汽车半导体行业研究报告.docx
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汽车半导体行业研究报告
2021年汽车半导体行业研究报告
一、新能源汽车未来显著增量驱动汽车半导体发展，汽车半导体的价值和量有望同步升级
从传统燃料汽车到新能源汽车，半导体在汽车领域的占比逐年增加，汽车含硅量逐步提升。
在市场规模基数不断扩大的基础上，中国“十三五”乘用车市场保持中低速增长态势，预计复合增长率为6%，2020年年销售将达到2895万辆。
虽然乘用车销量增长速度缓慢，但是新能源汽车保有量持续上升，市场处于较快发展阶段。
以我国为例，中国新能源汽车行业在过去几年内经历了飞速的发展，正在从萌芽期向成长期迈进，其保有量在5年间增长了9倍有余。
当前，由于科技和产业变革，新能源汽车已经成为汽车产业转型升级的中坚力量，新能源汽车行业也迎来了前所未有的发展机遇。
按照国家规划的发展愿景，2025年新能源汽车销量有望突破500万辆，保有量将在2000万辆左右。
预计到2030年，汽车电子在整车中的成本占比会从2000年的18%增加到45%，这是个不断攀升的过程。
这也就为涉足汽车领域的电子及半导体企业提供了莫大的机遇。
我们认为汽车新能源化带来的价值和量有望同步升级，汽车半导体企业将深度受益于相关产业扩张所带来的市场机遇。
汽车电子所展现的颠覆性趋势不可小觑，智能网联和新能源汽车的加速渗透，国际龙头企业的纷纷布局入场，汽车半导体的价值和量有望同步升级。
（一）新能源汽车的定义、分类及高渗透率
新能源汽车的定义:
指的是采用非常规车用燃料作为能源，或者是使用常规车用燃料，但是同时采用新型车载动力装置地新型汽车。
主要包括纯电动汽车、混合动力汽车、氢能动力汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等。
按照国家规划的发展愿景，2025年我国新能源汽车销量有望突破500万。
整体而言，我国新能源汽车行业仍处于发展初期，发展潜力大。
2020年11月2日，国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划》，提出了到2025年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右的发展愿景。
在此愿景下，新政策有望持续出台以推动新能源汽车行业快速发展。
同时未来几年也将迎来新的换购周期，大量国3、国4排放标准的车辆也将面临更新换代，部分限购城市新能源汽车或将存在较大发展空间。
（二）新能源汽车半导体分为汽车电子控制和车载电子电器系统
汽车半导体是汽车电子控制系统与车载电子电器系统的总称，应用领域可分为发动机电子、底盘电子等六大系统，其中信息娱乐与网联系统、自动驾驶系统技术迭代最为迅速。
电子控制装置主要是汽车动力、驾驶控制等系统组成，后者通常与通信、娱乐设备相关，汽车电子根据功能可分为车身控制系统（ECU）、安全系统、娱乐设备、底盘控制、高级驾驶辅助系统（ADAS）等，每个系统需要通过半导体器件实现相关功能，包括存储器、传感器、光电器件、射频器件、功率器件等。
我们认为，汽车半导体市场将是近年来发展最快的IC芯片应用市场之一。
而其中受益于新能源汽车的渗透率提升，价值量和出货量的双重叠加增长驱动将格外显著。
新能源汽车半导体行业产业链:
功率半导体、传感器和微处理器需求高。
汽车电子产业链主要由三个层级构成:
上游为电子元器件，中游为系统集成商，下游为整车制造厂，其中其中上游包括Tier2和Tier3，其中Tier2厂商负责提供汽车电子的相关核心芯片及其他分立器件。
新能源汽车半导体中，功率半导体，微处理器和传感器为需求量最高的三部分。
（三）我国能源短缺，环保形势与消费者需求刺激新能源汽车半导体发展
新能源汽车半导体的增长两大原因是因为中国对原油的需求过高以及环保形势严峻。
“新四化”（电动化，智能化，网联化和共享化）是汽车产业可持续发展的必然选择。
面对日趋严峻的环境保护和国家能源安全问题，向“新四化”方向转型的汽车产业将能提供有效解决方案，同时，“新四化”也将作为汽车产业可持续发展模式的重要补充。
“新四化”成产业转型方向，产业引领政策相继出台。
汽车产业作为国民经济的重要支柱之一，受多重因素影响，其产业发展形势预期将愈发严峻，而面对“新四化”所带来的产业潮流，国家相继出台多项政策支持产业向智能网联、电动共享方向发展。
“新四化“的交汇融合将给汽车半导体市场带来前所未有的发展契机。
“新四化”持续拓宽汽车应用场景，推动汽车从传统出行工具发展成为新一代智能终端，而其中诸多功能的实现都将基于汽车半导体系统。
此外，消费者安全、便利、省时需求进一步刺激新能源汽车半导体发展。
二、中国新能源车产业链应用端强技术弱，国产替代是关键
从前瞻产业研究院调研数据中可以看到，在2019全球十大NEV产商中中国厂商占据四席，新势力提供商也表现亮眼。
但是设计领域因为涉及到汽车认证等严苛的行业标准，国内具备新能源车设计的公司尚缺乏，同时看到在制造领域国内初步具备了制造能力，但仍需进一步提升关键工艺水平与良率。
可以看到，2018年全球Fabless芯片设计产业产值规模达到1084亿美金，全球主要芯片设计厂商69%在美国，中国占比12%。
2018年国内共有1698家IC设计企业，企业营收规模过亿的企业仅208家，其他大部分公司处于起步阶段。
半导体制造是我国芯片产业的严重薄弱环节，从原材料、生产设备到制造工艺，与国外同行存在较大差距。
尤其生产设备，当前严重依赖国外厂商，短期内难以实现自给。
2018年我国在全球晶圆代工市场规模占比仅为10%。
中国新能源车产业链应用强:
2019年全球前十大NEV厂商合计市场份额接近在60%以上。
其中国内厂商占到4位。
2019年特斯拉凭借三款车型近37万辆的亮眼战绩继续摘得年度冠军头衔。
12月单月表现来看，特斯拉交付6.3万辆，是排名第二的北汽新能源近两倍。
从销量增速来看，特斯拉、大众集团及现代起亚的销量表现亮眼，同比增速均超过50%。
（一）中国新能源车新势力提供商威马、小鹏、蔚来领跑
2021年1月3日，蔚来公布2020年12月及全年交付数。
数据显示，蔚来12月共交付新车7,007台，连续第五个月创品牌单月交付数新高;其中ES8交付2,009台，创上市以来交付量新高;ES6交付2,493台;EC6交付2,505台，同样创上市以来交付量新高。
至此，蔚来2020年全年交付量达43,728台，自2018年6月至今共交付75,641台。
理想凭借理想ONE一款车型，在2020年11月共交付了新车4646辆，再度创下了单月交付量记录。
2020年1-11月，理想ONE已累计交付了26,498辆新车。
2021年1月4日，小鹏汽车公布了2020年12月及全年交付成绩，12月总交付量达到5,700台，创历史新高，小鹏P7单月交付量3,691台，小鹏G3单月交付2,009台，均创2020年交付量新高。
2020年累计交付27,041台。
（二）新能源车厂商上游头部汽车芯片设计公司中国占比低
2018年全球Fabless芯片设计产业产值规模达到1084亿美金，中国大陆企业占比为12%。
2018年国内共有1698家IC设计企业，企业营收规模过亿的企业仅208家，其他大部分公司处于起步阶段。
（三）芯片设计公司上游晶圆代工厂商中国占比低
全球主要芯片制造厂商66%在中国台湾，大陆占比10%。
半导体制造是我国芯片产业的严重薄弱环节，从原材料、生产设备到制造工艺，与国外同行存在较大差距。
尤其生产设备，当前严重依赖国外厂商，短期内难以实现自给。
2018年我国在全球晶圆代工市场规模占比仅为10%。
受到疫情影响，海外规模较大的晶圆厂和封测厂陆续宣布停产，造成全球半导体缺货严重。
国内大部分中高端以上的汽车厂家都面临停产的风险。
所以汽车芯片进口替代，刻不容缓。
三、新能源汽车电子化显著增量——电机、电控、电池
新能源汽车区别于传统车最核心的技术是“三电”系统，主要是指电机、电池、电控。
和燃油发动机的汽车相比，纯电动汽车使用电动机代替了燃油车的柴油/汽油发动机;以电池组代替了燃油，为电动机提供动力;其中还有一个最主要的部件就是电控系统，电控系统由电池管理系统和控制系统构成，管理电池组和控制电池的能量输出以及调节电动机的转速等，是连接新能源电池和电机的重要中间载体。
四、车载功率半导体的细分和价值量分析，2025年突破百亿
功率半导体控制了整个电动汽车的动力系统，电控接受整车控制器的指令，进而控制驱动电机的转速和转矩，以控制整车的运动，相当于发动机。
功率半导体器件包括了MOSFET、IGBT（绝缘栅极晶体管）等，主要用于电能变换和电能控制电路的大功率电子器件。
其中IGBT既有MOSFET器件驱动简单快速的优点，又具有双极型功率器件功率容量大的优点，主要用于变流系统:
如牵引传动、电机控制、变频器、开关电源、照明电路等，是其能源变换与传输的核心器件、是电机控制的“CPU”。
IGBT占汽车电机控制成本的37%左右，目前国内基本依赖进口，关键技术被国外公司垄断，成本较高。
另外，目前基于Si材料的器件性能已经逼近于理论极限，而基于SiC材料的功率型器件正在急速发展，处于发展的前期，其强大的系能将对电动汽车的电机驱动系统系能带来改变。
（一）新能源汽车功率半导体核心器件IGBT、MOSFET价值量未来可观
IGBT2017约占全球功率半导体市场的25%，我们估算IGBT占中国2025年新能源半导体汽车功率半导体的25%。
IGBT 在中新能源汽车 2025 年的价值量=功率半导体的价值量*25%=123 亿元*25%=31 亿元
MOSFET 价值量分析:
MOSFET约占全球功率半导体市场的35%，我们估算MOSFET占中国2025年新能源半导体汽车功率半导体的35%。
MOSFET 在中新能源汽车 2025 年的价值量=功率半导体的价值量*35%=123 亿元*35%=43 亿元。
1.IGBT定义、应用、技术
IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的缩写，即绝缘栅双极型晶体管。
它是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件，既有MOSFET的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的，因而是电力电子领域较为理想的开关器件，是未来应用发展的主要方向。
IGBT是现代电力电子领域的代表性器件，由于具有导通电阻小、开关速度快、工作频率高等特点，可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率，实现节约能源、提高工业控制水平的目的。
三电中电控系统的主要作用是接收整车控制器的指令，进而控制驱动电机的转速和转矩，以控制整车的运动。
另外，在制动阶段，电机控制器负责将驱动电机的回馈能量进行回收并储存到动力电池以提高能源利用效率。
IGBT模块为电控系统的核心器件，担负着电控系统中将动力电池直流电能转换成驱动电机所需交流变频电能的功能，IGBT模块决定了整车的电能转换效率。
IGBT主要应用于新能源汽车领域中以下几个方面:
电机控制器、车载空调、充电桩1.电机控制器:
大功率直流/交流逆变后驱动汽车电机，锂电池+汽车电池+电机控制器=新能源汽车动力系统，相当于传统汽车的发电机，IGBT模块相当于汽车动力系统的CPU2.车载空调控制系统:
小功率直流/交流逆变，使用电流较小的IGBT模块3.充电桩:
智能充电桩中IGBT被作为开关元件使用IGBT的制造工艺在持续革新，IGBT产品的差异化和性能的提升有赖于掺杂、扩散和薄片加工等多种工艺的应用，相关工艺的技术壁垒较高，制造技术也成为实现IGBT自主创新的关键。
2.功率半导体器件价值量稳步上升
功率器件产品中，MOSFET和IGBT是汽车电子的核心。
MOSFET产品是功率器件市场应用最多的产品，2017年MOSFET占功率半导体分立器件市场35.4%;IGBT是功率器件中增长最为迅速的产品，2017占总市场的25%，其作为新能源汽车必不可少的半导体器件，下游需求相当强劲。
相比于传统燃油车，新能源汽车功率器件使用量更大。
根据StrategyAnalytics数据库的数据分析，在传统内燃机车上，功率半导体装机价值为71美元，占据车用半导体总价值的21%;而对于混合动力车，则在传统内燃汽车基础上新增的功率半导体价值为354美元（2301元）;在纯电动车上，功率半导体价值为387（2516元）美元，占据车用半导体总价值的55%。
根据中国国务院办公厅日前印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出，2025年，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。
在国务院新闻办公室3日举行的国务院政策例行吹风会上，辛国斌表示，如果汽车年销售总量是2500万辆，20%则是500万辆。
根据公安部统计数据我们预测:
纯电动车2025年后将在新能源车中占比为80%左右。
Yole的调查结果显示，2019年功率半导体市场规模为175亿美元（约人民币1,225亿元），未来，年均增长率预计为4.3%，2025年市场规模预计为225亿美元（约人民币1,575亿元）。
3.新能源汽车将助力IGBT需求持续增长，汽车有望成为IGBT最大市场
IGBT作为汽车功率半导体的核心，IGBT约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%。
由于未来几年新能源汽车及充电桩市场将进入高增长期，IGBT将迎来黄金发展期。
是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。
外国企业占据绝大部分市场:
全球IGBT模组市场则主要由英飞凌、三菱电机、富士电机、安森美和赛米控等厂商占据。
中国的斯达半导（Starpower）处于全球第八位。
目前，IGBT国产化已成为国家关键半导体器件的发展重点之一，IGBT已经被列为国家“02专项”的重点扶持项目。
电动汽车（EV+PHEV）IGBT的市场份额中，英飞凌处于绝对领先位置，占49.2%。
（二）汽车半导体是未来碳化硅功率器件的主要推动力,未来价值量可期
第三代半导体材料SiC中。
到2024年，SiC功率半导体市场将以29%的复合年增长率增长，达到20亿美元。
未来价值量可期。
1.碳化硅耐高温高压、器件小型化和轻量化、低损耗高频率
宽禁带功率器件指基材禁带宽度较高（大于2.3eV）的功率器件，一般仅指基于碳化硅、氮化镓这类第三代半导体材料制作的功率器件。
宽禁带半导体由于基材与硅不同，所以在器件性能上与硅基器件有较大差异，例如第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、频率高，在高压、高温、高频应用领域相较于传统硅基器件有更强优势，同时使得系统结构简单化，降低损耗，更加节能，因此第三代半导体材料尤其适用于需要进行大功率电流转换的功率器件领域。
另外，第三代半导体材料的另一个优点是安全、环保，不会像砷化镓（GaAs）、磷化铟中（InP）等对环境以及人体产生危害。
而由于氮化镓在材料端制备环节仍存在较大技术难度，当前具备大规模量产条件的第三代半导体功率器件仅有碳化硅。
总结来看，对比硅基器件，碳化硅功率器件主要有三大优势:
（1）耐高温、高压。
碳化硅功率器件的工作温度理论上可达600°C以上，是同等硅基器件的4倍，耐压能力是同等硅基器件的10倍，可以承受更加极端的工作环境。
（2）器件小型化和轻量化。
碳化硅器件拥有更高的热导率和功率密度，能够简化散热系统，从而实现器件的小型化和轻量化。
（3）低损耗、高频率。
碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍，而且效率不随工作频率的升高而降低，可以降低近50%的能量损耗;同时因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，降低了组成系统后的体积及其他组件成本。
2.碳化硅行业竞争格局，进口依赖强，国产替代需求强烈
从全球碳化硅参与者来看，目前以美国、欧洲、日本厂商为主，其中CREE（子公司Wolfspeed负责器件生产）、罗姆（子公司SiCrystal负责碳化硅晶圆生产）实现了从碳化硅衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局，实力最强;除此之外，大部分参与者均集中于衬底、外延、设计、制造中的一到两个环节;国际主要的上游原材料企业均实现从衬底到外延的连续布局，如CREE、SiCrystal、DOW、II-VI;国际主要的器件生产厂商以IDM形式为主，如英飞凌、意法半导体、富士电机、三菱电机、安森美、东芝，而其中的日系厂商还具备从模组到系统应用设备的整合能力，直面终端客户。
从国内的碳化硅参与者来看，与CREE、ROHM类似的全流程布局的有三安光电、世纪金光;主要有负责碳化硅衬底生产的企业有天科合达、山东天岳;负责碳化硅外延片生产的有东莞天域、厦门瀚天天成;负责器件设计的有台湾瀚薪、深圳基本半导体;而以IDM形式生产器件和模块的企业有泰科天润、瑞能半导体。
目前碳化硅器件领域海外公司实力领先，国内市场自给率较低。
目前全球碳化硅市场基本被国外企业垄断。
其中，尤以美国、欧洲、日本为大。
美国的科锐Cree居于领导地位，车载基板占据全球产量的80%以上;欧洲则拥有完整SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，代表公司为英飞凌、意法半导体等;日本更是设备和模块开发方面的绝对领先者，代表企业为罗姆半导体、三菱电机等。
与国外大厂相比，国内的SiC起步相对较晚，目前与美欧日这些公司在部分环节还存在一定的差距。
但从整体产业链来看，相比于世界一流技术，我们大约是处于其五年前的水平阶段，而且这个时间差正在逐渐缩小，部分技术环节甚至是齐头并进。
五、ADAS（先进驾驶辅助系统）中半导体部分及其价值量未来增长可观
（一）ADAS中的半导体部分
目前，乘用车上ADAS信息感知部分（主要用于辨别前方）使用的（半导体技术）传感器主要包括摄像头、雷达、激光和超声波，可以检测光、热、压力或其他用于监测汽车状态的变量，通常位于前后保险杠，后视镜，转向柱内或车辆挡风玻璃上。
在ADAS系统决策方面，使用的半导体为逻辑芯片。
1.长距离毫米波雷达:
77GHz毫米波雷达主要负责远距离探测。
2.激光雷达:
激光雷达被认为是汽车市场自动驾驶车辆开发和运行的关键部件。
该技术是光检测和测距的简称，它使用激光计算物体的距离，这些激光的光脉冲会生成这些物体的3D信息。
在汽车市场上，激光雷达将这些信息回传给汽车，以避开道路上的障碍物、行人、其他车辆，并对汽车的环境产生总体感知。
L3级别以上的自动驾驶还需要激光雷达，因为即使摄像头也在光学探测的范围内，还做不到足够的精确来达到诸如定位等功能。
探测角度广，精度高，厘米级精度的激光雷达结合高精地图可以实现高精度自定位和物体识别跟踪，定位可以精确到具体车道，但是价格昂贵，使用寿命较短。
3.摄像机:
直接识别可见光，价格适中，技术成熟，可以识别行人、车辆、路标等物体，但易受视野、夜晚暗光、雨雪天气等因素影响。
摄像机在汽车ADAS有举足轻重的位置。
现在摄像机在中国汽车产业中主要应用于后视、360°环视、行车记录仪。
在不久的将来，前视ADAS系统、舱内监控和电子后视镜将也有广泛应用。
现在车内摄像头有1~5个，随着自动驾驶进程的提升，汽车可能安装12~15个摄像头。
4.中短距离毫米波雷达:
近程雷达主要用于盲点探测、碰撞预警和防撞功能的后置雷达、泊车辅助等，通常在翼子板或车身四角位置。
而中远程雷达则通常作为ACC巡航、刹车辅助、紧急刹车、车距保持等功能的传感器。
毫米波雷达在众多传感器中的全天候性最好，在大雾、雨雪天气中也能发挥其应有的性能，但其自身也有不足之处，例如交通信号的识别、车道线检测等，这方面需要与摄像头配合使用，互为补足和冗余。
距离远，可以在雨雪天气等各种恶劣环境中稳定工作，但是精度不高。
5.超声波雷达-倒车雷达:
主要应用:
倒车雷达测距，泊车库位检测和高速横向辅助三个场景。
由于超声波散射角大，方向性较差，在空气中传播损耗也大，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度;同时由于声音传播速度相对较低，超声波探测高速移动的物体时延迟较大，误差严重，所以不适合高速移动的物体测距。
但低速短距离测量时优势就很明显了，所以适合作为泊车雷达使用。
泊车辅助系统通常使用6-12个超声波雷达，车后部的4个短距超声波雷达负责探测倒车时与障碍物之间的距离，两侧的长距超声波雷达负责探测停车位空间。
1.ADAS系统决策方面:
逻辑芯片价值量分析、SoC有显著增量
逻辑芯片中SoC占比最大，IHS数据预计2025全球汽车SoC市场约为82亿美元（533亿元）。
ADAS产业链分析:
按照智能网联汽车技术逻辑结构，ADAS系统对应驾驶相关类装备及DA、PA辅助驾驶类装备，成为实现自动驾驶的先行条件。
近年来，各大车厂、厂商纷纷竞逐ADAS市场，ADAS也成为车企转型升级实现突破的关键。
随着国家政策法规的相继出台，ADAS产业链日趋壮大，包括上游二级供应商、中游一级供应商、下游企业前装、后装市场应用，目前ADAS产业链已非常完善。
在产业链中，传感器、算法、芯片等是ADAS技术实现的关键，多数国外零部件厂商均已掌握了大部或部分核心技术，但是国内企业在此方面仍有一定差距。
根据《中国乘用车ADAS市场发展趋势浅析》文献，传感器技术主要涉及摄像头与雷达，在产业链上游的二级供应商中摄像头的核心组件COMS感光芯片主要掌握在以索尼、三星为代表的日本和韩国公司手中;镜头部分，舜宇光学是全球领先的车载镜头厂商，2018年上半年就出货1800万颗。
摄像头的中游一级供应商主要有宾尼、麦格纳、MCNEX、松下、伟创力、法雷奥等厂家。
汽车雷达可以细分为毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达等。
其中超声波雷达技术门槛较低，供应商较多;激光雷达最获得资本市场的追捧，但因成本高昂，未能商业化;毫米波雷达成本在前两种雷达之间，技术门槛较高，是目前自主和外资企业主要的雷达商品方向。
毫米波雷达的供应商中外资企业主要有博世、大陆、电装、德尔福、奥托立夫等，自主企业主要有北京新科迪、焊创电子、江苏彤明、晓林产业、浙江万超等。
算法、芯片在ADAS系统中至关重要，行业集中度高，主要有Mobileye、飞思卡尔、ADI等公司。
（二）车载传感器芯片是ADAS信息获取和辅助决策的前提和基础
ADAS主要包含三个技术层面:
传感器、信息获取和辅助决策。
其中车载传感器是信息获取和辅助决策的前提和基础，目标分类识别技术是精细化信息获取和辅助决策的核心车载传感器作为辅助驾驶的核心部件，具有获取道路信息的能力，多个传感器相互配合共同构成汽车的感知系统。
根据无源和有源探测机制的区别可将目前应用的主流车载传感器分为光学传感器与雷达传感器两大类型，光学传感器主要包含可见光和红外传感器，二者利用目标对环境光源的发射以及自身热辐射进行目标探测。
超声波、激光和毫米波等雷达传感器利用目标对雷达主动辐射电磁波的散射回波进行目标探测。
（三）车载激光雷达传
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