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功率半導體行業研究報告!-蘇州愛特等離子設備/等離子清洗

發布日期:2021-03-26 15:53 來源:http://www.historianr.com 點擊:

功率半導體行業研究報告!-蘇州愛特等離子設備/等離子清洗

1. 下游需求旺盛,多領域增量顯著
功率半導體廣泛應用于電網的發電端、傳輸端和用電端。未來的主要增量來自:1)發電端:新能 源發電的興起對電能轉換需求更大,功率半導體可用作 AC/DC、DC/AC 轉換器,輸出穩定高質電 能到電網。2)用電端:新能源汽車帶來巨大增量市場;物聯網、云計算的發展對計算、存儲提出 了更高的要求,云、霧數據中心的擴容帶來了更大的電力需求;工業自動化使用機器代替人力,電 力供應、功率轉換需求亦顯著增加;用電設備的升級,如家電變頻化、工業電機變頻化、快充興起 也為市場整體貢獻了顯著增量。
從應用領域占比來看,汽車是全球功率半導體較為主要的市場,其次是工業與消費電子領域,根據 智研咨詢的數據,2019 年汽車、消費電子、工業占比分別為 35%、13%和 27%。國內市場方面, 2019 年汽車、消費電子、工業電源應用占比分別為 27%、23%和 19%。
1.1 電動車領域:汽車電動化為主要動能
? 汽車:電動化趨勢帶動汽車功率半導體量價齊升
高電壓、功率需求帶動電動汽車功率半導體價值量提升。傳統內燃機汽車中,電氣系統電源通常來 源 12V 蓄電池,功率管理、轉換需求在 10kW 以下,低價值量的低壓低功率器件即可滿足需求, 單車功率半導體總成本約在 71 美元左右。而混合動力/電動車集成了高壓動力電池(通常 144V 或 336V),電機驅動功率為 20-150kW。更高的電壓、功率需求帶動整車主流器件類型從低壓 MOSFET、二極管/整流橋轉向 IGBT 模塊、SiC 以及 SJ MOSFET,單車功率半導體價值量也因此 提升,根據英飛凌的數據,BEV-純電動車中新增功率半導體成本達 350 美元,是傳統燃油汽車的 近 5 倍。
? 低速電動車/電動自行車:鉛酸電池向鋰電池升級帶來功率半導體巨大需求增量
低速電動車鋰電池優勢明顯,未來新國標的出臺有望加速鋰電池滲透率提升。與鉛酸電池對比來 看,鋰電池的能量密度是鉛酸蓄電池的 2 倍以上,電池重量和充電時間不足鉛酸蓄電池的 1/2,理 論循環壽命更是可以達到鉛酸蓄電池的 3 倍以上,且隨著鋰電池技術的逐步成熟,成本端優勢也 有望逐步顯現,成為低速電動車電池升級趨勢。新國標有望成為重要催化劑,目前低速電動車新國標正在向社會征求意見,預計 2021 年推出,屆時低速電動車的國標將從推薦性變為強制性,推動 鉛酸電池向鋰電池轉化。
低速電動車鋰電池滲透率提升推動功率半導體用量大幅提升。低速電動車方面,非鋰電電動車控制 電路板上用到十幾個 MOSFET,加入鋰電保護還需要用到二十幾個。根據 EVTank 的預測和我們 的測算,我國低速電動車銷量在 2022 年有望達到 500 萬輛,鋰電池滲透率在悲觀、中性和樂觀的 情況下分別有望達到 30%、50%、70%,對應 MOSFET 需求分別為 1.13、1.38 和 1.63 億顆,相 較 2019 年分別提升為原來的 2.7、3.1 和 3.5 倍。
電動自行車迎新國標換購潮,鋰電保護需求大幅拉動功率半導體需求。2018 年 5 月,《電動自行 車安全技術規范》強制性國家標準(GB 17761-2018)發布,并于 2019 年 4 月 15 日起強制執行。一方面,新國標極大拉動了換購需求:截至 2018 年末,國內電動自行車的保有量超過 2.5 億輛, 絕大部分為新國標推出之前生產和銷售,假設其中 90%不符合新國標的要求,則存量的換購需求 為 2.25 億輛,按保守估計,假設該部分換購需求有 50%在 2022-2024 年期間實際發生換購,則年 均新增約 4,000 萬輛左右的換購需求,總需求達到 7000 萬輛以上,將比 2019 年的產量增長一倍以上。另一方面,新國標推動鋰電池滲透率提升,新國標下的整車重量要控制在 55kg 以下,重量 更輕、能量密度更高的鋰電池將成為電動車企業的主流選擇,根據 ZDC 互聯網消費調研中心的數 據,鋰電滲透率已于 2013 年的 6.7%提升至 2019 年的 13.2%,新國標出臺后預計加速提升。因 此,新國標的實施催生了巨大的新增市場需求,加入鋰電保護的電動自行車也將產生大量額外的 MOSFET 需求,成為 MOSFET 市場重要驅動因素。
? 充電樁:快充需求不斷提升,單樁功率半導體價值量顯著增加
功率半導體是充電樁的重要組成部分,充電模塊中,PFC 整流和 DC/DC 變換器會應用到 IGBT、 SJ 或 SiC MOSFET 等器件。目前 150kW 及以下功率充電樁目前主流采用 Si 基 IGBT 方案,每 10kW IGBT 模組所需功率半導體價值為 20 美元,SiC 解決方案成本為 Si IGBT 的 5 倍,達到每 10kW 100 美元。
受新能源汽車銷量快速增長和快充需求帶動,充電樁功率半導體市場快速增長。受新能源汽車銷 量快速增長的電動,充電樁市場將保持旺盛的需求。大功率快充樁占比將逐步提升,帶動充電樁平 均價值量提升:一方面,大城市停車位緊張,對于大功率公共充電是剛需;另一方面,高速公路充 電對時效性要求更高,對大功率快速充電亦是剛需。目前,充電設施企業已在北京、深圳、南京等 地建起了大功率示范站,北京未來科技城示范站充電功率較高已達 360kW。根據英飛凌的預測,2020 至 2023 年,全球充電樁功率半導體市場規模 CAGR 將達到 10.4%,至 2023 年,整體市場 規模有望達到 1.3 億美元。
1.2 泛工業領域:多因素共同驅動成長
工業具體下游較為復雜,我們以全球功率半導體龍頭廠商英飛凌 2018 年中國區 IPC 業務(工業功 率控制)的收入拆分為指引對該領域下游分布和驅動力做一個概觀的了解。根據英飛凌披露的數據, 我們可以看到,家電、工業驅動及供電、新能源應用為主要應用下游,而家電變頻化、工業自動化、 新能源發電的發展成為主要驅動力。
? 新能源發電:電力穩定及轉換需求驅動功率半導體用量提升
相比于傳統燃煤發電,新能源發電由于電力穩定以及轉換需求,增加了整流/匯流和逆變的環節, 這兩個環節均大量應用功率半導體,功率半導體需求因此顯著提升。
新能源功率半導體用量方面,以光伏發電為例,逆變器方面,采用集中式逆變器其中功率半導體成 本為 2000-3000 歐元/MW,而組串式功率半導體成本為 2500-5000 歐元/MW,電池接線盒方面, 1MW 的光伏組件將消耗 1 萬元的光伏二極管。
新能源發電市場有望持續增長,為功率半導體帶來增量。一方面,能源需求的提升和 CO2 排放量 下降的需求促使新能源興起;另一方面,新能源發電成本越來越低,根據 Financial Times 的統計, 中國大部分地區已達到或接近(
? 工業自動化:中國制造 2025 戰略推動工業功率半導體市場穩步增長
國務院《中國制造 2025》戰略規劃,提出了未來發展的十大重點發展領域,其中包括了機器人、 數控機床、電力裝備等方向,明確了智能制造、工業強基、高端裝備創新等五項重大工程,為工業 半導體帶來持續的增長動能。根據安森美半導體的數據,人力制造向機器人制造升級將帶來單機 250 美元的功率半導體增量,交流感應驅動電機向可變頻驅動電機升級亦會帶來單機 40 美元的功 率半導體增量。
普通焊接設備向逆變焊接設備升級也增加了功率半導體的用量。逆變焊接設備更加節能高效,未來 有望持續滲透。據前瞻產業研究院數據,2017 年,我國逆變焊接產品市場容量為 242 億元,在整 體電弧焊接產品市場中滲透率為 56%,仍有廣闊滲透空間。
? 家電:變頻化趨勢帶動功率半導體用量提升
家電變頻化趨勢為功率半導體帶來巨大增量市場。變頻家電擁有節能,低噪音等優勢:變頻空調其 壓縮機不會頻繁開啟,整體節能達到 15%-30%的效果,變頻洗衣機高速脫水時電機嘯聲可比定頻 洗衣機減少 10 至 20 分貝,變頻冰箱的速凍能力比普通冰箱提高 20%。因此,變頻家電滲透率迅 速將持續快速提升,有望從 2019 年的 57%提升至 2023 年的 88%。從 IPM 和二極管、MOSFET、 IGBT 等功率半導體的用量來看,變頻家電功率半導體價值相比普通家電增長 12 倍以上。受益于 上述驅動,全球家電功率半導體規模有望從 2019 年的 41 億美元增長至 2023 年的 70 億美元,4 年 CAGR 在 14%以上。
1.3 消費電子:快充興起帶動用量提升
快充興起帶動 MOSFET 需求提升??斐渫ㄟ^提高電壓來達到高電流高功率充電,但高電壓存在安 全隱患,需要添加同步整流的 MOS 管來調整,增加了 MOS 管的用量;后來出現較為安全的“閃充” 模式,即通過低電壓高電流來實現高速充電,對同步整流 MOS 管提出了更高的要求,發熱少、體 積小的 GaN-MOS 管成為主流。預計 2022 年快充占比將達到 21%,整個充電器市場規模將近 130 億美元,為 MOS 管市場帶來顯著增量。
快充的采用需要配備更多的 ESD 靜電保護器件。移動電子設備熱插拔行為或客戶本身所產生的靜 電放電會對設備造成干擾,ESD 靜電保護器件能夠在靜電放電現象發生時,在納秒級的時間內迅 速將浪涌電壓瞬間抑制住,保護移動設備電路不受靜電放電影響。ESD 靜電保護器件一般采用高 性能 TVS 管(瞬態抑制二極管)。用量方面,未采用快充的手機用量在 10 個以上,主要應用于麥 克風、SIM 卡、WIFI/GPS/RF 天線、USB 接口等位置,充電接口所需 ESD 數量為 1 顆甚至不采 用??斐涞牟捎眯枰嗟?ESD 器件,需要分別在手機充電接口端、充電線兩端增加一顆 ESD 芯 片,充電器部分至少增加 2 顆 ESD 芯片。因此,快充的采用帶來了至少 5 顆的 ESD 芯片增量, 相比于原來 10 顆左右的用量增加幅度達到了 50%。
CPU 與 GPU 的算力提高使推動 MOSFET 用量增加。PC 是 MOSFET 重要的應用市場,多相供 電電路中每一相都至少需要上下橋兩個 MOSFET,隨著 CPU、GPU 運算能力的上升,電源相數 隨之提升,以英偉達領先產品 NVIDIA TITAN RTX 為例,其中搭載的 iMOS DrMOS 電源高達 13 相,遠高于五年前主流的 4-6 相供電,對應 MOSFET 的用量提升了 1 倍以上。
1.4 通信/存儲計算領域:5G 建設拉動需求增長
5G 建設對功率半導體需求的拉動來自四個部分:
1) 5G 基站相比 4G 更為密集,功率更大,帶來更多的電源供應需求?;緮盗糠矫?,5G 通信頻 譜分布在高頻段,信號衰減更快,覆蓋能力大幅減弱,相比于 4G,通信信號覆蓋相同的區域, 5G 基站的數量將大幅增加。據戰新 PCB 產業研究所調查,目前 4G 基站的密度約為 500 米 一個,郊區 1.5 公里,農村 5 公里左右。5G 覆蓋城市中心區域大概需要 200-300 米一個 5G 基站,郊區大概 500 米-1 公里左右 1 個 5G 基站,農村需要 1.5-2.5 公里一個 5G 基站,總體 基站數量需求是 4G 的 2-3 倍?;竟β史矫?,根據華為公布的數據顯示,5G 基站功率較 4G 基站提升幅度達到 68%。更高的覆蓋密度、更大的功率需求都對電源相關功率半導體器件產 生了更大的需求。
2) Missive MIMO 技術的采用使得基站射頻端需要 4 倍于原來的功率半導體。Massive MIMO 指 的是發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,信號可以通過發射端與接收端的多 個天線發送和接收,在不增加頻譜資源和天線發送功率的情況下,提升系統信道容量和信號覆 蓋范圍。根據英飛凌的統計,傳統 MIMO 天線需要的功率半導體價值大約為 25 美元,而過渡 為 Massvie MIMO 天線陣列后,所需的功率半導體價值增加至 100 美元,達到原來的 4 倍。
3) 5G 時代數據量大幅增加,云計算中心擴容帶動功率半導體用量提升。一方面,5G 具備更高 的速率,其理論上能提供較高 10Gbps 的峰值傳輸速率,相比于 4G 100Mbps 的峰值速率提 升了 100 倍,使得蜂窩網絡傳輸承載的數據量變大。另一方面,5G 大連接的特性推動了物聯 網行業的發展,眾多物聯網終端均是數據的提供者。數據量的快速提升創造了巨大的數據運算 需求,推動了云計算中心的擴容,整體運算功率提升,增加了功率半導體的應用需求。
4) 霧計算中心的出現帶來全新增量市場。與云計算相比,霧計算所采用的架構呈分布式,更接近 網絡邊緣。霧計算將數據、數據處理和應用程序集中在網絡邊緣的設備中,數據的存儲及處理 更依賴本地設備,本地運算設備的增加帶動 MOSFET 等功率半導體用量提升。
1.5 第三代半導體進一步打開成長空間
第三代半導體材料 SiC/GaN 具備高功率密度、低能耗、抗高溫等特性,在高壓、高頻率、高溫等 工作環境優勢顯著,SiC/GaN 功率器件憑借其優良性能有望在新能源汽車、快充、新能源發電、工 業等高頻、高壓市場中獲得廣泛應用,并助推功率半導體高頻、高功率演進。
新能源汽車應用中,SiC 功率半導體相比于 Si 基器件可實現輕量化和高效率。SiC 功率半導體可 應用于 DC/AC 逆變器、DC/DC 轉換器、電機驅動器和車載充電器(OBC)等核心部件。在 DC/AC 逆變器的設計中,SiC 模組代替 Si 模組能夠顯著降低逆變器的重量和尺寸,同時做到節能;有數 據表明,在相近的功率等級下,SiC 模組逆變器相比 Si 基模組逆變器重量可降低 6kg,尺寸可降 低 43%,同時開關損耗降低 75%。目前,根據英飛凌的統計數據,SiC 在電動汽車中滲透率約為 3%,預計到 2025 年可以達到 20%,增長近 6 倍。
快充領域,GaN 可集成外圍驅動,減小整體體積。傳統的硅器件是垂直結構,不能集成外圍驅動;GaN 功率器件是平面架構,可以集成外圍驅動和控制電路,將 IC 體積做小,顯著降低成本。
受益 SiC/GaN 器件技術成熟&成本下降,SiC/GaN 器件有望加速滲透。以 SiC MOSFET 為例, 其 50%-60%的成本來源于 SiC 晶圓。加工技術的成熟將帶動 SiC/GaN 器件平均晶圓成本下降, 以英飛凌的冷切技術為例,采用冷切技術可以將原本 300μm 的切口損失將至 0,材料的利用效率 提升一倍以上,顯著降低平均晶圓成本。根據 Omida 的預測,150mm SiC 晶圓價格有望從 2017 年的近 1200 美元降至 2025 年的接近 700 美元。隨著 SiC/GaN 器件成本的不斷下降,其有望在 新能源汽車、快充等市場中獲得廣泛應用,根據 Yole 的預測,2023 年 SiC、GaN 電力電子器件 的市場規模將分別增長至 14 億和 3.7 億美元,市場滲透率分別達到 3.75%和 1%。
功率半導體整體市場規模:受益于以上所有需求的驅動,根據 Omdia 的預測,全球功率半導體市 場規模有望從 2020 年的 430 億美元增長至 2024 年的 520 億美元以上,CAGR 約為 5.1%。

愛特維是一家集設計、研發,生產,銷售、售后為一體的等離子系統解決方案供應商。作為國內領先的等離子設備制造企業,公司擁有由多位資深工程師組成的專業研發團隊,配備有完善的研發實驗室,與多所較高院校及科研單位開展合作,取得多項自主知識產權和國家發明證書?,F已通過ISO9001質量管理體系、CE、高新技術企業等多項認證??蔀榭蛻籼峁┱婵帐?、大氣式、多系列標準機型及特殊定制服務。以卓越的品質,滿足不同客戶的工藝及產能需求。

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