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【公司深度】斯达半导:国内第一、全球第八大IGBT模块厂商

时间:2022-10-22 22:48:25 | 浏览:2668

一、斯达半导:引领国内功率半导体行业斯达半导体于2005年4月成立,总部位于浙江嘉兴。自成立起,持续围绕功率半导体深耕细作,核心产品包括全系列的IGBT模块、IGBT芯片及FRD芯片等,打破外资垄断实现进口替代,已成为国内第一大、全球第八大

一、斯达半导:引领国内功率半导体行业

斯达半导体于2005年4月成立,总部位于浙江嘉兴。自成立起,持续围绕功率半导体深耕细作,核心产品包括全系列的IGBT模块、IGBT芯片及FRD芯片等,打破外资垄断实现进口替代,已成为国内第一大、全球第八大IGBT模块厂商。目前IGBT模块产品超过600种,成功应用于新能源汽车、工业变频器、逆变焊机、UPS、光伏及风力发电、白色家电等多个下游领域,核心客户包括英威腾、汇川技术、巨一动力、上海电驱动等国内工业变频及新能源汽车电机控制器龙头,并已进入奇瑞、长安、江淮、宇通、金龙等整车厂供应体系。

二、营收情况

公司2015-2019年业绩快速增长,营业收入及归母净利润复合增速分别为32.5%及79.9%,主要受益于来自工业控制及电源行业、新能源行业两大细分领域的营业收入稳步上升,我们认为核心原因在于公司IGBT模块产品在保障性能和质量的同时能够提供更好的价格和交付周期,进口替代速度加快,自身增长明显大于行业平均水平。

三、IGBT模块:市场广阔、高技术壁垒

1多应用领域,新能源车及变频家电增速最快

功率半导体本质上是起到开关作用,实际应用中可通过多个功率开关组合,控制拓扑电路中电流的开闭、流向、大小,进而通过调速、调频对执行部件进行控制和驱动。不同材料(Si、SiC、GaN)、不同类型的功率器件(MOSFET、IGBT 分立器件或模块)均有其适合的工作电压、功率和开关频率范围。其中,IGBT模块凭借其高耐压的特性,在高压、大电流、大功率的场合广泛应用。

IGBT模块下游应用市场广阔。目前IGBT模块主要应用在工业变频器、电焊机、UPS、新能源汽车、光伏及风力发电、变频白色家电、机车、智能电网等多个领域,电压等级覆盖400V、600-650V、1200V、1700V、3300、4500V等各低、中、高压范围。IGBT模块作为工业变频器、新能源车逆变器等电力变换核心装臵的最核心模块,性能指标、寿命及可靠性要求非常高,目前各个电压等级基本都被外资所垄断。分下游市场来看,我们判断新能源车、变频家电是未来增速最快的两大应用领域,其中新能源车凭借其IGBT模块高价值量、配套体系稳定、渗透比例有望大幅提升等特点成为IGBT模块厂商的必争之地。

1)工业变频及焊机等领域:我们判断市场相对成熟,进入门槛相对较低,是进口替代的重点方向。根据斯达股份招股书,国内工业变频器平均4年复合增长率为8.74%,而工业逆变焊机2018年产量同比2017年增加7.35%,总体增速都比较稳定。

2)新能源汽车领域:目前渗透率不到5%,我们判断虽然受补贴逐步退出等因素影响2019年新能源车销量增速有所回落,但随着三电成本行业性下降,整车成本逐步逼近燃油车,电动渗透率仍将快速提升。插混及电动车的进一步普及将大幅带动IGBT模块需求。

3)变频白色家电领域:变频家电节能效果明显优于传统家电,仍具备快速替代的空间,催生IPM模块(集成驱动IC的IGBT模块)市场增长。2012-2018年空调、冰箱及洗衣机国内销量复合增速仅为6%/0%/3%,但随着变频家电占比快速提升,变频空调、冰箱及洗衣机国内销量复合增速为13%/29%/25%,远高于行业整体水平,2018年变频占比达到43%/22%/33%,我们判断仍具备进一步提升的空间。

4)光伏、风力发电领域:市场增速相对放缓,进入门槛高。根据英飞凌的预测,国内太阳能及风机装机容量2018-2023年复合增速为2%及5%,明显低于海外水平。而我们判断光伏和风电逆变器需要持续在野外工作15年以上,对寿命要求极高,目前国产化水平极低。

2芯片及模组:高技术壁垒、持续迭代

以电动车逆变器为例,我们估计功率模块占总成本比例约40%,是系统中的最核心部件。IGBT 功率模块大多采用“六合一”三相全桥电路,单桥臂普遍采用2-4 个IGBT 芯片并联来提高电流容纳能力,并且会并联快恢复二极管FRD 以保护IGBT 不被反向电压击穿。

IGBT模块制造过程复杂,需要通过晶圆制造→芯片切割及测试→芯片挑选→芯片焊接及接线→散热器安装→外壳装配→模块测试等多个步骤,最终保证整个功率模块的一致性及可靠性。IGBT模组的静态及开关性能、功率损耗、散热性能、疲劳特性等一方面受制于IGBT及FRD芯片的性能,另一方面也与模块的连接和封装密切相关。

目前IGBT芯片已经历过五轮以上的迭代,主要体现在芯片的正面和背面技术两大方面。以行业绝对龙头英飞凌为例,第三代IGBT芯片的正面元胞就开始由平面型转为沟槽型,结构的改良效果与MOS相似,即降低导通压降以减小损耗,而背面结构则由历史上的PT(Punch Through))、NPT(Non-punch Through)转为FS(Field Stop)技术,生产工艺快速迭代,晶圆持续减薄、技术指标持续提升。

从各个巨头的发展趋势来看,我们判断目前IGBT芯片的迭代速度相对减缓,一方面主要在芯片正面结构的精细化设计方面更新,比如英飞凌专门为汽车市场推出的EDT2芯片正面采用更高密度的微沟槽栅的结构,日立全新IGBT沟槽采用部分采用side gate的结构,另一方面富士电机等部分厂商开始在车载领域尝试IGBT与FRD晶圆集成、IGBT芯片上集成NTC或电流传感器的方案。

从模组端来看,典型的电机逆变器中的IGBT模块采用铜基板,上面焊接着覆铜陶瓷板(DBC,Direct Bond Copper),IGBT及二极管芯片焊接在DBC板上,芯片间、芯片与DBC板、芯片与端口间普遍通过铝绑线来连接,而基板下面通过导热硅脂与散热器连接进行水冷散热。

模组封装和连接技术的不断迭代过程中,始终是围绕着基板、DBC板、焊接、绑定线及散热结构这些方面持续优化,判断主要包括以下趋势:

  • 1)芯片间连接方式:铝线/铝带→铜线→平面式连接;

  • 2)散热结构:单面间接散热→单面直接水冷→双面水冷结构;

  • 3)DBC板材料:Al2O3→AlN→Si3N4;基板材料:Cu→AlSiC;

  • 4)芯片、DBC板及基板间连接方式:SnAg焊接→SnSb焊接→Ag/Cu烧结。

总体而言,我们判断功率模块未来的发展方向离不开两大趋势:1)芯片端的变革最为核心,而随着IGBT芯片的潜力已充分发掘,SiC、GaN第三代宽禁带半导体的导入将带来颠覆性的变革;2)全新芯片的导入及成熟并非一蹴而就,IGBT在至少十年内仍焕发着较强的生命力,模组端的技术升级成为这期间的重要方向,另外宽禁带半导体对于模组的DBC板及基板材料、连接、冷却等方案也提出了更为严苛的要求。

3竞争格局:外资基本垄断,斯达崭露头角

根据英飞凌援引IHSMarkit的数据,2018年全球IGBT市场规模高达62亿美元,其中模块、分立器件及IPM分别占比52%、21%及27%。分下游来看,我们估计汽车行业模块及分立器件的用量占比均在25%的水平。目前IGBT芯片基本都被外资垄断,各厂商在不同电压等级各有侧重。英飞凌、安森美、ST主要集中于应用最广的1200V及电动汽车当前所在的600-650V领域,而三菱电机、日立、ABB等主要在2500V以上的高压市场展开竞争。这些主流厂商均具备从IGBT芯片到模块的IDM能力。从模组端竞争格局来看,除IGBT芯片巨头以外,涌现出Semikron、Danfoss、Vincotech、斯达半导等一批以模块封装为主业的厂商,凭借在模块封装层面的技术积淀进入全球前十行列。

从逆变器产业链分工来看,目前大多数整车厂向Tier 1采购逆变器(含IGBT功率模块),但逆变器作为核心部件且价值量较高,整车厂掌握核心技术的诉求很强,不断加大研发投入,我们估计将来大部分电动车厂都具备自制逆变器的能力,因此IGBT模块供应商将在一定程度上扮演Tier1的角色。同时,一部分Tier1也会向上游整合IGBT模块,提升综合能力,比如德尔福自主开发的Viper功率模块封装已搭载于通用Volt。

四、SiC时代已来

SiC与Si相比,在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势,是材料端革命性的突破。1)耐高压:SiC击穿场强是Si的10倍,这意味着同样电压等级的SiC MOS晶圆的外延层厚度只需要Si的十分之一,对应的漂移区阻抗大大降低,而且禁带宽度是Si的3倍,导电能力更强;2)耐高温:SiC热导率及熔点非常高,是Si的2-3倍;3)高频:SiC电子饱和速度是Si的2-3倍,能够实现10倍的工作频率。我们认为,SiC应用到电动汽车的逆变器、OBC、DC/DC时,更低的阻抗带来更小的尺寸,更高的工作频率可以有效的降低电感、电容等被动元器件的尺寸,更耐高温可以减小冷却系统的尺寸,最终带来的是系统级别体积的缩小和成本的降低。

根据Yole及Cree的预测,2017-2022年SiC市场规模复合增速接近80%,电动汽车、光伏、快充将快速增长为2022年的前三大应用领域,市场规模将达到24、21、5亿美元,其中电动汽车市场凭借其最大市场规模及最高增速成为SiC市场的引领行业。

受制于上游晶圆产能不足、晶圆缺陷面积较大等原因,我们估计目前SiC功率器件的价格是Si的5-10倍,但考虑到系统成本的节省(被动元件、散热器等),车载OBC已基本能够打平。而在逆变器层面,根据Cree的测算,SiC逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh),与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少200美元的单车降本;根据罗姆的测算,到2026年几乎所有搭载800V动力电池的车型采用SiC方案都将更具成本优势。根据罗姆等上游元器件公司的预期,以及核心Tier1宣布的量产订单,我们判断SiC功率器件在电动汽车上的应用进展非常快。

1)车载OBC和DC/DC:已经开始采用部分SiC器件,比如PFC电路中二极管切换改为SiC SBD,或者OBC的DC/DC原边电路MOS管切换为SiCMOS,全SiC方案也有望从2020/21年左右开始量产。

2)逆变器:目前已经开始使用IGBT+SiCSBD的混合方案,而全SiC的逆变器预计从2022/23年在主流豪华品牌中开始量产。

五、发力新能源汽车及变频家电领域

1绑定工业变频龙头,切入车规体系

公司客户结构相对较为分散,2019H1前五大客户占比仅37%,基本都集中在工业变频及新能源汽车行业。对比2016年至2019H1的客户结构变化,明显可以看出核心客户由欧瑞传动、合康新能等工业变频厂商转向上海电驱动、巨一动力等新能源汽车Tier 1厂商的趋势。我们认为,公司在工业变频领域的地位稳固,长期绑定英威腾、汇川技术等行业龙头,营收增速较为稳定,行业认可度高,并借助工业变频龙头进入新能源汽车电机控制器配套体系的机会,进入宇通、金龙等客车体系,并逐步获得奇瑞、长安、北汽、广汽、众泰、江淮等国内主流乘用车品牌的认可,新能源汽车行业收入从2016年的3179万元迅速爬升至2018年的1.2亿元,成长为国内极稀缺的车规级IGBT模块供应商。

2芯片自研能力显著提升

公司在不断贴近下游市场,全面开发600-1700V各系列模块以匹配下游需求的同时,并持续专注于IGBT及FRD芯片的自主研发设计,在华虹宏力、上海先进等代工厂进行流片,持续提升模块产品中自研芯片的占比,IGBT及FRD芯片的外协数量比例从2016年的31%逐年爬升至2019H1的54%,一方面从Infineon、IXYS、Si Chip(ABB分销商)等芯片厂商的采购占比逐年降低,另一方面流片的自研芯片与外购芯片相比成本优势显著带动毛利率水平逐步改善。从芯片技术方面来看,公司于2011年和2015年分别独立研发出NPT型和最新一代的FS-Trench型IGBT芯片,并分别于2012年和2016年底实现量产,2017年也成功量产FRD芯片,并解决了包括8英寸晶圆减薄、背面高能离子注入、沟槽栅挖槽成型等芯片制造关键技术。2018年底公司已量产所有型号IGBT及FRD芯片,真正实现了从芯片到模组的垂直体系供应。

3全面布局SiC研发

公司目前已充分掌握了IGBT及FRD芯片设计及制造技术,以及工业和汽车级别的模块的各种封装工艺,并与USCi、Rohm、Cree等SiC芯片厂商建立合作关系,已开发出SiC功率模块。从在研项目来看,公司将继续围绕着芯片技术的迭代、汽车/光伏/风电/变频家电/工业变频等下游模块产品升级以及SiC功率模块开发这三方面进行持续布局。我们判断,考虑到新能源汽车作为增速最快、SiC替代趋势最为明显、但进入标准最为严苛的下游市场,是公司重点关注及投入的细分领域。

六、盈利预测

斯达半导体作为国内唯一进入全球前十行列的IGBT模块厂商,不仅在模块端积淀深厚,逐步获得工业、汽车、变频家电等主流客户认可,自主设计流片的芯片替换率也快速攀升,成为兼具芯片及模块能力的功率半导体全球厂商。

预计2020-2022年EPS为1.15元、1.49元、1.96元,考虑公司是国内IGBT模块龙头、芯片设计能力获得客户普遍认可、未来下游市场开拓空间广阔且具备高增速,给予2020年105-115倍PE,合理价值区间为120.75-132.25元,对应PB水平为16.06-17.59倍。

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