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SiC、GaN未来五年内的市场应用趋势如何?

SiC、GaN未来五年内的市场应用趋势如何?

在终端需求大幅增加的情况下,IGBT、MOSFET、SiC、GaN器件的市场机遇有多少?在本期《国际电子商情》中,分析师与功率半导体行业从业者共同探讨了全球功率器件的供应情况和市场趋势。

据IHS Markit预测,2021年全球功率半导体市场规模将达441亿美元,年化增速为4.1%。其中,中国市场预计约159亿美元,占全球市场的36.1%。功率半导体在超高压输电、大数据中心、工业互联网、城际高铁以及新能源汽车和充电桩等行业被采用。RFtesmc

在终端需求大幅增加的情况下,IGBT、MOSFET、SiC、GaN器件的市场机遇有多少?在本期《国际电子商情》中,分析师与功率半导体行业从业者共同探讨了全球功率器件的供应情况和市场趋势。RFtesmc

IGBT、MOSFET仍是主流功率半导体

IC Insights曾在报告中指出,在各类功率半导体器件中,其短期内最看好MOSFET与IGBT模组。实际上,业界一直对“未来不同功率半导体器件之间会出现‘有你无我’,还是‘互补共生’的竞争格局”持有不同的意见。RFtesmc

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英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖RFtesmc

对此,英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖表示,硅基功率半导体的代表——IGBT技术,在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约,降低损耗和提升效率的空间越来越小,于是业界开始希望SiC能够成为颠覆性的技术。RFtesmc

但这样的看法不是很全面,他以英飞凌硅基IGBT为例介绍说,伴随着封装技术的进步,IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时,针对不同的应用而开发的产品,可以做一些特别的优化处理,提高硅器件在系统中的表现,进而提升系统性能和性价比。所以,第三代半导体的发展进程必然与硅器件相伴而行。“除了技术发展之外,还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量,期望第三代半导体器件能在所有应用场景中快速替代硅器件是不现实的。”RFtesmc

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安森美AC-DC应用总监Ajay HariRFtesmc

安森美AC-DC应用总监Ajay Hari的观点是:长远来看,SiC将战胜IGBT。当然,在某些价格敏感型应用中,IGBT会被优先考虑。未来3-5年内,随着SiC变得更有竞争力,它将抢占原先被IGBT占有的领域。“以电压为参考标准,当电压为650 V时,SiC的性能会胜过GaN和SJ MOSFET。不过,与SiC和SJ MOSFET相比,GaN则是一种频率更高的材料,因此,GaN更适用于消费及物联网应用,比如USB PD(供电)和游戏等产品中。而650 V的SJ FET,则将被归入更低利润的应用;100V及以下的GaN和硅场效应管,将在中压应用中长期并存。”他说。RFtesmc

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东芝电子元件(上海)有限公司半导体技术统括部/技术企划部高级经理黄文源RFtesmc

与硅(Si)相比,碳化硅(SiC)是一种介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高的半导体材料。SiC器件在用于半导体器件中时,可提供高耐压、高速开关和低导通电阻。东芝电子元件(上海)有限公司半导体技术统括部/技术企划部高级经理黄文源认为,SiC被视为功率器件的新一代材料,有助于降低能耗和缩小系统尺寸的器件的出现。RFtesmc

但碳化硅产业上下游供应商和各器件厂家仍待完善,这一过程将会持续相当长的时间。在这期间,Si和SiC器件将会互补共存,一部分对开关频率、耐压、功率损耗有较高要求,且成本相对宽松的产品,将会优先采用SiC器件,其他产品则会继续采用Si器件。RFtesmc

德州仪器(TI)车用氮化镓高压电源部门产品营销工程师Alex Zahabizadeh表示,“互补共生”是描述功率半导体器件未来竞争特点的一个很好的词,在汽车市场上可以找到一次侧(变压器或互感器的输入端侧)使用氮化镓(GaN)和二次侧(变压器或互感器的输出端侧)使用IGBTs的高压至低压DC/DC转换器。“GaN的优势可在需要更高效率和更小尺寸的设计中得到最大程度的发挥。随着电动汽车的发展,我们将GaN视为车载充电器和DC/DC转换器的理想解决方案。”RFtesmc

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图1 电力技术定标 图片来源:TIRFtesmc

“在600V-1700V电压应用领域中,与Si MOSFET和IGBT相比,SiC MOSFET具有更大的性能优势。随着半导体公司不断新建SiC制造产线,SiC功率器件的价格会持续下降,但Si技术也会更加成熟,SiC器件与Si器件会长期存在价格差。当然,市场对SiC MOSFET的高需求将促使用户接受这种价格差。”Cissoid首席技术官Pierre Delatte称,通过系统级的性能和成本收益,来证明向SiC器件的过渡是合理的。“传导和开关损耗的降低、卓越的热性能,将促使SiC技术逐渐替代Si技术,SiC将在电池效率和重量/体积至关重要的应用中发挥作用。”RFtesmc

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Cissoid首席技术官Pierre DelatteRFtesmc

当前SiC衬底晶片的成本是同尺寸Si衬底晶片成本的的4至5倍,预计未来3至5年内,SiC衬底晶片的价格会逐渐降到Si的2倍左右。在这个过程中,短期内SiC器件产能和供货吃紧可能在所难免。在《国际电子商情》分析师看来,无论是SiC还是GaN,虽然在很多应用场景中,它们拥有更优越的性能,但是在大规模商用化路径上,它们还面临一些制约因素的困扰。RFtesmc

制约第三代半导体商用的瓶颈

随着硅基器件趋近成本效益临界点,主流功率半导体器件厂商纷纷围绕第三代半导体材料进行探索。市面上也出现一种声音称,第三代半导体将全面取代硅器件,不过这种情况在短期内不会出现。RFtesmc

功率器件厂商英飞凌近三十年来一直在SiC上发力:1992年,开始研发SiC功率器件;1998年,建立2英寸的生产线;2001年,推出第一个SiC产品;2006年,发布采用MPS技术的二极管;2013年,率先采用第五代薄晶圆技术;2014-2017年,先后发布SiC JFET、第五代1200V二极管、6英寸技术和SiC 沟槽栅 MOSFET。RFtesmc

从英飞凌SiC器件的发展史,可以看出SiC技术的发展历程和趋势。陈子颖说:“我们深知平面栅的可靠性问题,在沟槽栅没有开发完成之前,通过SiC JFET这一过渡产品,帮助客户快速进入SiC应用领域。从技术发展趋势来看,SiC MOSFET比IGBT更迫切地需要转向沟槽栅,除了功率密度方面的考量之外,更注重可靠性问题。”RFtesmc

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英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛RFtesmc

“进入到21世纪的第三个十年,第三代半导体产业格局已经发生了巨大的变化——SiC产业正在加速垂直整合,而GaN产业形成了IDM以及设计公司和晶圆代工厂合作并存的模式。”英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛说,“当然,第三代半导体的产业发展时间相对较短,在标准化、成熟度等方面还有很长的路要走,尤其是在品质与长期可靠性方面,还有大量的研究和验证工作要做。”RFtesmc

为了不错过每一个技术落地的可能性,有实力的企业往往会走多种技术并驾齐驱的道路。英飞凌、安森美、东芝等企业拥有Si、GaN、SiC三种主要的功率技术,它们可以完全做到以客户需求为导向。对这类公司而言,在不同阶段平衡对不同功率器件的投入,是一个非常重要的工作。RFtesmc

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英飞凌科技汽车电子事业部大中华区高级总监、动力与新能源系统业务单元负责人仲小龙RFtesmc

英飞凌科技汽车电子事业部大中华区高级总监、动力与新能源系统业务单元负责人仲小龙表示,除了享誉新能源汽车市场的IGBT产品之外,英飞凌还在第三代功率半导体领域科学布局、积极扩充产品线,客户能根据需求选择最适合的器件,打造自己的系统。RFtesmc

程文涛补充说,在业界追求更高能效、节能减排的道路上,如果要继续以现有的速度发展,SiC和GaN等宽禁带材料是最有希望接力硅器件的革新技术。近年来,英飞凌宽禁带技术研发生产方面加大了投入力度,预计接下来几年内,将会加速推出更多的宽禁带新品。RFtesmc

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安森美电源方案部应用工程主任工程师Jon HarperRFtesmc

今年8月25日,安森美宣布将以4.15亿美元现金收购SiC生产商GT Advanced Technologies(GTAT)。安森美电源方案部应用工程主任工程师Jon Harper介绍说,这笔交易是为了支持客户对SiC器件的需求。预计到2028年,电动车销量将占到汽车销量的50%,SiC是电动汽车非常重要的材料之一。为了确保市场上有足够多的SiC产能,安森美将加速对SiC产品的开发。他还补充说,SiC和GaN是互补的技术,安森美对它们持乐观态度。SiC适用于650 V、900 V和1200 V的大电流应用,GaN适合于650 V以下的高开关频率应用。RFtesmc

东芝的SiC功率器件主要用于列车逆变器,该器件未来有望应用在光伏发电系统和电源管理系统中。不过,SiC器件的寿命和市场增长,一直受产品可靠性问题的阻碍。黄文源解释说,“当电流流过功率MOSFET源极和漏极之间的PN二极管时,会放大其晶体缺陷、增加导通电阻,并降低器件的可靠性。为此,东芝开发了一种新型的器件结构,即肖特基势垒二极管(SBD)内嵌式 MOSFET。通过在MOSFET中放置一个与PN二极管并联的SBD,以防止PN结二极管运行,保证更低的通态电压,可抑制导通电阻的变化。”RFtesmc

GaN功率器件是实现系统高效化、小型化的候选器件,主要用于智能手机和电脑的快速充电器上,未来有望应用在工业设备和服务器的电源中。用于功率变换的GaN晶体管,可分为共源共栅和p-GaN栅极两种类型,后者使用p-GaN栅极使GaN HEMT保持常关状态。东芝的新型GaN共源共栅器件比p-GaN栅极常关型HEMT器件具有更高的阈值电压,不易受噪声的影响,也无需特定的驱动器IC。RFtesmc

Alex的观点聚焦于GaN的商用瓶颈上,制约GaN大规模商用的瓶颈包含设计经验、开发和学习时间以及不断变化的市场需求。“许多工程师只在新闻报道或新品宣传中听说过GaN,但缺乏使用它进行设计的经验。TI提供了许多评估套件来测试GaN的性能,以帮助客户首次开始应用GaN的产品进行设计。”RFtesmc

Pierre则认为,产能是限制SiC商用的瓶颈,如今SiC器件的交期普遍超过6个月。虽然随着新工厂的增加,供应紧张的情况会有所改善。但与此同时,需求将会蓬勃发展,尤其是电动汽车行业的需求。在价格与需求实现平衡匹配之前,仍可预期市场会有好几年的动荡。RFtesmc

SiC和GaN商用的另一个障碍是“设计新电源转换器的学习曲线”。这些新的快速开关晶体管,给电源模块的设计、关键元件都带来了新挑战。Cissoid推出了三相SiC智能电源模块(IPM)平台,凭借电源模块和栅极驱动器的协同设计,调整dV/dt和控制快速开关固有的电压过冲,针对最低开关能量进行优化。RFtesmc

SiC技术赶在了GaN前面吗?

以中国市场为例,中国已实现4英寸SiC衬底量产,完成了6英寸SiC衬底的研发。但GaN的制备技术有待提升,目前仅可小批量生产2英寸GaN衬底,具备4英寸GaN衬底的生产能力。在一些受访者们看来,由于两者适用于不同的应用场景,不能拿竞争关系来看待它们,但另一些受访者赞同SiC的商用程度已经超过了GaN。RFtesmc

黄文源表示,虽然SiC和GaN都有耐压高、导通电阻小、寄生参数小等优势,但它们也存在着不同的特性。比如GaN的寄生参数极小、开关速度极高,适合高频应用。而SiC MOSFET的易驱动特性,使其适用于高性能开关电源,能提升开关电源的效率、功率密度等。从市场应用状况来看,GaN和SiC都有具体的应用在推进,而SiC技术似乎略微领先。可以肯定的是GaN和SiC都是不可或缺的好技术,但可能在应用领域上会有些许差异。应用系统需要较高频率的场合可能GaN更好,较高工作环境温度的场合使用SiC比较合适。RFtesmc

“GaN和SiC都在逐步向6英寸和8英寸晶圆发展,以帮助降低成本和提高产能,很难去判定两种技术中哪种技术更领先。”Alex补充说:“我们既可提供为SiC场效应设计的栅极驱动器,也在持续推进硅基GaN的设计并将具有竞争力的产品推向市场。”据了解,TI通过自有工厂在硅基GaN衬底上生产GaN器件,这帮助该公司能够复用现有的硅工具,且更具供应链优势。RFtesmc

去年10月,TI推出了面向汽车和工业应用的下一代650V和600V GaN FET。针对车规级第三代半导体器件,其他一众厂商更多地选择使用SiC,而TI却在汽车上推出GaN器件。TI推出的LMG3522R030-Q1是第一款具有集成驱动器的车规级GaN器件,与现有的Si和SiC解决方案相比,GaN器件的设计提供了更好的开关性能指标、更有效且体积更小。Alex相信,未来的电动汽车将同时利用GaN和SiC技术——GaN主要用于交流/直流车载充电器和高压直流/直流转换器,SiC则主要用于汽车牵引逆变器和压缩机。RFtesmc

尤其是在600V-1700V应用电压和高电流方面,SiC技术比GaN更成熟。Pierre说:“Cissoid提供的SiC栅极驱动器和SiC智能电源模块,主要用于600V-1700V范围内的电压和高达600A的电流。在2013年Cissoid还推出过一款SiC功率MOSFET封装,该产品可在225℃下运行。不过,GaN技术在这方面还尚未成熟,因为GaN晶体管的开关速度极快,这使得大型功率模块及其栅极驱动器的设计更复杂,目前仍无法适用于该功率范围的器件量产产品。我们正在利用从SiC 获得的经验,为先进的GaN功率模块和栅极驱动器准备新的解决方案。”RFtesmc

如果仅看细分市场的商用产量,可以看到GaN在消费类快充市场已经起量。参考中信证券的市场分析数据, 2025年GaN快充市场将上升至638亿元,2021-2025年内的CAGR高达94%。此外,新冠疫情爆发过后,全球5G基站建设需求加速回补,刺激射频GaN和电源GaN的应用普及。随着消费电子和5G基建的带动,GaN产品的成本下降,应用场景将进一步扩大到新能源汽车、激光雷达、数据中心等领域。RFtesmc

此外,SiC在汽车电子领域也得到了较好的应用。据HIS Markit的预测,预计到2027年SiC功率器件的市场规模将超过100亿美元,2018至2027年期间的年复合增长率近40%。其中,新能源汽车市场是最主要的驱动力。RFtesmc

功率半导体未来五年内的趋势

据渠道链方面爆料,由于功率半导体主要依赖于8英寸晶圆制造产能,再加上电动汽车出货的持续增长,对于功率半导体器件的需求激增,导致出现了明显的缺货、涨价。RFtesmc

英飞凌受访人表示,当前的需求继续保持极高的水平,并大大超过了供给,预期短缺状况将持续到2022年。作为结构性驱动因素,能源转型和数字化正在继续产生不间断的强劲需求。和以前一样,全球供应链仍然处于紧张状态。同时,半导体库存处于历史低位,许多应用和大多数终端市场都遇到了交付瓶颈。全球新冠疫情尚未被克服,并将继续成为一个不确定因素。RFtesmc

程文涛称,从功率器件需求来看,未来增长强劲的领域包括:新能源汽车及其配套产业、大数据(数据中心)、通信基础设施、光伏发电、智能电网、工业设备、智能家居等。英飞凌凭借规模效应,加之多年的技术积累和持续投入,将会继续引领功率半导体的技术发展方向。RFtesmc

今年8月初,安森美高调宣布改名。Ajay说:“我们确定了‘智能电源’和‘智能感知’方面的增长领域。‘电源’和‘感知’是一个成功的组合,它们共同推动了工业和汽车市场的大规模颠覆。气候和可持续性是电气化和电源能效的主要需求驱动力,高能效的电力生产、分配和消费将是未来的关键。”RFtesmc

Jon援引国际能源署(IEA)的预测表态说,电动汽车的强劲增长是推动半导体市场的因素,太阳能逆变器和能源储存也在持续增长,而这是在互联设备、数据中心、工业自动化和自动驾驶汽车的需求之外的。在这个强劲的增长期,重要的是把半导体市场,甚至是电子元件市场作为一个整体来考虑,一个领域的短缺将减少其他领域的需求。预计SiC和GaN市场将出现强劲,但有高波动性的增长。RFtesmc

安森美的受访人还预测了未来功率半导体器件的趋势。“电动汽车及其车载充电器和其他车载电源系统,将成为功率半导体的广泛用户;由储存在储能系统中的太阳能和风能支持的电动汽车充电基础设施将由电动汽车的强劲增长所推动;机器学习、云计算和在线服务需求带来的数据中心增长,将推动这些数据中心使用更可靠的不间断电源(UPS)和基于GaN的电源分配的电源板。”RFtesmc

Cissoid的Pierre说,当今电力电子元件的交期通常超过6个月,而某些元件的交期甚至可接近1年。随着燃油汽车向电动汽车的过渡,据Strategy Analytics的统计数据,早在2019年纯电动汽车中的功率器件含量已经达到了55%。当然,向SiC和 GaN技术的过渡也将继续,甚至加速。对更高功率密度器件的需求,将推动功率器件能够承受更高的结温,且封装技术在高温下更加可靠。这也会影响电源转换器中使用的所有组件,包括栅极驱动器、直流总线电容器、传感器等。RFtesmc

TI相信,在未来的10到20年里,GaN将会得到更广泛的应用。Alex说:“如今,使用GaN的服务器、计算机和工业电源已投入使用,5年后它将取得更广泛的商业应用。而GaN在机器人和电机驱动器等其他工业市场,也会在同期被更广泛地投入商业市场之中,比如用于车载充电器和高压直流转换器中。”RFtesmc

本文为《国际电子商情》2021年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里RFtesmc

原创
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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