斯达半导、比亚迪半导体、时代电气,三家合计装机量占比约40%。

       比亚迪半导体具备产业下游的支持,随着比亚迪新能源车的销量增长,比亚迪半导体的IGBT高速发展;斯达半导生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT 模块持续放量,2021年合计配套超过60万辆新能源汽车;时代电气具备高压IGBT的丰富经验,并且拥有中车集团的下游支持,2022年新能源车IGBT预计年内交付的在手订单70万台。

       9月22日,时代电气公告称对外投资中低压功率器件建设项目,子公司中车时代半导体获得法雷奥集团某电驱动系统项目定点,成为其IGBT模块供应商。除此之外,9月23日,时代电气再次扩产,拟投资111.19亿元投资两个中低压功率器件项目,年三期规划产能合计为二期产能3倍。

       此外,还有士兰微、华润微、江苏宏微科技等一批有代表性的国内功率半导体企业发展迅速。可见,在近年来产业国产化进程显著加速的趋势下,本土功率厂商正在快速布局。

第三代半导体“蜂拥而至”

       除了硅基功率半导体,当前第三代半导体市场正焕发着别样生机。尤其是在后摩尔定律时代,第三代半导体的出现仿佛是赌桌上潜力无限的新赌注。

       与硅相比,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体具有高效率、低能耗、散热快等特性,当用于半导体器件中时,第三代半导体器件可以提供高耐压、高速开关和低导通电阻。鉴于该特性,其将成为有助于降低能耗和缩小系统尺寸的下一代低损耗器件。

       据TrendForce指出,目前,第三代半导体已经成为高性能器件厂商的最佳选择,且SiC、GaN作为第三代半导体的代表材料,已经在电动汽车、充电桩和基站功放场景中率先得到应用。

根据Yole的数据,2021年全球碳化硅功率器件市场规模为10.90亿美元,其中应用于汽车市场的碳化硅功率器件市场规模为6.85亿美元,占比约为63%;其次分别是能源、工业等领域,2021 年市场规模分别为 1.54 亿、1.26 亿美元,占比分别为 14.1%、11.6%。

       汽车是碳化硅功率器件最大的下游应用市场,主要用于主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统和非车载充电桩。全球碳化硅领域龙头厂商Wolfspeed公司预测,到2026年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量约为83%,是电动汽车中价值量最大的部分。其次为OBC,价值量占比约为15%;DC-DC转换器中SiC价值量占比在2%左右。

       特斯拉和比亚迪在其电机控制器的逆变器中已经采用了SiC MOSFET的芯片作为核心的功率器件。丰田、大众、本田、宝马、奥迪等汽车企业也都将SiC功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。此外,电动汽车充电桩也是SiC器件的一大应用领域。

       据TrendForce研究,为进一步提升电动汽车动力性能,全球各大车企已将目光锁定在碳化硅功率元件,并陆续推出了多款搭载相应产品的高性能车型。随着越来越多车企开始在电驱系统中导入碳化硅技术,预计2026年车用碳化硅功率元件市场规模将达到39.4亿美元。

       随着越来越多新能源车型采用碳化硅器件,碳化硅对传统车用硅基IGBT的替代已经逐渐展开。需求高涨之下,给第三代半导体厂商带来巨大利益的同时,也在加剧赛道玩家的布局力度。

       在此前文章《SiC/GaN,海外巨头疯狂扩产!》中,笔者梳理了英飞凌、安森美、罗姆、意法半导体、瑞萨电子、东芝等国外厂商的规划布局,释放出强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额的信号。以及,如今处于汽车领域的SiC应用的关键市场窗口期,上下游企业纷纷开始扩充、绑定产能,以应对未来的市场爆发。

       在这之后,行业厂商仍在持续布局:

       意法半导体近日又宣布扩产计划,将在意大利建造一座价值7.3亿欧元的碳化硅晶圆厂;

       安森美在未来两年内,扩建将使 Roznov基地的SiC生产能力提高16倍;此外,预计到2022年底,安森美的哈德逊碳化硅 (SiC) 工厂将使安森美的SiC晶锭产能同比增加五倍。安森美还计划在2025年前将把公司的碳化硅前道工艺产能扩大到目前的10倍以上;

       博世再投资30亿欧元,扩产SiC和MEMS;

       日本罗姆为了应对功率半导体竞争的日益激烈,计划在2022年内将在福冈县启用新工厂厂房,在2025财年之前把相当于此前计划的3倍;

       英飞凌预计斥资逾20亿欧元,在马来西亚居林工厂建造第三个厂区,用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品;

       Wolfspeed将在美国新建全球最大碳化硅材料工厂。

       第三代半导体战略意义重大,世界各个国家和地区均在努力推进发展工作。欧洲的SPEED计划、MANGA计划,美国的SWITCHES计划、NEXT计划,日本的新一代功率电子项目都是意在通过政府资助和企业加强投资的方式推动新一代化合物半导体落地的计划,背后都具有明显的战略意图。

       可见,行业巨头争相扩产和投资,第三代半导体在内的功率半导体正在成为新的竞争高地。不仅仅是扩产,对优质标的的并购也成为巨头厂商之间的主旋律。其中,ASM收购LPE的所有流通股;安森美对GT Advanced Technologies、Qorvo对UnitedSiC的并购均已完成。

       TrendForce强调,随着碳化硅材料技术和市场不断取得突破,以及芯片结构及模组封装工艺趋于成熟,SiC功率元件于车用市场渗透率持续攀升,并由目前的高阶车型应用逐步延伸至中、低阶车型中,从而加速汽车电动化进程。随着越来越多车厂开始在电驱系统中导入SiC技术,市场规模将呈现每2年翻1倍的急速成长态势。

       抛开如火如荼的扩产投资,第三代半导体产业格局逐渐迎来空前重构和变化,产业链布局正在加速。

       第三代半导体的优势给诸多供应链厂商带来了极大的吸引力,不仅台积电、联电、世界先进等在内的各大代工厂陆续加入,硅晶圆企业环球晶也开始布局SiC晶片。

       面对差距以及行业巨头的大举进攻,本土芯片供应商应该以技术创新为驱动,更加注重推动第三代半导体功率器件的研发和应用,同时聚焦下游市场,通过绑定家电龙头,联手新能源汽车企业,加速科研成果转化和技术应用落地。

       国内SiC供应商中,比亚迪半导体实现了SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车。天岳先进、士兰微、派恩杰、晶盛机电、芯导科技、露笑科技等国内厂商也相继跟进。

       同时,整车厂也在积极发力第三代功率半导体,2022年,国内造车新势力蔚来ET7、小鹏G9均采用了碳化硅器件,理想汽车的功率半导体项目生产基地近日也落户苏州,由理想汽车与三安光电共同出资组建苏州斯科半导体公司,主要专注于第三代半导体碳化硅车规芯片模组的研发及生产。国内车厂的SiC MOSFET渗透率有望加速提升,随着搭载高功率电机的新能源车销量增长,车载SiC MOSFET需求将持续增长。

       不仅如此,在国家政策和资金支持下,各地方政府掀起了第三代半导体投资热潮,目前已初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域,北京、深圳、济南、保定等多个城市都有深入布局,政府也“置身事内”,打造覆盖衬底、外延、芯片及器件、模组、封装检测以及设备和材料研发的第三代半导体全产业链生态。

       虽然目前国内的第三代半导体产业在衬底材料、外延、设计制造等各个环节,均有对标海外巨头的企业。但中国第三代半导体在技术成熟度、稳定量产能力、产业链配套等方面与海外还存在较大差距,例如电动汽车主驱、特高压电网用碳化硅功率器件现阶段完全依赖进口,另外5G基站用的氮化镓射频器件仍缺少稳定可靠的产品供货能力。

       另外,我国的第三代半导体材料上面还存在短板。例如对材料研究方面,不如美日欧,行业高端产品应用不足,难以形成产业循环。同时还存在无序竞争严重的问题。

       近年来,第三代半导体在多个领域崭露头角。以碳化硅、氮化镓为主的第三代化合物半导体已然成为产业端和投资界的宠儿。

       综合来看,各类型的半导体有其适合应用之处,未来不论是硅基的IGBT、MOSFET或是以SiC为基底的IGBT、MOSFET,都会根据所需效能及材料特性,找到适合的应用场域。

       从全球扩产情况来看,国外供应商扩产项目以12英寸功率半导体产线,以及6英寸、8英寸碳化硅产线为主。产能释放时间在2023年之后,因此短期内,全球功率半导体仍将呈现供需紧张的局面。

       国内功率半导体供应商中,华润微、士兰微、闻泰科技、燕东微电子均有12英寸线的在建产能。华润微、士兰微、斯达半导、时代电气等正在建设、规划碳化硅6至8英寸的产线。比亚迪、上汽、蔚小理等主机厂也在积极布局IGBT和碳化硅模块、芯片产线。

       对本土功率半导体企业而言,想要保住乃至攫取更多“胜利果实”,需要在产能这一单一维度的比拼之外,拓展更丰富的竞争工具。另外,如何把握住此轮第三代半导体市场机遇,把握从6英寸向8英寸过渡的技术趋势,对于国产碳化硅企业来说也至关重要。

       站在今天的时间节点回顾,“天时地利”交织,为本土功率半导体行业打开了前所未有的市场空间。

       本土功率半导体行业之所以发展迅速,与其他半导体大类赛道有着共通驱动因素,即国产替代与芯片短缺。

       2020年以来的“芯片荒”中,海外老牌原厂面对突然爆发的超额订单,不得不将产能优先用于保障核心大客户,分销渠道流通价格也随之飙升,甚至出现“有价无市”的情况,如果说此前国内外政策的“推”和“拉”确立了国产替代进程,使扶持本土厂商发展成为产业链共识,那么现实的芯片短缺,则使下游中小用户,特别是技术、标准壁垒较低的消费类细分市场用户“不得不”大批量换用国产器件,从而大大加速了这一进程。

       除了共性因素之外,对功率半导体而言,上文提到的诸多要素,新能源汽车增量市场、IGBT方兴未艾、第三代半导体迅猛发展之势等,都给功率半导体器件带来了巨大的增量需求。

       长期来看,下游的供需关系将会沿着产业链向上游市场传导。这或许也是如今半导体下行周期肆虐,大部分细分市场需求疲软,功率半导体仍旧“逆势而上”的原因所在。

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