半导体2022投资展望：国产替代不断推进，看好设备/材料/功率/SiC

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2022-01-06 14:50·九方金融研究所

【摘要】

展望2022年，我们认为半导体行业需要把握三个层面：

首先，全球半导体景气延续，以台积电、中芯国际为代表的晶圆代工龙头数次上调资本开支，直接利好国内半导体与材料供应商，我国在半导体设备/材料领域的国产替代有望加速；

其次，功率半导体是电路转换与电能控制的核心，随着汽车电子、光伏/风电、5G基建等下游领域驱动行业快速发展。作为全球最大的功率半导体消费国，我国功率半导体器件自给率较低，国内功率半导体产业收获行业快速发展和国产替代加速的双重红利，有望迎来黄金发展期。

再次，由于IGBT已经达到硅基材料的物理极限，难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求，SiC基功率器件适用于高压领域，具有更好的性能，降低能量损耗，发展潜力巨大。

根据国家海关总署数据，2021 年1-10 月我国集成电路出口金额为1224.48亿美元，同比增长26.67%，进口金额为3,474.91 亿美元，同比增长16.82%。进出口金额均实现同比增长。目前来看，虽然我国集成电路出口规模仍低于进口规模，但出口金额增速远高于进口增速，出口/进口金额不断提高，反映我国在集成电路领域的自主可控进程不断推进。

展望2022年，我们认为半导体行业需要把握两个层面：

首先，全球半导体景气延续，以台积电、中芯国际为代表的晶圆代工龙头数次上调资本开支，直接利好国内半导体与材料供应商，我国在半导体设备/材料领域的国产替代有望加速；

其次，功率半导体是电路转换与电能控制的核心，随着汽车电子、光伏/风电、5G基建等下游领域驱动行业快速发展。作为全球最大的功率半导体消费国，我国功率半导体器件自给率较低，国内功率半导体产业收获行业快速发展和国产替代加速的双重红利，有望迎来黄金发展期。

再次，由于IGBT已经达到硅基材料的物理极限，难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求，SiC基功率器件适用于高压领域，具有更好的性能，降低能量损耗，发展潜力巨大。

一、 主要晶圆厂资本开支保持强劲，设备、材料持续受益

龙头厂商2021年前三季度业绩实现正向增长，销售数据保持强劲。根据IC Insights，受益全球半导体景气高企，2021年前三季度，预计全球前15家半导体公司21Q3实现7%营收增长，合计营收达1,152亿美元。从具体企业来看，同比增幅最大的是苹果公司，仅有英特尔实现负向增长。

此外，半导体销售到年底预计仍然保持强劲，以台积电为例，其第三季度销售额同比增长11%，IC Insights预计其销售额在第四季度将再增长4%，充分彰显行业景气。

在全球半导体芯片产能供不应求背景下，作为全球晶圆代工龙头的台积电数次上调资本开支。2021年初，台积电预计2021年资本支出为250至280亿美元，而在4月15日的法说会上，将2021年资本支出增加至300-310亿美元，上调幅度达10%-20%，并宣布将在未来3年投入1,000亿美金大幅扩产。

中芯国际方面，9月2日，公司与上海自贸试验区临港新片区管委会签署合作框架，将共同成立合资公司将规划建设产能为10万片/月的28nm及以上12英寸晶圆代工产线，管理层表示未来几年内12英寸产能将增加两倍（相当于总产能增加一倍），以满足终端客户日益增长的国产化需求。

从相关性情况来看，全球半导体设备销售额与全球半导体销售总额相关性较高，大部分年份半导体设备销售额占半导体销售总额比重在12%至16%之间。而作为集成电路采购最大的项目之一，全球半导体设备销售又与半导体资本支出密切相关，因此若半导体大厂上调资本开支，则有利于刺激半导体设备厂商销售。我们认为，海外与内地晶圆厂纷纷上调资本支出充分彰显行业景气，资本支出增加将直接利好国内半导体设备与材料供应商，我国在半导体关键领域的国产替代进程有望加速。

WSTS、SEMI等机构都纷纷预测，在2020年的高基数基础上，全球半导体市场、半导体设备市场和半导体材料市场规模在未来两三年仍将持续上涨。

国内晶圆厂/存储厂进入资本开支高峰期，为国产设备厂商提供巨大市场空间。国内的中芯国际、长江存储、长鑫存储、华虹集团等晶圆厂/存储厂在技术工艺上实现突破后，正进入加速扩产期，对应资本开支也进入爆发期，为设备厂商带来了巨大的订单机会。

以中芯国际为例，加上2021年9月公告的临港扩产项目后，北京、天津、上海三地成熟制程扩产的预计投资便达到188亿美元，考虑到先进制程扩产等投资后更是有望突破200亿美元。长江存储、长鑫存储也都处于加速扩产期，未来三年累计资本开支也都各自有望突破200亿美元。

因此，随着国内主要晶圆厂存储厂进入扩产高峰期并加速推进国产替代进程，国内半导体设备材料厂商面临着巨大的成长机会。

以设备为例，通过估测国内主要晶圆厂/存储厂的资本开支及设备国产化比例的情况，对未来三年国产半导体设备国产化空间进行了测算，判断未来三年国产设备厂商面临的订单机会将持续快速增加，各领域的细分龙头在下游客户持续实现工序和份额突破，将深度受益于此轮国内晶圆厂/存储厂的扩产高峰及国产替代加速。

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半导体设备方面，虽然全球市场AMAT、TEL、Lam Research等海外龙头基本主导了各个细分行业格局，但国内半导体设备厂商也在各个细分环节积极布局，并在多个领域实现突破，尤其是北方华创、盛美股份、芯源微、华峰测控等细分优质龙头，技术能力和产品范围持续拓宽，在成熟制程可实现国产替代的比例逐渐提高，预计将深度受益于国产化加速推进。

半导体材料方面，其细分种类众多，整体上各个细分行业都以海外厂商为主导。以硅片为例，全球市场主要由信越化学、SUMCO 等少数厂商主导，国内厂商在大尺寸硅片尤其是12 英寸仍有巨大进步空间；再比如光刻胶环节，基本是由JSR、东京应化、信越化学等厂商占据多数份额，国内厂商替代空间广阔。

而国内同样已有一批厂商在多个细分领域逐渐突破，安集科技、沪硅产业、江丰电子、雅克科技等优质公司覆盖工艺和工序持续提升，可替代比例不断提高，有望充分享受国内晶圆厂扩产红利。

总体来看，我们认为，国内晶圆厂存储厂进入扩产高峰期，资本开支将持续加速，而伴随着资本开支落地，国内晶圆厂存储厂的产能将快速提升，为设备材料厂商带来巨大的订单机会，同时供应链国产替代正当时，设备材料厂商将充分受益于这一轮扩产加速、迎来黄金发展期。设备相关标的：北方华创、盛美上海、芯源微、长川科技、晶盛机电；半导体材料相关标的：安集科技、雅克科技、晶瑞电材、沪硅产业、华特气体。

二、 功率半导体：下游需求旺盛，国产替代进行时

随着全球各国对于“碳中和”“碳达峰”等相关的目标制定和政策推进，以及新能源和自动驾驶技术及产业链的完善成熟，新能源车及光伏加速建设将成为功率半导体市场快速增长的最主要驱动力。

1. 电车：汽车迈向纯电动化，功率半导体量价齐升

电动汽车主要分为MHEV、PHEV与BEV三种大类。MHEV为轻度混合动力汽车，只是在发动机上安装小型电动机，帮助改善发动机的启/停过程；PHEV为插电式混合动力汽车，同时利用电动机与发动机进行驱动，且可以利用外接电源进行充电；BEV 为纯电动汽车，利用蓄电池存储动力，利用电动机进行电能驱动。

随着技术不断完善及全球政府的大力推进，新能源汽车未来有望保持较高增速。

供给端来看：特斯拉等造车新势力通过打造全新的用户体验及产品模式，倒逼传统厂商向新能源转型，形成良性循环，大量优质新能源车型被纷纷推向市场。

需求端来看：购车群体对新能源车逐步产生认识叠加政府的大力推进，新能源汽车消费人群逐步起量。因此，新能源车未来有望逐步替代传统能源汽车，成为汽车市场增长的主要驱动力。

功率半导体在汽车中主要负责能量转换，电动车功率半导体用量提升。燃油车的功率半导体应用场景主要包括启停模块、车灯、引擎、车身、音响控制、防盗以及动力传输系统等。而对于电动车而言，功率半导体用量在燃油车的基础上显著提升，主要增量体现在车载充电系统（OBC）、电池管理（BMS）、高压负载、高压转低压、主驱动等，用量相比于传统燃油车显著提升，将成为电动车核心元件之一。

随着电动车加速渗透，功率半导体单车价值量上升趋势明显。根据英飞凌、strategy analytics和IHS Markit的统计数据，ICE（内燃车）内功率半导体价值71美元，总成本占比不足10%；而PHEV和BEV二者平均功率半导体价值量为330美元，占总成本的39.56%，相比ICE的功率半导体价值量增加了约240美元。此外，根据英飞凌2020年6月报道的数据来看，BEV车型中功率半导体价值量为350美金，相比于ICE车型价值量提升约为280美金。在电动化时代，随着A级、B级电动车渗透率的不断提升，单车功率半导体价值量亦有望长期保持上升趋势。

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2. 光伏：全球光伏装机量提升，推动功率半导体需求增长

光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏。光伏逆变器主要由输入滤波电器、DC/DC MPPT电路、DC/AC逆变器、输出滤波电路、核心控制单元电路组成。逆变器在光伏电站中占据核心地位，是连接电网和光伏系统的关键枢纽，其主要功能是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电，并入电网或供负载使用。逆变器的性能对电站运行平稳性、发电效率和使用年限都会产生直接影响。此外，逆变器还负责整个光伏系统的智能化控制，能够通过最大功率电追踪（MPPT）显著提升系统发电效率，对系统状态进行监控、调节和保护。

光伏新增装机速度逐年提升，市场需求不断扩大，作为光伏电站系统核心的逆变器有望迎来量价齐升。此外，存量市场方面，考虑到光伏逆变器寿命一般在10年左右，当前存量替换需求主要来自2010年前后分布于欧洲地区的光伏装机。国内光伏装机于2013年起腾飞，因此预计未来2-3年国内存量替换市场也将不断扩大。如果假设存量替代为10年前的新增规模，则未来存量替代亦将显著拉动光伏逆变器的需求。综上，光伏装机增量与存量的相互作用，将带动光伏逆变器渗透率不断提升、市场空间显著扩大。

IGBT等功率半导体是逆变器实现直流转交流的关键所在，在逆变器成本中约占据13%的价值。IGBT和MOSFET等电力电子开关器件的高频率开合特性是逆变器实现直流电转交流电这一基础功能的基础。逆变器生产所需原材料主要包括电子元器件、机构件以及辅助材料，其中电子元器件包括功率半导体、集成电路、电感磁性元器件、PCB 线路板、电容、开关器件、连接器等，机构件主要为压铸件、钣金件等，辅助材料主要包括塑胶件等绝缘材料。根据固德威招股说明书披露，机构件、电感、IGBT功率器件为3大核心耗材，占据近60%的成本，其中IGBT功率器件占据约13%，位列第三。

分类型看：

二极管、晶闸管等已经率先实现国产替代。在二极管、晶闸管、低压MOSFET等低端产品方面，国内厂商已经具备独立生产的能力，并凭借较低的成本优势，市场份额较大。早在2014年，我国二极管及相关产品的出口量就以超出进口量，实现了该产品的贸易净输出。而在新能源车、电力、轨道交通等领域应用较多的高端产品中高压MOSFET、IGBT技术门槛较高，工艺更复杂，且客户认证壁垒较高，目前仍主要依赖于进口，处于被国外巨头垄断的现状。

中低端MOSFET国产份额有望提升，中高端领域持续突破。消费电子中低压MOSFET的技术壁垒较低，核心竞争力在于厂商的成本控制能力，国内厂商成本占优，部分国际大厂正逐步退出，国内厂商市场份额有望提升。中高端MOSFET领域，国内厂商研发及量产进度不断加快：华润微已可提供100V-1500V范围内低、中、高压全系列MOSFET，同时积极布局汽车电子与工控市场，进行新品立项开发，客户送样与量产供应；闻泰科技2019年推出了针对5G电信基础设施的高耐用的MOSFET，又在2020上半年推出了尺寸缩小36%、RDS（on）最低的超微型MOSFET和采用坚固材料、更节省空间的LFPAK56封装的P沟道MOSFET。

IGBT已实现部分高端领域突围，自给率有望持续提升。大功率高电压领域，中车时代电气目前已实现650V-6500VIGBT全电压范围覆盖，在轨道交通、智能电网、新能源车等多个领域得到认可和应用。车用领域，比亚迪半导体拥有车用IGBT完整产业链，于2018年底发布了IGBT4.0技术（相当于国际第五代），2020年4月底其位于长沙的8英寸晶圆生产线开工建设。斯达半导在2018年全球IGBT模块市场中所占份额约为2.2%，2019年底已量产成功1-6代所有型号的IGBT芯片，第7代和华虹联合研发中。据盖世汽车和斯达半导，2019年英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块，比亚迪供应了19.4万套，斯达半导16万套，比亚迪、斯达半导市占率已分别为16%、13%。随着国内厂商设计能力提升、产线建设及产能释放、整车厂认证，国内车规级高端IGBT自给率有望持续提升。

总体上，我们认为，功率半导体未来三年需求有望持续受益于新能源汽车等需求带动，同时其产能又主要集中在供给增加较少的8英寸晶圆，因此景气度无需担忧。相关标的，功率器件：斯达半导、时代电气、闻泰科技、扬杰科技；功率IC：圣邦股份、思瑞浦。

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三、 第三代半导体：能耗转换效率更高，发展潜力巨大

IGBT已经达到硅基材料的物理极限，难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求，碳化硅器件（SiC）在未来存在明显优势。

据ST 测试数据，在800V平台下SiC器件损耗显著低于IGBT，在常用的25%的负载下其损耗低于IGBT的80%。此外，IGBT是双极型器件，在关断时存在拖尾电流；而MOSFET是单极器件，不存在拖尾电流，该特性使得SiC-MOSFET的开关损耗大幅降低，提高能源转换效率。随着越来越多的车厂提高车的电池电压，在未来的高压场景下，碳化硅的性能优势会更加明显。

由于碳化硅材料具备耐高温、耐高压、高功率、高频、低能耗等优良电气特性，采用碳化硅衬底可突破传统材料的物理限制，碳化硅器件将被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天、5G 通讯、国防军工等领域，发展前景广阔。

区别于传统硅基衬底，碳化硅半导体材料具有耐高压、耐高温、低损耗等优良性质。相比于传统单晶硅，碳化硅的击穿电压约为硅基材料的10倍（更高的击穿电压有利于器件承受高压）。此外，碳化硅具备热导率是硅材料的2-3 倍，使得碳化硅散热更加迅速，有助于提高器件功率密度，在相同电流下，设备尺寸可以做得更小。同时，碳化硅材料具有相比于硅约2倍的饱和电子漂移速率、3倍的禁带宽度，使得碳化硅导通电阻率更低、功率损耗更小。另外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，可以大幅提高实际应用的开关频率，降低开关损耗。

据ROHM 的报道，若将相同规格的碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET进行对比，碳化硅材料导通电阻将降低为原有的1/200，尺寸减小至1/10；相同规格的碳化硅基MOSFET比硅基IGBT，能量损失小于1/4。

导电型碳化硅衬底主要用于制作功率器件，是电力电子行业的核心。应用场景有电动汽车、数字新基建、工业电机等。根据IC Insights《2019 年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》，2018 年全球功率器件的销售额增长率为14%，达到163 亿美元。目前，功率器件主要由硅基材料制成，但是硅基器件由于自身的物理特性限制，其性能、能耗已达到极限，难以满足新兴电能应用需求。碳化硅功率器件凭借耐高压、耐高温等特点，可更加有效地应用于新能源汽车等战略领域。根据Yole数据，2019年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元，预计2025年将增长至25.62亿美元，复合年增长率达30%。碳化硅功率器件市场的高速增长也将推动导电型碳化硅衬底的需求释放。

电机驱动系统：碳化硅功率器件主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器，可减小电力电子系统体积、提高功率密度等。特斯拉是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商，其Model3车型率先采用了24个碳化硅MOSFET，采用标准6-switches逆变器拓扑，每个switch由4个单管模块组成，共24个单管模块，可实现模块封装良率的提升、半导体器件成本的下降。

2020年比亚迪汉EV车型电机控制器使用其自主研发制造的SiC-MOSFET控制模块，可以在更高的电压平台下工作，减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统更小的体积（同功率情况下，体积不及硅基IGBT的50%）下达到更高功率（363Kw），提升车型的加速性能，实现3.9s内0-100公里的加速，延长汽车的续航里程（605公里），这均与碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性有关。

车载充电系统（OBC）：车载蓄电池充电机可将来自电池子系统的DC电源转换为主驱动电机的AC电源。SiC器件使OBC的能量损耗减少、热能管理改善。根据Wolfspeed，OBC采用碳化硅器件，与硅器件相比，其体积可减少60%，BOM成本将降低15%，在400V 系统相同充电速度下，SiC充电量翻倍。目前，全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件

电源转换系统（车载DC/DC）：车载DC/DC变换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。采用碳化硅器件，设备温度积累减少，加之材料本身高导热率、耐高温的特点，散热设备可以简化，从而减小变压器体积。

非车载充电桩：非车载直流快速充电机可将输入的外部AC电源转换为电动车需要的DC电源。SiC的高开关速度保证了快速充电器的充电速度。

目前，SiC-MOSFET单管器件的价格大约为Si-IGBT价格的3-5倍，800V电压平台下，整车成本及充电装臵将会更昂贵，采用碳化硅器件模块的车型有望率先应用于高档车。

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新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：据IDC预测数据，2025年中国新能源车销量500万台左右。我们假设2025年中国新能源汽车销量500万~600万辆，据产业调研，车规碳化硅电驱模块价值量大约为3000-4000元，加之OBC、DC/DC等部件使用，假设整车的碳化硅器件价值量约为5000元，根据CASA 数据，碳化硅衬底价值量大约为器件的50%，假设30%的新能源汽车采用碳化硅模块，则预计到2025年新能源汽车SiC衬底需求空间为37.5-45亿元。

光伏发电打开碳化硅衬底市场空间：采用碳化硅器件可有效提高光伏发电转换效率。根据天科合达招股书，碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。根据SolarPower Europe数据，我国光伏装机容量保持增长态势，有望在2025年达到101GW。近年来，越来越多的公司投资碳化硅光伏逆变器，追求低能耗、轻量级、高效率等，根据CASA预测，在2048年，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比可达85%。

国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的SiC产品主要集中在650 V-1700 V电压等级，主要产品为二极管和晶体管，3000V以上电压及SiC-IGBT尚在研发当中。

国内厂商如泰科天润已发布3300V/0.6 A-50 A SiC二极管系列产品；三安集成、基本半导体等公司已实现650V、1200V、1700V的SiC-MOSFET的小规模量产；功率模块方面，国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局，目前比亚迪汉已经成功搭载了自主研发的SiC-MOSFET 控制模块。国内市场已经初步实现低端产品的国产替代化，高端产品依然依赖进口。相关上市公司：三安光电、露笑科技等。