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行業新聞
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功率半導體是大國重器,戰略地位突出

在半導體產業中,功率半導體產值在 180-200 億美金。功率半導體是我國汽車工業、 高鐵、空調洗衣機、電網輸電等系統應用的上游核心零部件,戰略地位突出。

功率半導體產品形態多種多樣,幾乎所有與電力能源相關的產品都需要用到功率半導 體器件。按照年產值貢獻口徑,IGBT、MOSFET、二極管及整流橋是功率半導體最 主要的三個產品類別,占據功率半導體八成左右市場。

國家大基金秉承支持半導體產業戰略使命,功率半導體領域必將鼎力 支持集成電路國家大基金承擔著支持半導體產業發展的歷史使命。

功率半導體是半導 體產業中產值高達 200 億美金的大板塊,是關系著高鐵動力系統 、汽車動力系統、 消費及通訊電子系統等領域能否實現自主可控的核心零部件。功率半導體戰略地位突 出,國家大基金必將全力支持。

回顧過去 3 年國家大基金的投資歷史,集中投資行業細分龍頭企業是大基金一貫 始終的投資策略。

我們認為在資本助力下,我國功率半導體龍頭企業將加速整合海外 優質資源,加速向中高端市場邁進的進程。

行業格局解析:高端市場歐美日把控,中低端市場大陸廠商 站穩腳跟

IGBT 產業格局

全球功率半導體巨頭主要集中美國、歐洲、日本三個地區。大陸、臺灣地區廠商主要 集中在二極管、晶閘管、低壓 MOSFET 等低端功率器件領域,IGBT、中高壓 MOSFET等高端器件主要由歐美日廠商占據。

全球 IGBT 器件及模塊 2015 年銷售額 39.44 億美金,德國英飛凌及賽米控(semikron), 日本三菱及富士電機,美國仙童半導體基本把控了全球 IGBT 市場,前五大廠商占據 了 73.2%的市場份額。

MOSFET 產業格局

2015 年功率 MOSFET 市場產值達到 54.84 億美金,英飛凌、仙童半導體、日本瑞薩 電子、歐洲意法半導體、日本東芝等廠商占據了絕大部分市場份額,前五大廠商的市 場占有率合計達到了 60.1%。

二極管產業格局

據世界半導體貿易組織數據,全球功率二極管及整流橋市場容量約為 368 億元人民幣。IGBT 及 MOSFET 市場相對集中,而功率二極管及整流橋產業市場格局相對分散, 從分散走向集中是大勢所趨。

二極管及整 流橋的芯片制造環節具有明 顯的規模效應, 我們認為龍頭企業規模擴大后會擠占掉小型廠商的生存空間,實現更高的行業市占率 和集中度。

產業趨勢一:功率器件供需緊張,產業進入前所未有的景氣周 期

半導體全產業鏈進入景氣周期

今年,半導體產業呈現出全產業鏈景氣的態勢,從上游設備材料、中游芯片制造、到 終端芯片器件成品,訂單量均出現遠超往年的增長速度。

Gartner 預測今年全球半導 體產值將達到 4014 億美金,產值首次突破 4000 億美金大關。

MOSFET 率先上調價格,吹響功率器件價格周期集結號

今年 9 月,國內 MOSFET 大廠率先上調價格,長電科技對旗下所有 MOSFET 產品價格全面上調 20%,隨后深圳德普微電子上調 MOSFET 產品價格。 此輪漲價主要有兩方面原因。

一是今年半導體上游材料硅片價格上漲使得下游芯片成本上升,器件廠商不得不漲價 維持利潤。

二是應用于汽車的功率器件用量大幅上升,功率器件整體市場需求超預期,造成供需 缺口。

二極管及整流橋訂單出貨量比值上升至歷史高峰,交貨期大幅延長

功率二極管市場供給緊張,行業龍頭交貨期大幅延長。

從今年二季度開始,Visahy的訂單量暴增,訂單出貨量比值達到 1.22,三季度 Vishay 訂單出貨比值進一步攀升 至 1.44,中高端二極管市場進入前所未有的景氣周期。

目前行業龍頭廠商 Vishay 今年二季度的二極管交貨期已經拉長至 5.8 個月,遠遠高 于 2 個月左右的正常交貨期。

行業巨頭芯片產能調整,進一步加大供需缺口

二極管行業巨頭達爾科技(Diodes)在今年三季度關閉了美國芯片制造工廠 Kfab,所需要的芯片缺口將通過外購方式獲得,巨頭的產能調整進一步加大了供需缺口。

產業趨勢二:電動化趨勢下,汽車功率器件用量翻倍

汽車功率半導體 ASP 翻倍

電動化趨勢下,汽車半導體用量翻倍以上的增長。根據 strategic analysis 數據,傳統 燃油車的半導體用量為 338 美金單輛車,電動汽車的半導體用量達到了 704 美金, 增長幅度達到 108%。電動車新增的半導體用量集中在功率器件產品,單輛汽車將新 增 282 美金的功率器件用量。

功率器件在單輛車的半導體用量占比從汽油車的 21%提升至電動車的 55%。

增量一:電機控制系統新增大量功率器件應用

電動汽車新增大量 IGBT 功率器件應用。TESLA model S 車型使用的三相異步電機驅 動,其中每一相的驅動控制需要使用 28 顆塑封的 IGBT 芯片,三相共需要使用 84 顆IGBT 芯片。

Model s 中的 P85D 車型采用峰值功率 310KW 的交流感應電機,峰值電 流達到 1200 安培,性能要求較高,目前僅有幾家國際巨頭廠商具有生產能力。

Tesla P85D 采用的 IGBT 芯片來自 international rectifier。

增量二:充電樁、汽車充電器新增大量功率器件需求

充電樁及汽車充電器(charger on board,每輛車一個)是電動化趨勢下完全新增的功率器件,是動力總成以外的功率半導體增長的主要驅動力之一。

現階段,主流直流充電樁的功率在 60kw 和 120kw,如果采用 15kw 的功率模塊,則 需要 4 個或 8 個功率模塊。

目前充電樁的功率模塊有兩種解決方案,一是采用MOSFET 芯片,另一種是采用 IGBT 芯片。

另外汽車上會配置一顆板上充電器 (charger on board)用于管理充電過程。

產業趨勢三:二極管、晶閘管進口替代率持續上升,MOSFET、IGBT 進口替代剛剛起步

進口替代空間巨大

目前國內廠商市占率不足 1%,國產替代空間巨大。根據 WSTS(全球半導體貿易統 計協會)數據,全球功率分立器件市場容量 2016 年為 187 億美金。

目前以揚杰科技、 捷捷微電為代表的功率半導體龍頭企業市場占有率不到 1%,進口替代的空間巨大。

功率半導體主要市場在中國,國產品牌替代率上升是大勢所趨

中國是功率半導體最大的市場,國內廠商與下游客戶的距離更近,與本土客戶的溝通 交流更加順暢,能夠對客戶的需求做出更加快速的響應。

功率二極管國際一線品牌廠 商達爾科技 58%的收入來自中國,功率器件領導品牌 NXP 有 41%的收入來自中國。

目前二極管及中低壓 MOSFET 等成熟產品線,國外廠商占據著大部分市場份額。相 比國外廠商,國內廠商 在服務響應客戶需求,降低成本等方面具 有競爭優勢,功率器 件 國產品牌替代率逐漸上升是大勢所趨。

大陸本土廠商成本領先,盈利能力遠遠高于海外廠商

在成熟產品線領域,大陸廠商具有成本優勢。

二極管產品線,大陸龍頭廠商揚杰科技 的盈利能力遠遠高于臺系廠商。

歐美功率器件廠商的產能分布在全球各地,一般來說前段芯片制造制程產能主要分布 在歐美地區,后段封裝制程則主要分布在菲律賓、馬來西亞、中國大陸等地區。

在二 極管等產品線上,前后段制程的區域分割 使得海外廠商對客戶的產品 需求響應較慢, 而大陸廠商芯片、封裝、銷售集中在某一區域,能為客戶提供更好的技術服務。

產業趨勢四:碳化硅技術革命將重塑行業格局,國內廠商有 望彎道超車

碳化硅器件優勢明顯,是下一代功率半導體發展方向

回顧功率半導體的發展歷史,技術進步不斷誕生新型的功率器件。1957 年美國通用 電氣研制出世界上第一只晶閘管,開啟了功率半導體產業發展的序幕。

六十到七十年 代是晶閘管統治功率器件的全盛時代;八十年代晶閘管與 MOSFET 共同主導了功率 器件市場;到九十年代,晶閘管逐步讓位于 MOSFET 及 IGBT,中小功率應用 MOSFET開始主導市場, IGBT 則統治了中大功率應用。

碳化硅和氮化鎵是下一代功率半導體的核心技術方向。碳化硅器件的效率、功率密度 等性能遠遠高于當前市場主流產品。

受制于成本因素,碳化硅功率器件市場滲透率不 到 1%。我們判斷技術進步將推動碳化硅成本快速下降,中長期看碳化硅器件將會是 功率半導體的市場主流產品。

目前碳化硅器件主要用于 600 伏及以上的應用領域,特別是一些對能量效率和空間尺 寸要求較高的應用,如電動汽車充電裝置、電動汽車動力總成、光伏微型逆變器領域 等應用。

碳化硅重在中大功率,氮化鎵重在中小功率碳化硅、氮化鎵在應用領域上略有區分,碳化硅的優勢應用領域集中在中大功率應用,而氮化鎵集中在中小功率應用。

碳化硅成本不斷下降,滲透率將持續提升

2012 年碳化硅二極管的成本是硅基肖特基二極管的 5-7 倍,碳化硅 MOSFET 是硅基MOSFET 成本的 10-15 倍。經過 3 年時間,碳化硅二極管的價格下降了 35%,碳化 硅 MOSFET 的價格下降了 50%。

功率半導體:大國重器,戰略性投資機遇時不我待

我們認為碳化硅成本將持續下降,驅動成本下降的主要有以下幾個因素。

(1)4 寸線向 6 寸線遷移的過程降低 20-40%成本。

(2)碳化硅外延片技術在持續進步,顆粒污染等缺陷率在持續下 降,推動芯片良率 大幅上升。

(3)隨著規模的擴大和經驗的積累,碳化硅芯片制程工藝日益成 熟,制造的良率在 持續提升

目前碳化硅、氮化鎵產品的成本相對較高 ,應用領域受限于一些性能 要求高的領域。 整體來看,碳化硅器件的良率和硅工藝有著明顯的差距。

汽車應用將推動碳化硅滲透率快速上升

汽車應用領域,碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。碳化硅功率器件的應用領 域在持續的拓展。

早期碳化硅主要應用于功率校正電路(power factor correction 電 路),目前量產應用領域已經拓展至光伏逆變器、汽車車載充電機(onboard charger)。

預計 2019-2020 年,電動車動力系統將導入碳化硅功率器件,進一步拓寬量產應用 領域。

目前 Tier-1 汽車供應鏈企業都在嘗試導入碳化硅,積極開展碳化硅功率器件的測試工 作。豐田在 2015 年 2 月啟動了碳化硅功率器件的實車測試工作,路測原型車在 PCU的升壓轉換器和電機控制逆變器搭載了碳化硅功率器件。

據產業鏈調研信息,比亞迪 已經在電動車車載充電機(charger on board)導入碳化硅功率器件。

國內產業鏈初具雛形碳化硅產業鏈可分為三個產業環節,一是上游襯底,二是中游外延片,三是下游器件制造。

國外供應鏈體系主要有:

襯底:Cree、Rohm、EPISIL

EPI 外延片:Cree、Rohm、英飛凌、GE、三菱 器件:英飛凌、Cree、Rohm、意法半導體、美高森美、GenSiC、三菱

碳化硅器件方面,國際上碳化硅 SBD、碳化硅 MOSFET 均已實現量產,產品耐壓范 圍 600v-1700v,單芯片電流超過 50A。

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