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功率半導體未來可期,或將成為“中國芯”的最好突破口

2020-06-05
來源:康爾信電力系統

    功率半導體主要用作電子元件中的開關及整流器,同時是矽、砷化鎵、氮化矽等半導體材料,是在經過電學屬性調整等一系列工藝后,所得到的電學元件。功率半導體的應用十分廣泛,從幾十毫瓦的耳機放大系統,到上千兆瓦的高壓直流傳輸過程;從儲能、家電,到IT 產品、網絡通訊,只要是涉及電的領域,都存在它的身影。

    功率半導體器件分類

    從發展歷程看,功率半導體器件先后經歷了:全盛于六七十年代的傳統晶閘管、近二十年發展起來的功率MOSFET及其相關器件,以及由前兩類器件發展起來的特大功率半導體器件,它們分別代表了不同時期功率半導體器件的技術發展進程。

    概括來說,功率半導體器件主要有功率模組、功率集成電路和分立器件三大類。其中,功率模組是將多個分立功率半導體器件進行模塊化封裝;功率IC對應將分立功率半導體器件與驅動/控制/保護/接口/監測等外圍電路集成;而分立功率半導體器件則是功率模塊與功率IC的關鍵。

    功率半導體器件又可根據對電路信號的可控程度分為全控型、半控型及不可控型;或按驅動電路信號性質分為電壓驅動型、電流驅動型等劃分類別。

    常用到的功率半導體器件有Power Diode(功率二極管)、SCR(晶閘管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(大功率電力晶體管)、BJT(雙極晶體管)、MOSFET(電力場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、SIT(靜電感應晶體管)、BSIT(雙極型靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGCT(集成門極換流晶閘管)、IEGT(電子注入增強柵晶體管)、IPEM(集成電力電子模塊)、PEBB(電力電子積木)等。

    

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    不同功率半導體器件,其承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性也會不同。實際使用中,需要根據不同領域、不同需求來選用合適的器件。

    隨著技術的不斷進步,功率半導體器件在不斷演進。自上世紀80年代起,功率半導體器件MOSFET、IGBT和功率集成電路逐步成為了主流應用類型。

    市場格局

    功率半導體行業壁壘較高,在高端功率器件領域,以美、日、歐龍頭廠商為主導。據統計,英飛凌、安森美、意法半導體、三菱電機、東芝半導體是全球前五的功率半導體供應商,前五大供應商市場占比達到42.6%,前十大供應商占比達到60.6%。

    而功率半導體廠商大多采用IDM模式,有完整的晶圓廠、芯片制造廠和封裝廠,垂直整合優勢明顯,對成本和質量控制能力很強,實力強勁。歐美日的功率半導體廠家大多是IDM模式,以高端產品為主;中國大陸的廠商大多也是IDM模式,產品以低端二極管和低壓MOSFET為主,實力較弱;中國臺灣以Fabless模式為主,主要負責芯片制造和封裝。

    

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    從供給端來看,全球功率半導體的主要產地集中在歐美日,占據全球功率半導體大部分的市場份額。其次是中國臺灣,目前占據全球10%的市場份額。中國大陸以二極管、低壓MOSFET、晶閘管等低端功率半導體為主,目前實力較弱,占據全球10%的市場份額。

    從需求端來看,中國是全球最大的功率半導體消費國。據數據,中國功率半導體市場空間占全球比例39%,居第一位;如此看來,中國大陸功率半導體呈供需嚴重不匹配的格局,且國內以低端產品為主,國產替代缺口巨大。隨著新領域的應用增加以及歐美產品升級產業轉移到國內,國內市場將有很大的增長空間。

    國內功率半導體突圍,迎來發展良機

    我國是全球最大的功率半導體市場,國際龍頭企業較大部分收入來自中國地區,以達爾科技和恩智浦為例,其收入的58%和41%來自中國大陸。由此可見,我國功率半導體市場需求量巨大,本土廠商擁有非常大的進口替代空間。

    

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    在全球功率半導體市場上,中高端產品生產廠商主要集中在歐洲、美國和日本地區。歐美日的功率半導體廠商大部分屬于IDM廠商,英飛凌、達爾科技、安森美、恩智浦等是行業中的龍頭企業。

    中國臺灣地區也是較大的功率半導體產地,廠商大多屬于Fabless廠商,產品主要集中在低端領域。我國功率半導體市場占據全球50%左右份額,在高端產品領域,90%依賴進口。

    我國半導體廠商主要為IDM模式,生產鏈較為完善,但產品主要集中在二極管、低壓MOS器件、晶閘管等低端領域,生產工藝成熟且具有成本優勢,行業中的龍頭企業盈利水平遠高于臺灣地區廠商。

    而在新能源、軌道交通等高端產品領域,國內僅有極少數廠商擁有生產能力,高端產品市場主要被英飛凌、安森美、瑞薩、東芝等歐美日廠商所壟斷。

    我國功率半導體市場中,在低端領域生產工藝成熟,而在高端領域,市場仍被國外企業所壟斷。本土廠商在低端產品領域已經開始進口替代,但市場份額占比仍然較低。

    國內市場發展前景廣闊,實現技術突破、產品提升,以及進口替代是我國功率半導體行業未來發展的必然選擇。隨著工業、汽車、無線通訊和消費電子等領域新應用的不斷涌現以及節能減排需求日益迫切,我國功率半導體有龐大的市場需求,容易催生新產業新技術,在國家政策利好下,功率半導體將成為“中國芯”的最好突破口。

    

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