国产功率器件迈向高端 自主品牌百花齐放

  当中国成为全球最大的机电、家电、消费电子产品生产地,也顺势成为全球最大的功率器件消费市场。集邦数据显示,2018年中国功率器件市场规模同比增长12.76%至2,591亿美元,到2020年将超过3,000亿美元。Yole统计,全球半导体市场中,中国占比39%,居第一位;欧洲第二位,占比18%;美国占比8%,日本占6%,其他地区占29%。

  但是,功率器件的供给和需求却呈现较大错配。在各类功率器件中,国内产能供应占比均未超过50%。实际上,欧美日企业占有70%的份额,中国台湾企业占有10%的份额,中国大陆企业市场份额约为10%。因此,功率器件呈现出较大的供需不匹配的格局,进口替代空间较大。

  近年来,无论是国家还是产业界,均高度重视自主功率器件产业的发展。国家通过“01专项”“02专项”等政策进行顶层设计,并通过国家集成电路产业基金撬动多方资金。自主产品从低端产品逐步向高端产品爬升,并且在特定的领域产生领导者。例如,中车时代电气专注于轨道交通领域高压IGBT;比亚迪专注于电动汽车IGBT;士兰微作为IDM综合型半导体公司,特色工艺平台覆盖功率IC、半导体功率器件、功率模块等产品的制造、封装领域,在消费电子、家用电器、工业等领域建立了较强的品牌优势。

  功率器件

  国产替代三大动力

  功率半导体是对功率进行变频、变压、变流、功率放大及管理的半导体器件,不但实施电能的存储、传输、处理和控制,保障电能安全、可靠、高效和经济的运行,而且将能源与信息高度地集成在一起。虽然功率半导体器件在电力电子装置中的成本占比通常仅20%~30%,但是对设备的使用性能、过载能力、响应速度、安全性和可靠性影响极为重大,是决定其性价比的核心器件。从集成度看,可以分为功率器件、功率模组(模块)和功率集成电路(Power IC,又称功率IC、电源管理IC)。

  由于电力电子产品对绿色、节能需求的持续强烈,MOSFET、IGBT是目前最重要、也最具发展潜力的功率半导体产品,应用范围从工业、汽车、无线通讯和消费电子,一直延伸到变频家电、轨道交通、新能源、智能电网等领域。但是,国外企业在这一领域还占据主导地位。例如,在MOSFET领域,根据IHS 的数据,前两大厂商英飞凌和安森美合计市占率45.9%;前五大厂商合计市占率约64%。在IGBT领域,英飞凌、三菱、富士电机、赛米控和安森美五大厂商合计市占率64.1%。

  MOSFET、IGBT等高端功率半导体器件的进口替代动力主要来自三个方面。第一是产业政策的推动,第二是国际大厂的产品结构优化,为国内企业创造进入空间,第三是国内终端企业基于供应链成本、议价能力、服务响应等综合需求的考虑,国产化替代的愿望较为强烈。

  近几年,国际大厂向工业自动化、汽车电子等高毛利领域发展,减少或剥离PC、手机、家电等消费领域的产品供给。2018年,英飞凌汽车电子营收占比达到42%、安森美及罗姆汽车电子营收占比达到31%,较2009年提升了10至20个百分点。2013年,瑞萨率先退出中低压MOSFET领域,2017年恩智浦(NXP)出售其低毛利的标准产品业务部门Nexpeira,专注于汽车电子和智能识别业务。

  在需求动力上,国内终端企业基于供应链成本、议价能力、服务响应等综合考虑,国产化替代的需求逐渐提升。2019年以来,受到中兴华为及日韩事件影响,国内终端企业主动降低供应链安全风险的动力更强。他们向国内倾斜,给了国内上游芯片设计、制造企业更多的机会,也能够帮助上游芯片设计、制造企业提高产品研发和量产能力。

  国内企业从基础器件开始

  向中高端攀登

  另一方面,随着中国在消费电子、家用电器、汽车、工业自动化、新能源、轨道交通等领域的产能发展,国内功率半导体市场空间也日益增大。在此背景下,国内半导体企业从基础器件开始,向中高端攀登。值得注意的是,已有部分企业开始在各自领域进行单点突破,实现行业内的自主替代。

  例如,扬杰科技是国内主要的二极管、整流桥及整流器芯片生产商,光伏二极管市占率超过30%,智能电表整流桥市占率约40%。捷捷微电晶闸管产品占国产45%的份额。

  闻泰科技于2018年10月取得对安世半导体(Nexpeira)的绝对控制权。安世半导体分立器件、逻辑器件和MOSFET器件市占率皆居全球前三,年度产能超过1,000亿件。但是,随着中美贸易摩擦在短期内难以消除,跨国并购难以成为国内企业向高端发展的主流模式。

  士兰微是国产功率半导体龙头,主要产品包括功率IC、半导体功率器件及功率模块,产业链涵盖设计、制造及封装。2019年,士兰IGBT器件和智能功率模块(IPM)的营业收入均突破1亿元人民币,成为国内白电TOP客户的半导体供应商。士兰微电子生产的600V单管IGBT产品已经在电焊机、变频器和IPM领域大规模应用,获得了业内广泛好评。

  士兰IPM(智能功率模块)系列产品涵盖了从20W~3000W的功率段,可广泛应用于空调、冰箱、洗衣机、变频器、风机、水泵、电动工具等应用场合,所有芯片都在士兰微自有的芯片生产线上实现了大批量产出。在DIP系列IPM的基础上,士兰微推出了SOP系列IPM,在其内部不仅内置了功率开关器件和驱动电路,还集成了控制单元MCU,使得系统更加集成化、小型化、智能化。士兰IPM已被海信、海尔、长虹、美的等知名白电厂商批量采用,2019年上半年,士兰IPM在下游变频空调等白电整机上使用量超过300万颗。士兰微至今已形成IPM芯片设计、流片、封装、测试、系统验证一体的全流程体系以及完善的质量管控体系。

  在IDM模式下,士兰微已形成特色工艺技术与产品研发的紧密互动,以及器件、集成电路和模块产品的协同发展,产品可以协同、成套进入整机应用系统,市场前景广阔。近两年,士兰微功率解决方案发展迅速,已经在变频电机控制领域推出完整的应用方案和配套电路,并完成产业布局,广泛应用于白色家电、电动工具、园林工具等无刷直流电机控制;在智能手机等便携式电子领域,士兰微已推出旅充、移动电源和车充的多协议快充解决方案系列芯片组。2019年上半年,士兰微宣布已研制成功全部芯片均自主研发的电动汽车主电机驱动模块,该产品参数性能指标先进,已交付客户测试。士兰微还在化合物功率半导体器件的研发上持续加大投入,争取尽快推出硅基GaN功率器件以及完整的应用系统,并在规划SiC功率器件中试线的建设。

  2019年11月,士兰微公告新建“特色功率模块及功率器件封装测试生产线项目”,项目建成后,将形成年产4,800万块IPM特色功率模块、1.8亿颗TO系列等功率器件的封装测试能力,预计新增年销售收入2.92亿元,净利润4,460万元。这显示出公司持续看好国产自主中高端功率半导体的发展势头,继续加码。

  而在细分市场上,中车时代电气专注于4500V以上IGBT研发,产品用于轨道交通领域,自主生产的IGBT全面应用于复兴号动车组。比亚迪于2005年开始组建IGBT团队,并于2008年收购宁波中纬,之后相继推出IGBT芯片及模块。2018年底,比亚迪搭载IGBT2.5芯片的模块开始外供,搭载IGBT4.0芯片的模块顺利装车。

  大基金持续支持

  政策力度不减

  随着2014年国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》,并设立国家集成电路产业基金(大基金),半导体产业技术研发推进至国家高度。大基金一期(2014.9~2018.5)已经投资完毕,投资总额达到1,387亿元,累计投资项目超过70个,涉及公司52家。大基金二期于2019年10月22日成立,注册资本2,041.5亿元,根据此前有关报道,大基金二期将进一步支持龙头企业做大做强,提升成线能力,同时还将此续推进国产装备材料的下游应用。

  功率半导体是大基金支持的重要领域之一。2016年2月,士兰微公告与大基金共同投资建设8吋芯片生产线,该项目于2017年6月正式投产,导入了高压集成电路、高压MOSFET、低压MOSFET、肖特基管、IGBT等多个产品量产,2018年总计生产29.86万片,2019上半年增长至17.6万片。2019年8月,士兰微公告与大基金共同追加投资,建设8吋线二期项目。项目完全达产后,将新增高压集成电路12万片/年、功率半导体器件芯片26.4万片/年、MEMS芯片4.8万片/年,预计新增年销售收入9.66亿元,年利润总额2.08亿元。

  大基金还撬动多个省市成立区域集成电路产业基金,据统计,至2019年5月,各个地方集成电路基金累计规模已经超过5,800亿元。2017年12月,士兰微与厦门半导体投资集团计划共同投资220亿元,在厦门规划建设2条12吋90~65nm的特色工艺芯片生产线和一条4/6吋兼容先进化合物半导体器件生产线;前者包括硅基功率半导体芯片和MEMS传感器芯片,后者定位在高端LED芯片、第三代功率半导体器件和光电模块。目前,12吋线厂房已结顶,正在进行净化厂房装修和机电设备安装,预计今年四季度进入试生产阶段;后者已经在2019年四季度开始进入试生产。

  2019年10月8日,工信部在答复政协十三届全国委员会民进9组的《关于加快支持工业半导体芯片技术研发及产业化自主发展的提案》表示:“工业半导体材料、芯片、器件及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的发展滞后将制约我国新旧动能转化及产业转型,进而影响国家经济发展。”

  工信部表示,近年来先后推出多项政策推动关键技术攻关:一是于2017年推出“工业强基IGBT器件一条龙应用计划”,针对新能源汽车、智能电网、轨道交通三大领域,重点支持IGBT设计、芯片制造、模块生产及IDM、上游材料、生产设备制造等环节,促进IGBT及相关产业的发展。二是指导湖南省建立功率半导体制造业创新中心建设,整合产业链上下游资源,协同攻关工业半导体材料、芯片、器件、IGBT模块领域关键共性技术。三是指导中国宽禁带半导体及应用产业联盟发布《中国IGBT技术与产业发展路线图(2018-2030)》,引导我国IGBT行业技术升级,推动相关产业发展。

  IDM模式更有利于

  自主高端功率半导体发展

  从国际大厂的历史来看,全球功率半导体龙头均为IDM(设计制造一体化)企业,如英飞凌、安森美、ST、罗姆等,他们拥有自己的晶圆厂、芯片厂、封测厂。在中国台湾有茂达电子、富鼎电子等一批功率器件的设计企业。在国内,士兰微、扬杰科技、华微电子为代表性的IDM企业,中车时代电气及比亚迪也选择IDM模式生产IGBT;华虹半导体、方正微电子以代工为主,华润微电子以代工为主、但也在向IDM模式方向发展,目前纯设计企业包括韦尔股份、无锡新洁能等少数企业。这意味着制造能力建设是功率半导体企业走向中高端核心要素。

  究其原因,功率半导体遵循特色工艺(More than Moore),即器件价值的提升不完全依靠尺寸的缩小,而是通过功能的增加。在这个意义上,eNVM、BiCOMS、RFCOMS、BCD、MEMS等工艺都属于非尺寸依赖的特色工艺。另外,功率半导体产品性能与应用场景密切相关,导致平台多、产品类型多。例如安森美MOSFET超过2,500种,以及驱动芯片逾150种;英飞凌MOSFET产品电压范围从12V到950V,质量等级从工业级到汽车级,种类超过3300种,相应的驱动芯片超过500种。

  可见,功率器件企业要构筑核心竞争力,就需要在坚持以IDM为主要经营模式的情况下,一方面以下游终端用户为主要服务对象,以更好地理解客户需求,按需生产不同电性功能的功率器件,从而使生产更具弹性,有效提升生产效率;另一方面要在系统的引领下,持续开展技术和产品创新,以更好地加速技术及应用积累,在深度及广度上覆盖下游客户日益增长的定制化需求。

  具体而言,国产品牌要切入客户的供应链体系,就需要企业能够支持长期研发和持续改进。例如,更换IGBT产品的认证周期在3年左右,下游客户对原供应商的粘性极强。这就需要企业通过IDM模式形成的设计与工艺相结合的综合实力,提升产品品质、加强控制成本,向客户提供差异化的产品与服务,提高向大型厂商渗透的能力。只有对生产线和设备精通的企业才能突破这些技术难点。

  例如,特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到200~100μm,对于较高要求的器件,甚至需要减薄到60~80μm,目前国内普遍可以减薄到175μm。当硅片厚度减到200~100μm的量级,后续加工处理非常困难,硅片极易破碎和翘曲,特别是针对8吋以上的大硅片。据士兰微电子人员的介绍,为突破超薄晶圆后道制造工艺的技术难点,士兰微电子引进了全系列的业界先进制程设备,包括用于超薄晶圆薄化工艺的Taiko减薄机台,与之配套的光刻、杂质高能注入及实现IGBT场截止层杂质激活的激光退火等设备。2019年上半年实现120μm硅厚度的1350V RC IGBT器件的生产释放,并实现对终端客户的批量供货,在感应加热应用领域成功地替代了同类型进口器件产品。士兰微电子的1350V RCIGBT系列产品基于自研的第三代场截止(Field-Stop III)工艺平台,进一步优化后道工艺制程,在IGBT器件的内部集成了续流二极管结构。现在,士兰微电子在自有的8英寸芯片生产线上已经全部实现了几类关键工艺的研发与批量生产,是目前国内为数不多已全面掌握上述核心技术的大尺寸功率半导体器件厂家。

  (怀新投资) (CIS)

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