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1、 请阅读最后评级说明和重要声明 1 / 16 Table_MainInfo 研究报告 电子设备、仪器和元件行业 2020-2-7 功率半导体迎新能源东风,乘势而起功率半导体迎新能源东风,乘势而起 行业研究专题报告 评级 看好看好 维持维持 报告要点 功率半导体是电子产品的必需品 由于功率半导体在电源或者电能转换模块中必不可少,所以称之为电子产品的由于功率半导体在电源或者电能转换模块中必不可少,所以称之为电子产品的 必需品。必需品。在小功率(几 W 至几千 W)领域,从计算机、电视机、洗衣机、冰箱、 空调等电器的电源中均有使用;在中等功率范围(10000W 到几兆瓦) ,功率器 件向机车、工业驱
2、动、冶炼炉等设备中的电机提供电能;在 GW 的大功率范围 内,高压直流输电系统中需要超高电压功率半导体器件。 IGBT 为功率器件皇冠明珠,进口替代空间巨大 IGBT 在新能源车中在新能源车中的作用是交的作用是交直流电的转换,同时还承担电压直流电的转换,同时还承担电压高低转换的功高低转换的功 能,能,是新能源汽车和高铁等轨道交通车辆动力系统“核心中的核心” 。是新能源汽车和高铁等轨道交通车辆动力系统“核心中的核心” 。新能源汽 车及其配套设施快速增长将为 IGBT 等高端功率半导体市场规模的加速扩张提 供有力的保障, 根据Yole预计, 电动汽车用IGBT市场到 2022年将占整个IGBT 市
3、场的 40左右。目前国内外 IGBT 市场仍主要由外国企业占据,虽然我国 IGBT 市场需求增长迅速,但由于国内相关人才缺乏,工艺基础薄弱,国内企业 产业化起步较晚,IGBT 模块至今仍非常依赖进口,市场主要由欧洲、日本及美 国企业占领,进口替代空间巨大。 化合物半导体电力电子性能优势明显,潜力十足 SiC 功率器件功率器件在在新能源车中的应用包括主逆变器、 车载充电器及新能源车中的应用包括主逆变器、 车载充电器及 DC/DC 转换器转换器 等等,将在未来将在未来 5-10 年推动行业年推动行业快速发展。快速发展。Tesla 已经在其 Model 3 中率先集成 全 SiC 功率模块,据 Yo
4、le 统计,截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商已经准备 好将在车载充电器中应用 SiC 肖特基二极管或者 SiC MOSFET。 GaN 器件相对 Si 器件有明显的性能优势,而 GaN 可以用廉价易得的 Si 做衬底,使得 GaN 器 件相比于 SiC 器件具有更显著的成本优势。GaN 功率器件的定位为小体积、成功率器件的定位为小体积、成 本敏感、功率要求低的电源领域本敏感、功率要求低的电源领域,如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用 超轻电源、无线充电设备等。 建议关注国内功率半导体产业链相关公司 分析师分析师 莫文宇莫文宇 (8621)61118752 执业证书编号:S04905
5、14090001 分分析师析师 杨洋杨洋 (8621)61118752 执业证书编号:S0490517070012 联系人联系人 分析师分析师 相关研究相关研究 科技新周期不变, 把握当前调整机会 2020-2-3 电子行业 2019 年报业绩前瞻新一轮高成长 的起点2020-2-2 四季度电子板块基金持仓分析:配置比例延续 增长,5G 主线引领景气2020-2-2 风险提示: 1. 新能源车的渗透情况不及预期; 2. 国内功率半导体企业技术突破和客户拓展不及预期。 34343 请阅读最后评级说明和重要声明 2 / 16 行业研究专题报告 目录 功率半导体是电子产品的必需品 . 4 功率半导体
6、在电源或者电能转换模块中必不可少 . 4 功率半导体:关注 IGBT 及化合物半导体电力电子器件 . 5 IGBT 为功率器件皇冠明珠,进口替代空间巨大 . 6 化合物半导体电力电子性能优势明显,潜力十足 . 8 SiC 功率器件受益于新能源车需求加速 . 9 GaN 功率器件在电源领域空间广阔 . 12 附录:国内功率半导体企业梳理 . 15 请阅读最后评级说明和重要声明 3 / 16 行业研究专题报告 图表目录 图 1:功率半导体在半导体产业分类中的位置 . 4 图 2:功率半导体主要应用领域 . 4 图 3:2017 年功率半导体市场主要产品构成 . 5 图 4:汽车半导体成本拆分 .
7、5 图 5:火力、风力、光伏发电中功率半导体的应用 . 6 图 6:全球分立器件的市场规模与增速(亿美元) . 6 图 7:全球功率器件的市场占比(2016) . 6 图 8:IGBT 产品示意图 . 7 图 9:按电压分布的 IGBT 应用领域 . 7 图 10:2017 年全球功率 IGBT 市场份额分布 . 8 图 11:按电压分布的 IGBT 产品主要品牌 . 8 图 12:2016-2022 年全球 IGBT 市场规模(亿美元) . 8 图 13:2008-2018 年中国 IGBT 市场规模(亿元). 8 图 14:三代主要半导体材料物理性质对比 . 9 图 15:化合物半导体功率
8、器件与硅基器件的对比 . 9 图 16:SiC 和 GaN 的应用领域不同 . 9 图 17:SiC 功率器件的 Timeline 及相关厂商. 10 图 18:SiC 的功率密度更高 . 10 图 19:SiC 材料的电池更轻、更小、续航里程更长 . 10 图 20:Tesla Model 3 逆变器由 24 个 1-in-1 功率模块组成 . 11 图 21:单个 SiC 功率模块. 11 图 22:SiC 应用领域及其市场空间(百万美元) . 11 图 23:SiC 电力电子器件产业链. 12 图 24:GaN 器件的分类及应用领域 . 12 图 25:按照 Yole 爆发式模型预测,2
9、023 年 GaN 功率器件市场将达到 4.3 亿美元 . 13 图 26:2018 年 10 月 ANKER 发布 GaN 充电器 . 13 图 27:宝马 iVentures 战略投资 GaN System . 13 图 28:GaN 应用领域及其市场空间(亿美元) . 14 图 29:GaN 功率器件产业链 . 14 表 1:IGBT 芯片发展的主要技术节点 . 7 表 2:国内功率半导体企业梳理 . 15 请阅读最后评级说明和重要声明 4 / 16 行业研究专题报告 功率半导体是电子产品的必需品 功率半导体在电源或者电能转换模块中必不可少 半导体产业主要分为集成电路和分立器件两大类半导
10、体产业主要分为集成电路和分立器件两大类, 集成电路是把基本的电路元件如晶体 管、二极管、电阻、电容、电感等压缩在一个小型晶片上然后封装起来形成具有多功能 的单元,主要实现对信息的处理、存储和转换。而分立器件是指具有单一功能的电路基 本元件,如晶体管、二极管等,主要实现电能的处理与变换。功率器件是分立器件的重功率器件是分立器件的重 要组成部分要组成部分,典型的功率半导体处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理 等。功率半导体几乎用于所有的电子制造业,包括计算机、网络通信、消费电子、汽车 电子、工业控制等一系列电子领域。 图 1:功率半导体在半导体产业分类中的位置 半半 导导 体体 功率半
11、导体 分立器件 集成电路 二极管 晶闸管 MOSFET、 IGBT 小信号 碳化硅、氮化镓等 宽禁带功率半导体光电子器 件 传感器 GTO、GTR等 升级方向 有吸引力的未来方向 资料来源: 功率半导体器件与应用 ,长江证券研究所 由于功率半导体由于功率半导体在在电源或者电能转换模块中必不可少电源或者电能转换模块中必不可少,所以称之为电,所以称之为电子产品的必需品子产品的必需品。 在小功率(几 W 至几千 W)领域,从计算机、电视机、洗衣机、冰箱、空调等电器的 电源中均有使用;在中等功率范围(10000W 到几兆瓦) ,功率器件向机车、工业驱动、 冶炼炉等设备中的电机提供电能;在吉瓦的大功率范
12、围内,高压直流输电系统中需要超 高电压功率半导体器件。 图 2:功率半导体主要应用领域 晶 闸 管 硅基 二极 管 MOSFET 频率(Hz) 转 换 功 率 ( kW ) GTO/IGCT IGBT/IPM 输电 网 风力 发电轨道 交通 光伏 发电 汽车 电子 不间断 电源 白色 家电 变频 器 开关式 电源 音频 设备 资料来源:Yole Dveloppement,长江证券研究所 请阅读最后评级说明和重要声明 5 / 16 行业研究专题报告 功率半导体:关注 IGBT 及化合物半导体电力电 子器件 一般我们将额定电流超过 1 安的半导体器件归类为功率半导体器件, 这类器件的阻断电 压低则
13、几伏,高可超过 10000 伏。主要的功率半导体器件主要包括:二极管、PIN 二极 管、双极性晶体管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等,其中二极管、二极管、MOSFET 和和 IGBT 是 应用最广泛及性能指标先进的功率器件之一。 图 3:2017 年功率半导体市场主要产品构成 37% 22% 8% 33% 电源管理器件 MOSFET IGBT 其他分立器件 资料来源:中国产业信息网,长江证券研究所 电动汽车行业电动汽车行业的快速发展将拉动对的快速发展将拉动对功率半导体功率半导体的需求。的需求。汽车中传动、安全、车身控制均 需要大量的功率半导体器件,而电动车的到来,又将在动力方面增加功率半导
14、体器件。 根据 Strategy Analytics 测算,轻混车(MHEV) 、混动车/插电混动车(HEV/PHEV) 、 纯电动车 (BEV) 相比燃油车 71 美元的功率半导体用量分别增长 106%、 398%、 433%, 至 146 美元、354 美元与 384 美元。 图 4:汽车半导体成本拆分 21% 23% 13% 43% $338 $ 338 $ 372 内燃机车内燃机车通过插电进行充电的混合动力汽车通过插电进行充电的混合动力汽车电动车电动车 76% 4% 4% 16% 55% 11% 7% 27% $704$710 电源 C 传感器 其他 电源 其他 电源 其他 C 传感器
15、 C 传感器 资料来源:Strategy Analytics,长江证券研究所 2019 年 12 月工业和信息化部会同有关部门起草了新能源汽车产业发展规划 (2021-2035 年) (征求意见稿) ,征求意见稿明确到 2025 年,我国新能源汽车新车销 量占比达到 25%左右。 请阅读最后评级说明和重要声明 6 / 16 行业研究专题报告 清洁能源行业对功率半导体需求显著。清洁能源行业对功率半导体需求显著。未来 5-10 年,新能源发电主要以光伏发电和风 力发电为代表。根据国家能源局数据显示,2018 年,我国光伏发电装机容量继续保持 快速增长,新增装机 44.26GW,连续五年位居世界第一
16、,截至 2018 年底,全国光伏发 电累计装机容量达到 174GW。根据根据“十三五十三五”规划,风电、光伏装机总量将从规划,风电、光伏装机总量将从 2015 年年 的的 1.9 亿千瓦时提升至亿千瓦时提升至 2020 年的年的 4 亿千瓦时,复合增长率约为亿千瓦时,复合增长率约为 16%,由于新能源发,由于新能源发 电输出的电能不符合电网要求,需通过光伏逆变器或风力发电逆变器将其整流成直流电输出的电能不符合电网要求,需通过光伏逆变器或风力发电逆变器将其整流成直流 电,再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网,将大幅提高功率半导体的用量。电,再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网,将大幅提高功率
17、半导体的用量。 图 5:火力、风力、光伏发电中功率半导体的应用 资料来源:长江证券研究所 全球分立器件市场规模为 200 多亿美元, 其中欧美日的厂商占据了全球功率半导体器件 70%的市场份额。在国内,虽然中国是全球最大的功率半导体器件市场,不过产业链自 主能力有限,大功率、耐高压等高端产品几乎全部依赖于进口。全球功率半导体巨头主 要集中美国、欧洲、日本三个地区。大陆、台湾地区厂商主要集中在二极管、晶闸管、 低压 MOSFET 等低端功率器件领域,IGBT、中高压 MOSFET 等高端器件主要由欧美 日厂商占据。 图 6:全球分立器件的市场规模与增速(亿美元) 图 7:全球功率器件的市场占比(
18、2016) -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 0 50 100 150 200 250 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018E 分立器件销售额增长率 43% 14% 13% 9% 21% 中国 美洲 欧洲、中东、非洲 日本 亚洲与大洋洲(除 中日) 资料来源:Yole,长江证券研究所 资料来源:Yole,长江证券研究所 中国是功率半导体最大的市场, 占据了全球 43%的需求。 中国作为全球的电
19、子终端加工 中心,国内厂商与下游客户的距离更近,与本土客户的沟通交流更加顺畅,能够对客户 的需求做出更加快速的响应,国产替代空间巨大。 IGBT 为功率器件皇冠明珠,进口替代空间巨大 请阅读最后评级说明和重要声明 7 / 16 行业研究专题报告 IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写, 即绝缘栅双极型晶体管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
20、、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。 图 8:IGBT 产品示意图 图 9:按电压分布的 IGBT 应用领域 资料来源:英飞凌, 长江证券研究所 资料来源:中国产业信息网, 长江证券研究所 从 20 世纪 80 年代至今,IGBT 芯片经历了 6 代升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电 场截止型(FS-Trench) ,芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗 等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从 600V 提高到 6500V 以上。 表 1:IGBT 芯片发展的主要技术节点 序号序号 以技术特点命名以技术特点
21、命名 工艺线宽工艺线宽 (微米)(微米) 通态饱和压通态饱和压 降(伏)降(伏) 关断时间关断时间 (微秒)(微秒) 功率损耗功率损耗 (相对值)(相对值) 断态电压断态电压 (伏)(伏) 出现时出现时 间间 1 平面穿通型(PT) 5 3.0 0.50 100 600 1988 2 改进的平面穿通型(PT) 5 2.8 0.30 74 600 1990 3 沟槽型(Trench) 3 2.0 0.25 51 1200 1992 4 非穿通型(NPT) 1 1.5 0.25 39 3300 1997 5 电场截止型(FS) 0.5 1.3 0.19 33 4500 2001 6 沟槽型电场-截
22、止型 (FS-Trench) 0.5 1.0 0.15 29 6500 2003 资料来源:中国产业研究网,长江证券研究所 IGBT 是新能源汽车和高铁等轨道交通车辆动力系统“核心中的核心” ,为业界公认发展 最为迅速的新型功率器件品种。新能源汽车及其配套设施快速增长将为 IGBT 等高端功 率半导体市场规模的加速扩张提供有力的保障。 根据 Yole 预计, 电动汽车用 IGBT 市场 到 2022 年将占整个 IGBT 市场的 40左右。 目前国内外 IGBT 市场仍主要由外国企业 占据,虽然我国 IGBT 市场需求增长迅速,但由于国内相关人才缺乏,工艺基础薄弱, 国内企业产业化起步较晚,I
23、GBT 模块至今仍几乎全部依赖进口,市场主要由欧洲、日 本及美国企业占领。 请阅读最后评级说明和重要声明 8 / 16 行业研究专题报告 图 10:2017 年全球功率 IGBT 市场份额分布 图 11:按电压分布的 IGBT 产品主要品牌 英飞凌, 22.40% 三菱, 17.90% 富士电机, 9.00% 塞米 控, 8.30% 安森美半导 体, 6.90% 威科电子, 3.60% 丹佛斯, 2.70% 艾塞斯, 2.60% 日立, 2.20% 斯达股份, 2.00%其他, 22.30% 第一第一第二第二第三第三第四第四第五第五 400V以下 600-650V 1200V 1700V 25
24、00-3300V 4500V以上 资料来源:IHS,长江证券研究所 资料来源:IHS, 长江证券研究所 IGBT 市场集中度高,Yole 预计 2022 年全球 IGBT 市场将超过 55 亿美元,主要增长来 自电动汽车 IGBT 功率模块;集邦咨询的预计 2018 年国内 IGBT 市场达到 153 亿元。 图 12:2016-2022 年全球 IGBT 市场规模(亿美元) 图 13:2008-2018 年中国 IGBT 市场规模(亿元) 34.3 38.4 42.5 45.9 49.6 52.9 55.4 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 0 10 20 30 40 5
25、0 60 201620172018E2019E2020E2021E2022E 市场规模YoY 38.738.738.238.2 50.550.5 54.554.5 59.359.3 68.568.5 80.280.2 94.894.8 105.4105.4 128.0128.0 153.0153.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017E 2018E 资料来源:Yole,长江证券研究所 资料来源:集邦咨询,斯达半导招股说明书,长江证券研究所 化合物半导体电力电子性能
26、优势明显,潜力十足 第一代半导体以硅(Si)为主要材质。硅基(硅基(Si)功率器件结构设计和制造工艺日趋完 善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠硅基器件继续完善来提高装置与系统性 能的潜力十分有限。砷化镓(砷化镓(GaAs) 、磷化铟(磷化铟(lnP)等作为第二代化半导体因其高频 性能较好主要用于射频领域,碳化硅(碳化硅(SiC)和氮化镓()和氮化镓(GaN)等第三代半导体因禁带 宽度和击穿电压高,未来在功率半导体领域有很大的应用潜力,这一领域可以说是传统 硅基功率半导体的全方位升级。 请阅读最后评级说明和重要声明 9 / 16 行业研究专题报告 图 14:三代主要半导体材料物理性质对比
27、 图 15:化合物半导体功率器件与硅基器件的对比 0 2 4 6 禁带宽度(eV) 电子迁移率 (Kcm2/V*s) 击穿场强(MV/cm) 饱和电子速率 (107cm/s) 热导率(W/c*K) SiSiCGaN 材料性能器件性能系统性能 禁带宽度大 饱和电子漂 移速度高 存在高速二 维电子气 击穿场强高 耐高温性能 开关速度快 通态电阻低 耐高压特性 对冷却系统 要求低 能量损耗小 输出功率高 小型化、轻 量化 高能效 驱动力强 减小电容电 感的体积 资料来源:Yole,长江证券研究所 资料来源:Yole,长江证券研究所 目前第三代半导体功率器件发展方向主要有 SiC 和 GaN 两大方向
28、,SiC 拥有更高的热 导率和更成熟的技术,而 GaN 高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点,两者 的不同优势决定了应用范围上的差异,GaN 的市场应用偏向高频小电力领域,集中在 600V 以下;而 SiC 适用于 1200V 以上的高温大电力领域。 图 16:SiC 和 GaN 的应用领域不同 低电压中电压高电压 放大器 PFC电源供应器PV逆变器 电机控制 EV/HEV UPS 风电 轨道交通 船舶潜艇 智能电网 工作 领域 Si C 二极管 Si C晶体管GaN 晶体管 200V600V3. 3kV1. 7kV6. 5kV+ 资料来源:Yole, 长江证券研究所 SiC 功率器件受
29、益于新能源车需求加速 在发展 SiC 功率半导体器件过程中, 首先推出的是 SiC 肖特基二极管 (SiC SBD) , 2001 年 Infineon 公司推出 300V-600V (16A) 产品, 接着 CREE 在 2002 年推出 600V-1200V (20A) 的产品, 它们主要用在开关电源控制及马达控制中, 随后 ST、 Rohm、 Fairchild、 TOSHIBA 等厂商纷纷推出相应产品。 目前 SiC SBD 主要有电压为 600V、 650V、 900V、 1200V、1700V 和 3300V 等产品。 请阅读最后评级说明和重要声明 10 / 16 行业研究专题报告
30、 图 17:SiC 功率器件的 Timeline 及相关厂商 资料来源:Yole, 长江证券研究所 碳化硅器件比硅器件具备更高的电流密度,在功率等级相同的条件下,采用碳化硅器件 可将电体积缩小化,满足功率密度更高、设计更紧凑的需求。因此,在相同的电池容量 下,基于碳化硅的驱动系统可使电动车续航里程更长。 图 18:SiC 的功率密度更高 图 19:SiC 材料的电池更轻、更小、续航里程更长 资料来源:英飞凌,长江证券研究所 资料来源:英飞凌,长江证券研究所 未来 5-10 年在汽车中使用 SiC 功率器件将推动行业的快速发展,SiC 在汽车中的应用 包括主逆变器、车载充电器及 DC/DC 转换
31、器等。据 Yole 统计,截至 2018 年,有超过 20 家汽车厂商已经准备好将在车载充电器中应用 SiC 肖特基二极管或者 SiC MOSFET。特斯拉是第一家在其 Model 3 中集成全 SiC 功率模块的车企,工程设计部 门直接与意法半导体的合作,特斯拉逆变器由 24 个 1-in-1 功率模块组成,这些模块组 装在针翅式散热器上。 请阅读最后评级说明和重要声明 11 / 16 行业研究专题报告 图 20:Tesla Model 3 逆变器由 24 个 1-in-1 功率模块组成 图 21:单个 SiC 功率模块 资料来源:汽车电子设计, 长江证券研究所 资料来源:SYSTEM Pl
32、us CONSULTING, 长江证券研究所 SiC 的出现符合未来能源效率提升的趋势,也是产业链努力的结果,未来市场空间必将的出现符合未来能源效率提升的趋势,也是产业链努力的结果,未来市场空间必将 越来越大。越来越大。根据 Yole 的统计及预测,2017 年全球 SiC 功率器件的市场空间为 3.02 亿 美金, 预计到 2023 年, SiC功率器件的市场空间可以达到 13.99 亿美金, 对应对应 2017-2023 年复合增速达到年复合增速达到 29%。 图 22:SiC 应用领域及其市场空间(百万美元) 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,6
33、00 20020202120222023 其他(石油、天然气等)UPS电机驱动 光伏xEV充电基础设施风电 xEV(OBC+主逆变+转换器)PFC轨交(包括辅助电源) 资料来源:Yole, 长江证券研究所 类似于集成电路的制造,类似于集成电路的制造, SiC 器件的生产也已经开始出现分工, 但目前仍以器件的生产也已经开始出现分工, 但目前仍以 IDM 模式为模式为 主。主。SiC 产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应 用环节。由于功率半导体的投资额较硅半导体要低,IDM 厂商较多,包括德国英飞凌、 美国 Cree、美国通用、日本 Rohm
34、和日本三菱电机等。由于大陆与台湾地区企业的进 入,近年来专业分工模式也在增多,代工企业包括大陆的三安集成、瑞典 Ascatron、法 国离子束、德国 X-Fab 以及台湾地区的汉磊科技等。 请阅读最后评级说明和重要声明 12 / 16 行业研究专题报告 图 23:SiC 电力电子器件产业链 衬底外延器件、模块应用 大陆 天科合达 山东天岳 河北同光 世纪金光 中科节能 Norstel 境外 美国Cree 美国II-VI 美国道康宁 日本罗姆 日本NSC 大陆 瀚天天成 东莞天域 世纪金光 Norstel 境外 美国Cree 美国道康宁 日本罗姆 日本NSC 台湾嘉晶 分工IDM 设计设计制造制造封测封测 大陆 三安集成 境外 台湾瀚薪 美国USCi 境外 瑞典Ascatron 法国离子束 德国X-Fab 台湾汉磊科技 大陆 泰科天润 中车时代 世纪金光 芯光润泽 深圳基本 国扬电子 士兰微 扬杰科技 境外 德国英飞凌 美国Cree 美国通用 美