化合物半導(dǎo)體卡位“雙碳”需求 加速滲透功率電子市場

    雖然受到全球疫情反復(fù)等多種不利因素的影響，但化合物半導(dǎo)體在功率電子的滲透率在持續(xù)攀升，不斷在高壓汽車電驅(qū)系統(tǒng)、高壓快充樁、消費(fèi)電子適配器，數(shù)據(jù)中心、通訊基站電源、新型電力系統(tǒng)等領(lǐng)域拓展市場。

    碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈崛起

    在日前舉行的2022集邦咨詢第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會(huì)上，集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕介紹，在下游需求持續(xù)旺盛推動(dòng)下，碳化硅外延設(shè)備在近五年正在以超過20%的復(fù)合增長率在增長。其中，碳化硅襯底是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，目前業(yè)界致力于8英寸擴(kuò)徑，以進(jìn)一步降低成本。

    “4英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底的價(jià)格非常穩(wěn)定，主要應(yīng)用在一些低端器件二極管市場；6英寸片隨著技術(shù)不斷成熟以及產(chǎn)能擴(kuò)充，價(jià)格持續(xù)下降；8英寸片剛推向市場，良率比較低，而且制造成本過高，短期內(nèi)不具備性價(jià)比，但未來下降空間相當(dāng)大。”龔瑞驕預(yù)計(jì)，6英寸片將會(huì)長時(shí)間作為市場主流產(chǎn)品，8英寸片市場份額將在2026年達(dá)到約15%，而4英寸片則會(huì)慢慢淡出市場。

    作為全球碳化硅材料市場龍頭，Wolfspeed已經(jīng)在加速碳化硅器件的研發(fā)和生產(chǎn)。今年4月，Wolfspeed全球最大的首座8英寸SiC（碳化硅）工廠正式開業(yè)，該工廠預(yù)計(jì)2024年達(dá)產(chǎn)，屆時(shí)產(chǎn)能將達(dá)2017年的30倍。Wolfspeed已與多家器件廠商、車企簽訂了襯底、器件相關(guān)的長期供貨協(xié)議，SiC車用等業(yè)務(wù)規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大。

    中國正在大量布局碳化硅襯底產(chǎn)能，代表性廠商包括天科合達(dá)、天岳先進(jìn)、爍科晶體、同光半導(dǎo)體、盛新材料、三安光電、南砂晶圓、露笑科技、東尼電子等，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐漸向?qū)щ娦驼{(diào)整。7月22日，天岳先進(jìn)披露斬獲近14億元的6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底產(chǎn)品訂單。

    “受益于車用市場的繁榮，碳化硅市場已經(jīng)開始大規(guī)模放量，但目前整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還尚未完全成熟，代工廠的成長是非常的必要。”龔瑞驕表示，上汽、北汽、廣汽、吉利等車廠正在擲重金投向本土的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，泰科天潤、瀚薪、派恩杰等廠商正快速崛起。

    碳化硅配套產(chǎn)業(yè)鏈也在迅速發(fā)展。愛思強(qiáng)工藝經(jīng)理陳偉介紹，公司外延片設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)4/6/8英寸自由切換，目前愛思強(qiáng)也已經(jīng)向市場推出8英寸的SiC量產(chǎn)設(shè)備。據(jù)估算，公司2022年設(shè)備出貨量將達(dá)到2020年的兩倍。

    材料方面，賀利氏推出的新型材料系統(tǒng)可以結(jié)合銅鍵合線和燒結(jié)工藝，成功突破了現(xiàn)有封裝材料的極限，是SiC電力電子器件封裝互聯(lián)的創(chuàng)新解決方案，尤其是適用于電動(dòng)汽車高功率電力電子領(lǐng)域。

    智能高壓電網(wǎng)

    試水碳化硅方案

    根據(jù)TrendForce集邦咨詢最新報(bào)告《2022第三代半導(dǎo)體功率應(yīng)用市場報(bào)告》顯示，隨著越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)入SiC技術(shù)，預(yù)估2022年車用SiC功率元件市場規(guī)模將達(dá)到10.7億美元，到2026年將攀升至39.4億美元。

    除了車載應(yīng)用，碳化硅的替代方案開始在工業(yè)的UPS系統(tǒng)（不間斷電源）、軌道交通等領(lǐng)域推出，其中，日本的三菱和日立已經(jīng)走到行業(yè)的前沿，國內(nèi)中車時(shí)代電氣也有布局。

    基本半導(dǎo)體技術(shù)營銷副總監(jiān)劉誠介紹，公司從2018年開始布局汽車級碳化硅模塊研發(fā)和制造，現(xiàn)推出了Pcore6、Pcore2、Pcell三個(gè)系列產(chǎn)品，并獲得多個(gè)車型的定點(diǎn)。2021年通線的汽車級碳化硅功率模塊封裝產(chǎn)線已進(jìn)入量產(chǎn)階段，未來預(yù)計(jì)車用空調(diào)、新燃料汽車、新型儲(chǔ)能電源等都將有望增加對碳化硅的應(yīng)用。但受制于良品率、封裝材料等特性，智能高壓電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。

    廈門大學(xué)講座教授、國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長邱宇峰指出，各類電力電子設(shè)備將在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的各個(gè)層面發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。

    據(jù)介紹，傳統(tǒng)硅基器件固有的耐壓低、電流密度低、頻率低、開關(guān)速度低等弱點(diǎn)，導(dǎo)致裝置體積大、重量高、功率密度低，限制了電力電子裝備的應(yīng)用。相比，SiC器件的優(yōu)勢在于高壓（達(dá)數(shù)萬伏）、高溫（大于500℃），可突破硅器件在電壓（數(shù)kV）和溫度（小于200℃）等方面的局限性，是制備高電壓、大功率器件的新型戰(zhàn)略性材料，高壓大功率SiC器件將給電力系統(tǒng)帶來深刻變革。

    邱宇峰也指出，當(dāng)前碳化硅器件的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)探索階段，面向電網(wǎng)應(yīng)用的碳化硅器件還需要在大尺寸高質(zhì)量襯底外延材料、芯片電流密度、高壓絕緣封裝材料等方面進(jìn)一步開展研究。

    氮化鎵拓展

    數(shù)據(jù)中心市場

    目前氮化鎵材料被廣泛應(yīng)用在功率半導(dǎo)體、微波射頻元件以及光電元件。據(jù)集邦咨詢預(yù)估，2022年氮化鎵的功率元件市場規(guī)模將達(dá)到2.61億美元，并在2026年攀升至17.68億美元，復(fù)合增長率達(dá)到61%。

    “隨著氮化鎵技術(shù)不斷成熟和成本不斷降低，氮化鎵功率元件應(yīng)用市場正由當(dāng)前的消費(fèi)電子逐步延伸到數(shù)據(jù)中心、可再生能源以及汽車領(lǐng)域。”龔瑞驕指出，目前硅基氮化鎵市場絕大部分廠商的產(chǎn)品集中在600~650伏區(qū)間。碳化硅受益于800V高壓汽車平臺(tái)需求的推動(dòng)，上車時(shí)機(jī)已經(jīng)非常成熟，相比之下，氮化鎵還處于非常早期的階段，供應(yīng)鏈生態(tài)和產(chǎn)能、技術(shù)還并不成熟。

    從技術(shù)定位來看，目前碳化硅比較適用高壓組件，氮化鎵適合在混動(dòng)的OBC（車載充電機(jī)）、激光雷達(dá)BMS（電池管理系統(tǒng)）等，預(yù)計(jì)隨著氮化鎵的技術(shù)不斷成熟、成本降低，氮化鎵有望在汽車市場進(jìn)一步提升比重。

    氮化鎵廠商也在從快充向更多領(lǐng)域拓展市場。英諾賽科基于GaN開發(fā)了下一代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)用功率器件，產(chǎn)品耐壓值涵蓋40V、100V、150V、650V，面向數(shù)據(jù)中心通信基站、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)儲(chǔ)能、工業(yè)電源等不同的應(yīng)用場景。

    英諾賽科產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)鄒艷波介紹，公司的氮化鎵48伏數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)對比，可以將功率提高4倍。目前公司珠?；氐壘A產(chǎn)能達(dá)到4000片/月，蘇州基地去年6月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，達(dá)到6000片/月，合計(jì)供應(yīng)超過全球50%以上氮化鎵產(chǎn)能。

    英諾賽科首席營銷官馮雷接受證券時(shí)報(bào)記者采訪時(shí)指出，英諾賽科是全球首家8英寸硅基氮化鎵IDM公司，目前隨著新產(chǎn)品的面世，來自充電器市場收入占比在逐漸降低。氮化鎵產(chǎn)能基本可以滿足今年和明年的需求，預(yù)計(jì)2024年后，氮化鎵市場需求將開始指數(shù)級的增長，主要將來自數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。

    “氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體的成功代表，在數(shù)據(jù)中心電源中體現(xiàn)出效率更高、體積小、功率密度更大的優(yōu)勢，各個(gè)主要數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器供應(yīng)商都是明確將氮化鎵作為大功率電源的方向，這個(gè)技術(shù)路徑基本上是不可能走回頭路的。”馮雷表示，目前氮化鎵功率器件成本也在下降，與硅基差異從5倍、6倍已經(jīng)降到2倍甚至1.5倍非常接近的水平，但相比器件本身的成本，市場更重視氮化鎵帶來的系統(tǒng)級的成本降低和收益提高，為推廣應(yīng)用提供可能。

    8月9日，美國總統(tǒng)拜登在華盛頓簽署《2022年芯片和科學(xué)法案》；另外，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）最新規(guī)定，從8月15日開始，升級超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石超寬禁帶半導(dǎo)體襯底的出口限制。

    對于美國芯片方案，馮雷向記者表示，“半導(dǎo)體是一個(gè)全球化的產(chǎn)業(yè)，逆全球化的行為不應(yīng)該被鼓勵(lì)；另一方面，說明一個(gè)國家擁有自主的半導(dǎo)體制造能力十分重要，相信這也讓更多的客戶和業(yè)界同仁同意我們走IDM模式是完全正確的。”