功率半导体行业特点趋势及机遇挑战

功率半导体行业特点趋势及机遇挑战

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国产替代优势，在国内竞争主体众多的环境中处于相对领先地位。

业界通常将国内功率半导体市场的主要企业分为三个梯队，相关梯队及企业的构成和特征如下表：

资料来源：普华有策整理

1、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。

（1）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，相关领域的应用场景如下：

资料来源：普华有策整理

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%。

（2）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。

（3）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。

（4）从硅片尺寸来看，硅片朝大尺寸方向发展

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。

2、功率半导体行业面临的机遇及挑战

（1）机遇

A、产业政策的支持提供了良好的政策环境

功率半导体行业为国家政策支持的行业。《产业结构调整指导目录（2019 年版）》鼓励电力电子器件及高性能覆铜板；《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023 年）》实施重点产品高端提升行动，重点发展高可靠半导体分立器件及模块。2020 年 3 月，我国提出加快 5G 网络、数据中心等新型基础设施建设（简称“新基建”）进度。“新基建”中的每个行业均离不开电能，功率半导体作为电能处理的核心器件将随着“新基建”的推进迎来不断增长的市场空间。国家产业政策同时从供给和需求端为功率半导体行业的快速发展营造了良好的政策环境。

B、产业链转移为国产化提供了机遇

根据市场发展规律，制造业邻近下游需求的空间分布，能够降低生产成本、促进产品开发合作、缩短供货周期、及时响应客户需求，下游需求的崛起为孕育上游本土化的功率半导体企业创造了优沃土壤。相比国外厂商，国内厂商与下游客户的距离更近，客户的沟通交流更加顺畅，并且在客户需求服务响应、降低成本等方面具有竞争优势，功率半导体国产替代率逐渐上升是大势所趋。此外，功率半导体产品销售从导入到验证需要一定的周期，因此，在客户拓展正式形成销售后具有较强的客户粘性。在半导体产业转移和国产化政策的驱动下，中国功率半导体企业迎来了发展壮大的产业环境。

C、下游需求发展提供了直接支撑

功率半导体的应用十分广泛，几乎覆盖了所有的电子制造业，且随着新应用场景的出现而发展。随着“智能制造”和“新基建”等国家政策的深入推进，上述每个行业均离不开电能，功率半导体作为电能处理的核心器件将随着“智能制造”和“新基建”的推进迎来不断增长的市场空间。此外，“碳达峰、碳中和”双碳战略的落实，功率半导体作为新能源装置的重要零部件之一，将迎来不断增长的市场空间。需求端的发展为功率半导体行业提供了良好的市场环境。

（2）挑战

A、技术壁垒

目前，在功率半导体市场，国外厂商占据了主导地位。由于国外半导体公司对其掌握的先进技术实行严格的技术封锁，本土企业很难直接从大型半导体公司学习先进技术，必须依靠自主研发实现技术突破，在一定程度上延缓了我国高端功率半导体的发展速度。

B、市场下行

功率半导体由于其应用场景丰富，下游需求广泛。目前，受益于下游市场需求增长，功率半导体行业整体景气度较高，但不排除未来市场形势发生变化，进入周期性调整阶段，出现下游市场需求降低、产品供给过剩等情形，导致产品价格下跌，制造企业产能过剩、产能利用率不足，从而对公司的生产经营形成挑战。

来源：普华有策ph

审核编辑 ：李倩