碳化硅分立器件产业深度调研及未来发展现状趋势

碳化硅分立器件产业深度调研及未来发展现状趋势功率分立器件行业概况根据《功率半导体分立器件产业及标准化白皮书》，功率半导体按器件集成度可以分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括晶闸管、功率二极管、晶体管等产品。我国半导体分立器件主要应用领域为通讯、消费电子、汽车电子、工业电子等。近年来受益于新能源汽车及充电桩、智能装备制造、物联网、光伏新能源等新兴应用的发展，国内半导体分立器件产业持续增长，行业呈现良好的发展态势。根据中国半导体协会统计，2020年度我国半导体分立器件产业销售额达到2，966．30亿元，预计2023年我国半导体分立器件产业销售额达到4，427．70亿元，年增长率约为14．10%，市场需求有望达到4，393．20亿元。从中长期看，国内的半导体市场需求仍将呈现增长势头。中国为全球最大半导体市场，国产化提升大势所趋复盘半导体行业发展历史，共经历三次转移。第一次转移：1973年爆发石油危机，欧美经济停滞，日本趁机大力发展半导体行业，实施超大规模集成电路计划。1986年，日本半导体产品已经超越美国，成为全球第一大半导体生产大国；第二次转移：20世纪90年度，日本经济泡沫破灭，韩国通过技术引进实现DRAM量产。与此同时，半导体厂商从IDM模式向设计+制造+封装模式转变，催生代工厂商大量兴起，以台积电为首的中国台湾厂商抓住了半导体行业垂直分工转型机遇；第三次转移：2010年后，伴随国内手机厂商崛起、贸易摩擦背景下国家将集成电路的发展上升至国家战略，半导体产业链逐渐向国内转移。中国为全球最大半导体市场，占比约1/3。随着中国经济的快速发展，在手机、PC、可穿戴设备等消费电子，以及新能源、物联网、大数据等新兴领域的快速推动下，中国半导体市场快速增长。据WSTS数据显示，2021年全球半导体销售达到5559亿美元，而中国仍然为全球最大的半导体市场，2021年销售额为1925亿美元，占比34．6%。国产化率极低，提升自主能力日益紧迫。近年来，随着产业分工更加精细化，半导体产业以市场为导向的发展态势愈发明显。从生产环节来看，制造基地逐步靠近需求市场，以减少运输成本；从产品研发来看，厂商可以及时响应用户需求，加快技术研发和产品迭代。我国作为全球最大的半导体消费市场，半导体封测经过多年发展在国际市场已经具备较强市场竞争力，而在集成电路设计和制造环节与全球领先厂商仍有较大差距，特别是半导体设备和材料。SIA数据显示，2020年国内厂商在封测、设计、晶圆制造、材料、设备的全球市占率分别为38%、16%、16%、13%、2%，半导体材料与设备的重要性日益凸显。碳化硅二极管介绍及行业情况（一）碳化硅二极管介绍碳化硅是第三代半导体材料，与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料。目前碳化硅器件主要用于600伏及以上的应用领域，特别是一些对能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车充电装置、电动汽车动力系统、光伏微型逆变器领域、服务器电源领域、变频家电领域等。碳化硅二极管作为最早发明且发展较快的一类碳化硅功率分立器件，已经在新能源汽车、工业控制等领域实现商业化。碳化硅二极管以碳化硅肖特基二极管为主，碳化硅肖特基二极管的导通压降低于硅基功率二极管，因而损耗相对较小。同时，碳化硅肖特基二极管的导通电压具备正温度系数特性，能将电流流向均衡地在器件内部进行分配，使得器件的各个部位保持温度均匀，因而可以适用于高温环境。此外，碳化硅肖特基二极管的反向漏电流和反向恢复时间远小于硅基功率二极管，可大幅降低开关损耗，且拥有较高的开关频率，可以适用于高电压领域。（二）碳化硅二极管行业概况碳化硅材料作为第三代半导体的代表之一，在最近几年经历了长足的发展。首先，下游终端客户对于碳化硅器件的认可越来越多，受到整体效率提升的影响以及能效相关产业政策等影响，碳化硅器件在传统服务器电源、电信电源、充电桩、车载充电机、太阳能逆变器等多个领域被采用。（三）碳化硅二极管行业发展状况及未来发展趋势由于第三代半导体材料生产技术要求较高、晶圆加工难度较大，因此生产成本较高。碳化硅器件还未全面推广，但随着规模日渐增大，性价比逐渐提升，凭借其优秀的物理特性未来逐渐替代硅基功率器件的空间较大。碳化硅二极管自诞生以来，经历了前期缓慢的积累，现在已经进入了快速发展的周期。从应用领域来看，碳化硅二极管已经被广泛应用于可再生能源、电动车和充电装置、5G通信、服务器电源和UPS等领域。随着国内外碳化硅产业链日趋成熟，成本有望持续下降，下游接受度也开始提升，产品应用场景将逐步拓宽，预计未来市场规模具备较大的增长性。（四）碳化硅功率器件替代硅基功率器件的类型和趋势碳化硅功率器件目前主要包括碳化硅二极管和碳化硅MOSFET两类，而硅基功率器件除功率二极管和MOSFET外，还主要包括晶闸管和IGBT等器件，产品类型更为丰富。一般来说，碳化硅功率器件替代硅基功率器件的领域主要为高温、高压和高频等方面的产品，主要原因系碳化硅功率器件在高工作温度、高工作电压和高工作频率下性能更加优异，且在性价比上具备一定的竞争力。（五）碳化硅功率器件在成本和技术方面的可行性鉴于碳化硅功率器件在高温、高压和高频状态下的优异性能，碳化硅功率器件将主要在高压和高频领域逐步替代部分硅基功率器件，在技术方面已具备可行性。尽管成本仍是阻碍碳化硅功率器件快速替代硅基功率器件的主要因素，但是碳化硅功率器件已在部分高端应用领域具备一定的性价比竞争力，在成本方面也具备可行性。目前碳化硅功率器件的成本仍高于同类型的硅基功率器件，例如碳化硅二极管的价格一般是硅基功率器件的4-5倍，所以碳化硅功率器件替代硅基同类产品主要发生在性能要求较高的高端应用领域，例如电动车、高端服务器电源、高端电信电源等领域。具体而言，650V和1200V的碳化硅二极管已经开始逐步替代硅基功率二极管，帮助用户提升电源整体转换效率，进一步实现节能目标。而650V和1200V的碳化硅MOSFET在电动汽车等应用领域已经开始逐步被采用。随着碳化硅功率器件的市场规模逐渐增大，碳化硅器件晶圆的市场供给也将逐步增多，同时国内市场正在加大对碳化硅等第三代半导体材料的产业研发和投入，碳化硅功率器件的成本将存在一定的下降空间。然而，考虑到硅基功率器件的产品性能将不断提升，成本也将持续优化，碳化硅功率器件和硅基功率器件将会在较长的期间共存。根据Yole的测算，从2019年到2024年，碳化硅功率器件占整体功率半导体市场的比例将从3%上升到9%。细分领域（一）汽车电子汽车半导体按种类可分为MCU、功率半导体（IGBT、MOSFET等）、传感器及其他。随着新能源车技术提升，相关半导体芯片需求逐渐提升。ICInsights预测，未来MCU出货量将持续上升，车规级MCU市场将在2020年接近460亿元，2025年将达700亿元，单位出货量将以11．1％复合增长率增长。IHSMarkit预测，全球功率半导体市场规模将从2018年的391亿美元增长至2021年的441亿美元，年化增速为4．1%。据Yole统计，2019年全球CIS市场规模170亿美元，预计2024年全球CIS市场规模将达到240亿美元，年化增速7%。（二）手机产业射频芯片受下游5G手机创新量价齐升。根据Skyworks预测，到2020年5G应用支持的频段数量将实现翻番，新增50个以上通信频段，某些高端手机滤波器的数量到2020年甚至可100只。Yole预测2017年射频前端市场规模为147亿美元，2023年射频前端的市场规模将达341亿美元，复合增速14%。功率半导体行业概况功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体广泛应用于电子制造行业，传统应用领域包括消费电子、网络通信、电子设备等产业，随着社会经济的快速发展及技术工艺的不断进步，新能源汽车及充电桩、智能装备制造、物联网、新能源发电、轨道交通等新兴应用领域逐渐成为功率半导体的重要应用市场。根据《功率半导体分立器件产业及标准化白皮书》，功率半导体按器件集成度可以分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括功率二极管、晶闸管、晶体管等产品。随着半导体材料的优化突破，新一代以碳化硅为材料的功率半导体分立器件已逐步实现产业化，并快速渗透进入应用市场。功率半导体的应用十分广阔，涉及电路控制和电能转换的产品均离不开功率半导体的使用。目前，功率半导体已广泛用于消费电子、工业控制、网络通信、电力能源、汽车电子、国防、航空航天等领域。近年来数字经济、人工智能、光伏能源、新能源汽车等产业的快速发展，均为功率半导体带来了新的需求增长点，其市场规模不断增长。根据Omdia和中信建投研究所的数据及预测，2020年全球功率半导体市场规模为452亿美元（主要包括功率器件、功率IC和功率模组），预计2024年将达到522亿美元。目前全球功率半导体市场仍主要被欧、美、日等国外品牌主导。中国的功率半导体行业在国家相关政策支持、加速及资本推动等因素合力下，近年来成为半导体行业快速发展的主要市场之一。在国家对半导体产业的政策扶持及资本驱动下，国内厂商在晶圆制造和封装测试等领域已取得重要突破，基本完成国内产业链布局。根据Omdia数据及预测，中国功率半导体市场预计2024年将达206亿美元，中国作为全球最大的功率半导体市场，发展前景十分广阔。功率半导体行业发展情况和未来发展趋势（一）功率半导体行业下游市场持续增长1、家用电器行业以家用电器为代表的消费类电子行业是功率半导体器件供应的重要领域。随着全球对气候环境的持续关注，家用电器进入了节能降耗的时代。相对于传统的家电产品，变频类家用电器在能效、性能及智能控制等方面有明显的优势，主要应用于空调、微波炉、冰箱、热水器等大功耗电器。根据IHS的数据，2017年全球家用电器的销量约7．11亿台，其中变频类家电数量为2．44亿台，占比为34%；预计到2022年全球家用电器的销量约9．02亿台，其中变频类家电数量将达到5．85亿台，占比也将提升至65%。根据英飞凌的统计，从非变频家电到变频类家电的升级迭代，单个家电产品中的半导体使用价值将从0．79美元增长至10．67美元，使用价值的增加主要归功于应用更多的功率半导体，因此全球家用电器的变频化趋势将推动功率半导体在家电领域的发展。另外，随着物联网、5G等新一代技术应用，家电行业也出现智能化潮流，虽然传统家电品类增速放缓，但高端化、智能化的产品升级将成为家电行业发展的新趋势。根据IDC数据，2021年全球智能家居设备市场相较2020年增长了11．7%，设备出货量超过8．95亿台；2021年中国智能家居设备市场出货量超过2．2亿台，同比增长9．2%。显示智能家居升级是2021年的主要增长动力。2、新能源汽车行业功率半导体是汽车电子的核心，无论是汽车引擎中的压力传感器，或者驱动系统中的转向、变速、制动，还是车灯、仪表盘等仪器的运作控制，都离不开功率半导体的使用。相对于传统燃油车，新能源汽车对功率半导体的使用量更大。根据StrategyAnalytics测算，传统燃油车功率半导体用量仅为71美元，48V轻混车型功率半导体价值量增值至90美元，而纯电车型的功率半导体用量增幅高达364%，大幅上涨至330美元。新能源汽车消费近年来增长迅速。根据中国汽车工业协会统计，国内新能源汽车的总生产量从2016年的51．7万辆，增长至2021年的354．5万辆，复合增长率达47．0%。另一方面，新能源汽车销量则从2016年的50．7万辆增长到了2021年的352．1万辆，年复合增长率为47．3%。新能源汽车市场发展已从政策驱动转向市场拉动新发展阶段，呈现出市场规模、发展质量双提升的良好发展局面。作为新能源汽车不可缺少的配套设施，汽车充电桩也是推动功率半导体需求增长的重要动力之一。充电桩作为新能源汽车的配套设施，必将跟随新能源汽车发展而发展。中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据显示，截至2021年底，我国公共及私人充电桩保有量总计261．70万台，同比增长70．10%，我国随车配建充电桩增量达到59．70万台，同比上涨323．9%。2020年中美欧新能源汽车充电需求约为180亿千瓦时，预计到2030年，伴随新能源汽车渗透率的提升，新能源汽车充电需求将高达2，710亿千瓦时。2020年中美欧充电桩数量约为300万个，预计到2030年增长至4，000万个，年复合增速约30%。3、新能源行业功率半导体在以光伏发电、智能电网为代表的新能源领域也有较多应用。在发电过程中，由于太阳光强弱变化导致其产生的电流不具备稳定性，无法直接输送入电网中，因此需要功率半导体对电流进行整流、逆变等变换。在电流传输过程中，通常采用高压直流输电，因而需要大功率晶闸管、大功率IGBT等功率器件。在进入家庭的过程中，需要将高压电压降低至家用电压，而功率半导体是电力电子变压的关键器件。此外，在风力发电等场景，同样需要使用大量的功率半导体。智能电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点。基于半导体技术与电力技术的融合，其增强了电网的灵活性和可靠性，是智能电网的先进控制和调节手段。传统的机械式控制手段，响应速度慢、不能频繁动作、控制功能离散，而大功率电力电子器件作为智能电网的核心部件具有更强、更快、更有效的功能特点，最终使得智能电网实现电力高效节能的传输。传统能源消耗已对地球环境造成诸多不可逆的破坏，因而新型能源的关注度持续提高。近年来新能源市场发展快速，从全球范围来看，风能、太阳能发电快速稳定增长。全球风能理事会（GWEC）指出，2021年全球新增风电装机93．6GW，比2019年增加了53%，全球累计装机容量达837．5GW。根据IRENA研究，2050年全球光伏累计装机量将达到14，000GW。2020年全球光伏累计装机量为725GW，由此推算2020~2050三十年间年复合增长率为10．4%。4、工业自动化行业工业自动化行业也是功率半导体应用的重要领域之一。功率半导体在工业领域，主要起到控制电压、电流和变频的