功率半导体分立器件专题调研报告

功率半导体分立器件专题调研报告

支持地方、园区、企事业单位建设一批公共服务平台，开展知识产权培训与交易、科技成果评价、市场战略研究等服务。鼓励建设专用电子元器件生产线，为MEMS传感器、滤波器、光通信模块驱动芯片等提供流片服务。建设创新创业孵化平台。支持电子元器件领域众创、众包、众扶、众筹等创业支撑平台建设，推动建立一批基础电子元器件产业生态孵化器、加速器，鼓励为初创企业提供资金、技术、市场应用及推广等扶持。到2023年，优势产品竞争力进一步增强，产业链安全供应水平显著提升，面向智能终端、5G、工业互联网等重要行业，推动基础电子元器件实现突破，增强关键材料、设备仪器等供应链保障能力，提升产业链供应链现代化水平。新能源汽车和智能网联汽车市场把握传统汽车向电动化、智能化、网联化的新能源汽车和智能网联汽车转型的市场机遇，重点推动车规级传感器、电容器（含超级电容器）、电阻器、频率元器件、连接器与线缆组件、微特电机、控制继电器、新型化学和物理电池等电子元器件应用。加速创新型产品应用推广面向人工智能、先进计算、物联网、新能源、新基建等新兴需求，开发重点应用领域急需的小型化、高性能、高效率、高可靠电子元器件，推动整机企业积极应用创新型产品，加速元器件产品迭代升级。支持重点行业市场应用实施重点市场应用推广行动，在智能终端、5G、工业互联网和数据中心、智能网联汽车等重点行业推动电子元器件差异化应用，加速产品吸引社会资源，迭代升级。微特电机、高端锂电等片式化、微型化、轻型化、柔性化、高性能的电子元器件应用。5G、工业互联网和数据中心市场。抢抓全球5G和工业互联网契机，围绕5G网络、工业互联网和数据中心建设，重点推进射频阻容元件、中高频元器件、特种印制电路板、高速传输线缆及连接组件、光通信器件等影响通信设备高速传输的电子元器件应用。功率半导体产业的特点及发展趋势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。（一）功率半导体是电力电子的基础，需求场景日益丰富功率半导体是构成电力电子转换装置的核心组件，几乎进入国民经济各个工业部门和社会生活的各个方面，电子设备应用场景日益丰富，功率半导体的市场需求也与日俱增。随着新应用场景的出现和发展，功率半导体的应用范围已从传统的消费电子、工业控制、电力传输、计算机、轨道交通、新能源等领域，扩展至物联网、电动汽车、云计算和大数据等新兴应用领域。消费电子和工业控制仍是功率半导体的主要应用领域，2020年消费电子和工业控制用功率半导体市场份额分别为23．8%和20．3%。（二）从器件结构来看，功率半导体呈现多世代并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。二极管结构简单，有单向导电性，只允许电流由单一方向流过，由于无法对导通电流进行控制，属于不可控型器件。二极管广泛应用于各种电子产品中，主要用于整流、开关、稳压、限幅、续流、检波等。与二极管相比，晶闸管用微小的触发电流即可控制主电路的开通，在实际应用中主要作为可控整流器件和可控电子开关使用，主要用于电机调速和温度控制等场景。此外，与其他功率半导体相比，晶闸管具有更高电压，更大电流的处理能力，在大功率应用领域具有独特的优势，主要应用场景有工业控制的电源模块、电力传输的无功补偿装置、家用电器的控制板等领域。MOSFET为电压控制型器件，具有开关和功率调节功能。与二极管和晶闸管依靠电流驱动相比，电压驱动器件电路结构简单；与其它功率半导体相比，MOSFET的开关速度快、开关损耗小，能耗低、热稳定性好、便于集成；MOSFET在节能以及便携领域具有广泛应用。例如，在消费电子、工业控制、不间断电源、光伏逆变器、充电桩的电源模块、新能源车的驱动控制系统等领域。IGBT为电压驱动型器件，耐压高，工作频率介于晶闸管和MOSFET之间，能耗低、散热小，器件稳定性高。在低压下MOSFET相对IGBT在电性能和价格上具有优势；超过600V以上，IGBT的相对优势凸显，电压越高，IGBT优势越明显。IGBT在轨道交通、汽车电子、风力和光伏发电等高电压领域应用广泛。（三）从衬底材料来看，硅基材料的晶圆衬底为市场主流目前，全球半导体衬底材料已经发展到第三代，包括以硅（Si）、锗（Ge）等为代表的第一代元素半导体材料，以砷化镓（GaAs）等为代表的第二代化合物半导体材料，以及以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代宽禁带半导体材料。新材料进一步改善功率半导体的性能，但整体来看，硅基材料的功率半导体产品仍是市场主流。近年来，随着第三代宽禁带材料半导体迅速发展，SiC与GaN功率半导体器件的应用规模开始持续增长。相对于硅衬底，宽禁带材料半导体具有更大的禁带宽度，在单位尺寸上能获得更高的器件耐压，以宽禁带材料为衬底制作的功率半导体器件尺寸更小，在特定应用场景具有优势。但由于生产规模还相对较小，生产技术有待成熟，产品价格相对较高，其应用场景受到了一定的限制。硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，且储量丰富、价格低廉，故而成为全球应用最广泛、最重要的半导体衬底材料。在物理性能方面，硅氧化膜性能优异，与其它衬底材料相比，与硅晶格适配性好，器件稳定性好。目前全球半导体市场中，90%以上的芯片都是基于硅材料制造而成。半导体的生产效率和成本与硅片尺寸直接相关。一般来说，硅片尺寸越大，用于产出半导体芯片的效率越高，单位耗用原材料越少。但随着尺寸增大，硅片的处理工艺难度越高。按照量产尺寸来看，半导体硅片主要有2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格。在半导体材料选择上，晶圆制造厂商会综合考虑生产效率、工艺难度及生产成本等多项因素，使用不同尺寸的硅片来匹配不同应用场景，以达到效益最大化。8英寸及12英寸硅片主要用于集成电路（IC），具体包括存储芯片、图像处理芯片、通用处理器芯片、高性能FPGA与ASIC芯片等；8英寸及以下半导体硅片的需求主要来源于功率半导体、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等。健全产业配套体系鼓励和引导化工、有色金属、轻工机械、设备仪器等企业进入电子元器件领域，开展关键材料、设备的研发和生产，推进产学研用协同创新，实现全产业链协同发展，增强试验验证能力，提升关键环节配套水平。功率半导体市场现状及前景（一）全球功率半导体行业市场状况整体来看，全球功率半导体市场规模呈现波动增长的态势。根据全球半导体贸易统计组织（WSTS）统计，2011年至2014年，全球功率半导体销售额在200亿美元左右波动；2015年至2018年，功率半导体销售额呈波动上升的态势，2018年至2020年功率半导体销售额稳定在240亿美元左右，2021年全球销售额增长至303．37亿美元。（二）中国半导体分立器件行业市场状况中国是全球最大的功率半导体消费国，根据中国半导体行业协会统计，2013年至2020年我国半导体分立器件产业销售收入由1，536亿元增长至2，966．3亿元，年均复合增长率为9．86%，保持较高的增长速度。随着智能制造和新基建等国家政策的深入推进，以及碳达峰、碳中和双碳战略的落实，功率半导体作为实现电气化系统自主可控以及节能环保的核心零部件，未来将在智能电网、新能源汽车、云计算和大数据中心等领域有着大量且迫切的需求。国产化功率半导体发展空间巨大，发展前景广阔。（三）晶闸管和MOSFET的市场规模预测晶闸管作为一种技术相对成熟的产品，其市场成长性趋于稳定。根据WSTS的统计，2015年至2021年晶闸管全球市场规模平均约为7．11亿美元，年均复合增长率2．61%，同期中国晶闸管市场的规模平均约为2．51亿美元，年均复合增长率2．75%。由于晶闸管具有技术成熟、可靠性高、性价比高等优势，在发电、输电、变电、配电、用电的各个应用场合占有重要地位，应用上具有广泛性和不可替代性。晶闸管作为一种技术相对成熟的产品，其市场成长性趋于稳定。从产品结构来看，功率半导体产品结构仍将保持稳定，但随着新能源（光伏发电等）和电动汽车的快速发展，IGBT和MOSFET等大功率的功率半导体产品增速相对较快。根据赛迪顾问