跟著電動車起飛的功率半導體

下面為 7/14 上線的 Podcast 33 集節目:功率半導體產業介紹的文字版整理。

提到電動車,一般人腦海想到的一定是特斯拉和 Elon Musk,但其實還有一個產業是製造電動車不可少,但台灣投資朋友比較陌生,那就是功率半導體產業。今天我們就來聊聊跟著電動車起飛的功率半導體,以及其中的歐美功率半導體巨頭們,喜歡電動車題材的朋友不要錯過今天內容。

什麼是功率半導體?

功率的英文原文是 power,代表的就是電源、電力的意思,因此功率半導體指的就是和電源、電力控制應用有關的半導體元件。所有的電子產品運作都脫離不了電力環節,例如整流 AC/DC、變頻、變壓、功率轉換、電源管理 ⋯ 等,都需要靠功率半導體來達成

功率半導體產業產值也不算小,2020 產值約 390~400 億美元,大約佔整體半導體產值的 9%。產業內的巨頭,對於台灣一般投資朋友可能比較陌生,但在半導體產業中的地位也是舉足輕重,包含:

  • 英飛凌 IFNNY:功率半導體龍頭,全球第 10 大半導體公司,市值 515 億美元
  • 德州儀器 TXN:功率半導體老二,也是全球最大的類比 IC 龍頭,全球第 9 大半導體公司,市值 1738 億美元
  • 安森美 ON:功率半導體老三,全球半導體排名估計 20 名上下,市值 160 億美元
  • 意法半導體 STM:功率半導體老四,全球第 14 大半導體公司,市值 332 億美元

功率半導體特點

台灣半導體產業雖然發達,但是我們熟悉台積電、聯發科、聯電等公司,主要產品類型以數位 IC 為主,瞄準的市場是數位消費、通訊應用,而功率半導體近七成市場主要在工業、汽車應用,這兩類型市場特性非常不同。


各種功率元件與應用場合,圖片來自英飛凌

數位半導體追求高運算效能、小體積;而且一款晶片銷量往往數千萬顆,追求大量規模生產。但是由於生命週期等多約 2~3 年,因此不追求耐用可靠性。

功率半導體與上面數位半導體完全不同。工業、車用市場在功率半導體佔比較高,這類市場屬於少樣多量、客製化生產模式,不追求規模生產。功率半導體也不追求運算效率,但產品使用壽命往往高達 10~20 年,看重的反而是高可靠性、高穩定性,要能夠在極高溫或極低溫運作、24 小時不間斷運作也不能故障。

因為以上特性,使得功率半導體在產品形式、產業鏈、營運模式與數位半導體非常不同。

產品形式不同:分離式元件與 IC 個半邊天

消費、通訊晶片由於追求高效與小體積,持續走向整合數萬個運算單元的積體電路 IC,廠商非常追求製程微縮。因此我們可以看到每當台積電推出最新製程時,蘋果、高通、聯發科、AMD 等通訊、處理器晶片業者莫不爭先恐後下單,原因在於一旦產品所使用的製程落後對手,自家晶片運算效能就會落後對手,在市場的競爭力就有流失的風險。近年最明顯的例子就是 Intel 由於製程落後台積電,市占率開始被 AMD 侵蝕。

工業、車用市場並不追求高運算效能,電力控制運作邏輯也相對簡單,因此功率半導體不追求製程微縮,導致分離式元件與 IC 各佔半片天。和整合數萬個電晶體的 IC 不同,所謂分離式元件上只有個位數、甚至單一電晶體,常見的元件包含 IGBT、MOSFET、二極體,這類分離式元件佔功率半導體產值高達 49%

至於另外一半的功率 IC,也不追求高運算效能。在成本與穩定性考量下,多半使用成熟製程的 130~350nm 與 8 吋晶圓生產即可,不需要向處理器一樣不斷追求 5nm、3nm 昂貴的先進製程。

產業鏈價值不同:設計價值低,封裝與製造重要性高

由於數位應用邏輯複雜,追求高效能高集成度,因此產業鏈中以設計環節最重要,IC 設計產值佔比高達 45%,其次才是晶圓製造佔 42%,封測環節僅 12%。

功率應用邏輯簡單,並不需要太過複雜設計,甚至使用簡單分離式元件即可滿足需求,因此設計環節相對不重要。為了達成高可靠性、耐高壓高溫,製造和封裝環節的材料與工藝才是關鍵,導致 IC 設計只佔功率半導體整體產值比的 15%,反而晶圓製造、封裝、測試佔整體產值的 85%。

業者營運模式不同:IDM vs 委外代工

消費數位應用看重設計環節,單一 IC 生產量大,但產品使用生命與可靠性要求低,因此逐漸演變為台灣熟悉的半導體產業分工模式:設計業者只專注在晶片的邏輯設計,不負責生產;實際製造與封裝外包給專業的晶圓代工與封測廠商負責。

但是工業與汽車應用高客製化,各家廠商對可靠性、穩定性的參數要求不同。而電力運作的可靠性、穩定性的關鍵多半不在設計環節,而是決定於材料、製程、封裝工藝,這使得功率半導體業者必須同時掌握設計、材料、製造、封裝環節,才有辦法滿足數千數萬家客戶不同的電子性能要求。因此目前主要的功率半導體業者多半採取 IDM:整合元件製造廠經營模式,設計、製造、封測一把抓。

因此相較於台灣晶片廠商主要是委外代工的無晶圓廠經營模式,功率半導體業者則是走向 IDM 或 Fab-lite 模式,工業、汽車、航太產品在設計、製造、封測都是自行生產;但消費性產品為了降低成本就外包交由台灣、中國晶圓代工、封測業者製造。

競爭門檻不同

綜合以上,功率半導體與數位半導體的競爭門檻明顯不同。

首先在技術人力門檻上,功率半導體門檻在於精,數位 IC 人力上追求偏向量。功率半導體重視材料選擇與物理參數調校,兩者仰賴長期經驗,使得研發人力培養時間約 5~10 年以上,為一般數位 IC 研發人力兩倍。而不同的功率半導體業者產品物理特性差異大,特定公司累積經驗不易複製轉移至其他廠商,這又導致功率半導體研發人力流動不易,因此研發人力增加較數位 IC 產業更不容易。

其次在客戶黏性上,功率半導體業者明顯高於數位 IC 業者,也就是功率半導體業者對下游具備轉換成本優勢,而這個現象主要是在汽車、工業市場特別明顯。工業、車用產品生命週期長達 10~20 年,因此廠商必須持續長期穩定供貨;工業、車用產品追求高可靠性,因此多半需要 2~3 年驗證通過才能打入客戶供應鏈。由於以上可靠性驗證、長期供貨要求,客戶產品一旦採用特定功率半導體業者晶片後,難以再改用其他廠商晶片,因此功率半導體有轉換成本優勢。

數位 IC 由於產品生命週期短,IC 設計業者看重的是代工業者製程與產能,例如高通代工廠選擇經常在台積電與三星之間轉換,並沒有轉換成本的問題。

功率半導體值得長期關注?

功率半導體產業值得長期關注嗎?探討這個問題之前,我們先來看個有趣的數據。觀察功率半導體的巨頭:英飛凌、安森美、意法半導體、德州儀器的營運,2015 年以後獲利成長率遠高於 2011~2015 年之間。不只如此,2011~2015 年巨頭們的股價表現遠遜於 NASDAQ,但 2015 年以後股價漲幅卻都高於 NASDAQ。


功率半導體巨頭 2015 年後股價漲幅,都高於 NASDAQ

究竟 2015 年以後發生了什麼轉變,為何市場對於功率半導體業者評價高於平均呢?以個人觀點,這是因為功率半導體的需求面發生了質變。

電動車帶動功率半導體業需求上升

首先是歐、美、中各國不斷推展減碳環保政策,例如英、德、法、瑞典、丹麥規並 2030 年後禁止新售燃油車,這將明顯加速電動車未來十年在整體車市的佔有率。而電動車對於功率半導體需求遠高於傳統燃油車,因此電動車的將速成長將明顯拉動功率半導體產值提升。

我們參考車用晶片龍頭英飛凌揭露的數據,傳統燃油車單輛上搭載的功率半導體價值約 83 美元;如果是油電混合車,單輛上搭載的功率半導體價值約 173 美元,較燃油車增加了 108%;如果插電或純電動車,單輛上搭載的功率半導體價值高達 413 美元,較燃油車增加了 400%!因此電動車崛起將明顯刺激功率半導體業需求上升,使得汽車將成為功率半導體最大市場。


電動車上功率半導體價值提升金額比較

風電與太陽能建設需求提升,功率半導體需求隨之提升

會排碳不只是汽車,火力發電、工廠排放都會大量排碳,因此歐、美、中各國推展減碳環保政策,也會刺激工業、能源替換需求上升。例如歐盟要求 2030 年前可再生能源在電力的占比要從目前 32% 上升至 65%;美國基建政策將於未來十年內投入 4000 億美元在清潔能源的基礎設施建設與研究;中國則是要求 2050 年太陽能佔能源比重需提升至 21.5%,風電需提升至 38.5%

這些政策將明顯刺激再生能源建設的需求提升,而風電、太陽能的建設將大量使用功率半導體協助電力運作,因此為功率半導體成長動能之二。

綜合以上趨勢,功率半導體在未來 5~10 年將擁有不錯成長性,尤其前面提到在美股上市的巨頭,目前營運重心都已放在汽車與工業,值得投資人關注。

總結

今天我們簡單介紹的功率半導體產業,最後我們為今天的內容作個總結

  • 功率半導體指的是和電源、電力控制應用有關的半導體元件
  • 功率半導體以汽車和工業市場佔比最高
  • 汽車與工業用功率半導體看重高可靠性與穩定性,不追求運算效能
  • 汽車與工業用功率半導體的競爭門檻高,主要來自高轉換成本,以及高研發人力門檻
  • 功率半導體產業最大成長動能來自電動車佔有率提升
  • 功率半導體產業其次成長動能來自風電與太陽能建設需求提升
  • 美股上市的巨頭目前營運重心都已放在汽車與工業,值得投資人關注

功率半導體相關廠商眾多,美股中哪些投資標的值得我們持續追蹤?追蹤各別公司營運的關鍵為何?這個我們就留到後續再和大家分享

作者:財報狗

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