摘要

為什么要實(shí)現(xiàn)高功率密度。

功率轉(zhuǎn)換器件既要小型化，又要大功率，還要低損耗的進(jìn)步路徑是高功率密度的內(nèi)因高功率密度，是追求電源系統(tǒng)內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換器小型化的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)高效的大功率輸出伴隨著新興終端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β瘦敵龊涂臻g占比要求的不斷提升，電子電力產(chǎn)業(yè)高頻高功率密度的發(fā)展趨勢不斷確立

如何實(shí)現(xiàn)高功率密度。

從主動(dòng)+被動(dòng)元件的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)高功率密度有2種方案:開關(guān)高頻化，減少電容電感體積，增大電容電感容量，匹配高功率應(yīng)用場景。

從電感看，開關(guān)高頻化帶來高損耗的解決方案是高電阻軟磁材料，同時(shí)，電路功率提升要求高飽和磁通密度的軟磁材料以適配更大電流。

從電容看，高性能納米級鎳粉作為MLCC發(fā)展的關(guān)鍵材料，推動(dòng)MLCC匹配高電容和小型化趨勢，市場前景廣闊。

從封裝看，開關(guān)高頻化引起的發(fā)熱問題要求電子封裝技術(shù)，尤其是散熱性能不斷提升，推動(dòng)電子陶瓷封裝成為封裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。

高功率密度趨勢下，哪些細(xì)分賽道新材料公司持續(xù)受益。

從電感角度延伸，高性能軟磁材料成為未來發(fā)展方向，其種類多，終端應(yīng)用場景各不相同，例如:合金軟磁粉芯站穩(wěn)光伏新能源汽車高景氣賽道，羰基鐵粉軟磁是汽車電子市場的優(yōu)秀選擇，非晶合金材料是雙碳目標(biāo)下推動(dòng)配電變壓器提效節(jié)能，降低空載損耗的卓越材料，納米晶合金已在無線充電模塊和新能源汽車電機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

從電容角度延伸，高性能納米級鎳粉是MLCC高容小型化發(fā)展的關(guān)鍵材料。

從封裝角度延伸，高端電子陶瓷封裝是推動(dòng)光通信，無線通信發(fā)展不可或缺的重要技術(shù)。

高功率密度趨勢下，細(xì)分賽道中具有強(qiáng)α的頭部公司，將充分受益下游景氣度傳導(dǎo)和國產(chǎn)化替代浪潮，持續(xù)看好其未來高成長性。

風(fēng)險(xiǎn)提示:下游市場需求不及預(yù)期，上游原材料價(jià)格波動(dòng)，公司擴(kuò)產(chǎn)不及預(yù)期

為什么要實(shí)現(xiàn)高功率密度。

1.1 高功率密度是什么。

答:所謂高功率密度，就是追求電源系統(tǒng)內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換器小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效的大功率輸出。

功率轉(zhuǎn)換器是一種可以將某種電流轉(zhuǎn)換為其他類型電流的電子設(shè)備，包括直流功率變換與交流功率變換作為電子系統(tǒng)中最基本的組成部分之一，功率轉(zhuǎn)換器的性能直接決定了電子設(shè)備的工作效率

由圖1可知功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部主要由功率半導(dǎo)體開關(guān)，電容，電感等電子元器件組成，其中功率半導(dǎo)體開關(guān)的作用:將交流電轉(zhuǎn)為直流電，增大電信號，阻斷或?qū)娏麟姼械闹饕饔檬谴鎯﹄娔苻D(zhuǎn)化的磁能電容的主要作用是儲存電能

根據(jù)功率密度公式，顯然，提高功率密度的主要途徑有兩種:增大功率，減小電子元件的體積形象地說，功率轉(zhuǎn)換器就好比一把水槍，其作用就是將水管內(nèi)的水流轉(zhuǎn)換成高速高壓的噴射水流，水槍射出的水流速度越高，排量越大，同時(shí)水槍體積越小，則說明水槍的功率密度越高因此，要想實(shí)現(xiàn)更高功率密度，就需要在增大功率輸出的同時(shí)，減小空間占比

1.2 高功率密度的意義和必要性是什么。

答:新興終端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β瘦敵龊涂臻g占比的要求不斷提高。

隨信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各類新興下游終端市場對電源系統(tǒng)的功率輸出，空間占比等有了更高的要求以新能源汽車領(lǐng)域?yàn)槔?，功率轉(zhuǎn)換器作為汽車內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心組成部分之一，其作用是按所選電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流要求，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓等級的直流，交流或脈沖電源高功率密度電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，效率高，可有效減小汽車能耗，滿足汽車的各類動(dòng)態(tài)需求

當(dāng)前傳統(tǒng)電機(jī)的功率密度在3—5kW·h/kg，而未來新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度可達(dá)20kW·h/kg，這意味著與傳統(tǒng)電機(jī)相比，一臺高功率密度的電動(dòng)機(jī)單位體積內(nèi)可以迸發(fā)出5—6倍的功率未來高功率密度電機(jī)不僅用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，還將在航空航天，航海等得到廣泛應(yīng)用

2 如何實(shí)現(xiàn)高功率密度。

答:從主動(dòng)+被動(dòng)元件的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)高功率密度有2種方案:通過開關(guān)高頻化減小電容電感體積通過增大電容電感容量匹配高功率

從體積方向切入，在電源解決方案中，電感，電容與散熱器等無源組件占據(jù)模塊大部分體積，減小無源組件尺寸是縮小電源系統(tǒng)的主要途徑增加開關(guān)頻率可有效降低無源組件的體積形象來說，為獲得相同重量的井水，如果加快木桶取水的頻次，那么所需木桶的體積可相應(yīng)減小，而功率半導(dǎo)體材料的進(jìn)步讓高頻化成為可能并成為趨勢

從高功率方向切入，增大電源模塊的輸入功率，需要相應(yīng)增大功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)電容，電感的儲存能力，選用高性能的組成材料可提升電容以及電感的容量，保證電路的穩(wěn)定。

2.1 開關(guān)高頻化:實(shí)現(xiàn)高功率密度的重要解決方案

開關(guān)高頻化是實(shí)現(xiàn)高功率密度普遍性的解決方案之一，而功率半導(dǎo)體材料的進(jìn)步保證了開關(guān)高頻化發(fā)展的順利推進(jìn)。

限制開關(guān)頻率的關(guān)鍵因素是開關(guān)損耗，通俗來講，開關(guān)損耗就是電路通斷電過程中，開關(guān)器件內(nèi)的電壓與電流不能瞬間降為0，從而產(chǎn)生功率損耗開關(guān)頻率越高，單位時(shí)間通斷電次數(shù)越多，功率損耗就越大

半導(dǎo)體材料的性質(zhì)直接決定了開關(guān)損耗的大小，高性能的半導(dǎo)體材料可以減小開關(guān)損耗，使開關(guān)頻率突破瓶頸，目前第三代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵和碳化硅為主，其中氮化鎵具備更高的電子遷移率，因此電流在半導(dǎo)體晶體內(nèi)的導(dǎo)通速度更快，減小了開關(guān)損耗第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展推動(dòng)功率半導(dǎo)體向高頻化的轉(zhuǎn)變，未來將廣泛應(yīng)用于5G等高頻通信領(lǐng)域

3 高功率密度下高性能軟磁材料成為優(yōu)秀選擇

3.1開關(guān)高頻化:電感尺寸顯著縮小

開關(guān)高頻化對電感尺寸小型化影響顯著。根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器中電感的設(shè)計(jì)公式:

電感在電路中的角色是將電能轉(zhuǎn)化為磁能并存儲的電子元件，其大小與開關(guān)頻率成反比，開關(guān)頻率越高，每個(gè)周期內(nèi)電感儲存與釋放的能量越小，所需電感器的體積就越小可以形象地理解為:需要運(yùn)送100噸貨物，大貨車由于速度慢每天只能運(yùn)送10次，每次需要運(yùn)送10噸，但一輛小轎車由于速度快每天可以運(yùn)送20次，每次只需要運(yùn)送5噸

3.2開關(guān)高頻化:要求電感不斷降低高頻化帶來的渦流損耗

但是，電感高頻化帶來的高損耗問題無法忽視。由公式可知，渦流損耗和頻率的平方成正比，頻率越高渦流損耗越大:

一方面，提升軟磁材料電阻和縮小粒徑尺寸是解決高頻化帶來高損耗的解決方案渦流損耗與頻率的平方成正比， 與電感電阻成反比為提高轉(zhuǎn)換器效率，提升功率密度，高電阻軟磁材料是關(guān)鍵一環(huán)同時(shí)，渦流損耗和軟磁材料的粒徑度成正比，為提升換器效率和功率密度，可以進(jìn)一步將軟磁材料粒徑度做小，軟磁材料小尺寸化的必要性顯現(xiàn)

另一方面，在終端應(yīng)用場景對功率要求不斷提升下，具備高Bs值的軟磁材料不可或缺下游新興終端應(yīng)用場景對電源系統(tǒng)輸出功率要求不斷提升，電感需要具備大電流承載的能力而更高的Bs值意味著軟磁材料單位體積的磁感應(yīng)強(qiáng)度更強(qiáng)，所需用量更小，這有利于縮小電感體積

3.3高性能軟磁材料成為高頻高功率密度下的優(yōu)秀選擇

電感的性質(zhì)由內(nèi)部軟磁材料決定，軟磁材料可分為鐵氧體軟磁材料，金屬軟磁材料及其他軟磁材料，金屬軟磁材料進(jìn)一步分為金屬軟磁粉芯，硅鋼片，非晶及納米晶合金。

不同軟磁材料終端應(yīng)用場景大都不同，各自占據(jù)一畝三分地，但在部分領(lǐng)域存在直接競爭關(guān)系，屬于互為替代品總而言之，高容量，低損耗的高性能軟磁材料是高功率密度趨勢下的優(yōu)秀選擇

鐵氧體軟磁材料的優(yōu)點(diǎn)是高電阻率，低損耗，缺點(diǎn)是低Bs值，適用于高頻低功率工作環(huán)境，如消費(fèi)電子，家電，通訊，儀器儀表等。

硅鋼片的優(yōu)點(diǎn)是高Bs值，缺點(diǎn)是低電阻率，高損耗，適用于低頻高功率工作環(huán)境，如集中式逆變器，工業(yè)電機(jī)，UPS電源等。

金屬軟磁粉芯通過特殊制備工藝結(jié)合鐵氧體和硅鋼片的優(yōu)勢，兼具高Bs值，高電阻率，低損耗，成為高功率密度趨勢下的優(yōu)秀選擇，適用于相對高頻率高功率的工作環(huán)境，其終端應(yīng)用場景被不斷打開。

其中，鐵硅+鐵硅鋁粉芯目前市場應(yīng)用廣泛，適用于相對高頻率高功率的工作環(huán)境，如組串式逆變器，變頻空調(diào)，通訊電源，高功率芯片電路等。

而羰基鐵粉軟磁制成的一體成型片式電感，兼具高Bs值，高電阻率，低損耗的同時(shí)，對比鐵硅及鐵硅鋁粉芯，可以做到更小體積，更強(qiáng)抗磁干擾能力，但成本更高，適用于相對高頻高功率，小體積，抗磁要求高的工作環(huán)境，如筆記本電腦，智能手機(jī)，汽車電子等。

非晶合金主要適用于配電變壓器，對接傳統(tǒng)配電和新能源發(fā)電領(lǐng)域在雙碳目標(biāo)＆《壓器能效提升計(jì)劃》推動(dòng)下，非晶變壓器成為電網(wǎng)系統(tǒng)提效節(jié)能的優(yōu)秀選擇

納米晶的優(yōu)點(diǎn)是高磁導(dǎo)率，高居里溫度，低損耗，缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，成本高，適用于相對高頻高功率，追求小型化，輕量化，復(fù)雜溫度的工作環(huán)境，如電子變壓器，互感器，傳感器，特別在無線充電模塊和新能源汽車電機(jī)中正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

4 電容:高功率密度下MLCC優(yōu)勢顯著，超細(xì)鎳粉需求廣闊

4.1電容精密化趨勢

在高功率密度的趨勢下，電容器向著精密化，小型化且高容量方向發(fā)展電容作為電源模塊內(nèi)的重要的無源組件，本質(zhì)是兩個(gè)互相靠近的導(dǎo)體間夾上一層不導(dǎo)電的電介質(zhì)材料，其作用是儲存電荷和電能

根據(jù)公式，為獲得高容量的電容器，解決方案是:增加材料的介電常數(shù)，降低介質(zhì)層厚度， 增大電極與介質(zhì)重合的面積。

4.2陶瓷電容優(yōu)勢明顯，占據(jù)市場主流地位

陶瓷電容器優(yōu)勢明顯，市場占比不斷提升電容器按材料可分為鋁電解電容，薄膜電容，鉭電容和陶瓷電容其中陶瓷電容器是一種以陶瓷為介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成的電容器其優(yōu)點(diǎn)是高頻特性較好，高壓工作下可靠性高，介電損耗較低陶瓷電容相較于其他幾類電容，可以做到更小的體積和更大的電容量，憑借高性價(jià)比，在各領(lǐng)域的應(yīng)用占比逐年提高

4.3匹配高容量小型化趨勢，MLCC脫穎而出

MLCC匹配高容小型化趨勢，未來市場不容小覷陶瓷電容的主要分類為半導(dǎo)體陶瓷電容器和片式多層陶瓷電容器，其中MLCC憑借體積小，比容高和精密度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)，智能汽車與物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域MLCC是由多層內(nèi)電極和陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式層層堆疊而成的電容器，因此MLCC內(nèi)部疊層結(jié)構(gòu)可以減小兩板間距離且增加兩板正對面積，達(dá)到高容量且小型化的效果，未來市場需求廣闊

4.4MLCC高速發(fā)展，超細(xì)鎳粉成為內(nèi)電極主流

對比傳統(tǒng)Pd—Ag漿料，納米鎳粉的優(yōu)勢在于:鎳內(nèi)電極成本低，價(jià)格約為Ag—Pd電極的5%，大幅降低MLCC制備成本，鎳電極的電阻率低，導(dǎo)電性優(yōu)于Ag—Pd電極，鎳具有優(yōu)異的燒結(jié)性質(zhì)，成型后致密性好，鎳的電遷移速度小，具有更好的電化學(xué)穩(wěn)定性，提高M(jìn)LCC可靠性。

在電子元器件精密化，高功率密度的趨勢下，MLCC的主要技術(shù)路徑為提高層數(shù)，降低介質(zhì)厚度，推動(dòng)鎳粉的粒徑從微米級向納米級方向進(jìn)步從工藝看，鎳粉粒徑的縮小使金屬粉末與有機(jī)漿料混合更為均勻，提高了粉體燒結(jié)性能，有利于在陶瓷介質(zhì)與電極的共燒后獲得致密結(jié)構(gòu)層從原理看，納米級粒徑的鎳粉具備更大的比表面積，電極的導(dǎo)電性增強(qiáng)，MLCC的容量增大，電容損耗減小因此，制備出粒徑更小，顆粒分布更均勻，分散性更好，振實(shí)密度更高，表面性能更好的鎳粉，對于MLCC的發(fā)展至關(guān)重要

2025年全球MLCC用鎳粉市場規(guī)模預(yù)計(jì)突破80億元假設(shè)MLCC行業(yè)平均毛利率40%，內(nèi)電極材料占MLCC成本約5%—10%，疊加高容MLCC趨勢，2021—2025年全球MLCC用鎳粉市場規(guī)模約預(yù)計(jì)達(dá)到56.83/62.65/69.00/75.94/82.70億元

5 電子封裝:高功率密度下電子陶瓷封裝成為主流

5.1高頻化推動(dòng)電子陶瓷封裝成為主流

電子封裝技術(shù)是電子電路不可或缺的關(guān)鍵部分電子封裝技術(shù)是對電路芯片進(jìn)行包裝，進(jìn)而保護(hù)電路芯片，以免其受到外界環(huán)境影響的包裝，起到機(jī)械支撐，密封環(huán)境保護(hù)，信號傳遞，散熱和屏蔽等作用

集成電路高頻化推動(dòng)電子封裝技術(shù)要求提升高頻化意味著電子元件在單位時(shí)間內(nèi)工作次數(shù)提高，直接導(dǎo)致器件產(chǎn)熱增加模塊長期在高溫環(huán)境下工作容易發(fā)生電子元件失效，如接合材料機(jī)械潛變，摻雜擴(kuò)散以及材料熔化，氣化甚至燃燒，因此提升電子封裝技術(shù)的散熱性能極為重要

陶瓷基封裝材料已成主流方向當(dāng)前主流的電子封裝材料分為三類:陶瓷基封裝材料，塑料基封裝材料，金屬基封裝材料相較于金屬基和塑料基，陶瓷基封裝材料具備介電常數(shù)較低，高頻性能好，絕緣性強(qiáng)，熱穩(wěn)定好，熱導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)和耐濕性好等優(yōu)勢，符合集成電路高頻化對散熱性的需求，因此陶瓷基封裝材料未來市場空間廣闊

6 風(fēng)險(xiǎn)提示

6.1 下游市場需求不及預(yù)期

受政策市場價(jià)格等因素影響，光伏，新能源汽車，消費(fèi)電子，5G通訊等市場需求增長可能不及預(yù)期。

6.2 上游原材料價(jià)格波動(dòng)

部分軟磁材料，MLCC用鎳受原材料影響，原材料波動(dòng)對產(chǎn)品毛利率有一定影響。

6.3 公司擴(kuò)產(chǎn)不及預(yù)期

受疫情，限電，下游市場需求等因素影響，部分公司產(chǎn)能擴(kuò)張可能不及預(yù)期

報(bào)告發(fā)布時(shí)間:2021年12月24日

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