半导体新格局|缺芯全球蔓延, 国产替代迎机遇

日期:2021-06-29     来源:证券市场周刊    作者:陈剑    
核心提示:半导体行业呈现“弱供给-低库存-强需求-满产能”的格局,随着下游需求的爆发,未来高景气度或将持续。
 全球“缺芯”浪潮继续蔓延,就连劫匪都打上了芯片的主意。据香港文汇报报道,6月16日下午,香港街头上演了一场“芯片大劫案”,一物流公司运输的价值约500万港元高价芯片被劫。
 
事实上,近半年多,全球芯片短缺愈发严重,使得交货时间徒增。Susquehanna Financial Group最新研究报告显示,5月芯片整体交货期延长至18周,较前月进一步增加7天,续创近四年新高。这一交货期已比2018年上一个峰值长了4周有余。
 
据彭博报道,目前受芯片短缺影响最大的是汽车业,预计因此损失逾1000亿美元。其他领域也感受到了压力,包括苹果等大公司在内的许多电子产品制造商,都无法满足对其产品的所有需求。
 
而随着供需的不平衡,芯片价格持续上涨,通胀飙升带来的原材料成本上涨同样推高了芯片售价,一年内芯片供应链经历几轮调涨。自“缺芯”导致的一二季度大范围涨价后,部分芯片价格已经上涨五倍之多,而且这一趋势仍未见消停。目前有消息称,随着晶圆供不应求的局势持续升温,中国台湾地区的台积电、世界先进、联电和力积电四大代工巨头决定在三季度继续上调代工报价,涨幅高达30%,远超预期15%。力积电董事长黄崇仁公开表示,半导体晶圆代工价格呈每季增长趋势,产能吃紧局势未缓解,涨价也将一直持续。
 
为应对上游晶圆代工报价上调带来的高成本及下游与日俱增的市场需求,芯片设计厂商也将开启跟风模式,同步涨价。其中,驱动IC、微控制器(MCU)两类芯片率先领涨,中国台湾的义隆、盛群等厂商将在三季度再调整产品价格。据了解,此次涨价是盛群第二轮调涨,涨幅为10%-15%,义隆为第三轮。近日,比亚迪半导体也向客户发出涨价通知函,公司决定从2021年7月1日起对IPM、IGBT单管产品进行价格调整,提涨幅度不低于5%。
 
中银国际表示,当前正处于半导体行业历史以来的景气最高点,属于由基本面带动的结构性高景气,相对以往的周期波动来说时间会稍有延长。
 
在这样的背景下,一则消息更是令本已火爆的半导体行业火上浇油。据彭博社报道,中国正在推动一项旨在帮助中国芯片制造商克服美国制裁的关键举措,从而重新推动中国多年来实现半导体芯片自给自足的努力。据知情人士透露,该计划包括了庞大的投资组合,涵盖贸易、金融和技术。国家主导的这项计划已预留了约1万亿美元的政府资金,目前已被率先用于推动发展第三代半导体芯片,并正在领导制定一系列对该技术的金融和政策支持。
 
虽然上述消息并未得到官方层面的证实,但在彭博社发布相关报道后,A股半导体及元器件即开始大涨。仅在6月17日,整个半导体及元件板块大幅上涨6.48%,第三代半导体板块涨幅更是高达8.44%,半导体设备及材料相关标的股价也大幅上涨。
 
从基本面看,中国拥有第三代半导体材料最大的应用市场。受益于新能源汽车、5G、消费电子领域需求强劲,未来几年,国内SiC和GaN功率半导体市场将迎来高速增长。而且,中国在第三代半导体分立器件与美国没有明显代差,产业链相比硅基更能自主可控。
 
分析人士认为,半导体行业供需紧张是近期板块上涨的主逻辑,目前行业呈现“弱供给-低库存-强需求-满产能”的格局。随着下游多领域需求增长驱动芯片需求爆发,未来半导体行业的高景气度或将持续。日前,IC Insights上调了2021年半导体产值成长预估,从原来的成长19%调至24%,2021年全球半导体产值将有望首次突破5000亿美元。
 
中航证券认为,全球半导体市场周期大概为4-5年,在2019年突破拐点进入复苏周期后,疫情催生的需求变化使得2021年开启了新一轮周期的高景气复苏。IDC预计2021年全球半导体销售额将达到5220亿美元,同比增长12.5%。在行业景气度上升的背景下,下游5G、云计算、汽车电子等需求上升叠加上游供给紧张,造成供需不匹配而导致缺货涨价状况将贯穿整年,带动行业公司盈利上行。
 
申港证券也表示,半导体行业过去13年来,整体呈现出牛长熊短的态势(受到经济衰退而产生下跌周期越来越短),无论是费城半导体指数还是台湾半导体指数,都在不断创新高。经过了四轮半导体牛市周期,呈现出持续高增长态势,台湾半导体指数涨幅已经远远大于台湾电子零件和电子通路指数,而A股半导体指数在2020年3月至今大幅跑输万得全A,全球行业景气度带来的超额收益在逐渐集聚。
 
缺芯全球蔓延
 
5月中下旬以来,新冠疫情迅速在东南亚、中国台湾地区蔓延,即使是至关重要的半导体产业也无法免受影响。为遏制疫情,马来西亚政府从6月1日开始在全国范围内实施“全面封锁”,暂停经济和社会活动,仅开放必要经济和服务领域。
 
而东南亚地区是全球主要的半导体芯片封装和测试中心,Statics数据显示,东南亚在全球芯片封装测试行业的市占率近27%,其中,马来西亚是全球最重要的半导体封测基地之一,占全球13%的份额。此外,马来西亚也是全球7大半导体出口中心之一,芯智讯统计数据显示全球有50多家半导体企业在马来西亚有投资。
 
封测作为芯片制造后段的重要核心工序之一,疫情导致的封装厂和芯片厂停工断供,会使得芯片短缺的市场担忧更加剧烈,部分工艺要求较低的成熟制程芯片生产会对疫情控制较好的生产区域寄予厚望,同时也要视产能的扩张是否到位。而先进制程芯片的产能会因此受到严重的影响。
 
受马来西亚的“封国”政策影响,当地的众多半导体工厂产线被要求维持低度人力运作,产线降载。芯智讯资料显示,马来西亚政府要求生产线只能维持10%-20%的低度人力运作,这几乎等于只是不关机的状态;另外,“封国”期间半导体公司的原材料及芯片产品进出口通关速度及运输时间也受到影响,对半导体产品产能构成冲击。中银国际表示,总的来看马来西亚半导体封测产能以及车用MLCC、芯片电阻、固态电容、铝质电容等元器件都会受到较大冲击。
 
中国台湾方面,苗栗京元电子厂区内爆发群体感染,京元电子是目前全球最大的芯片测试企业之一,本次爆发疫情的是其位于苗栗县竹南镇的厂区,这是京元电子最大的生产基地。京元电子主要业务来自于集成电路设计,约占其营业收入的76%。由于台湾地区疫情存在高度不确定性,京元电子及其行业所受到的影响仍然不可预估。中银国际认为,如果京元电子的停工情况进一步恶化,将会直接影响到下一代芯片的研发进度以及下游电子产品的交付。
 
申港证券研报显示,首先是支付卡芯片可能短缺,美国时间6月21日智能支付协会(SPA)发布公开声明,提请注意全球芯片短缺导致支付卡可用性风险增加的问题近90%的非现金消费者付款是在实体店使用卡支付的,支付卡对于获取现金也至关重要。此外,40%-60%的在线支付通过支付卡直接或间接支持(通过数字钱包)。
 
LCD驱动器芯片供求也在发生变化,用于显示器、个人电脑、笔记本电脑、汽车、智能手机和几乎所有带有数字液晶面板的产品,向像素提供指令。
 
与成本较高的CPU、GPU或内存芯片相比,LCD驱动器的芯片的供应更少,因为LCD驱动器使用的是低端制造流程,外包制造服务的半导体代工厂正在逐步淘汰这种流程。而英特尔(Intel)和AMD等微处理器公司则是全球最大的微处理器制造商。AMD正在争夺10纳米、7纳米或更低纳米芯片的最先进制造能力,而像Himax这样的公司则在40纳米至150纳米的工艺节点上制造芯片。
 
在截至2021年3月31日的第一季度,Himax的收入同比增长67%,至3.09亿美元。增长的一个主要领域是笔记本电脑的驱动,其销量连续增长了70%,但由于代工产能不足,监控IC销量连续下降。该公司的股价从2020年的3.3美元飙升了约14美元,股价飙升了366%。
 
苹果方面芯片需求更为明显,iPhone 13系列预计2021年下半年发布,芯片制造商准备在第四季度应对苹果2021年的订单高峰。9月份推出的iPhone13机型预计与2020年的iPhone阵容类似,有四款设备,尺寸包括5.4英寸、6.1英寸和6.7英寸,其中两款是更高端的Pro机型,两款定位为成本更低、更实惠的设备。
 
而近期纯晶圆厂台积电将优先保障苹果的订单需求,尽可能满足2021年第三季度iPhone13的芯片订单。在供应短缺的情况下,这家苹果供应商还要满足自动驾驶以及其他设备芯片的订单。台积电也将在第三季度为即将推出的iPhone系列增加产量。
 
根据一项来自软件供应商Qt Group委托市场研究机构Forrester Consulting进行的制造商调查,工业用机械(industrial machinery)与电气设备(electrical equipment)领域受到芯片缺货的冲击程度最重;IT硬件与电脑领域也出现产品开发减缓。
 
这项调查是在3月份进行,涵盖262家嵌入式装置与连网产品开发商,发现受访者中60%的工业用机械与电气设备制造商,正在重点关注保全IC供应链。在此同时,有55%的服务器与电脑制造商表示,他们正为维持芯片供应而努力。
 
在全球“缺芯”浪潮中,汽车芯片短缺情况尤为严重。半导体组件缺货的问题在过去一段时间已经让许多车厂因此停工,而行业调查显示,汽车仍是重点关注IC供应链的产业之一。有将近三分之二的制造商因为芯片供应中断,导致数字新产品的出货遭遇挫折,生产计划的延迟超过7个月。
 
目前汽车芯片主要分为三大类:第一类负责算力,具体为处理器和控制器芯片,比如中控、ADAS(高级驾驶辅助系统)和自动驾驶系统,以及发动机、底盘和车身控制等;第二类负责功率转换,用于电源和接口,比如新能源汽车用的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率芯片;第三类是只用于传感器,主要用于各种雷达、气囊、胎压检测。
 
在供应有限的情况下,车企将车型供给按照优先级排序。从单车价格来看,缺芯对豪华品牌车型的影响较小,对于普通品牌车型的影响较大。
 
从驱动方式来说,缺芯对电动车的影响小,对燃油车的影响大。一台电动车上面用的半导体其实比燃油车上用的更多,但是多的主要是功率半导体,而目前缺的是最基本的MCU。而且在当前严格的排放标准下,车企会优先保证生产电动车。
 
根据中国汽车工业协会的最新统计数据,2021年1-5月,中国汽车产销量分别达到1062.6万辆和1087.5万辆,同比增长了36.4%和36.6%。
 
电子元器件占汽车成本的比重上升到了40%,而九成以上汽车芯片仍然依赖进口,受国际供应链影响,2021年全球汽车将减产400万辆。
 
中国各类芯片中MCU控制芯片最为紧缺,国内MCU控制芯片企业较为薄弱。截至目前,中国半导体自给率为15%,其中汽车芯片自给率不足5%。
 
芯片短缺已成为全球性发展问题。在MCU方面,2020年,汽车、物联网等领域需求快速爆发,国际大厂ST、瑞萨等对市场需求供应不及时,产能也受到了各种“天灾人祸”制约,导致MCU价格上涨、交期延长,市场出现缺货,而随着下游分销商囤货、炒货,部分型号的MCU产品价格涨幅已经超过10倍。
 
2020年末,汽车半导体短缺现象开始进入人们视线,随后,汽车半导体短缺现象开始在更大范围蔓延,全球多家知名汽车企业均不同程度受到汽车半导体供货不足的影响,部分车型出现生产延误、减产,甚至停产等问题。汽车半导体短缺带来整车企业减产甚至停产不断发酵,对全球汽车产业造成了显着冲击。
 
据媒体报道,目前,已有包括大众、福特、丰田、通用、本田等全球超20家车企因不同程度的芯片短缺问题而被迫停产或减产。据咨询公司艾睿铂(Alix Partners)最新预测,全球“缺芯”将导致2021年汽车制造商营收损失1100亿美元,约合人民币7145亿元。同时,2021年的汽车净产量总计会减少390万辆。
 
远水不解近渴
 
中银国际表示,芯片荒已经蔓延到家电制造业、手机、游戏机产业等各个行业,车载电子等工业产品中还在大量使用,而这些领域使用的芯片是工艺较成熟、价格低廉的28nm-55nm工艺。鉴于全球近70%的半导体都由台积电和三星这两家公司生产,且半导体产业的景气更多在于对客户订单的情况掌握,参考台积电TSMC在一季度投资者会议中提到“芯片荒”将延续至2022年底、叠加近期东南亚和东亚的疫情复燃等不利因素,有理由相信全球缺芯情况将延续至2023年,有望在2023年中至下半年间得到缓解。
 
中国大陆方面,受《瓦森纳安排》等对先进制程工艺的半导体设备的干扰,目前国内先进制程(14nm及以下)的芯片产能受到限制,对应的是较先进的5G、AI、高性能运算等领域。以国内新建产线中占比最大的中芯国际为例,目前国内拥有最先进制造工艺的中芯国际受美方制裁后,在2021年上半年就投入了12亿美元向ASML采购成熟工艺的DUV光刻设备,以提升成熟工艺的芯片代工产能,且将28nm芯片代工的产能提升计划放在了公司发展首位,其55nm代工业务也是营收的主要部分。
 
中银国际表示,此情况表示国内一流晶圆代工厂商正聚焦较成熟制程的芯片领域,与国际主流晶圆厂商近期计划扩产28nm产线的举动一致。据微电子工艺技术专家、中芯国际技术研发副总裁吴汉明院士在投资者交流会上透露,目前10nm以上节点的成熟工艺占据83%的市场,而28nm及以上的工艺在国内不管是设计、制造、封测都有公司能够参与进来,且目前国内产能需要再有另外8家中芯国际才能满足。目前国内的晶圆产能集中在8寸,随着新建12英寸产线的计划陆续释放,如国家大基金二期联手华润微电子建造12英寸晶圆产线等,晶圆生产效率也会大幅提升。因此,未来相信国内缺芯情况会与国际情况一样延续至2023年,且半导体行业会先稳住成熟工艺,再去抢夺先进技术。
 
在6月16日由CNBC举办的Evolve峰会上,英特尔CEO Pat Gelsinger以芯片厂商的角度,表达了自己对整个半导体产业前景的乐观态度。他表示,目前的半导体市场正处于一个快速扩张的时期,随着智能化、数字化的普及,几乎所有产业都很难离开半导体,对于半导体产业而言,接下来的数十年仍然是一个很好的机会。
 
在此背景下,英特尔宣布多项扩产计划,一方面拟在美国亚利桑那州投资约200亿美元新建两座晶圆厂;另一方面希望成为晶圆代工的主要提供商。
 
事实上,除了英特尔之外,全球半导体龙头也在纷纷宣布扩产。其中,台积电宣布三年投1000亿美元,并提升2021年资本开支至300亿美元;台联电公布1000亿新台币(约合35.8亿美元)投资案,扩充在南科的12英寸厂;三星电子将在2030年前增加对System LSI和Foundry业务领域的投资,投资总额扩大至171万亿韩元(约1516亿美元),以加快先进半导体工艺技术的研究和新生产设施的建设;中芯国际计划2021年成熟12英寸产线扩产1万片/月,成熟8英寸产线扩产不少于4.5万片/月。
 
6月22日,SEMI(国际半导体产业协会)在最新发布的报告中预测,全球半导体厂商将在2021年年底前开始建设19座新的高产能晶圆厂,并在2022年再开工建设10座。从地域分布看,中国处于领先地位。报告预测,中国大陆和台湾地区将各新建8个晶圆厂;其次是美洲地区,将新建6个,欧洲和中东共有3个,日本和韩国各有2个。在这29座晶圆厂中,有15座是晶圆代工厂,月产能为3万至22万片(8英寸等效)。
 
SEMI总裁兼首席执行官Ajit Manocha表示,未来几年,这29座晶圆厂的设备支出预计将超过1400亿美元。“从中长期来看,晶圆厂产能扩张将有助于满足新兴应用(如自动驾驶汽车、人工智能、高性能计算和5G/6G通信)对半导体的强劲需求。”
 
根据SEMI此前预测,到2022年,半导体行业将实现三年连续增长,迎来超级周期。但是,新建产线无法快速缓解短期内的产能紧缺问题。SEMI表示,在2021年开始建造新晶圆厂的半导体厂商中,许多要到2023年才会开始安装设备,因为在破土动工后需要长达两年的时间才能达到这一阶段,不过有些厂商最早可能会在2022年上半年开始安装。
 
国产替代机遇
 
在全球半导体产业链中,当前整个半导体设备行业主要被应用材料AMAT(19%,美国)、泛林半导体LAM(15%,美国)、东京电子TEL(15%,日本)和阿斯麦尔ASML(16%,荷兰)四大家垄断。
 
按区域划分,美国在等离子体刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、检测设备、测试设备领域领先;荷兰在光刻机(最先进的EUV光刻机,荷兰ASML的市占率100%)领域领先;日本在刻蚀设备、晶圆清洗设备、检测设备、测试设备、氧化设备等领域领先。
 
按制程工序划分为硅片厂设备(5%)、前段设备(80%,晶圆加工&晶圆针测)、后段设备(15%,芯片封装&测试);其中,前段设备:以刻蚀设备、光刻机、化学薄膜设备、制程控制设备为主,均被排名国际前1-4家公司寡头垄断。后段设备:以封装测试设备为主,全球的测试机&探针台被美国Teradyne、日本Advantest双头垄断,占全球半导体企业测试设备市场份额的80%以上。
 
据中国国际招标网数据进行统计,前段设备中,国内厂商在部分细分领域竞争力较强。其中,刻蚀设备领域包括北方华创、中微、屹唐半导体(实现国产化率超20%,其中,中微已进入国际主流晶圆厂并技术上可随其最先进制程同步);清洗领域有盛美半导体(引领本土12英寸产线上超20%的国产化率,同时国际大厂SK海力士为第一大客户);去胶设备领域有屹唐半导体(全面实现进口替代,国内主要晶圆产线中市占率超90%);CMP领域为华海清科(实现本土主流产线的国产化率超20%);PVD领域为北方华创(实现本土主流产线的国产化率超20%);热处理领域包括北方华创、屹唐半导体(实现本土主流产线的国产化率超20%)。
 
后端设备中,国内的测试设备厂商主要有精测电子、长川科技、华峰测控、冠中集创、金海通等实现部分测试设备或分选机的国产化突破,但国产品牌主要聚焦在国内较为成熟的电源管理芯片测试设备和模拟及数模混合测试系统等领域,如华峰测控(氮化镓测试设备进入国际主流客户),而SOC和Memory芯片测试设备仍主要依赖进口品牌。
 
中银国际表示,受东南亚疫情影响,国内封测厂商在股权及合作关系的带动下,有望承接订单转移。如,华天科技在2019年收购马来西亚着名封测企业Unisem,近期也发布了51亿元的定增预案;长电科技宣布正式完成对Analog Devices Inc.(ADI)新加坡测试厂房的收购,2020年其先进封装产量也同比增加29.25%;通富微电2015年收购AMD旗下马来西亚槟城厂的股权。
 
申港证券同时也提醒,密集的芯片投资和扩产,后续也许会导致芯片出现过剩危机。新建晶圆厂的周期通常在1-2年,即现在投建的工厂,会在1-2年后开始释放产能,全球半导体供应会在2022年恢复正常水平,产能释放恰好赶上芯片供应的充裕期,从而导致芯片产能过剩。
 
而且,根据申港证券研报,传统的汽车计算机采用分布式ECU架构,一辆车需要70-300颗MCU芯片,而当下自动驾驶采用的域架构,只需要4-8颗SoC芯片和40-60颗MCU芯片,未来中央计算架构,需要的芯片更少,仅需2-4颗SoC芯片加10-20颗高性能MCU芯片,就可以满足自动驾驶和智能座舱的计算需求。五年后中央计算架构会成为主流,届时汽车对芯片的需求量会进一步降低。
 
另外一个角度,随着电动智能汽车的发展,汽车控制系统从分布式走向集成式,汽车行业对芯片的需求也将发生巨大的变化。汽车芯片不仅面临着短期产能不足的挑战,还面临着长期结构性变化的挑战。
 
比亚迪公司官方表示:“燃油车的芯片成本大概是100美元-200美元,电动汽车则可能是1000美元左右起步,而到了智能电动时代,单车芯片成本可能会倍增至4000美元-5000美元,高端车甚至更多。”
 
汽车芯片价值的跃迁,不只体现在数量上,也体现在功能上。
 
芯片主要分三大类,随着汽车控制结构的变化,对各类芯片的需求也将发生变化。但芯片并不是一个能快速响应需求的行业。尤其是车规级芯片,它有着资金投入大、认证周期长、研发周期长、设计门槛高等特点,仅仅是验证环节,可能就要花费数年时间。
 
吉利汽车则介绍了全面的长期芯片规划:从建立与国际半导体主流供应商的直接对接渠道开始,源头规避风险;继而参与研发方案选型,与主要芯片供应商共同制定未来技术路线及供应渠道;与芯片供应商直接签订价格协议,减少分散采购供应商议价能力低的问题,扶持国内电子产品供应商供应链的组织能力;承诺扶持国内芯片企业,在同等质量下使用国产芯片替代进口芯片。
 
中银国际表示,半导体产业属于全球集成的行业,供应链稳定在其中扮演着重要角色,未来3年在成熟制程芯片紧缺带动的产能扩张下,国内会逐步优化成熟制程的供应链体系,完善的供应链带来成本优势,可助推全球成熟制程芯片订单在中国区域的集中,形成一定的客户黏性。
 
据美国应用材料AMAT的2021年二季度业绩说明会透露,目前正处于第四波计算浪潮-经济全面数字化,也是最大的一次科技技术转变的早期阶段,到2025年,机器将产生99%的数据,而人类产生数据只占1%。未来十年半导体行业乃至半导体设备领域将长期结构性走强,半导体行业需求历史首次与人口增长及其带来的消费者行为增长脱钩,并逐步挂钩设备、服务器、汽车终端、手机终端。半导体领域的竞争将会围绕高效电源管理、高运算性能、高性价比等领域,制程进步的基础也将转向新材料、新结构、新的芯片互连方式、新工艺和新微缩方式的创新与应用。对于先进制程的芯片需求也将提高。
 
半导体产业链企业科创板IPO募资大幅超预期,且半导体行业发展已成为国家战略发展的一部分,在国家及地方政策和国家大基金、亦庄国投等资本的推动下,半导体企业逐步形成集中化资源整合态势,先进制程领域的核心技术和零部件供应的突破及产业化进度加速,进展符合全球半导体未来发展方向,叠加所建筑的成熟制程客户粘性,先进制程芯片制造订单也会逐步放量。
 
或将弯道超车
 
第三代半导体依赖于传统硅以外的更新的材料和设备,是一个还没有任何公司或国家占据主导地位的领域,这也为中国提供了避开美国及其盟友对其芯片制造行业设置的障碍的最佳机会之一,也是个弯道超车的好机会。
 
东莞证券认为,与前两代半导体相比,第三代化合物半导体物理特性优势明显,下游应用广泛,在5G基建、5G终端射频和新能源车等多重推动,以及化合物半导体的国产替代趋势下,未来成长空间广阔,相关厂商有望迎来较好的发展机遇。
 
半导体代际之间最大的区别在于材料,按演进历程进行划分,半导体材料可分为三代。
 
其中,第一代半导体材料以硅(Si)、锗(Ge)为代表,该类材料产业链较为成熟,技术储备完善且制作成本较低,目前主要应用于大规模集成电路中。
 
第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表,在物理结构上具备直接带隙的特点,相对于Si材料具有光电性能佳、工作频率高,抗高温、抗辐射等优势,适用于制作高速高频、大功率及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛运用于移动通讯、卫星通讯、光通讯和GPS导航等领域。
 
第三代半导体指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的化合物半导体,还包括氧化锌(ZnO)和金刚石该类半导体材料禁带宽度大于或等于2.2eV,因此也被称为宽禁带半导体材料。
 
东莞证券研报称,与第一代的Si、Ge和第二代的GaAs、InP相比,GaN和SiC具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小和抗辐射能力强等特点,具有强大的功率处理能力、较高的开关频率、更高的电压驱动能力、更小的尺寸、更高的效率和更高速的散热能力,可满足现代电子技术对高温高频、高功率、高辐射等恶劣环境条件的要求。因此,第三代半导体主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。此外,随着新能源汽车、信息高速公路及互联网的兴起,第三代半导体还被广泛应用于电动车、光伏、风电和高铁等领域。
 
第三代半导体下游需求持续向好。根据CASA Research数据,消费类电源、工业及商业电源、不间断电源UPS和新能源汽车为SiC、GaN电子电力器件的前四大应用领域,分别占比28%、26%、13%和11%。消费类电源方面,快充快速普及为GaN的应用打开市场空间;新能源汽车方面,中国目前已成为全球最大的新能源汽车市场,特斯拉大量推进SiC解决方案带领国内厂商快速跟进,以比亚迪为代表的终端整车厂商开始全方位布局SiC元器件解决方案,推动第三代半导体元器件在汽车领域的发展。
 
其中,GaN主要用于LED、微波射频和功率器件等领域,目前GaN主要被用于5G有源天线系统(AAS)和手机功率放大器(PA)等新产品中。展望未来,5G通讯、消费电子快充和车规级充电成为GaN产品规模扩张的主要动力。
 
在5G和更高频率应用中,GaN的效率比LDMOS/硅器件要高10%-15%,预计在5G基站PA中份额将持续提升;手机快充逐渐普及,消费级快充将成为推动GaN功率器件渗透的重要因素。Yole Development指出,GaNRF市场规模将从2019年的7.4亿美元增长至超过20亿美元,年复合增长率为12%;此外,Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元,CAGR达85%,其中GaN快充将成为推动产业高成长的主要力量。
 
SiC方面,预计未来几年SiC市场将充分受益于新能源汽车渗透提升、电动车配套设备建设和5G通讯基站及数据中心建设,其中汽车电动化为驱动SiC市场规模增长的最主要因素。Yole指出,采用SiC的汽车解决方案能提高系统效率,有效减轻车身重量并使得结构更加紧密,目前在新能源车上主要用于功率控制单元(PCU)、逆变器,及车载充电器等方面。到2024年,SiC功率半导体市场规模将达到20亿美元,2018-2024年复合增长率约为50%,其中汽车成为SiC功率半导体最大的下游应用市场,占比将达到约50%;而根据Researchand Markets预测,全球SiC市场收入将达到30亿美元,2017-2023年复合增长率约为27%。
 
根据CASA统计,2019年中国GaN、SiC电力电子产业值为26亿元,同比增长84%,2016-2019年复合增速高达230.53%;GaN微波射频产值方面,中国科技部于2016年9月立项国家重点研发计划,旨在实现GaN器件与电路在5G通信系统中的应用,推动中国第三代半导体在射频功率领域的长足发展。根据CASA,中国GaN微波射频产业值从2016年的2.785亿元提升至2019年的38亿元(预估),年复合增速为138.96%。
 
而对于第三代半导体产业的发展,中国给予了高度重视,早在2013年,科技部“863计划”就将第三代半导体产业列为国家战略发展产业。2016年,国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中,将第三代半导体列为国家科技创新项目中“重点新材料研发及应用”重要方向之一。2019年12月,国家级战略《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求加快培育布局第三代半导体产业,推动制造业高质量发展;2020年7月,国务院发布的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》指出,国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业,自获利年度起,第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照25%法定税率减半征收企业所得税;2021年,“十四五”规划出炉,提出要瞄准集成电路等前沿领域,推动碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。
 
在5G通信、新能源汽车、快充、绿色照明等新兴需求崛起和国家政策大力支持的双重驱动下,预计中国第三代化合物半导体市场规模有望实现快速增长。《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》指出,2019年中国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
 
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
 
东莞证券表示,从GaAs、GaN和SiC市场竞争格局来看,目前化合物半导体产业链各环节以欧美、日韩和中国台湾企业为主,中国大陆企业在技术实力、产能规模和市场份额方面与领先企业均具有不小差距,市场话语权较弱。
 
以砷化镓为例,GaAs产业链可分为上游外延片、中游晶圆制造和下游GaAs元件三大环节,三大环节均以海外企业为主导。其中,上游外延片前三大厂商分别为英国厂商IQE(54%)、中国台湾厂商VPEC(占比25%)和日本厂商住友化学(Sumitomo Chemical),CR3高达92%;中游晶圆代工领域中国台湾厂商稳懋一家独大,市场占有率高达71.1%;下游GaAs企业市占率前三均被美国厂商把持,分别为:Skyworks(32.3%)、Qorvo(26.0%)和Broadcom(9.1%),CR3为67.4%。中国大陆GaAs产业链竞争格局处于弱势,在单晶制造、外延片中的射频器件、IDM中的射频器件等环节竞争力相对缺失。
 
GaN方面,GaN器件产业链包括上游衬底及外延片、中游器件设计与制造和下游产品应用等环节,目前行业模式以IDM为主,但设计与制造环节已开始出现分工。其中,住友电工在GaN衬底领域一家独大,市场份额超过90%,外延片龙头包括IQE、COMAT等;GaN制造环节代表性企业包括中国台湾的稳懋、富士通和台积电,中国大陆方面以三安光电为代表。
 
SiC方面,美、欧、日三足鼎立,美国产值占比超七成。从SiC器件制造流程来看,SiC器件的制造成本中,衬底成本占比50%,外延片成本占比25%,为SiC成本占比最大的两个部分。目前行业呈现美、欧、日三足鼎立格局,其中美国一家独大,全球产能占比超过七成。以成本占比最高的SiC衬底来看,截至2018年,美国Cree公司占据绝对龙头地位,市场份额达62%,其次是美国II-VI公司,市场份额约为16%,行业前两名市占率合计达78%;从行业生产模式来看,目前行业模式以IDM模式为主,代表性企业有美国Cree、德国Infineon、日本罗姆和意法半导体,中国大陆IDM厂商以泰科天润、瑞能半导体和华润微为代表,但与国际领先水平仍有较大差距。
 
东莞证券表示,考虑到国家政策对第三代半导体的大力扶持,以及中国大陆厂商在第三代半导体领域上的布局奋起直追,后续国产替代空间广阔,相关厂商有望迎来较好的发展机遇。
 
据亚化咨询不完全统计,近几年国内布局第三代半导体产业的企业超过百家,仅2021年5月签约的第三代半导体相关项目就将近5个。同时,国内也在技术、产业链上不断创新。以GaN相关专利为例,根据智慧芽数据显示,中国的相关专利申请在全球排名第一。
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