2021年电子行业投资策略分析：半导体课件.pptx

1、3.半导半导体体：功率半导体供给侧功率半导体供给侧长长期紧期紧张张，新能源车带来纯新能源车带来纯增增量空间量空间；大陆晶大陆晶圆圆、存储厂大规存储厂大规 模扩产，政策模扩产，政策加加持，引领设备持续受益持，引领设备持续受益1.全球小全球小尺尺寸晶圆寸晶圆供供给长期紧缺，新能源车带来纯增量给长期紧缺，新能源车带来纯增量空空间间功率器件分三大功率器件分三大类类：Si、SiC、GaN。功率半导体器件目前主要基于三类材料：Si、SiC、GaN。Si 功率器件是主流，最重要的原因在于成本。Si 材料的击穿电压是三 者中最低，而 SiC 和 GaN 属宽禁带半导体材料，具有更高的带隙，更大的击穿电压。高击

2、穿电压的特性让 SiC 和 GaN 在大功率、超高电压控制方面的应用更有前景。但 是因为产业链协同发展的阶段不同，与成熟的 Si 产业链相比，SiC 和 GaN 无论是 工艺水平还是供给规模都远远小于 Si 材料，造成 SiC 和 GaN 在成本上难以与 Si 产 业竞争，只能在一些特定的、非成本优先的专用领域才有应用，大体而言，SiC 和GaN 器件多应用于高压和高频电路。从特性上分类，可以把功率器件分为可控和不可控，不可控的器件无法控制信号的通断；可控器件又分为部分可控和完全可控。晶闸管（Thyristor）多属于部分可控器件（注：完整的晶闸管系列中也有完全可控 型），MOSFET、IGB

3、T、BJT 则可以完全按照需要实现信号的控制。1半导体：功率半导体供给侧长期紧张，新能源车带来纯增量空间；大图图 92：功率器件功率器件分分类类图图 93：Si、GaN、SiC 击穿击穿电电压对比压对比图图 94：Si、GaN、SiC 功率功率器器件应用对比件应用对比功率器件核心在功率器件核心在于于通断控制通断控制，开关开关速速度与击穿电压度与击穿电压性性质决定质决定 IGBT、MOSFET、晶、晶 闸管分工闸管分工。功率器件的核心应用场景就是控制电路、信号等的通断。但是因为电路 场景错综复杂，电流、电压范围很广，因此每种功率器件都有一定的适用范围。MOSFET 的开关速度最快（ns 量级）而

4、击穿电压/电流最小，因此 MOSFET 多应用于高频小电流的电路，比如服务器、交换机、音频设备等场景的电路通断控制，这 些场景电路的频率在 10 kHz 以上；IGBT 的开关速度居三者之中，主要应用于中频 电路场景（10-10k Hz），包括电网、风电、铁路、光伏、新能源车、UPS 等领域的 电路控制。晶闸管（Thyristor）的响应频率/开关速度在功率器件中处于最低一档，但其电压范围广，可应用于高中低各类功率场景。正因为如此，晶闸管仍然有稳定 的需求空间无法被更先进的 IGBT 和 MOSFET 替代，形成较稳定的市场。2图 9 2：功率器件分类图 9 3：S i、G a N、S i C

5、 击穿图图 95：Si 基基功功率器件的适用场景率器件的适用场景1.3.1.1.供给侧：8 英寸及以下尺寸晶圆供给增长长期缓慢12 英寸晶圆厂产能将优先满足逻辑英寸晶圆厂产能将优先满足逻辑和和存储应存储应用用，8 英寸及以下尺寸英寸及以下尺寸晶晶圆将是功率器圆将是功率器 件产能的主要贡件产能的主要贡献献者者。从全球晶圆产能分布来看，12 英寸（300 mm wafer）的产能 主要由存储和逻辑芯片的大厂占据。三星、Micron、SK Hynix、Toshiba 等主要产能 被存储芯片占据；TSMC、Intel、Global Foundry、UMC、SMIC 主攻逻辑制程。相 较而言，6 英寸（

6、150 mm wafer）及以下尺寸的晶圆厂大多生产功率器件以及分离 器件。从经营模式上看，6 英寸晶圆厂多为 IDM 公司，其中意法半导体（ST Micro）的功率半导体营收占其总收入的 35%（2018 年年报）。8 英寸晶圆产能中，逻辑、存储、功率等应用都有一定占比。整体而言，纯代工的晶圆厂（如 TSMC、SMIC 等）更倾向于将大硅片（12 英寸）产能提供给工序更为复杂的逻辑业务，而将 8 英 寸产能提供给其他业务。另外，在 IDM 厂中，除 Infineon、OnSemi、Renesas 等大 厂拥有 12 英寸晶圆厂外，其他 IDM 功率半导体公司（如 CRM 华润微、Silan

7、士兰 微等）主要经营 8 英寸及以下尺寸的晶圆厂。由于 12 英寸相比 8 英寸，可以切出 的芯片数目更多（2.5 倍），晶圆厂更愿意将 12 英寸产能优先提供给需求量更大的 逻辑和存储业务。长期来看，8 英寸以及以下尺寸将是功率半导体产能的主要贡献 者。3图 9 5：S i 基功率器件的适用场景1.3.1.1.供给图图 96：不同尺寸不同尺寸晶晶圆的前圆的前十十大晶圆厂产能占比排名大晶圆厂产能占比排名图图 97：晶圆代工晶圆代工厂厂功率器功率器件件相关相关 wafer 尺寸与制程尺寸与制程节节点点图图 98：12 英寸晶圆面积优势英寸晶圆面积优势8 英英寸晶圆全球寸晶圆全球 CAGR 仅仅

8、2.89%，6 英寸及以英寸及以下下晶圆晶圆 CAGR 仅仅为为 1.18%，功率类功率类 晶圆制造供给增晶圆制造供给增长长缓慢缓慢。IGBT、MOSFET 多使用 6 英寸或 8 英寸晶圆，而晶闸管 多使用 6 英寸及以下尺寸晶圆。根据 SEMI 的预测，全球 8 英寸（200 mm Wafer）晶圆厂产能在 2019 年为 580 万片/月，按照全球各晶圆厂以及 IDM 厂扩产计划，全 球 8 英寸产能在 2022 年将达到 650 万片/月，复合年增长率为 2.89%。根据和 Hexaresearch 的预测，全球 6 英寸及以下尺寸的晶圆年复合增速仅为 1.18%。4图 9 6：不同尺

9、寸晶圆的前十大晶圆厂产能占比排名图 9 7：图图 99：全球不同全球不同尺尺寸晶圆市场规模及预测寸晶圆市场规模及预测功率功率 IDM 大大厂厂未未来来将将持持续续提提高高外包晶圆制造比重外包晶圆制造比重。Infineon 在其 2019 年年报中披 露，将在未来五年，把公司所有领域晶圆的外包制造比重由现在的 22%提高到 30%。其中，功率器件的晶圆产能由于全球晶圆厂产能规划限制，Infineon 计划将其功率 器件前端晶圆外包制造的比重提升至 15%。在晶圆厂将较多产能应用于逻辑和存储 的大背景下，功率器件 IDM 龙头公司对外包比重提升的策略，将一定程度上加剧功 率半导体供给侧紧张。图图

10、100：全球晶圆全球晶圆厂厂在功率半导体领域产能分布在功率半导体领域产能分布图图 101：Infineon 外包外包制制造计划造计划（2019 年）年）5图 9 9：全球不同尺寸晶圆市场规模及预测功率 I D M 大厂未1.3.1.2.需求侧：功率器件需求持续旺盛，需求增速长期高于供给增速三大分立三大分立器器件件（不不含模组含模组）的全球市场规模的全球市场规模：MOSFET 最最大大，IGBT 次次之之，晶闸管晶闸管 较小较小。全球功率器件年复合增速将保持在 3.56%，2018 年的总市场规模为 2070 亿 元人民币，预计在 2022 将达到 2381 亿元。PMIC 是功率器件最大的市场

11、。IGBT 则 增速最快，增长率达 7.62%，但当前市场份额仅为 13.67%，预计在 2022 年市场规 模达 390.5 亿元（含模组）。MOSFET 增速与全球功率器件增速接近，CAGR 达 3.42%，占据功率器件 22%的市场份额，长期来看仍将保持重要地位。全球 MOSFET 市场 规模在 2018 年为 470.7 亿元人民币（含模组），预计在 2022 年达到 523.5 亿元。晶闸管属于利基市场，2018 年仅占全球功率器件市场规模的 2.52%，且增速低于全 球功率器件市场增速，CAGR 达 2.01%。2018 年全球晶闸管市场规模为 52.6 亿元，预计在 2022 年

12、增长至 57.7 亿元。图图 102：全球功率全球功率器器件市场规模件市场规模晶闸管晶闸管、MOSFET、IGBT 需需求求增增速速均均领领先先对对应应晶晶圆圆供供给给增增速速。2018 年以后，预计 晶闸管 CAGR 为 2.01%，MOSFET 为 3.42%，IGBT 为 7.62%。由于 IGBT、MOSFET多使用 6 英寸或 8 英寸晶圆，而晶闸管多使用 6 英寸及以下尺寸晶圆。根据上一章节，全球 8 英寸晶圆产能年复合增长率为 2.89%，6 英寸及以下尺寸的晶圆年复合 增速为 1.18%。因此，无论是晶闸管、MOSFET，还是 IGBT，其需求增速均大于供给增速，供给侧将保持长

13、期紧张。61.3.1.2.需求侧：功率器件需求持续旺盛，需求增速长期图图 103：全球功率器全球功率器件件市场规模与增速预测市场规模与增速预测图图 104：全球晶闸全球晶闸管管市场规模与增速预测市场规模与增速预测1.3.1.3.新能源车：IGBT、MOSFET 的纯增量空间图图 105：电动电动汽汽车车各各能量转换需求场景能量转换需求场景动力构成动力构成大大有有别别，功功率率模模块块成成能能量量转转换换刚刚需需。传统燃油车的动力来源于燃油燃烧对 内燃机做功，将化学能转化为机械动能并通过各转轴齿轮传动至整车。电动车的动 力来源于车载电池，电池只能提供直流电压，但是汽车发动机马达需要三相交流供 电

14、（三相异步电机）。同时燃油车车载空调制热是通过冷却液传导发动机温度实现，但电动车的空调制热来源于主动发热。电动车中的能量转换涉及高低压以及交流直 流间的转换，必须使用大量功率模块。总结而言，电动车区别于燃油车，存在以下 几个主要的能量转换场景：将电池的直流转将电池的直流转换换成交流供给发动电成交流供给发动电机机：DC-AC 逆变器逆变器（Inverter）。逆变器的作7图 1 0 3：全球功率器件市场规模与增速预测图 1 0 4：全球晶用在于将直流转换为交流。电动车中存在主辅两种逆变器，主逆变器为发动电机提 供能量转换，辅逆变器则服务于车载空调和动力转向。就功率半导体而言，IGBT 和 SiC

15、 MOSFET 在逆变器中使用较多。特斯拉在 Model S 中为主逆变器配臵了 84 颗 IGBT，在 Model 3 中为主逆变器配臵了 24 颗 SiC MOSFET。图图 106：DC-AC 应用场景：逆变器应用场景：逆变器将电将电池池 的标准电压转换的标准电压转换为为 适合其他直流适合其他直流负负 载需要的电压载需要的电压：DC-DC 转换器转换器（converter）。DC-DC 转换器包括两种，一是 LV-HV 的转换（low voltage to high voltage），即低压转换为高压；另一为 HV-LV，即高压转换为低电压。以特斯拉 Model S 电池为例，输出电压为

16、 400 V，而车载主逆变器的输入电压通常在 650 V，因此需要 LV-HV 的 DC-DC 转换器，将 400 V 直流先转换为 650 V 直流电压，再通过主逆变器将直流转换为交流电压，供给发动电机；车载辅助逆变器的输入电压小，以及一些低压直流的直接应用，需要 HV-LV 的 DC-DC 转换器，将电池的 400 V 输 出电压转换为低电压。MOSFET 在 DC-DC 转换器中应用较多。8用在于将直流转换为交流。电动车中存在主辅两种逆变器，主逆变器图图 107：DC-DC 应用场景应用场景充电桩以及极速充电桩以及极速充充电桩配套电桩配套 AC-DC 以及以及 DC-DC 系统系统。电动

17、车对充电桩配套有明确的需求。充电桩需要内臵多套 AC-DC 以及 DC-DC 转换系统，以实现不同的充电 速度适配。这些能量转换系统需要内臵多颗 MOSFET 和 IGBT 功率模块，而越是高速的充电桩，则需要搭配更多数量的功率模块。图图 108：充充电电桩桩功功率率模模块块应用应用车载充电器车载充电器（OBC：On-Board Charger）集成集成 IGBT 和和 MOSFET 模块模块。电动车的充电速度对其推广有一定的制约，提高电动车充电速度一直是新能源车技术领域的 重要课题。快充是电动车的发展趋势之一，快充带来的大电流需要用功率器件来调 控，越是更快速的充电配臵，越需要集成更多的 I

18、GBT 和 MOSFET 模块。9图 1 0 7：D C-D C 应用场景充电桩以及极速充电桩配套 图图 109：车载车载充充电电器器功率模块应用功率模块应用1.3.1.4.功率器件的国产自给率情况功率器件国内自功率器件国内自给给率：率：IGBT 最最低低，晶晶闸闸管与管与 MOSFET 有有国国产产技技术术基基础础。从我国 功率半导体各细分领域的自给率来看，IGBT 模块在 2017 年自给率仅 33%，是所有 功率器件中最低，MOSFET 的自给率为 39%，晶闸管的自给率为 36%。整体而言，我国的晶闸管和MOSFET 的基础较IGBT 略好。我们认为，国产的晶闸管和MOSFET 有一定

19、的技术基础，同时替代难度低于 IGBT，有望率先实现自给率的提升。10图 1 0 9：车载充电器功率模块应用1.3.1.4.功率器件图图 110：中中国本土市场功率器件自给率国本土市场功率器件自给率1.3.2.大陆晶圆、存储大陆晶圆、存储厂厂大规模扩产，政策加持，引领设备大规模扩产，政策加持，引领设备持持续受益续受益MOCVDICPVDCVDALDTSV3DFan-outCoWoSSoCSiP202027%500202010%-15%11图 1 1 0：中国本土市场功率器件自给率1.3.2.大陆晶圆、图图 111：大陆与全球半导体设备季度销大陆与全球半导体设备季度销售售额额2150%76%91

20、%表表 1320192018201920191Applied Materials128.74110.49-14.18%18%2ASML99.11108.008.97%18%3Tokyo Electron116.39103.38-11.18%17%4Lam Research108.7195.49-12.16%16%5KLA33.2039.1317.86%7%6SCREEN(DNS)22.3922.00-1.74%4%7Advantest25.3918.53-27.02%3%8ASMPacific Technology22.0617.70-19.76%3%9Teradyne14.9215.534.

21、09%3%10Hitachi High-Tech13.3514.125.77%2%584.26544.37-6.83%91%12图 1 1 1：大陆与全球半导体设备季度销售额2 1 7 6%9 1%表表表 14201636730162018416201810“”20195“”25%20205152020915ASML201911ASMLEUV20201042011“02”20141387“”“”20192020“”表表 15202028nm65nm 130nm10130nm10%13表 1 4 3 0 2 0 1 8 4 1 6“”“”2 5%A S MLE U“”5nmCVD14nm28nm

22、28nm28nm表表 1625%ASML Nikon28nm17%AM AT TEL LAM5nmPVD12%ULVAC AMAT28nmCVD10%AM AT LAM TEL28nm10%KLA AMAT28nm5%AM AT28nm5%DNS TEL28nm3%AM AT Axcelisxx nmCMP3%AM AT28nm3%TEL DNS28nmALD3%AM AT28nm4%28nm“”“”1714“”5 n m C V D 1 4 n m 2 8 n m 2 8 n m 表 1 6 2 5%A S/3.514nm728-45nm1028nm20128QLC NAND12.519nm 8G DDR4 DRAM10%-15%1820%20%20%PVD10%CMP10%1%0%0%图图 112：国国产设备企产设备企业业销售额销售额（亿元）（亿元）图图 113：国国产设备企业与大陆市场销售额增速产设备企业与大陆市场销售额增速15/3.5 1 4 n m 7 2 8-4 5 n m 1 0 2 8 n m 2 0 1 2 8Q L“”“”16“”“”1 6