第三代功率器件——寬禁帶功率器件

隨著以硅材料為基礎(chǔ)的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比 Si 和 GaAs 更優(yōu)異的特性，給功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機。

 

2014 年，美國奧巴馬政府連同企業(yè)一道投資 1.4 億美元在 NCSU 成立 TheNext Generation Power Electronics Institute，發(fā)展新一代寬禁帶電力半導體器件。

 

相對于 Si 材料，使用寬禁帶半導體材料制造新一代的功率器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少功率器件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本，允許設(shè)備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得功率器件使用更少的能量卻可以實現(xiàn)更高的性能。

 

下面用一圖展示一下目前最典型的寬禁帶功率器件的 4 個主要參數(shù)對比情況，其中：

 

01. 禁帶寬度 Eg 增加

反向漏電減小，工作溫度高，抗輻射能力強。

 

02. 更高的臨界電場

導通電阻減小，阻斷電壓增大。

 

03. 熱導率

高的熱導率，代表熱阻小，熱擴散能力好，功率密度高。

 

04. 更快的飽和漂移速率

開關(guān)速度快，工作效率高。

 

 

功率器件國內(nèi)外行情

據(jù)日本富士經(jīng)濟（Fuji Keizai）2019 年 6 月發(fā)布的功率半導體全球市場報告顯示，汽車、電氣設(shè)備、信息和通信設(shè)備等領(lǐng)域?qū)ο乱淮β拾雽w(SiC 和 GaN)的需求將增加。預計到 2030 年(與 2018 年相比) SiC 成長 10 倍，GaN 翻至 60 倍，Si 增長 45.1%。該機構(gòu)還指出 SiC 功率半導體市場主要在中國和歐洲擴張，從 2017 年~2018 年，SiC 增長 41.8%至 3.7 億美元。目前 SiC -SBD(肖特基勢壘二極管)占 70%，并且需求增加點主要分布在信息和通信設(shè)備領(lǐng)域。6 英寸晶圓的推出使得成本降低，預計將進一步增長。此外 SiC -FET (場效應(yīng)晶體管)主要在汽車和電氣設(shè)備領(lǐng)域大大擴展。

 

另據(jù) Strategy Analytics 預測，到 2026 年，對電力電子元件的需求將占 HEV/EV 動力系統(tǒng)半導體總成本的 50%以上。在 Strategy Analytics 日前發(fā)布的“HEV-EV 半導體技術(shù)展望：SiC 和 GaN 將發(fā)揮何種作用”的報告中顯示，提高車載電子的系統(tǒng)效率需要碳化硅(SiC)和氮化鎵( GaN)等基礎(chǔ)元件，這就為汽車半導體行業(yè)未來創(chuàng)造更高的利潤率和盈利機會。

 

功率器件市場整體向好，但縱觀整個功率器件市場，卻呈現(xiàn)了歐美日廠商三足鼎立的不平衡發(fā)展局面。

 

根據(jù) IHS 的分析，2017 年全球前 10 大廠商清一色為歐美日企業(yè)，供應(yīng)規(guī)模占比達到了全球的 60％以上，其中 Infineon（18.5％）、ONSemiconductor（9.2％）、ST（5.3％）分別依次位列前三位。從體量上看歐洲功率器件廠商似乎不占優(yōu)勢，但是以英飛凌為首的幾家企業(yè)絕對是霸主地位的存在。

 

美國：TI、Fairchild、Maxim、ADI、ONSemiconductor、Vishay、NS、Linear、IR、AOS、Cree、littlefuse、Diodes Incorporated、IXYS、Microsemi 等。

 

歐洲：Infineon、ST、NXP、Semikron、ABB、Vincotech、Danfoss 等。

 

日本：Toshiba、 Renesas、 Rohm、Matsushita、Fuji Electric、NEC、Ricoh、Sanken、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Mitsubishi 等。

 

在國際巨頭面前，國內(nèi)本土廠家顯得格格不入，以提供二極管、晶閘管、低壓 MOSFET 等低端功率半導體器件為主，還處在產(chǎn)業(yè)鏈的末端。

 

與供給端形成鮮明對比的是國內(nèi)的需求端。據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)顯示，2016 年，中國功率半導體市場規(guī)模達到了 1496 億元，占據(jù)了全球 40%以上的市場。另據(jù) Yole 和中國半導體協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2017 年中國大陸功率半導體器件銷售額達 2170 億元人民幣，同比增長 3.93％，約占據(jù)全球市場份額的 39％，其次才是歐洲地區(qū)的 18％；另外，美國和日本的銷售額占比差不多，分別為 8％、6％。

 

再加上中美貿(mào)易戰(zhàn)等大環(huán)境對功率器件價格的影響，功率器件成為了繼 MLCC 等被動元件之后的漲價之最。同時，各大廠商交貨周期一再延長，并致使主要功率器件原廠 2019 年上半年產(chǎn)能都被預訂完。

 

 

2018 年上半年低壓（上）、高壓（下）MOSFET 交貨周期情況 （圖片來源：中泰證券研究所）

 

國際環(huán)境不容樂觀，中國電子產(chǎn)業(yè)難免受到不同程度的影響，這對于本土廠家來說是機會更是挑戰(zhàn)，爭取早日完成國產(chǎn)替代是他們的使命。

 

就目前來看，像耕耘于 MOSFET 的華微、揚杰、士蘭微，精于 IGBT 的嘉興斯達、中國中車、比亞迪、士蘭微，在 SiC 領(lǐng)域有所建樹的北京泰科天潤、華天恒芯，國內(nèi)最早布局 GaN 領(lǐng)域的蘇州能訊、蘇州晶湛、江蘇能華、杭州士蘭微、江蘇華功半導體等本土企業(yè)，在用量最大的 0-40V 低壓領(lǐng)域的替代機會最大，同時在 400-6500V 的高壓領(lǐng)域開始有了本土企業(yè)的聲音，但在 40-100V、100-400V 應(yīng)用較多的中間領(lǐng)域還是一塊硬骨頭。

 

全球十大功率器件廠商及產(chǎn)品介紹

Infineon（英飛凌）

Infineon 脫胎于西門子半導體部門，于 1999 年 4 月 1 日在德國慕尼黑正式成立，是歐洲最大的半導體公司，其功率半導體在全球排名第一。其主要功率器件產(chǎn)品包括高度可靠的 IGBT、功率 MOSFET、氮化鎵增強型 HEMT、功率分立式元件、保護開關(guān)、硅驅(qū)動器、氮化鎵驅(qū)動器、IGBT 模塊、智能功率模塊（IPM）、線性調(diào)節(jié)器、電機控制解決方案、LED 驅(qū)動器以及各種交流 - 直流、直流 - 交流和數(shù)字功率轉(zhuǎn)換等，涵蓋了所有功率技術(shù)——硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），功率方面覆蓋微安級到兆瓦級。

 

ONSemiconductor（安森美）

ON SemiconductorCorporation 創(chuàng)立于 1999 年，是全球高性能電源解決方案供應(yīng)商。其主要功率器件產(chǎn)品包括汽車工業(yè) MOSFET、整流器、IGBT，全面的高能效電源和信號管理、邏輯、分立及定制方案陣容，使其在汽車、通信、計算機、消費電子、工業(yè)、LED 照明、醫(yī)療、軍事 / 航空及電源應(yīng)用領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)。

 

ST（意法半導體）

ST 集團于 1987 年成立，是由意大利的 SGS 微電子公司和法國 Thomson 半導體公司合并而成，是世界最大的半導體公司之一，也是世界領(lǐng)先的分立功率器件供應(yīng)商之一。其產(chǎn)品范圍包含 MOSFET (包括運用創(chuàng)新的 MDmeshTM 第二代技術(shù)的器件)、雙極晶體管、IGBT、肖特基與超快速恢復雙極工藝二極管、三端雙向可控硅開關(guān)及保護器件。此外，意法半導體的專利 IPAD（集成有源和無源器件）技術(shù)，允許在單個芯片中整合多個有源和無源元件。

 

Mitsubishi（三菱電機）

Mitsubishi 成立于 1921 年，主營功率器件包括 IGBT、IPM、MOSFET 和 SiC 器件，并在白色家電、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、軌道交通、綠色能源、衛(wèi)星、防御系統(tǒng)、電梯及自動扶梯、汽車用電子用品、空調(diào)、通風設(shè)備等領(lǐng)域的電力變換和電機控制中得到廣泛應(yīng)用。

 

Toshiba（東芝）

Toshiba 創(chuàng)立于 1875 年，是日本最大的半導體制造商，隸屬于三井集團。東芝的功率器件產(chǎn)品包括廣泛的二極管產(chǎn)品組合、雙極晶體管、VDSS 為 500~800V 的中高壓 DTMOSIV 系列，VSS 為 12~250V 的低電壓 UMOS 系列、SiC SBD，以及智能功率器件(IPD)IC，包括 60V 的低電壓 IPD、和 250V/500V 的高壓 IPD，可分別應(yīng)用于娛樂、汽車設(shè)備,以及家用電器和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。

 

Vishay（威世）

Vishay 集團成立于 1962 年，是世界上最大的分離式半導體和無源電子器件制造商和供應(yīng)商之一。其主要產(chǎn)品包括無源和分立有源電子元件，特別是電阻、電容器、感應(yīng)器、二極管和晶體管。廣泛應(yīng)用于計算機、電話、電視、汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星、軍用及航空設(shè)備領(lǐng)域。

 

Fuji Electric（富士電機）

Fuji Electric 成立于 1923 年，是一家以大型電氣機器為主產(chǎn)品的日本重電機制造商，主營功率器件包括整流二極管、功率 MOSFET、IGBT、電源控制 IC、SiC 器件等。值得一提的是，富士還是日立的 IGBT 芯片供應(yīng)商。擁有全世界最多的 IGBT 器件方面的技術(shù)專利，總數(shù)達 500 件?，F(xiàn)在，富士電機的 IGBT 幾乎占領(lǐng)了全日本的電動汽車領(lǐng)域。

 

Renesas（瑞薩）

Renesas 于 2003 年，由日立制作所半導體部門和三菱電機半導體部門合并成立，是世界十大半導體芯片供應(yīng)商之一。其主營模擬功率器件包括雙極型功率晶體管、功率二極管、功率 MOSFET、晶閘管和 IGBT，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、家居、辦公自動化、信息通信技術(shù)等領(lǐng)域。

 

Rohm（羅姆）

Rohm 創(chuàng)立于 1958 年，是全球著名半導體廠商之一。其主營功率器件包括晶體管、二極管、IGBT、SiC 功率器件和智能功率模塊，其功率器件產(chǎn)品線是小型高可靠性產(chǎn)品陣容的典型代表。

 

Semikron（賽米控）

Semikron 成立于 1951 年，總部位于德國紐倫堡，是全球領(lǐng)先的功率模塊和系統(tǒng)制造商之一。其產(chǎn)品主要涉及中等功率輸出范圍（約 2 kW 至 10 MW），是現(xiàn)代節(jié)能型電機驅(qū)動器和工業(yè)自動化系統(tǒng)中的核心器件，廣泛應(yīng)用于電源、可再生能源（風能和太陽能發(fā)電）和電動車（私家車、廂式貨車、公交車、卡車、叉車等）領(lǐng)域。同時，Semikron 也是全球前十大 IGBT 模塊供應(yīng)商，在 1700V 及以下電壓等級的消費 IGBT 領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。目前，賽米控在全球二極管和晶閘管半導體模塊市場占有 25%的份額。

 

敢問路在何方？

站在政府和供給端企業(yè)角度來說，功率器件領(lǐng)域，歐美日三足鼎立的局面暫時不會改變，而國內(nèi)市場需求大，本土廠商應(yīng)援還存在問題，如何盡快地完成國產(chǎn)替代是未來地一場攻堅戰(zhàn)，如何打贏？天時地利人和。

 

站在技術(shù)的角度來說，功率器件必將向高功率、高頻率、高效率和易驅(qū)動方向發(fā)展，而后 IGBT 時代的新材料的出現(xiàn)可以加速這一系列目標的實現(xiàn)。

 

站在需求端企業(yè)和工程師個人的角度來說，需求永遠都是一樣的，那就是性能強大一點、功能完善一點、價格便宜一點、供貨周期短一點、服務(wù)好一點，權(quán)衡這幾個因素，那家好用哪家。小伙伴們，你們說呢？