2022年半导体行业发展现状及未来前景分析.docx
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1、2022年半导体行业发展现状及未来前景分析1. 半导体行业:2020 年全球半导体市场规模为 4,404 亿美元,我国占全球市场超过三分之一半导体产业链可以分为上游支撑、中游制造和下游应用,其中上游支撑主要包含半导体材 料、半导体生产设备、EDA 和 IP 核;中游制造包括芯片设计、晶圆制造和封装测试三大环 节;下游应用覆盖汽车、工业控制、消费电子等领域。近年来全球半导体市场规模稳步上升,根据 WSTS 统计,2020 年全球半导体市场规模为 4,404 亿美元,预计 2021 年全球半导体市场规模将达到 4,883 亿美元,其中集成电路占比 82.1%、传感器占比 3.6%、光电子器件占比
2、9.0%、分立器件占比 5.4%。从全球竞争格局来看, 半导体产业集中度较高。根据 Gartner 统计,2020 年前十大半导体厂商的销售额占比超过 55%,仍然以海外头部企业为主导,包括英特尔、三星、SK 海力士、美光科技、高通等。随着电子制造业向发展中国家和地区转移,近年来中国半导体行业得到快速发展,集成电路设计、晶圆制造能力与国际先进水平差距不断缩小,封装测试技术逐步接近国际先进水 平,产业集聚效应明显。“十三五”是我国半导体行业发展的关键时期,云计算、物联网、 大数据、智能电网、汽车电子、移动智能终端、网络通信等应用的持续落地,带动半导体 需求持续释放。根据 WSTS 统计,2020
3、 年中国半导体市场规模为 1,515 亿美元,同比增长 5.1%,占全球市场超过三分之一,已成为全球最大和贸易最活跃的半导体市场。图:2015-2020 年中国半导体市场规模及增速目前半导体行业主要经营模式主要可以分为 IDM 模式和垂直分工模式。 IDM 模式为垂直整合元件制造模式,是集芯片设计、晶圆制造和封装测试等生产环节为一 体的垂直运作模式。IDM 模式的主要优势是设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力;能有 条件率先实验并推行新的半导体技术等。 该模式要求企业同时拥有自主研发能力和自行生产能力,对企业技术、资金、人才、 运营效率等方面要求较高。2020 年全球半导体产业厂商
4、排名前十的公司有六家采用 IDM 模式,包括英特尔、三星、SK 海力士、德州仪器等。垂直分工模式是对半导体产业链进行分工细化后的另一种经营模式,包括 IP 核、Fabless、 Foundry 和封装测试等厂商。IP 核厂商在芯片设计中提供可以重复使用的、具有自主知识产权功能的设计模块,芯 片设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的 IP 方案,实现某个特 定功能,缩短了芯片的开发时间,代表企业有 ARM、新思科技、Ceva、芯原股份等。Fabless 厂商将晶圆制造、封装测试等环节外包,只负责芯片或算法的设计和销售,根 据终端市场及客户需求设计开发各类芯片产品。Fabless
5、模式有利于公司专注于研发环 节,属于轻资产运营模式,需要与下游晶圆代工厂建立设计和制造方面的协同作用和 良好的合作关系。国际知名的 Fabless 厂商包括高通、博通、联发科和英伟达等。Foundry 厂商不负责芯片设计,同时为多家芯片设计公司提供晶圆代工服务,帮助芯 片设计公司突破制造壁垒。晶圆制造对生产设备要求较高,属于典型的技术及资本密 集型行业,需要在先进制程工艺方面持续保持领先优势,代表企业有台积电、中芯国 际、华虹宏力、先进半导体等。封装测试厂商将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封,使电路与外部器件实现连接, 并为集成电路提供机械保护,同时利用专业设备对封装完毕的集成电路进行功能和
6、性 能测试,是我国半导体产业链中发展较为成熟的环节,有望最先实现自主可控,代表企业有日月光、安靠、长电科技、通富微电等。2. 车规级半导体行业:要求严格,智能化、电动化及网联化推动行业发展, 但市场基本被外资厂商占据车规级半导体是应用于车体控制装置、车载监测装置和车载电子控制装置的半导体,主要 分布于车身控制模块、车载信息娱乐系统、动力传动综合控制系统、主动安全系统、高级 辅助驾驶系统等,半导体在新能源汽车上的应用相较于传统燃油车更为广泛,新增了电动 机控制系统、电池管理系统等应用场景。 按功能种类划分,车规级半导体大致可分为主控/计算类芯片、功率半导体、传感器、无线 通信及车载接口类芯片、车
7、用存储器等。与消费级和工业级半导体相比,车规级半导体对 产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高。车规级半导体对产品性能的严苛要求也使得行业具有较高的准入门槛。根据 Omdia 统计, 2019 年全球车规级半导体市场规模约 412 亿美元,预计 2025 年将达到 804 亿美元;2019 年中国车规级半导体市场规模约 112 亿美元,占全球市场比重约 27.2%,预计 2025 年将达 到 216 亿美元。车规级半导体行业发展趋势电驱动相关技术、人工智能技术和互联网技术的快速发展为汽车产业的转型升级提供了强 大的技术支撑,电动化、智能化、网联化是汽车产业转型升级的重要方向。汽车
8、的智能化、 网联化带来的新型器件需求主要在感知层和决策层,包括摄像头、雷达、IMU/GPS、V2X、 ECU 等,直接拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长。汽车电动化对执行层中动力、制动、 转向、变速等系统的影响更为直接,其对功率半导体、执行器的需求相比传统燃油车增长 明显。随着汽车电动化、智能化、网联化程度的不断提高,车规级半导体的单车价值持续提升, 带动车规级半导体行业增速高于整车销量增速。受益于车规级半导体国产厂商的崛起和汽 车电动智能互联,中国的车规级半导体行业有望迎来供给和需求的共振。汽车在电动化、智能化、网联化的发展过程中,半导体是发展的核心支撑。1)电驱化(电 动化),电动与混动汽
9、车的发展要求动力传动系统向电气化迈进,其中由电池、电机、电 控组成的三电系统主要以功率半导体为主,包含 IGBT、MOSFET 等。2)数字互联(智 能化、网联化),智能化发展带动具备 AI 计算能力的主控芯片市场规模快速成长;此外智 能与网联相辅相成,核心都是加强人车交互,除了加强计算能力的主控芯片外,传感器、 存储也是核心的汽车半导体,包含自动化驾驶的实现使传感器需求提升、数据量的增加带 动存储的数量和容量的需求提升。车规级半导体市场格局从全球市场竞争格局来看,国际厂商在车规级半导体领域中占据领先地位,车规级半导体 国产化率较低,根据 Omdia 统计,2020 年全球前十大车规级半导体厂
10、商中无国内企业。 车规级半导体国产化率较低的主要原因如下:车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高,产品整 体研发周期长、投资规模大,企业需要较长时间的技术积累和经验沉淀实现技术突破, 形成了较高的行业壁垒;车规级半导体对汽车的安全性和功能性起到至关重要的作用,认证周期和供货周期较 长,因此车企与芯片厂商在形成稳定的合作关系后,就很难在原有车型上再次更换供 应商;整车厂在认证车规级半导体的新供应商时,通常会要求其产品拥有一定规模的上车数 据,国产厂商缺乏应用及试验平台,在车规级半导体正常供给的状态下较难寻得突破。2020 年新冠疫情的爆发对全球车规级半导体供应链冲击较
11、大,海外厂商大面积停工,车企 下调汽车销量预测使得晶圆代工厂的车规级半导体产能向消费电子转移,部分车企的功率 半导体、电源管理芯片、汽车控制芯片受供给紧张的影响存在断供风险。2021 年以来,全 球车规级半导体产能紧缺持续发酵,芯片价格持续上涨,供货周期延长,多家车企宣布了 因“缺芯”造成的停工停产计划。全球汽车芯片短缺使我国车企对国产供应链的需求意愿进一步加强,国内车规级半导体企 业迎来发展契机。2020 年 9 月,由科技部、工信部共同支持,国家新能源汽车技术创新中 心作为国家共性技术创新平台牵头发起的“中国汽车芯片产业创新战略联盟”正式成立, 参与者包括整车企业、汽车芯片企业、汽车电子供
12、应商等 70 余家企事业单位,其建设宗 旨为打破行业壁垒,跨界融合半导体和汽车产业,推动我国汽车芯片产业高质量发展。3. 功率半导体行业功率半导体是电力电子装置实现电力转换及控制的核心器件,主要功能为改变电路中的电 压、电流、频率、导通状态等物理特性,以实现对电能的管理,广泛应用于汽车、工业控 制、轨道交通、消费电子、发电与配电、移动通讯等电力电子领域,其实现电力转换的核 心目标是提高能量转换率、减少功率损耗。功率半导体器件从早期简单的二极管逐渐向高性能、集成化方向发展,从结构和等效电路 图看,为满足更广泛的应用需求和复杂的应用环境,器件设计及制造难度逐渐提高。功率 半导体器件根据不同的器件特
13、性分别应用于不同应用领域,二极管、晶闸管等器件生产工 艺相对简单,在中低端领域大量使用;IGBT、MOSFET 等器件更多应用于高压、高可靠性 领域,器件结构相对复杂并且生产工艺门槛较高,成本较高,在新能源汽车、轨道交通、 工业变频等领域广泛使用。根据 Omdia 统计,预计 2024 年功率半导体全球市场规模将达到 538 亿美元,中国作为全 球最大的功率半导体消费国,预计 2024 年市场规模达到 197 亿美元,占全球市场比重为 36.6%。车规级 IGBT 成为增长最快的细分领域,年均复合增长率达到 29.4%IGBT 一般按照电压等级划分为三类,低压(600V 以下)IGBT 一般用
14、于消费电子等领域,中压 (600V-1,200V)IGBT 一 般 用 于 新 能 源 汽 车 、 工业 控 制 、 家 用 电 器 等 领域 , 高 压 (1,700V-6,500V)一般用于轨道交通、新能源发电和智能电网等领域。IGBT 芯片结构分为正面(Emitter side)和背面(Collectoer side)。从 80 年代初到现在,IGBT 正面技术从平面栅(Planar)迭代至沟槽栅(Trench),并演变为微沟槽(Micro Pattern Trench); 背面技术从穿通型(PT, Punch Through)迭代至非穿通型(NPT, Non Punch Through
15、), 再演变为场截止型(FS, Field Stop)。技术的迭代对改善 IGBT 的开关性能和提升通态降压 等性能上具有较大帮助,但是实现这些技术对于工艺有着相当高的要求,尤其是薄片工艺 (8 英寸以上的硅片当减薄至 100200um 后极易破碎)以及背面工艺(因正面金属熔点 的限制,所以背面退火激活的难度大),这也是导致 IGBT 迭代速度较慢。此外,IGBT 产品 具有生命周期长的特点,以英飞凌 IGBT 产品为例,该产品已迭代至第七代,但其发布于 2000 年代初的第三代 IGBT 芯片技术在 3300V、4500V、6500V 等高压应用领域依旧占据 主导地位,其发布于 2007 年
16、的第四代 IGBT 则依旧为目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术, 其 IGBT4 产品的收入增长趋势甚至持续到了第 15 年。市场规模方面,根据 Omdia 统计,预计 2024 年全球 IGBT 模块市场规模将达到 62 亿美元, 中国 IGBT 模块市场规模将达到 26 亿美元。 IGBT 下游应用包含工控、家电、新能源汽车等,2020 年市场规模达到 54 亿美元。根据 Yole,2020 年,全球 IGBT 市场规模约为 54 亿美元,预计将于 2026 年增长至 84 亿美元。 IGBT 具有多个下游应用市场,主要包括工控、家电、新能源汽车、新能源发电、轨道交通 等。其中,工控是
17、IGBT 最大的下游应用市场,2020 年,工控在全球 IGBT 下游应用中占比 约为 31.48%、家电占比约为 24.07%、EV/HEV 占比约为 9%。全球市场竞争格局方面,根据 Omdia 统计,全球 IGBT 市场竞争格局较为集中,2019 年全 球前五大 IGBT 标准模块厂商分别为英飞凌、三菱电机、富士电机、赛米控和日立功率半 导体,合计市场份额约 70%,其中英飞凌市场份额接近 37%;在中国 IGBT 市场中,英飞凌 仍保持领先的市场份额,国内企业合计市场份额较低,有巨大的发展空间。据 Omdia 预计,未来,汽车电动化、智能化推动车规级 IGBT 成为增长最快的细分领域,
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