欧美日把持下的功率器件市场

近年来,万物互联的呼声越来越高,交通工具,新能源领域,通信设备,以及消费级产品等,都在不断提高电子化水平。

本文源自 微信公众号“半导体行业观察”。

近年来,万物互联的呼声越来越高,交通工具,新能源领域,通信设备,以及消费级产品等,都在不断提高电子化水平,其中又以新能源汽车的高度电子化最为引人注目;与此同时,工业、电网等传统行业也在加速电子化进程。几乎全行业的电子化发展,大大增加了对功率半导体器件的需求。

根据英飞凌和IHS等机构的预测,各类电动汽车销量有望从 2018 年的不足 500 万辆增长至 2030 年的近 6000 万辆,增幅为10倍以上,带动汽车功率半导体市场高速发展。

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功率半导体简介

功率半导体器件(PowerSemiconductorDevice)特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频率;功率控制指控制输入和输出的功率大小。

概括来说,功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路(即PowerIC,简写为PIC,又称为功率IC)和分立器件三大类;其中,功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装;功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成;而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

功率半导体器件从早期简单的二极管逐渐向高性能、集成化方向发展,自上世纪80年代起,功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。其中IGBT经历了器件纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺等7次技术演进,目前可承受电压能力从第四代的3000V跃升到了第七代的6500V,并且实现了高频化(10-100kHz)应用。

目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供,他们凭借先进的技术和生产制造工艺,以及领先的品质管理体系,大约占据了全球60%的市场份额。英飞凌、意法半导体等不仅是欧洲的代表企业,更在全球名列前茅;美国则有安森美、威世、力特等为其扬名立万;日本也是功率半导体器件的主要玩家,瑞萨、东芝、富士电机、罗姆闻名全球。

具体来看各大功率半导体厂商的经营情况,据Yole调查,2019年的功率半导体市场(离散元件和模组)上各家厂家的销售额排名如下:

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四平八稳的欧洲厂商

首先来看前三强,分别是英飞凌、安森美以及意法半导体。其中欧洲厂商占据了两个位置。在近两年变局丛生的半导体行业中,欧洲半导体业始终处于相对平稳的局面。英飞凌和ST无论是营收,还是全球排名,相对于美国和亚洲厂商来讲,波动很小。但在功率半导体领域,欧洲半导体厂商实力依旧十分强横。

英飞凌

德国的英飞凌(Infineon Technologies)处于绝对领先地位。根据IHS Market的数据显示,英飞凌的功率半导体业务在2018年的 市场 份额高达19.9%,而这部分业务也占了公司总营收的68%。据中泰电子团队的统计显示,2003年以来,功率半导体复合年增长率为4.2%,英飞凌功率半导体收入复合年增长率为11.0%,增速远高于行业平均水平,市场份额不断增长。英飞凌也曾在其IFX Day 2018上表示,功率半导体业务的快速增长带动了集团收入的整体增长。

4月16日,英飞凌宣布完成对赛普拉斯半导体公司的收购。总部位于圣何塞的赛普拉斯即日起将正式并入英飞凌。收购完成后,英飞凌将成为全球十大半导体制造商之一。在细分市场领域,英飞凌不仅将继续保持其在功率半导体和安全控制器领域的全球领导地位,还将跃居成为全球第一的车用半导体供应商。

意法半导体

第三名为意法半导体(STM.US),意法半导体是欧洲三大半导体厂商之一,主要出品MCU、模拟芯片和电源转换芯片,分立器件、手机相机模块和车用集成电路等。

2020年3月初,意法半导体宣布,已经签署收购法国氮化镓(GaN)创新企业Exagan公司的多数股权的并购协议。Exagan的外延工艺、产品开发和应用经验将拓宽并推进意法半导体的汽车、工业和消费用功率GaN的开发规划和业务。Exagan将继续执行现有产品开发规划,意法半导体将为其部署产品提供支持。

另外在2019年,意法半导体完成了对瑞典碳化硅晶圆制造商Norstel AB 的整体收购。在意法半导体和 Norstel 进行业务整合之后,整个碳化硅的前景光明,这也是未来它们合作的方向。据相关工作人员表示,150mm 碳化硅裸片和外延片 200mm 晶圆是未来的重点研究领域,以应对日益增长的汽车和工业市场。

这两家公司都计划未来继续扩产(或者刚刚进行了扩产)。以英飞凌为例,2019年2月,英飞凌公布财报,提及扩大委外代工及新建 12 吋功率半导体厂计划。今年美国时间2月5日,英飞凌又在FY1Q20财报提及——他们原计划是将在年前暂时关闭德国的德累斯顿和马来西亚的库林工厂,为期两周,但因为近段时间市场的变化,让英飞凌放弃了这个计划。英飞凌作为功率半导体领域的翘楚,从他对其工厂的计划调整上看,该举动或许暗示着,功率半导体市场的春天就要到了。

在前15的排名中,还有位于12名的SEMIKRON(赛米控)和15名的BOSCH(博世集团)这两家企业。

赛米控是全球的功率模块和系统制造商之一,产品主要包括IGBT,二极管,可控硅。赛米控的产品是现代节能型电机驱动器和工业自动化系统中的核心器件。其它应用领域包括电源、可再生能源(风能和太阳能发电)和电动车(私家车、厢式货车、公交车、卡车、叉车等)。借助SEMIKRON的创新型电力电子功率产品,我们的客户可以开发出更小、更节能的电力电子功率系统。。而此类系统也可相应地减少全球能源需求。

博世集团是全球领先的技术和服务供应商。业务划分为四个业务领域,涵盖汽车与智能交通技术、工业技术、消费品以及能源与建筑技术领域。作为全球领先的物联网企业,博世为智能家居、智慧城市、互联交通和互联工业提供创新的解决方案。

博世同时也是一家半导体公司。博世在半导体领域主要有三大类产品,一是MEMS,这也是目前博世出货量最多的一款产品,包括惯性、角速度、压力传感器,可以用在消费领域和汽车领域;二是集成电路,也就是我们说的IC(integrated circuit)或者是ASICS,是专用系统芯片和传感器,用在特定的汽车应用中。目前为止,这部分的产品主要还是对内使用;三是功率半导体,它包括传统硅基的IGBT和碳化硅功率半导体,前者主要打包成系统产品对外出售,后者则是计划会直接对外销售。

博世于2019年10月正式宣布开展碳化硅的相关业务,并在德国罗伊特林根建有一条车规级生产线。预计裸芯片会在2021年的年底上市,分立器件MOSFET大概会在2022年初上市。这两种产品都将基于对客户的需求进行匹配。

强大的美国厂商

功率半导体领域的另一强者就是美国厂商,从市场竞争格局来看,美国功率器件处于世界领先地位,拥有一批具有全球影响力的厂商,例如安森美(ON.US)、威世(VSH.US) 、littelfuse(LFUS.US)、Diodes(DIOD.US) 、AOS(万国半导体)等厂商。

安森美

位于第二名的安森美(ON Semicondsuctor)是领先的半导体供应商,提供全面的功率器件,包括MOSFET、IGBT、二极管、宽带隙(WBG)等分立器件及智能(IPM)等功率模块,尤其在收购Fairchild半导体后,是全球第二大功率分立器件半导体供应商,在IGBT领域有着不可比拟的优势,提供同类最佳的IGBT技术和最宽广的IGBT产品阵容。

2019年4月22日,安森美和格芯半导体(GLOBALFOUNDRIES)联合宣布,双方已经就安森美半导体收购格芯半导体位于纽约东菲什基尔(East Fishkill)的300毫米晶圆厂(格芯半导体工厂内部编号Fab 10)达成最终收购协议,将凭借先进的CMOS功能,提升MOSFET和IGBT的生产品质。

威世

威世(VSH.US)则排名第四,是一家分立半导体和无源元件的全球领先的制造商和供应商。威世成立于1962年,公司开始以箔电阻及箔电阻应变计作为其最初产品系列开展经营。1985年,Vishay开始了一系列战略收购以使自己成为可提供广泛电子元件的制造商。

威世生产多种分立半导体器件。这些产品通常执行单一功能,如开关、放大、整流或传输电信号。此外,Vishay还生产某些IC,这些IC在单个芯片上结合了多个器件的功能,同时,还生产在一个封装内包含多个器件的模块。Vishay半导体产品包括MOSFET(低压、中压和高压)、IC(功率和模拟)、各种二极管和整流器,以及多种不同种类的光电器件。

达尔

1959年成立于美国德州的达尔(Diodes),是全球分离式IC元件的老厂,看好来自包括车用、工业及物联网将带动功率半导体元件市场长期需求成长,在美中贸易战未爆发前,达尔在三年前就拟定全方位的战略,不仅要积极抢进车用元件市场,并拟定明确目标,要在2025年达到25亿美元营收、并以40%的毛利率达到十亿美元的营业毛利。2019年,达尔宣布并购台湾分离式大厂敦南。

力特

力特(littelfuse)作为全球排名第1的电路保护品牌,力特提供种类最多、范围最广的电路保护产品组合,以及由拥有80多年应用设计经验的技术专家组成的全球网络。

2018年1月18日,力特宣布完成对艾赛斯(IXYS)的收购。这起力特历史上最大的一起收购(约7.5亿美元),也是功率器件领域少有的原厂并购案,功率半导体行业迎来了一个更强大的市场参与者。力特业务范围将横跨传感器、电路保护、功率器件、MCU四大市场。

万国半导体

万国半导体为集设计、开发与销售为一体的功率半导体供应商,提供广泛的功率半导体产品线,包括完整的功率MOSFET和电源管理IC产品系列。

近年来万国半导体的新产品研发重点放在5G基站电源、数据中心电源、新能源车充电桩、太阳能逆变器需要的产品上,包括大功率Super Junction高压MOSFET、高效率SGT中压MOSFET、POL用的低压MOSFET、Power Stage的技术平台,以及高功率密度的新型封装。

依旧坚挺的日本企业

就日本企业而言,日本功率半导体企业在全球份额十分耀眼,三菱电机(Mitsubishi),罗姆(ROHM),东芝(Toshiba),瑞萨电子(Renesas),富士电机(Fuji Electric),分列2019年的功率半导体市场(离散元件和模组)销售额排名的前五-九名。

虽然日本半导体产业近年来有衰落趋势,但是在功率半导体方面,日系企业占据了40%左右的比例,IGBT领域,三菱电机和富士电机十分强势。低电压带,ON Semi(安森美半导体)位居第一,可是从600V~1700V的领域,英飞凌公司占据主导地位;在2500V以上,三菱和富士电机份额很大。

眼前日本占据全球较大的份额,日本各大厂家并未放松对于未来的规划。

富士电机

富士电机自创业以来已有90余年,在这悠久的历史中,富士电机不断革新能源技术,在产业和社会领域中为世界作出巨大贡献。

富士电机发表了2023年的中期计划,在中期计划中显示2023年度营业额超过1兆日元,营业利益800亿日元,未来富士电机将会重点投资功率半导体领域,2019年~2023年预计每年平均投资达到400~500亿日元。富士电机是丰田系企业之一,大多面向丰田。该公司在2015年度投资74亿日元,2016年度投资89亿日元,2017年度投资达到111亿日元,每年都在小幅度的提升。但是2018年度投资达到332亿日元,是为了加大EV汽车功率半导体量产计划。在IGBT和二极管领域,继续单核化;也在推进沟槽型MOSFET的量产。

三菱电机

三菱电机集团是全球领先的技术企业,面向楼宇,工厂,家庭等展开多样化服务,包括空调冷热系统,电力设备,社会公共设施及企业可视化节能系统等。

作为世界IGBT王者的三菱电机,三菱电机近年的投资有所减少。2013年度,三菱电机投资了360亿日元,2014年度以后,每年保持在100~165亿日元的投资水平。目前三菱电机的基本理念是规避投资风险,资源外包。2019年3月期,三菱电机在半导体领域的销售额大约为2000亿日元,是日本第八位。但是值得注意的是,2018年度三菱电机果断投资552亿日元,转为积极态度。其背景是该公司的SiC功率半导体开发完成。

罗姆

罗姆可以说完全是以SiC为主要武器,该公司在2016年度投资421亿日元,2017年度投资559亿日元,2018年度投资780亿日元。在福冈县筑后修建新工厂,在宫崎工厂建设新导入新产线。其目标是,2021年达到现有生产能力的3倍,月产12000枚(按照6英寸换算)。ROHM内部,其实已经有人提出在SiC领域,超过Wolfspeed成为世界第一的口号。ROHM在未来三年预计投资2500亿日元,从瑞萨手中买来的滋贺县工厂也将投入8英寸产线。

东芝

东芝创立于1875年7月,原名东京芝浦电气株式会社,1939年由东京电气株式会社和芝浦制作所合并而成。

日前,东芝也预计扩大8英寸的生产线,企图打造一个具有月产15万枚,以IGBT为核心的业务线。提出2021年在分立型半导体元件上的销售额达到2000亿日元的目标!

不过,某位业界相关人士表示,这些日本功率半导体厂家(包括排名之外的其他中小企业)虽然已经公布了企业的经营方针,但并没有M&A的征兆,照此发展下去,很有可能被增长迅速的中国功率半导体厂家夺去市场份额。

国内现状

看向中国,位于第13位的安世半导体是中国唯一一家进入前15的厂商。安世半导体为整合器件制造企业(Integrated Device Manufacture,即IDM),拥有自己的设计、制造及封装工厂,2018全年生产总量超过1000亿颗稳居全球第一,在模拟半导体领域实力强大,旗下产品涉及极具发展潜力的5G移动通信、智能汽车、物联网等热门领域。2019年,安世半导体还在全球率先开始批量交付氮化镓GaN的功率半导体产品GaN FET,成为行业内唯一量产交付客户的化合物功率半导体公司。

2019年6月份,中国闻泰集团斥资268亿收购荷兰安世半导体(Nexperia)的交易被证监会批准,中国史上最大规模的半导体收购案正式完成。日前安世半导体董事会完成了改选及相应的变更,闻泰科技董事长张学政正式就任安世半导体董事长。

总体来看,目前国内功率半导体具有近千亿市场,但国产化率却不足50%。根据 IHS 的统计,2019 年全球功率半导体市场规模为 404 亿美元,其中,中国市场规模为144亿美元,占全球市场约 36%的份额。

从收入体量来看,海外功率半导体领先厂商英飞凌和安森美 2019 年收入规模在大概 600 亿和 400 亿元人民币,而国内收入规模领先的功率半导体代工厂华虹半导体和IDM厂商华润微2019年收入规模在60亿元上下,相较海外厂商具有较大差距。

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Yole的Power&Wireless部门的科技和市场分析师Anna Villamors认为就元件模组而言,中国依旧十分依赖海外供应链:“中国是某几种功率半导体应用的领导者,比亚迪股份(01211)、华为、中国中车股份有限公司(01766)、阳光电源股份有限公司(Sungrow)等中国企业是引领全球的功率半导体客户。就功率电子设备的生产而言,中国依然极其依赖英飞凌、富士电机、三菱电机等海外供应商。的确,中国是电动汽车、混合动力汽车的最大市场,但是海外供应链仍为中国的大部分系统提供功率半导体模组。”

但差距也意味着机会,功率半导体下游的汽车、工控、家电等领域细分市场增长迅速,国内诸如华润微等厂商已开始积极布局家电、工控和汽车领域的应用,斯达半导体的 IGBT 产品已在汽车领域大规模应用。

不仅如此,功率半导体的特性也为中国厂商制造了机会。功率半导体技术更迭慢。功率半导体分立器件的技术迭代主要通过结构升级、制程缩小、工艺进步 以及材料更迭。由于功率半导体并不追求逻辑运算能力,同时要考虑不同结构、工艺的成本,因此与数字芯片相比,功率半导体在结构、制程、工艺上的迭代速度相对较慢。

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功率半导体产品的生命周期也比较长,以英飞凌 IGBT 产品为例,该产品已升级至第七代,但诞生于 2007 年的 IGBT4 仍是目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术,电压范围 600V,1200V,1700V 的各种应用 中都可以见到它的身影,更早诞生于 2000 年的 IGBT3 在 3300V,4500V,6500V 等高压领域依 然占主导地位。

因此对于中国厂商来说,较容易实现技术追赶。相对较长的产品生命周期给予技术落后于国际巨头的中国企业提供了较长的追赶期,更容易实现国产替代。

而国内的功率半导体企业也在努力强化功率电子元件的国产化,以改变现状。Yole认为,中国的功率模组、半导体厂家的占比也在增长,且元件的质量、性能也在提高,因此中美贸易摩擦反而是促进了中国的功率半导体国产化。

总结

自去年以来,全球各国及企业在第三代半导体技术研发及投资等方面均呈现高增长态势,我国本土功率半导体厂商亦早已大力布局以期抢占高地,包括安世半导体、士兰微、华润微、华微电子、扬杰科技等。

随着新基建、第三代半导体发展以及中美贸易背景下的国产替代加速等,我国功率半导体产业正迎来发展佳期。

(编辑:赵锦彬)

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