功率半導(dǎo)體行業(yè)特點(diǎn)趨勢(shì)及機(jī)遇挑戰(zhàn)

功率半導(dǎo)體行業(yè)特點(diǎn)趨勢(shì)及機(jī)遇挑戰(zhàn)

從產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭格局來看，全球功率半導(dǎo)體中高端產(chǎn)品生產(chǎn)廠商主要集中在美國、歐洲、日本和韓國。較于國際同行，中國功率半導(dǎo)體行業(yè)起步較晚，主要通過國外引進(jìn)及國內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新，逐步提升行業(yè)的國產(chǎn)化程度，滿足日益增長的下游需求。國際廠商在技術(shù)和工藝方面具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品門類更為齊全，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，整體競(jìng)爭力較國內(nèi)企業(yè)更具優(yōu)勢(shì)。目前，只有少數(shù)本土公司通過長期的技術(shù)積累和持續(xù)的自主創(chuàng)新，在功率半導(dǎo)體的細(xì)分產(chǎn)品領(lǐng)域具備芯片研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造全方位的差異化競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，通過產(chǎn)品改進(jìn)和客戶積累，在某些特定下游應(yīng)用領(lǐng)域具備國產(chǎn)替代優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)競(jìng)爭主體眾多的環(huán)境中處于相對(duì)領(lǐng)先地位。

業(yè)界通常將國內(nèi)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的主要企業(yè)分為三個(gè)梯隊(duì)，相關(guān)梯隊(duì)及企業(yè)的構(gòu)成和特征如下表：

資料來源：普華有策整理

1、功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

作為電子系統(tǒng)中的基本單元，功率半導(dǎo)體是電力電子設(shè)備正常運(yùn)行不可或缺的部件，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，且需求日益豐富。從行業(yè)技術(shù)和性能發(fā)展來看，功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)朝復(fù)雜化演進(jìn)，功率半導(dǎo)體的襯底材料朝大尺寸和新材料方向發(fā)展；由于不同結(jié)構(gòu)和不同襯底材料的功率半導(dǎo)體電學(xué)性能和成本各有差異，在不同應(yīng)用場(chǎng)景各具優(yōu)勢(shì)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)呈現(xiàn)多器件結(jié)構(gòu)和多襯底材料共存的特點(diǎn)。

（1）功率半導(dǎo)體是電力電子的基礎(chǔ)，需求場(chǎng)景日益豐富

功率半導(dǎo)體是構(gòu)成電力電子轉(zhuǎn)換裝置的核心組件，幾乎進(jìn)入國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)部門和社會(huì)生活的各個(gè)方面，電子設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富，功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)需求也與日俱增。隨著新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)和發(fā)展，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的消費(fèi)電子、工業(yè)控制、電力傳輸、計(jì)算機(jī)、軌道交通、新能源等領(lǐng)域，擴(kuò)展至物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)汽車、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景如下：

資料來源：普華有策整理

消費(fèi)電子和工業(yè)控制仍是功率半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域，2020 年消費(fèi)電子和工業(yè)控制用功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額分別為23.8%和20.3%。

（2）從器件結(jié)構(gòu)來看，功率半導(dǎo)體呈現(xiàn)多世代并存的特點(diǎn)

功率半導(dǎo)體自20世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來，至今形成以二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等為代表的多世代產(chǎn)品體系。新技術(shù)、新產(chǎn)品的誕生拓寬了原有產(chǎn)品和技術(shù)的應(yīng)用范圍，適應(yīng)更多終端產(chǎn)品的需求，但是，每類產(chǎn)品在功率、頻率、開關(guān)速度等參數(shù)上均具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)呈現(xiàn)多世代并存的特點(diǎn)。

二極管結(jié)構(gòu)簡單，有單向?qū)щ娦?，只允許電流由單一方向流過，由于無法對(duì)導(dǎo)通電流進(jìn)行控制，屬于不可控型器件。二極管廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，主要用于整流、開關(guān)、穩(wěn)壓、限幅、續(xù)流、檢波等。

與二極管相比，晶閘管用微小的觸發(fā)電流即可控制主電路的開通，在實(shí)際應(yīng)用中主要作為可控整流器件和可控電子開關(guān)使用，主要用于電機(jī)調(diào)速和溫度控制等場(chǎng)景。此外，與其他功率半導(dǎo)體相比，晶閘管具有更高電壓，更大電流的處理能力，在大功率應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用場(chǎng)景有工業(yè)控制的電源模塊、電力傳輸?shù)臒o功補(bǔ)償裝置、家用電器的控制板等領(lǐng)域。

MOSFET為電壓控制型器件，具有開關(guān)和功率調(diào)節(jié)功能。與二極管和晶閘管依靠電流驅(qū)動(dòng)相比，電壓驅(qū)動(dòng)器件電路結(jié)構(gòu)簡單；與其它功率半導(dǎo)體相比，MOSFET的開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小，能耗低、熱穩(wěn)定性好、便于集成；MOSFET在節(jié)能以及便攜領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、不間斷電源、光伏逆變器、充電樁的電源模塊、新能源車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

IGBT為電壓驅(qū)動(dòng)型器件，耐壓高，工作頻率介于晶閘管和MOSFET之間，能耗低、散熱小，器件穩(wěn)定性高。在低壓下MOSFET相對(duì)IGBT在電性能和價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)；超過600V以上，IGBT的相對(duì)優(yōu)勢(shì)凸顯，電壓越高，IGBT優(yōu)勢(shì)越明顯。IGBT在軌道交通、汽車電子、風(fēng)力和光伏發(fā)電等高電壓領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（3）從襯底材料來看，硅基材料的晶圓襯底為市場(chǎng)主流

目前，全球半導(dǎo)體襯底材料已經(jīng)發(fā)展到第三代，包括以硅（Si）、鍺（Ge）等為代表的第一代元素半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）等為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料，以及以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。新材料進(jìn)一步改善功率半導(dǎo)體的性能，但整體來看，硅基材料的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品仍是市場(chǎng)主流。

近年來，隨著第三代寬禁帶材料半導(dǎo)體迅速發(fā)展，SiC與GaN功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用規(guī)模開始持續(xù)增長。相對(duì)于硅襯底，寬禁帶材料半導(dǎo)體具有更大的禁帶寬度，在單位尺寸上能獲得更高的器件耐壓，以寬禁帶材料為襯底制作的功率半導(dǎo)體器件尺寸更小，在特定應(yīng)用場(chǎng)景具有優(yōu)勢(shì)。但由于生產(chǎn)規(guī)模還相對(duì)較小，生產(chǎn)技術(shù)有待成熟，產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高，其應(yīng)用場(chǎng)景受到了一定的限制。

硅材料因其具有單方向?qū)щ娞匦?、熱敏特性?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電特性、摻雜特性等優(yōu)良性能，可以生長為大尺寸高純度晶體，且儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，故而成為全球應(yīng)用最廣泛、最重要的半導(dǎo)體襯底材料。在物理性能方面，硅氧化膜性能優(yōu)異，與其它襯底材料相比，與硅晶格適配性好，器件穩(wěn)定性好。目前全球半導(dǎo)體市場(chǎng)中，90%以上的芯片都是基于硅材料制造而成。

（4）從硅片尺寸來看，硅片朝大尺寸方向發(fā)展

半導(dǎo)體的生產(chǎn)效率和成本與硅片尺寸直接相關(guān)。一般來說，硅片尺寸越大，用于產(chǎn)出半導(dǎo)體芯片的效率越高，單位耗用原材料越少。但隨著尺寸增大，硅片的處理工藝難度越高。按照量產(chǎn)尺寸來看，半導(dǎo)體硅片主要有2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等規(guī)格。

在半導(dǎo)體材料選擇上，晶圓制造廠商會(huì)綜合考慮生產(chǎn)效率、工藝難度及生產(chǎn)成本等多項(xiàng)因素，使用不同尺寸的硅片來匹配不同應(yīng)用場(chǎng)景，以達(dá)到效益最大化。8英寸及12英寸硅片主要用于集成電路（IC），具體包括存儲(chǔ)芯片、圖像處理芯片、通用處理器芯片、高性能FPGA與ASIC芯片等；8英寸及以下半導(dǎo)體硅片的需求主要來源于功率半導(dǎo)體、電源管理器、非易失性存儲(chǔ)器、MEMS、顯示驅(qū)動(dòng)芯片與指紋識(shí)別芯片等。

2、功率半導(dǎo)體行業(yè)面臨的機(jī)遇及挑戰(zhàn)

（1）機(jī)遇

A、產(chǎn)業(yè)政策的支持提供了良好的政策環(huán)境

功率半導(dǎo)體行業(yè)為國家政策支持的行業(yè)。《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019 年版）》鼓勵(lì)電力電子器件及高性能覆銅板；《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023 年）》實(shí)施重點(diǎn)產(chǎn)品高端提升行動(dòng)，重點(diǎn)發(fā)展高可靠半導(dǎo)體分立器件及模塊。2020 年 3 月，我國提出加快 5G 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（簡稱“新基建”）進(jìn)度?！靶禄ā敝械拿總€(gè)行業(yè)均離不開電能，功率半導(dǎo)體作為電能處理的核心器件將隨著“新基建”的推進(jìn)迎來不斷增長的市場(chǎng)空間。國家產(chǎn)業(yè)政策同時(shí)從供給和需求端為功率半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展?fàn)I造了良好的政策環(huán)境。

B、產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移為國產(chǎn)化提供了機(jī)遇

根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，制造業(yè)鄰近下游需求的空間分布，能夠降低生產(chǎn)成本、促進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)合作、縮短供貨周期、及時(shí)響應(yīng)客戶需求，下游需求的崛起為孕育上游本土化的功率半導(dǎo)體企業(yè)創(chuàng)造了優(yōu)沃土壤。相比國外廠商，國內(nèi)廠商與下游客戶的距離更近，客戶的溝通交流更加順暢，并且在客戶需求服務(wù)響應(yīng)、降低成本等方面具有競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，功率半導(dǎo)體國產(chǎn)替代率逐漸上升是大勢(shì)所趨。此外，功率半導(dǎo)體產(chǎn)品銷售從導(dǎo)入到驗(yàn)證需要一定的周期，因此，在客戶拓展正式形成銷售后具有較強(qiáng)的客戶粘性。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和國產(chǎn)化政策的驅(qū)動(dòng)下，中國功率半導(dǎo)體企業(yè)迎來了發(fā)展壯大的產(chǎn)業(yè)環(huán)境。

C、下游需求發(fā)展提供了直接支撐

功率半導(dǎo)體的應(yīng)用十分廣泛，幾乎覆蓋了所有的電子制造業(yè)，且隨著新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)而發(fā)展。隨著“智能制造”和“新基建”等國家政策的深入推進(jìn)，上述每個(gè)行業(yè)均離不開電能，功率半導(dǎo)體作為電能處理的核心器件將隨著“智能制造”和“新基建”的推進(jìn)迎來不斷增長的市場(chǎng)空間。此外，“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳戰(zhàn)略的落實(shí)，功率半導(dǎo)體作為新能源裝置的重要零部件之一，將迎來不斷增長的市場(chǎng)空間。需求端的發(fā)展為功率半導(dǎo)體行業(yè)提供了良好的市場(chǎng)環(huán)境。

（2）挑戰(zhàn)

A、技術(shù)壁壘

目前，在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，國外廠商占據(jù)了主導(dǎo)地位。由于國外半導(dǎo)體公司對(duì)其掌握的先進(jìn)技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，本土企業(yè)很難直接從大型半導(dǎo)體公司學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，必須依靠自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，在一定程度上延緩了我國高端功率半導(dǎo)體的發(fā)展速度。

B、市場(chǎng)下行

功率半導(dǎo)體由于其應(yīng)用場(chǎng)景豐富，下游需求廣泛。目前，受益于下游市場(chǎng)需求增長，功率半導(dǎo)體行業(yè)整體景氣度較高，但不排除未來市場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生變化，進(jìn)入周期性調(diào)整階段，出現(xiàn)下游市場(chǎng)需求降低、產(chǎn)品供給過剩等情形，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格下跌，制造企業(yè)產(chǎn)能過剩、產(chǎn)能利用率不足，從而對(duì)公司的生產(chǎn)經(jīng)營形成挑戰(zhàn)。

來源：普華有策ph

審核編輯 ：李倩