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谁是功率器件下一个潜力市场?

如今,5G、人工智能、互联网、大数据、云计算等新技术大量涌现,急需新的应用市场来承载。

紧随全球经济运行轨迹,半导体产业保持着“震荡向上”的发展走势。2016-2018年,全球半导体实现了20%以上的空前增长。如今,5G、人工智能、互联网、大数据、云计算等新技术大量涌现,急需新的应用市场来承载。而智能汽车,绝对是承载这些新技术的关键应用之一。

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华虹宏力战略、市场与发展部科长李健

4月11日,在“第八届年度中国电子ICT媒体论坛暨2019产业和技术展望研讨会”上,华虹宏力战略、市场与发展部科长李健分享了电动汽车的历史“芯”机遇。

新能源汽车放量 功率器件迎“第二春”

“自2017年开始,智能手机已显疲态,半导体产业急需新的市场应用拉动业绩上扬,而能够担任多技术融合载体重任的当属智能汽车。”李健分析称,汽车“电子化”大势所趋,从汽车成本结构来看,未来芯片成本有望占汽车总成本的50%以上,这将给半导体带来巨大的市场需求。

当传统的汽车制造业遇到当今的半导体,就像千里马插上翅膀,会变成下一个引领浪潮的“才子”。李健表示,半导体为智慧汽车带来冷静的头脑,如自动驾驶处理器、ADAS芯片等,同时也带来更强壮的肌肉,让千里马跑得更快,即大量的功率器件,如MOSFET。

据了解,2020年,国内新能源车的销售目标为200万台(全球为700万台)。有别于传统汽车,新能源车配有电机、电池、车载充电机、电机逆变器和空调压缩机等,这都需要大量的功率器件芯片。“电动化”除了车辆本身的变化之外,还给后装零部件带来新需求,同时配套用电设施,如充电桩,也带来大量的功率器件需求。

电动汽车中功率芯片的用途非常广泛,如启停系统、DC/DC变压器、DC/AC主逆变器+DC/DC升压,包括发电机、车载充电机等,都要用到功率器件。李健介绍说,以时下炙手可热的IGBT来说,电动汽车前后双电机各需要18颗IGBT,车载充电机需要4颗,电动空调8颗,一台电动车总共需要48颗IGBT芯片。

“如果2020年国内电动汽车销量达到200万台,后装维修零配件市场按1:1配套计的话,国内市场大约需要10万片/月、8英寸车规级IGBT晶圆产能(按120颗IGBT芯片/枚折算)。基于国内电动车市场占全球市场的1/3,2020年全球汽车市场可能需要30万片/月、8英寸IGBT晶圆产能!除了汽车市场,IGBT在其它应用也需求旺盛,业界预估还需要新建十座IGBT晶圆厂。” 李健表示。

站稳特色工艺脚跟 施行“8+12”战略布局

功率器件一直是华虹宏力的核心业务,主要聚焦在以下4个方面:

  • 一是Trench MOS/SGT,即低压段200伏以下的应用,如汽车辅助系统应用12V/24V/48V等;
  • 二是超级结MOSFET工艺(DT-SJ),涵盖300V到800V,应用于汽车动力电池电压转12V低电压及直流充电桩功率模块;
  • 三是作为电动汽车核心的IGBT,主要是在600V到3300V甚至6500V高压上的应用,如汽车主逆变、车载充电机等;
  • 四是GaN/SiC新材料,未来五到十年,SiC类功率器件会成为汽车市场的主力,主要用于主逆变器和大功率直流快充的充电桩上。

首先来看MOSFET,截至2018年第4季度,华虹宏力8英寸MOSFET晶圆出货已超过700万片。据介绍,在对可靠性要求极为严格的汽车领域,华虹宏力的MOSFET产品已通过车规认证,并配合客户完成了相对核心关键部件如汽车油泵、转向助力系统等的应用。

相比基础的硅基MOSFET,超级结MOSFET(DT-SJ)则是华虹宏力功率器件工艺的中流砥柱。超级结MOSFET最显著特征为P柱结构,华虹宏力采用拥有自主知识产权的深沟槽型P柱,可大幅降低导通电阻,且可大幅降低生产成本和加工周期。超级结MOSFET适用于500V到900V电压段,它的电阻更小,效率更高,散热相对低,所以在要求严苛的开关电源里有大量的应用。

其次是硅基IGBT芯片,其在华虹宏力的定位是功率器件的未来。李健认为,硅基IGBT在电动汽车里是核“芯”中的核心,非常考验晶圆制造的能力和经验。目前,基本上车用IGBT是在600V到1200V电压范围。从器件结构来看,IGBT芯片正面类似普通的MOSFET,难点和性能优势在于背面加工工艺。

 “IGBT晶圆的背面加工需要很多特殊的工艺制程。以最简单的薄片工艺来说,8英寸晶圆厚700多微米,减薄后需要达到60微米甚至更薄,不采用特殊设备会弯曲而无法进行后续加工。华虹宏力拥有背面薄片、背面高能离子注入、背面激光退火以及背面金属化等一整套完整的FS IGBT背面加工处理能力,使得客户产品能够比肩业界主流的国际IDM产品。” 李健表示。

华虹宏力IGBT相关工艺的量产状态为,早期以1200V LPT、1700V NPT/FS为主;目前集中在场截止型工艺上,以600伏和1200伏电压段为主;未来方向的3300V到6500V高压段工艺的技术开发已经完成,正与客户在做具体的产品验证。

除此,宽禁带材料如GaN和SiC的发展备受业界关注。李健介绍说,宽禁带材料优势非常明显,未来10到15年,宽禁带材料的市场空间非常巨大,但目前可靠性还有待进一步观察。

从市场应用需求来讲,SiC的市场应用和硅基IGBT完全重合,应用场景明确,GaN则瞄准新兴领域,如无线充电和无人驾驶LiDAR,应用场景存在一定的变数。从技术成熟度来讲,SiC二级管技术已成熟,MOS管也已小批量供货。而SiC基GaN虽然相对成熟,但成本高,Si基GaN则仍不成熟。从性价比来讲,SiC比较明确,未来大量量产后有望快速拉低成本。而GaN的则有待观察,如果新型应用不能如期上量,成本下降会比较缓慢。

目前,华虹宏力正通过技术研发,将特色工艺从8英寸逐步推进到12英寸,技术节点也进一步推进到90纳米以下(如65/55纳米),以便给客户提供更大的产能和先进工艺支持。李健表示,公司坚持走特色工艺之路,坚持“8+12”的战略布局。过去,华虹宏力实现了连续超过32个季度盈利的成绩,华虹宏力将通过12英寸先进技术,延伸8英寸特色工艺优势,提高技术壁垒,拉开与竞争者的差距。  

原创
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王琼芳
国际电子商情主分析师。
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