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功率半导体元件或简称功率元件,是电子装置的电能转换与电路控制的核心。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等,并同时可具有节能的功效,因此,功率元件广泛应用于移动通讯、消费电子、新交通等众多领域。

功率元件全球市场规模约140亿美元

据麦姆斯咨询报道,市场规模预计将从2018年的390.3亿美元增长到2023年的510.1亿美元,2018~2023年预测期间的复合年增长率(cagr)为5.5%。推动该市场增长的主要因素为基础设施的升级、便携式设备对高能效电池的需求增长。

功率元件全球市场规模约140亿美元,占全球半导体市场的3.5%,其中mosfet规模约68亿美元、igbt约12.6亿美元,占功率半导体元件分别为48%与9%;根据iek调查指出,近年受惠电动汽车与油电混和车快速发展、汽车电子化比重提升以及手机快充、(iot)新应用兴起,功率元件在提高能源转换效率上占据重要地位,产业需求逐渐提升;而未来半导体的需求为传统汽车的两倍以上,预期mosfet等功率元件用量将大幅提升。

mosfet与igbt市场过去皆呈大厂寡占的态势,英飞凌、安森美与瑞萨占mosfet市场近50%,igbt市场英飞凌、三菱与富士电机三家市占率更达61%;此类idm垂直整合大厂以英飞凌为首,均优先将产能给毛利率较高的新产品,相继退出中低压mosfet一般消费性产品线,导致mosfet供需缺口扩大,使台厂自去年第2季开始即逐渐感受到转单效应,预料这股缺货风潮恐将持续下去。

而在发展中国家地区,由于电力需求的增加,现有的电力资源正在被快速的消耗。全球对电力基础设施的需求和对可再生能源的使用的关注日益增加。全球各国政府不断增大对可再生能源的投资,比如太阳能和风能,并且不断制定出更好的上网电价补贴政策,以帮助和鼓励项目的发展。

因此,随着功率半导体的不断发展和技术进步,功率器件下游产业的稳步扩张,未来在政策资金支持以及国内的蓬勃发展下,中国国内功率半导体产业将迎来黄金发展期。

mosfet市场供需失衡

按器件类型细分,电力电子市场可分成功率分立器件、功率模组和功率集成电路(ic)。在2017年,功率ic占据了主要的电力电子市场份额。功率ic包括管理集成电路(pmic)和专用集成电路(asic),主要用于高频、高功率放大和微波辐射等应用领域。

在晶圆供给方面,mosfet与igbt产品考量8吋光罩费用仅12吋的1/10,加以功率元件还有不漏电的要求,尚无法做到尺寸微缩等原因,台湾与大陆的mosfet功率元件ic设计公司都投产在8吋晶圆厂;然由于指纹辨识、影像感测器(cis)、电源管理(icpmic)等ic产品,受到资安需求提升,对8吋晶圆需求亦增加,致使全球8吋晶圆投片量提升。

mosfet市场的供需失衡,让台厂迎来多年以来难得的成长契机,上游ic设计方面,大中、杰力在pc市场与消费性电子产品较具竞争优势,预计下半年供需仍吃紧态势下,对下游的议价能力转强,有助其获利表现;在晶圆生产方面,世界先进8吋产能满载,加上电源管理营收占比持续提升改善产品组合,未来营运展望乐观。

新能源汽车行业高复合增长

按应用类型细分,电力电子市场可分为电源管理、驱动、不间断电源(ups)、铁路牵引、交通运输、可再生能源等。在2018~2023年预测期间,交通运输应用领域的电力电子市场预计以最高复合年增长率增长,主要归因于混合动力汽车(hev)和电动汽车(ev)的产量不断增加和全球对电动汽车充电站的需求不断增加。

按垂直行业细分,电力电子市场可分为信息通信技术(ict)、消费电子、能源和电力、工业、汽车、航空航天和国防等。在预测期内,汽车行业预计以最高复合年增长率(cagr)增长,主要归因于混合动力汽车(hev)和电动汽车(ev)的数量日益增长和全球对轿车和其他乘用车的需求不断增加。

2023年按地区细分的电力电子市场预测(图片来源麦姆斯咨询)

按地区细分,亚太地区(apac)在整个电力电子市场中占据了最大的市场份额,其次是欧洲。在预测期内,亚太地区的电力电子市场预计将快速增长。推动亚太地区市场发展的关键因素包括汽车和消费类应用对电力电子器件的需求增长以及在亚太地区拥有大量的电力电子制造企业。此外,工业、能源和电力行业对电力电子器件的需求也在推动该市场在亚太地区的进一步发展。

制约电力电子市场增长的关键因素

电力电子产业越来越关注于将多个功能集成到一个芯片中,从而导致器件设计变得复杂。复杂器件的设计和集成需要特殊的技能、稳健的方法和各种集成工具,这都会增加器件的成本。从而,高成本限制了用户向先进器件转换。因此,先进器件所需要的复杂设计和集成工艺,被认为是制约电力电子市场增长的关键因素。

然而,不同于第一代与第二代半导体材料,第三代半导体材料是以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料,在导热率、抗辐射能力、击穿电场能力、电子饱和速率等方面优势突出,更适用于高温、高频、抗辐射的场合。有关专家指出,第三代半导体器件将在新能源汽车、消费类电子领域实现大规模应用。

随着制备工艺逐步成熟和生产成本的不断降低,第三代半导体材料正以其优良的性能正在不断突破传统材料的瓶颈,成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点,美、日以及欧盟都在积极进行战略部署。美国已经将部署第三代半导体战略提升到国家层面,先后启动实施了“宽禁带半导体技术创新计划”“氮化物电子下一代技术计划”等,制定颁布了《国家先进制造战略规划》等法规条例。欧盟在第三代半导体发展中以联合研发项目为主,力图通过对各成员国的资源优化配置,使欧盟在半导体领域保持国际领先水平。日本作为全球第一个以半导体照明技术为主的国家,在第三代半导体器件制备与应用方面已经达到世界领先水平。

目前,国际电力电子市场的主要厂商有:英飞凌(德国)、三菱电机(日本)、德州仪器(美国)、安森美半导体(美国)、意法半导体(瑞士)、富士电机(日本)、瑞萨电子(日本)、东芝(日本)、恩智浦半导体(荷兰)、vishay intertechnology(美国)、美信半导体(美国)、(德国)、abb(瑞士)、日立(日本)、亚德诺半导体(美国)、罗姆半导体(日本)、力特(美国)、美高森美(美国)、微芯科技(美国)、丹佛斯(丹麦)等。

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