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功率器件国产化迫切,碳化硅成必争之地!

发布日期:2020-07-24 浏览次数:826 来源:中自网
   以IGBT、MOSFET为代表的功率器件已经广泛应用于工业、新能源、消费电子等众多行业。如今,在新基建政策的推动下,特高压、5G、轨道交通、新能源汽车充电桩等领域将引来新一轮大发展,功率半导体作为交直流电力转换的核心器件,势必会迎来巨大市场增长。
 
  功率半导体国产化需求迫切
 
  在新能源汽车领域,功率半导体是核心部件之一,其重要性仅次于电池。功率半导体在电池管理、车载充电和电机控制等多个系统使用,每台车大概占10%的成本。此外,在光伏逆变器,风电变流器等设备中,都离不开功率半导体。
 
  随着智能化时代的到来,例如新能源汽车实现自动驾驶和联网化,需要更长的续航能力的和高效的电池管理,对于功率半导体将提出更高的要求。而新一代半导体材料,例如碳化硅和氮化镓,在电场强度、热导率、禁带宽度、饱和迁移速度方面有着优异表现,已经成为功率半导体厂商的重点研发方向。
 
  近年来,美国禁令不断,堵截上游芯片的供应,剑指中国制造和高科技产业。那么,功率半导体的国产化也是十分紧迫的。今年两会提议将功率半导体材料列研发入国家计划,那么功率半导体国产化进程将加速,国产器件代替进行只是时间的问题。
 
 
 
  目前,中国大部分的功率半导体以进口为主,例如德国英飞凌在汽车领域占据了58%的市场。英飞凌在全球功率器件市场中排名第一,其次还有安森美、三菱电机、富士、罗姆、赛米控等领先厂商,国内龙头厂商斯半导体,排到第十。国内外差距还是比较大。
 
  碳化硅器件成必争之地
 
  国内功率半导体厂商除了斯达之外,还有比亚迪半导体、中车时代电气、吉林华微、士兰微等知名厂商,在产品类型方面基本覆盖了各种电压级别,虽然功率器件在低端产品方面已对开始代替进口,但高端产品依然严重依赖进口。
 
  由于IGBT核心技术掌握在发达国家手中,例如设计制造、模块封装、失效分析、测试等。目前,英飞凌、三菱、ABB在1700V以上电压等级占绝对优势,在大功率沟槽技术方面,英飞凌与三菱公司领先,3300V以上电压的IGBT基本由国外垄断。
 
  未来IGBT向更高工作结温与功率密度发展,厂商除了要聚焦在降低损耗和降低生产成本,通过改良工艺和设计方案来提升产品的性能之外,第三代半导体技术开发可能是一个必争之地。第三代半导体主要以宽禁带半导体材料,例如碳化硅和氮化镓材料制成的半导体产品。
 
  第一代半导体以硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料为主要,第二代以砷化镓(GaAs)、磷化铟(lnP)等化合物为主,而第三代是碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体材料,具有禁带宽度和击穿电压高的特点。自从特斯拉推出Model3型电动汽车,其逆变器采用了24个碳化硅MOSFET为功率模块,碳化硅功率器件受到了越来越多厂商的重视。
 
 
  碳化硅为材料的功率模块具有高开关频率、耐高温、耐高压和低开关损耗,以及抗辐射能力强等优点,不仅可以大量节省能源损耗,还提升了电控效率,而且体积更少,重量更低。此前,丰田便展示的全碳化硅模组,是传统硅产品体积的1/5,重量上减轻了35%,损耗从20%降到5%,能让汽车经济性提升10%。
 
  目前,碳化硅功率器件主要国外厂商为英飞凌、罗姆、Cree和ST,国内有泰科天润、基本半导体、上海瞻芯电子、杨杰科技、芯光润泽、瑞能半导体等。
 
  在碳化硅晶片方面,CREE占据了一半以上市场份额,是行业的领头羊。近两年,由于碳化硅晶片供应紧张,下游器件巨头纷纷与CREE签订长期供货协议。为了满足市场需求,CREE投资10亿美金用来扩大SiC的产能,包括一座8寸晶圆厂。整个碳化硅产业格局来看,以美、欧、日为主,除了CREE之外,还有II-VI、DowCorning、Rohm等玩家。
 
  从碳化硅晶片成本来看,尺寸越大,生产效率越高,成本就越低,但同时品质控制难度越高。目前全球碳化硅市场为国外企业所垄断。国内厂商只在衬底、外延和器件方面占据少量的市场。其中,天科合达是国内最早实现碳化硅晶片产业化的企业,已经成功研制出6英寸碳化硅晶片。
 
  2018年5月,海瞻芯电子科技有限公司生产出第一片国产6英寸碳化硅(SiC)MOSFET晶圆。最近,华润微宣布其6英寸商用碳化硅(SiC)晶圆生产线正式量产。随着国内越来越多的国内厂商投入碳化硅项目,功率半导体产业将从材料到研发,从设计到生产,形成一条完全的本土产业链。
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