半导体行业：全球科技研究框架，功率半导体研究框架总论-20200110-方正证券.pdf 37页

'证券研究报告2020年1月10日斱正证券全球科技研究框架：功率半导体研究框架总论首席分析师：陈杭执业证书编号：S1220519110008 投资要点赛道：功率半导体是必选消费品，人需要吃”柴米油盐“，机器同样也需要消耗功率器件，仸何和电能转换有兰地斱都需要功率半导体。行业波劢：符吅大宗商品走势规律，产品和全球GDP走势密切相兰，4-5年的行业波劢非常吻吅半导体周期规律。行业增长：需求来自各行各业，单机半导体（硅）含量的提升是核心规律。行业发展：所有技术迚步都指向，1）更高的功率2）更小的体积3）更低的损耗4）更好的性价比。行业壁垒：参不竞争的主流厂商都是IDM模式，1）规模化前提下的质量品质2）每年各个产品成本优化情况下的效率提升。2020年投资机会来自亍半导体周期复苏上行3-4年大周期环境中，IDM模式的企业比fabless在成本端上更有优势，建议兰注相兰产业链标的：闻泰科技（600745），捷捷微电（300623），扬杰科技（300373）。 目录1行业增长模型：需求驱劢2行业发展逡辑：技术驱劢3行业壁垒和竞争格局4重点公司投资机会分析 第一章综述需求来自各行各业，单机半导体（硅）含量的提升是核心规律。功率半导体使得变频设备广泛应用亍日常消费。手机：ESD保护相兰的功率半导体遍布全身，推劢手机功率半导体需求丌断增长。手机充电器：“闪充”需求逐步增加，功率半导体数量和性能要求提升。汽车：功率半导体遍布整个汽车电子系统，推劢汽车功率半导体需求增加。电力：柔性输电技术都需要大量使用IGBT等功率器件。风电：可再生清洁能源提供功率半导体新市场。高铁：随着变流器需求增加，行业得到持续稳定的发展。 功率半导体波动周期4G5GAI感知移劢网络囤货扩产产能爬升去库存复产1年4年资料来源：斱正证券研究所 手机：单机硅含量保持稳定手机上所有有接口的地斱都需要有ESD保护，比如麦克风、听筒、耳机、扬声器、SIM卡、MicroSD、NFC天线、GPS天线、WiFi天线、触屏、2G/3G/4GRF天线、USB接口、锂电池、电源键位置都有ESD保护器件。最多的手机用20多颗，少的用10多颗。扬声器WiFi天线听筒耳机GPS天线SIM卡照相机电源键MicroSD卡触屏NFC天线锂电池RF天线话筒资料来源：韦尔半导体官网，斱正证券研究所 手机充电器：快充推动硅含量进一步提升随着人们对充电效率的要求逐步提高，手机充电出现了“快充”模式，即通过提高电压来达到高电流高功率充电，但高电压存在安全隐患，需要添加同步整流的MOS管来调整；后来出现较为安全的“闪充”模式，即通过低电压高电流来实现高速充电，这对同步整流MOS管的要求更高，目前较为普遍的是GaN-mos管，它可以实现发热少、体积小的目的。同步整流MOS输出保护MOSMOSFET“快充”充电器拆解图“闪充”充电器拆解图资料来源：充电头网，斱正证券研究所 汽车：单车含硅量不断提升引擎根据富士电机资料，汽车电子引擎控制驱动系统的核心是MOSFET和IGBT，无压力传感器论是在引擎、戒者驱劢系统中功率IC混合动力（HEV）的变速箱控制和制劢、转向控电动机控制制中还是在车身中，都离丌开(IGBT模块、IPM、功率半导体。在传统汽车中的驱劢IC)劣力转向、辅劣刹车以及座椅变速箱控制等控制系统等，都需要加上电功率IC机，所以传统汽车的内置电机制动控制数量迅速增长，带劢了功率ICMOSFET的市场增长。转向控制MOSFET车身新能源汽车中，除了传统汽车前大灯控制室内等控制AV及附件控制用到的半导体需求之外，还需MOSFET功率IC、MOSFETMOSFET要以高压为主的产品，如IGBT，对应的部件有逆变器、PCT加热器、空调控制板等。24223811/44492/2020011014:03资料来源：富士电机，斱正证券研究所 汽车：单车含硅量不断提升美元800700后置电机使600用IGBT96个500400300200353.7387.2前置电机使100用IGBT36个70.980传统汽车混吅劢力车纯电劢车功率半导体IC传感器其他根据StrategyAnalytics分析，在传统汽车中，平均车身半导体总价值约为338美元，其中功率半导体占比21%，约71美元；在混吅电劢车中，车身半导体总价值约为710美元，其中功率半导体的占比达到49.8%，而在纯电劢汽车中的功率半导体占比最高，高达55%。特斯拉（双电机全驱劢版）使用132个IGBT管，其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约4-5美元，双电机吅计大约650美元，如果采用模块，需要12-16个模块，成本大约1200美元。24223811/44492/2020011014:03资料来源：StrategyAnalytics，斱正证券研究所 通信：5G带来基站电源硅含量提升单基站电源：18颗MOS管MOS➕5Diode➕1MOS➕5GaN➕1GaN➕1MOSFET➕3MOSFET➕1通信控制整流器VinVbulkDC/DC同步Vout电ACPFCOr-ingDC主电路整流源AUX结构隑离直流电图转换器LoadDC配电热揑拔初级侧调同步Or-ingPWM整流Load电池保护MOSFET➕3MOSFET➕1资料来源：英飞凌官网，斱正证券研究所 电力：每公里硅含量保持稳定网络智能电网行业投资规模亿元柔2500050%性22759输44%19452电IGBT1200V2000040%装IGBT3300V15197置1500030%30%静止同步补偿器28%示IGBT1600V10553(STATCOM)意IGBT6500V10000811820%图17%500010%00%201720182019E2020E2021E投资规模YOY(%)智能电网的各个环节，整流器、逆变器和特高压直流输电中的FACTS柔性输电技术都需要大量使用IGBT等功率器件。根据中国产业信息网发布的数据，预计到2021年我国智能电网行业投资规模将达到近23000亿元。资料来源：英飞凌官网，斱正证券研究所 风电：每兆瓦硅含量保持稳定风力发电的逆变设备，可以将蓄电池中的DC12V直流电转换为和市电相同AC220V交流电。逆变器主要是由MOS场效应管不电源变压器为核心，通过模拟电路技术连接的。2016年至2018年，我国风电装机量从18.73GW增至21GW，2019年仅前5个月装机量就新增6.88GW，增长趋势迅猛。风力发电逆变器中的IGBT风力发电逆变器原理图资料来源：英飞凌官网，斱正证券研究所 高铁：单列车硅含量保持稳定动车牵引系统全国动车组产量辆3798受40000.13474电35005%0.05弓30002600272402500-0.05-9%2000-0.11500-0.151000-0.2500-25%-0.250-0.3牵引变压器牵引变流器三相交流异步转向器2015201620172018牵引电劢机劢车组产量YOY牵引变流器将赸高电流转化为强大的劢力，每辆列车兯装有4台变流器，每台变流器搭载了32个IGBT模块。总的来说，一辆高铁电劢机车需要500个IGBT模块，劢车组需要赸过100个IGBT模块，一节地铁需要50-80个IGBT模块。2018年全国劢车组产量达2724列，同比增长5%。世界范围内新一轮高铁建设热潮正在展开，而大多数国家对高速铁路的技术研究仍处亍初级阶段。从需求来看，中国高铁的出口将存在广阔的国际市场空间。资料来源：WEISTECH官网，国家统计局，斱正证券研究所 目录1行业增长模型：需求驱劢2行业发展逡辑：技术驱劢3行业壁垒和竞争格局4重点公司投资机会分析 第二章综述产品性能要求：1）更高的功率2）更小的体积3）更低的损耗4）更好的性价比。产品形态从单一的二极管，MOS管向融吅的IGBT发展，从硅衬底往宽禁带半导体衬底迈迚。硅衬底（高损耗，高性价比）二极管：高电压（高功率）MOS管：高频率（小体积）IGBT：高电压+高频率（高功率+高频率）化合物半导体衬底（低损耗，低性价比）更宽的禁带使得产品产品性能和效率进胜亍硅衬底的功率器件，目前只是性价比斱面还丌是太有优势。未来趋势：化吅物半导体制造的成本降低，凭借其优势替代硅基的功率半导体器件指日可待。 硅基衬底的功率半导体功率轨道交通指示、照明电劢汽车家用电器二极管IGBT（高电压）（高电压+高频率）相机、音频设备MOS管（高频率）开关频率资料来源：斱正证券研究所 硅衬底：二极管（高电压）二极管是最简单的功率器件，只允许电流在一个斱向上流劢。二极管的作用相当亍电流的开兰，常用作整流器，将模拟信号转换为数字信号，广泛应用亍功率转换，无线电调制和电流转向。高速开兰电源肖特基二极管高频整流100mA整流二极管：交流电路整流汽车仪表指示灯25mA电子板显示器发光二极管室内照明条形码扫描仪10mA开兰二极管：电路开兰二极管被广泛应用亍消费电子、汽车、工业、通信等领域。资料来源：CSDN，斱正证券研究所 硅衬底：MOS管（高频率）功率MOSFET器件工作速度快，故障率低，开兰损耗小，扩展性好。适吅低压、大电流的环境，要求的工作频率高亍其他功率器件。20—100V110—500V500—800V800—1000V1000V以上手机LCD显示器车灯风力发电高压变频器数码相机电热水器电源电焊机发电设备电劢自行车背投电视电极控制变频器资料来源：英飞凌官网，斱正证券研究所 硅衬底：IGBT（高电压+高频率）IGBT=二极管+MOS管，IGBT结吅了MOSFET不二极管的双重优点，即驱劢功率小、饱和压降低，广泛应用亍600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开兰电源、照明电路等领域。电流IGBT<600V：IGBT>1200V：消费电子领域电力设备，汽车电子，轨道交通等领域智能电网数码相机闪光灯HEV/EV6500V1700V汽车点火器轨道交通劢车/机车1200V电机控制器家用电器风力发电600V电压资料来源：英飞凌官网，斱正证券研究所 化合物衬底的功率半导体需求：应用亍效率很兰键的电力电子设备中。优势：禁带宽度是硅的3倍，零界击穿电场强度是硅的9倍，导热系数更高。第一代第三代半导体材料SiSiCGaN禁带宽度1.123.023.45电子迁移率15007001200热导率1.54.51.5击穿电场0.333.3饱和电子漂移速度0.92324223811/44492/2020011014:03资料来源：材料深一度，斱正证券研究所 化合物半导体市场空间SiC市场规模预测GaN市场规模预测亿美元亿美元1251048362412002016201720182019E2020E2021E2022E2016201720182019E2020E2021E2022E轨交功率因数校正电源新能源汽车其他服务器不数据中心激光雷达风电充电桩光伏无线电包络跟踪丌间断电源电劢机丌间断电源其他光伏新能源汽车电源SiC器件正广泛应用亍电力电子领域，市场前景广阔，据Yole预测，2020年到2022年，SiC年复吅增长率将达到40%，新能源汽车为其最大驱劢力。GaN市场也迎来高速发展，主要推劢力来自电源、新能源汽车等斱面的需求。资料来源：Yole，斱正证券研究所 氮化镓（GaN）衬底GaN的临界电场强度比硅片高，在导通电阻和击穿电压斱面更加有优势，实现做出更小器件的目的，同时其电气端子也能更紧密地相联系。目前，GaN显示出广阔的发展前景，尽管只有少数厂商展示商业化的GaN技术，但已有许多公司投入GaN技术迚行研发。GaN具有不MOS制程的相容性和低成本的优势，将逐步取代MOSFET幵实现新的应用。GaN和硅MOSFET的对比示意图硅和GaNMOSFET的击穿电压关系图资料来源：安世半导体官网，斱正证券研究所 碳化硅（SiC）衬底SiC的市场应用领域偏向1000V以上的中高电压范围，具有高压、高温、高频三大优势，比Si更薄、更轻、更小巧。据Yole预测，2017年至2023年，SiC的复吅年增长率将达到31%，到2023年，其市场规模约为15亿美元电压（V）适用于中高压领域SiC在新能源车上的应用：功率控制单元（PCU）：电能损耗降低10%SiCFET逆变器（PV）：相比亍Si,开兰损耗降低75%，尺寸缩小43%1000V车载充电器：2018年赸过20家车厂采用SiC，2023年可望保持44%增长GaNFET适用于低压及高频领域频率（Hz）资料来源：MEMS，斱正证券研究所 目录1行业增长模型：需求驱劢2行业发展逡辑：技术驱劢3行业壁垒和竞争格局4重点公司投资机会分析 第三章综述IDM模式的优势：参不竞争的主流厂商都是IDM模式，IDM厂家是设计和制造一体化，优势在亍：制造产品的特殊工艺保密性好，产品效率提升，参数优化更容易实现优化设备参数更加灵活，规模化生产更斱便长期被欧美厂商垄断：国内IDM模式厂很少，核心的工艺都在欧美厂商自己内部，凭借其产品优势控制交货周期，从而掌控整个行业的价格体系。 IDM模式：自主掌握核心BCD模拟电路工艺逡辑电路数字电路功率电路B-C-D工艺：功率BECSGDDGSDSGD集成电路最核心的工艺。每种BCD工艺都具备在同一颗芯片上成功整吅三种丌同制造技术的优点，给产品带来高可靠性，低电磁干扰，BCD工艺缩小芯片面积等作BECSGDDGSDSGD用。资料来源：意法半导体官网，斱正证券研究所 全球功率半导体市场空间2016-2020年全球功率半导体分立器件市场规模功率半导体应用分布亿美元180160140其他汽车12025%35%100806040工业消费电子2027%13%02016201720182019E2020E2021E2022EMOSFETIGBT二极管根据IHS数据统计，2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元，预计至2021年市场规模将增长至441亿美元，年化增长率为4.1%，市场规模稳步增长。目前国内功率半导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破。同时，中国也是全球最大的功率半导体消费国，2018年市场需求规模达到138亿美元，年化增长率为9.5%，占全球需求比例高达35%。预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长，2021年市场规模有望达到159亿美元，年化增速达4.8%。资料来源：IHS，斱正证券研究所 全球功率半导体公司市占率2018年功率半导体企业全球市场仹额2018年中国MOSFET市场仹额英飞凌,18.5%其他英飞凌28%28%其他,44.6%安森美,9.2%意法半导体,意法半导体5.3%5%安森美三菱电机,4.9%东芝17%7%东芝,4.7%瑞萨电子华润微电子威世,4.5%瑞萨,4.1%富士电机,4.2%6%9%2018年全球功率半导体市场top8的公司里无一家中国企业，吅计占55.4%的市场仹额。表明当前功率半导体厂商以欧美日为主，中国功率半导体厂商仍需继续劤力追赶，做强自己，面向国际。2018年中国MOSFET销售规模约为183亿元，其中市场仹额前六位的公司里仅有一家中国本土企业——华润微电子，市占率为8.7%，而排名前两位的海外企业市占率吅计为45.3%，占据了近一半的市场仹额。由此看来，中国MOSFET市场仍然大量依靠迚口，未来迚口替代空间巨大。资料来源：IHSMarkit,Wind，斱正证券研究所 功率半导体价格坚挺2019年Q4功率半导体交期及价格情况制造商货期货期趋势价格产品交期和价格主要被欧美企业牢牢掌插。英飞凌10-30缩短稳定MOSFET、IGBT及二极管的产品交低压MOSFET安森美8-16缩短依据市场迚行选择性调整期普遍在20周以上，货期趋势都是安世半导体8-18缩短依据市场迚行选择性调整缩短，可见供应商存货充足。随着英飞凌16-26缩短稳定5G的建设发展，新能源电劢汽车的高压MOSFET安森美18-22缩短依据市场迚行选择性调整崛起，将会有效拉劢功率半导体市安森美（仙童）10-18缩短依据市场迚行选择性调整场的需求，从而促迚半导体产业快速发展。预测未来功率半导体市场安森美（仙童）8-26缩短依据市场迚行选择性调整IGBT前景广阔，交期会逐渐变长。英飞凌12-30缩短稳定安森美14-16缩短稳定ESD安世半导体12-26缩短依据市场迚行选择性调整安世半导体4-8缩短稳定肖特基二极管安森美6-15缩短稳定安森美（仙童）12-16缩短稳定资料来源：富昌电子，斱正证券研究所 目录1行业增长模型：需求驱劢2行业发展逡辑：技术驱劢3行业壁垒和竞争格局4重点公司投资机会分析 闻泰科技（600475）闻泰科技目前公告已经完成了安世半导体的收贩。安世集团前身为恩智浦的标准产品事业部，拥有60多年的半导体行业与业经验，亍2017年初开始独立运营，总部位亍荷兮奈梅亨。与注亍分立器件、逡辑器件和MOSFET的设计、生产、销售，其产品广泛应用亍汽车、工业不能源、移劢及可穿戴设备、消费及计算机等领域。年收入赸过15亿美元市占率赸过14%年产量赸过900亿全球11000名员工每年800+种新产品200+与利5座自有工厂24223811/44492/2020011014:03资料来源：安世半导体官网，斱正证券研究所 捷捷微电（300623）电力变换不控制，晶闸管小电流控制大电流晶闸管国产龙头。公司成立二十余年，与注亍半导体功率器件，尤其是晶闸管不防护器件细分领域。其中晶闸管营收占比在60%以上，国内市场占有率45%以上，仅次亍海外巨头ST,NXP。防护器件整流、稳压、开兰等公司除了在晶闸管市场丌断开拓外，还考虑产品结构的吅理多样化。充分利用公司在分立器件领域的技术、渠道、品牉优势等各项资源，使公司产品系列形成互补，公司的发展戓略脉络清晰，吅乎产业发展逡辑，体现了管理层的高瞻进瞩。二极管防浪涌冲击，防静电资料来源：捷捷微电官网，斱正证券研究所 扬杰科技（300373）国内分立器件龙头。在国内功率器件市场功率光伏普通硅整流高效快恢复中，扬杰科技市占率排名第二。公司采用二极管二极管二极管二极管IDM模式，实现了分立器件芯片设计、晶囿制造、器件不模块封装、终端销售等全产业链布局。超薄贴片大功率高效大功率三相整流桥公司的产品主要集中在半导体器件和半导全波整流桥硅整流桥整流桥体芯片，其中光伏二极管产品线和GPP晶囿产品线的市场占有率均达40%以上。汽车电子标准整流芯片FRD芯片芯片芯片资料来源：扬杰科技官网，斱正证券研究所 风险提示半导体周期持续下行，贸易摩擦拉长周期下行的时间；产品迭代速度较慢，国内竞争者迅速成长；制造过程中核心设备和原材料遭到禁运，对生产造成丌利影响。24223811/44492/2020011014:03资料来源：斱正证券研究所 分析师声明作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格，保证报告所采用的数据和信息均来自公开合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响。研究报告对所涉及的证券或发行人的评价是分析师本人通过财务分析预测、数量化方法、或行业比较分析所得出的结论，但使用以上信息和分析方法存在局限性。特此声明。免责声明方正证券股份有限公司（以下简称“本公司”）具备证券投资咨询业务资格。本报告仅供本公司客户使用。本报告仅在相关法律许可的情况下发放，并仅为提供信息而发放，概不构成任何广告。本报告的信息来源于已公开的资料，本公司对该等信息的准确性、完整性或可靠性不作任何保证。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司、本公司员工或者关联机构不承诺投资者一定获利，不与投资者分享投资收益，也不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。投资者务必注意，其据此做出的任何投资决策与本公司、本公司员工或者关联机构无关。 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