功率IC产品的技术门槛分析

功率IC产品的技术门槛分析 一、 功率IC产品的技术门槛 功率IC产品属于模拟IC的一种，在产品研发设计时需要在速度、功耗、增益、精度、电源电压、工艺、工作温度、噪声、面积等多种因素间进行考量。功率IC产品内部由多种功能模块电路构成，内部集成的功能模块有高精度低温漂的电压基准源、电流基准源、线性稳压器、高频振荡器、输出驱动模块及各种保护模块，需要充分考虑噪声、串扰等在各功能模块间的影响，每个功能模块电路均会影响到功率IC的性能指标，影响功率IC产品的研发速度和成功率，版图的布局布线的复杂度较高。因此对于功率IC设计企业来讲，需要相对专业资深的设计团队，不断进行功能模块IP电路的验证和储备，才能打磨出高性能的功率IC产品。 功率IC产品集成了低压CMOS、中压CMOS、高压CMOS、LDMOS、双极器件、各种阻容等多种器件，需采用高压BCD工艺来进行设计研发。由于功率IC产品的市场需求多样，晶圆代工厂提供的BCD工艺平台往往无法完全满足产品设计的要求，因此IC设计企业需同时具备工艺和器件的研发能力，能够针对线路设计过程中的需求开发功率IC产品所需要的工艺平台。高压BCD工艺层次多，器件结构复杂，对功率IC产品研发提出较高的要求。 PWM控制IC可用于AC-DC或隔离式DC-DC开关电源模块。为满足不同应用场景的性能指标要求，开关电源模块的拓扑结构较多，可以分为反激、正激、推挽、半桥、全桥、移相全桥等，针对不同功率的应用场景需采用不同的拓扑结构，不同拓扑结构的研发难度亦有所不同。面对多样化的下游需求，设计企业需具备较多PWM控制IC拓扑结构研发能力和对应的工艺平台开发能力。 开关频率的高低影响到开关电源系统的功率密度。开关频率高，则可以减小磁性元件、容性元件等无源器件的尺寸和体积，从而降低电源系统的重量和体积，但系统体积减小，则带来热管理问题。因此在提高开关频率的同时，还要确保系统高的工作效率，降低热损耗。 栅极驱动IC内部电路工作在100~600V的高压下，产品损耗和传输延时之间呈现负相关关系，即传输延迟越小，损耗越大，限制了产品的工作频率。因此，栅极驱动IC需解决如何在高工作频率、低损耗的前提下，实现低传输延迟。 电机驱动系统需在极强扭矩的场合下工作，因此栅极驱动IC需保证在短时间内能够工作在100%占空比下，使高边功率器件持续导通，输出强功率，对栅极驱动IC的线路设计提出较高的要求。 栅极驱动IC的高边电路的地电平为浮地，该电平会在负电平、零电压电平和高压驱动母线电平之间来回跳变，在浮地电平跳变过程中，驱动IC的电平位移电路和驱动输出电路需具有高的抗dv/dt和负压能力，保证输出信号的正确性，这就要求研发团队兼具版图设计和工艺平台开发的能力。 二、 中国功率半导体行业政策背景：政策加持，全力布局推动行业发展 由于功率半导体具有巨大的国内和国际市场，且在产业结构升级、节能减排等领域发挥着不可替代的重要作用，为了鼓励国内功率半导体产业的发展，打破国外企业在此领域的垄断，增强科技创新能力，推进节能降耗，建设资源节约型和环境友好型社会，近年来，国家相关部门制订了一系列政策以鼓励、支持、促进国内功率半导体行业的发展。 信息技术产业是关系国民经济安全和发展的战略性、基础性、先导性产业，也是世界主要国家高度重视、全力布局的竞争高地。电子元器件是支撑信息技术产业发展的基石，也是保障产业链供应链安全稳定的关键。2021年1月中国工信部发布了《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》，支持国内功率半导体器件的发展，提出到2023年，电子元器件销售总额达到21000亿元，形成一批具有国际竞争优势的电子元器件企业，力争15家企业营收规模突破100亿元。 三、 功率半导体上游 功率半导体上游为原材料，包括硅片（研磨片、抛光片和外延片）、钼片、引线框架、管壳及散热器等，涉及材料工业、装备制造业、化学工业等行业，原材料价格直接影响到下游企业整体成本。功率半导体下游应用广泛，几乎涵盖所有电子制造业，包括为消费电子、工业控制、电力传输和新能源等领域。 四、 中国功率半导体行业发展历程：行业处在突飞猛进阶段 功率半导体行业是电子产业发展的基础性产业，全球功率半导体行业发展起源于20世纪30年代的贝尔实验室，1938年，贝尔实验室的WalterSchottky以半导体与金属表面存在稳定的空间电荷区解释了金属半导体之间的非线性电流传输现象，肖特基二极管也因此得名。自此之后，全球功率半导体行业不断发展进步。相对于发达国家，中国的功率半导体行业发展起步相对较晚，其发展大致可划分以下为四个阶段：拓荒时代、本土联盟、结构性变革和。 五、 中国功率半导体行业发展现状分析 （一）中国功率半导体市场需求高景气，代表企业产品销量逐年增长 中国是全球功率半导体最大需求国，新能源光伏发展有望带动比重进一步提升。随着工业控制、通信和消费电子等核心下游不断往国内转移，中国已成长为全球最大的功率半导体需求国之一。功率半导体用于所有电力电子领域，应用范围涵盖电源管理、计算机及外设设备、通信、消费电子、汽车电子、工业控制等多个领域。传统市场成熟稳定且增速缓慢。行业发展主要依靠新兴领域如新能源汽车、可再生能源发电、变频家电等带来的巨大需求缺口。 整体来看，2018年以来，随着国内经济结构转型升级，物联网、新能源、新材料、节能环保和新一代通信网络等新兴行业强力发展，推动了我国电子制造产业快速回升，大大拉升了对上游功率半导体产品的需求。功率半导体代表性企业逐步扩大生产规模，随着公司与既有客户的合作关系日趋稳固，以及公司不断打开新的市场，产品销量同步呈不断提高的趋势。 自2020年下半年起，国内功率半导体需求呈现高景气特征，叠加产能不足因素，供求出现显著错配。自2020年11月以来，相关功率半导体龙头公司纷纷宣布提价。2021年2月，士兰微发布部分产品品类涨价通知，包括MOS类、IGBT、SBD、FRD、功率对管等。另外，瑞萨火灾等意外事件也使得本已紧张的全球产能更加吃紧。 （二）中国功率半导体行业进出口总额整体呈增长趋势，贸易逆差波动变化 近年来，我国功率半导体制造进出口贸易情况总体较好，2017-2021年进出口总额呈波动上升态势，2021年为309．44亿美元，较2020年增长27．88%。其中，进口金额为18．35亿美元，出口金额为12．59亿美元，贸易逆差为5．76亿美元。 从中国功率半导体行业进口来源地的金额占比来看，中国保税区、马来西亚、日本、菲律宾、台澎金马关税区、德国、韩国、匈牙利、泰国、墨西哥、马来西亚是我国功率半导体行业的前十大进口来源地，进口金额的占比分别为49．49%、11．43%、7．52%、5．90%、、5．75%、3．67%、3．44%、2．85%、2．47%、1．38%、0．44%。 从中国功率半导体制造行业出口地的金额占比来看，中国香港、新加坡、德国、台澎金马关税区、日本、美国、韩国、越南、印度、泰国是我国功率半导体制造行业的前十大出口地，出口金额占比分别为18．37%、12．91%、9．75%、5．19%、4．29%、3．26%、2．45%、2．21%、1．91%和1．81%。尤其是对中国香港的出口金额，占据了我国功率半导体制造行业出口金额的58．28%，是功率半导体行业的主要出口地。 （三）中国功率半导体市场规模波动变化 新能源汽车、风电、光伏等应用市场容量持续扩张，以及第三代半导体技术升级，推动功率半导体市场规模持续增长。根据Omdia数据，2018年全球功率器件市场规模约为481亿美元，年复合增长率达到9．1%，我国功率半导体市场规模达到183亿美元，占全球需求比例高达38%。2019年贸易摩擦干扰整体市场收入略微下降至177亿美元，2020年受疫情对终端需求短期的影响，根据Omdia的统计，中国功率半导体市场规模相对2019年同比下降2．8%左右至172亿美元。 2021年汽车、消费类电子等抑制性需求释放将带动功率半导体市场整体迎来复苏，随着疫情后企业复工复产有序开展，初步核算2021年中国功率半导体市场规模或反弹至183亿美元，同比增长6．3%。 六、 中国功率半导体行业竞争格局分析 根据全国乘用车联合会监测零售数据显示，2021年我国新能源乘用车销量前十城市份额占全国的40%，其中北上广深四大一线城市包揽全国新能源汽车销量前四名。上海市是唯一新能源汽车销量突破20万辆的城市，成为2021年全国销量第一的城市，其销量达24．08万辆。深圳市、北京市、广州市和杭州市的新能源汽车销量均超过10万辆，分别为14．9万辆、13．08万辆、12．16万辆和11．95万辆。 我国功率半导体市场呈现金字塔格局，第一梯队为国际大型半导体公司，凭借先进技术占据优势地位;第二梯队为国内少数具备IDM经营能力的领先企业，通过长期技术积累形成了一定的自主创新能力，在部分优势领域逐步实现进口替代;第三梯队是从事特定环节生产制造的企业，如某种芯片设计制造、或几种规格封装测试。 半导体行业是国民经济支柱性行业之一，其发展程度是衡量一个国家科技发展水平的核心指标。功率半导体是半导体行业的重要组成部分，关系到我国智能电网、高铁动力系统、汽车动力系统等关键零部件的自主可控战略，属于国家高度重视和鼓励发展的行业。当前，国家政策大力扶持为中国功率半导体行业创造良好的发展环境，同时下游市场景气程度较高，为功率半导体功率的需求提供了有力支撑，半导体产业重心转移及第三代半导体材料发展带来巨大机遇。 在下游需求的持续带动下，国内功率半导体产业链不断完善，技术不断进步，已经成为全球最大的功率半导体消费国。随着全球贸易摩擦不确定性增加，加速进口替代成为必然趋势，也将为中国半导体产业发展带来新的机遇。一方面新能源汽车快速增长，另一方面清洁能源业务快速增长，两方面业务带来对半导体功率器件需求的拉动，另外新的电子化、智能化的应用场景越来越多。从整体看前瞻认为功率半导体行业的市场景气度仍继续维持。展望未来，功率半导体成长所需的两大核心下游应用场景（新能源车、光伏）中，中国市场亦将扮演不可或缺的角色，因此可以预见，中国功率半导体市场占全球市场的比重有望继续提升，中国市场的重要性有望进一步凸显。 根据Omdia预测，预计未来中国功率半导体将继续保持平稳增长，2022-2027CAGR约4．5%左右，超过全球功率半导体市场增速。至2027年中国功率半导体行业市场规模有望达到238亿美元。 从产业竞争格局来看，全球功率半导体中高端产品生产厂商主要集中在美国、欧洲、日本和韩国。较于国际同行，中国功率半导体行业起步较晚，主要通过国外引进及国内企业自主创新，逐步提升行业的国产化程度，满足日益增长的下游需求。国际厂商在技术和工艺方面具有先发优势，产品门类更为齐全，形成规模经济，整体竞争力较国内企业更具优势。目前，只有少数本土公司通过长期的技术积累和持续的自主创新，在功率半导体的细分产品领域具备芯片研发、设计、制造全方位的差异化竞争优势，通过产品改进和客户积累，在某些特定下游应用领域具备优势，在国内竞争主体众多的环境中处于相对领先地位。 作为电子系统中的基本单元，功率半导体是电力电子设备正常运行不可或缺的部件，应用场景广泛，且需求日益丰富。从行业技术和性能发展来看，功率半导体器件结构朝复杂化演进，功率半导体的衬底材料朝大尺寸和新材料方向发展；由于不同结构和不同衬底材料的功率半导体电学性能和成本各有差异，在不同应用场景各具优势，功率半导体市场呈现多器件结构和多衬底材料共存的特点。 功率半导体自20世纪50年代开始发展起来，至今形成以二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等为代表的多世代产品体系。新技术、新产品的诞生拓宽了原有产品和技术的应用范围，适应更多终端产品的需求，但是，每类产品在功率、频率、开关速度等参数上均具有不可替代的优势，功率半导体市场呈现多世代并存的特点。 七、 功率半导体行业竞争 我国功率半导体市场梯队化竞争