全球功率器件競爭白熱化

鈦媒體 App 2021-08-30 19:32 搶發(fā)第一評

圖片來源@視覺中國

文丨半導(dǎo)體行業(yè)觀察

從傳統(tǒng)Si功率器件IGBT、MOSFET，到以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體，再到更新一代的半導(dǎo)體材料氧化鎵，企業(yè)融資并購、廠商增資擴產(chǎn)、新玩家跑步入場、新項目不斷涌現(xiàn)，整個功率半導(dǎo)體市場全都沸騰起來了。

押注傳統(tǒng)Si功率器件

如今傳統(tǒng)的Si功率器件包括IGBT和MOSFET，仍舊是市場應(yīng)用最大的部分。IGBT是眾多電力電子應(yīng)用的關(guān)鍵，而硅 MOSFET 是非常廣泛的中低功率應(yīng)用中的關(guān)鍵組件。

2020年，IGBT最大的細分市場是工業(yè)應(yīng)用和家用電器，緊隨其后的是 EV/HEV，除了 EV/HEV之外，分立式 IGBT 和 IGBT 功率模塊還可以在工業(yè)電機驅(qū)動器、風(fēng)力渦輪機、光伏裝置、火車、UPS、EV充電基礎(chǔ)設(shè)施和家用電器等應(yīng)用中找到。

Yole預(yù)計，2020年至2026年間IGBT將增長7.5%，到2026 年，其市場規(guī)模將達到84億美元。而且2026年IGBT 模塊細分市場將占總市場的81%。這主要是受到EV/HEV的推動，2020年IGBT在EV/HEV的市場規(guī)模為5.09億美元，而在2020年至2026年間，IGBT將以驚人的23%的復(fù)合年增長率增長。

Yole 電子電源系統(tǒng)技術(shù)與市場分析師 Abdoulaye Ly解釋說：“充電基礎(chǔ)設(shè)施也受到政府決策的影響，因為充電器的部署對于擴大電動汽車的普及至關(guān)重要。雖然充電基礎(chǔ)設(shè)施對IGBT來說仍然是一個小市場，但預(yù)計未來五年將增長300%以上?！?/p>

2020-2026年IGBT不同應(yīng)用市場的發(fā)展預(yù)測。（圖源：Yole）

在IGBT領(lǐng)域，歐美日的玩家長期占據(jù)主要地位，但這幾年國內(nèi)也不乏有優(yōu)秀的IGBT玩家在開發(fā)、生產(chǎn)和產(chǎn)能方面都在快速追趕。不過國內(nèi)面臨的競爭依然很大，在系統(tǒng)層面，因為國外的大廠正在瞄準最大的IGBT市場，制造商們都開始提供600V - 1200V組件，并提供新的產(chǎn)品系列(從800到1000v)。包括三菱電機、東芝、Onsemi在內(nèi)的電子制造商正在尋求與競爭對手的區(qū)別，他們提供具有“中間”標稱電壓等級的IGBT設(shè)備，如1300伏、1350v、2000伏……Yole預(yù)計，到2026年，超過80%的市場將專注于 600V-1,200V 標稱電壓范圍。

2020年IGBT前十五名廠商情況（圖源：Yole）

全球主要的頭部IGBT玩家已經(jīng)開發(fā)了幾代IGBT器件，并且處于IGBT技術(shù)的前沿，例如場阻、柵極溝槽和薄晶片。中車和富士電氣正在開發(fā)6.5kV以上的超高電壓IGBT，作為軌道和電網(wǎng)中晶閘管的替代品。像super junction IGBT這樣新的 IGBT結(jié)構(gòu)已經(jīng)被ABB或英飛凌這樣的公司追求了好幾年，但是仍然沒有商業(yè)化生產(chǎn)。

2021-2030年Yole預(yù)計的IGBT技術(shù)路線圖（圖源：Yole）

雖然在IGBT裸片上還有許多未被挖掘的潛力，但為了降低成本和更好地響應(yīng)給定應(yīng)用程序的特定需求，現(xiàn)在許多開發(fā)工作都開始集中在用于分立器件和模塊的IGBT器件封裝上。特別是大功率IGBT模塊，越來越多地使用創(chuàng)新的封裝解決方案，如銅線鍵合、增強陶瓷基片和銀燒結(jié)模具連接。模塊熱管理設(shè)計越來越多地針對特定的逆變器設(shè)計和功率優(yōu)化，尤其是在集成系統(tǒng)中。電動汽車中不同系統(tǒng)進一步集成的趨勢，也導(dǎo)致了供應(yīng)鏈上的集成趨勢，而且汽車制造商對增加系統(tǒng)和動力模塊設(shè)計和制造的集成越來越感興趣。

在Si功率MOSFET上，2020年，硅MOSFET的市場價值75億美元。Yole預(yù)計2020年至2026年MOSFET的復(fù)合年增長率為 3.8%，到 2026 年，MOSFET 市場規(guī)模將達到 94億美元，其中大部分收入來自消費者和汽車市場。

2020-2026年Si MOSFET不同應(yīng)用市場的發(fā)展預(yù)測。（圖源：Yole）

雖然MOSFET市場也是由歐美日等大廠把控，但是MOSFET器件是成熟的硅器件，可靠性高。它們以高產(chǎn)量大批量生產(chǎn)。過去幾年，中國制造商在技術(shù)上取得了進步。吉林華微、士蘭微電子或華潤微電子等公司的產(chǎn)品組合中有相當(dāng)多的 MOSFET 產(chǎn)品?，F(xiàn)在一些中國公司可以實現(xiàn)與主要MOSFET廠商類似的競品。中國廠商正在蠶食MOSFET的市場。

2020年Si MOSFET前十名廠商情況（圖源：Yole）

在Si功率器件產(chǎn)線上，如今廠商們紛紛在向300mm產(chǎn)線上過渡，因為300mm晶圓制造可以實現(xiàn)更高的器件產(chǎn)能。而在功率器件300mm線的引進上，英飛凌走在了前列。2021年3月，日本東芝也首次引入300mm產(chǎn)線，用來生產(chǎn)IGBT和MOSFET，該產(chǎn)線投資額預(yù)計約為250億日元，計劃在2023年度展開生產(chǎn)，這兩種功率器件的產(chǎn)能將比當(dāng)前水平提高約 1.2 倍。

國內(nèi)方面，早在2020年7月，華虹宏力已開始利用其在無錫的300mm晶圓廠開發(fā)智能IGBT功率器件。2021年5月11日，士蘭微發(fā)布公告，擬建“新增年產(chǎn)24萬片12英寸高壓集成電路和功率器件芯片技術(shù)提升及擴產(chǎn)項目”，總投資為20億元。2021年6月7日，華潤微牽手國家大基金二期設(shè)立潤西微電子（重慶）有限公司（暫定名）（簡稱 “項目公司”），注冊資本擬為50億元人民幣，由項目公司投資建設(shè)12英寸功率半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)線項目。2021年7月，粵芯也獲得了國投創(chuàng)業(yè)的投資，用于建設(shè)12英寸晶圓產(chǎn)線建設(shè)。今年1月份，聞泰科技宣布擴建位于上海臨港的12英寸晶圓廠，將于2022年7月投產(chǎn)，產(chǎn)能預(yù)計將達到每年40萬片。而下半年，聞泰科技收購英國最大的化合物代工廠NWF也引起了業(yè)界廣泛關(guān)注，不過NWF主要生產(chǎn)8英寸車規(guī)級晶圓。

加快發(fā)展第三代半導(dǎo)體SiC和GaN

這一年關(guān)于SiC擴產(chǎn)的消息此起彼伏，SiC的競爭已經(jīng)白熱化。廠商們無不摩拳擦掌，為SiC的來臨做準備。

8月26日，據(jù)日經(jīng)報道，日本富士電機將額外投資 400 億日元（3.65 億美元），以擴大功率半導(dǎo)體的生產(chǎn)，400億中大約 250 億日元的額外資金將用于在該公司的馬來西亞工廠開始生產(chǎn) 8 英寸硅片，這將比之前在那里生產(chǎn)的 6 英寸硅片的制造效率更高。富士電機計劃在2023財年左右開始在馬來西亞生產(chǎn)功率半導(dǎo)體，使用上個月硬盤媒體生產(chǎn)停止后騰出的潔凈室和其他設(shè)施。剩余的 150 億日元將用于其他地方的擴張，包括公司在日本的松本工廠。400億日元是富士電機在2022財年之前的四年中指定的1200 億日元的基礎(chǔ)上，從 2023 財年的原始時間框架上調(diào)，以滿足意外的強勁需求。富士電機預(yù)計，包括電力半導(dǎo)體在內(nèi)的半導(dǎo)體領(lǐng)域的銷售額將從2018財年增長53%，在其五年計劃的最后一年2023財年達到2100億日元。

也是在近日，韓國半導(dǎo)體晶圓制造商SK Siltron宣布計劃將在Bay County工廠投資 3 億美元，SK Siltron CSS 生產(chǎn)由碳化硅制成的特種晶圓，可用于電動汽車的半導(dǎo)體功率組件。2019 年收購了密歇根州的碳化硅晶圓業(yè)務(wù)，并將 SK Siltron CSS 設(shè)立為美國子公司。

8月24日消息，昭和電工籌措了約1,100億日元資金，拿出約700億日元將用于擴增SiC晶圓等半導(dǎo)體材料產(chǎn)能。細項來看，昭和電工計劃投資58億日元增產(chǎn)使用于功率半導(dǎo)體的SiC晶圓以及鋰離子電池材料、增產(chǎn)工程預(yù)計于2023年12月完工；投資59億日元增產(chǎn)電子材料用高純度氣體、預(yù)計2023年12月完工；投資232億日元提高研磨液(CMP Slurry)產(chǎn)能及改善質(zhì)量、預(yù)估2023年12月完工；投資248億日元增產(chǎn)使用于印刷電路板(PCB)的銅箔基板(CCL、Copper Clad Laminate)、感光性薄膜，預(yù)計2024年3月完工。

8月6日，富士康旗下的鴻海以25.2億元收購?fù)晡挥谥窨频?英寸晶圓廠，后續(xù)還要斥資數(shù)十億元添購新設(shè)備，鎖定當(dāng)紅的第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）元件。據(jù)悉，這座晶圓廠以研發(fā)為主，小量生產(chǎn)SiC元件所需晶圓，未來也將制造SiC模組。

7月29日，意法半導(dǎo)體成功制造 200mm 碳化硅晶圓，此舉也預(yù)示著SiC晶圓進入了8英寸時代，由于200mm晶圓的集成電路可制造面積大約是150mm晶圓的兩倍，因此公司每片晶圓可取芯片數(shù)量為1.8至1.9倍，可提高成本效益。可想而知，SiC的晶圓將更加激烈。

在SiC的布局上，Cree可謂是最早、手筆最大的廠商，Cree于2019年開始建設(shè)的位于紐約州馬西鎮(zhèn)（Marcy）的碳化硅晶圓廠有望在2022年初投產(chǎn)，這被稱作是“世界上最大”的碳化硅晶圓廠，聚焦車規(guī)級產(chǎn)品，是科銳10億美元擴大碳化硅產(chǎn)能計劃的一部分。

羅姆也計劃在今后5年內(nèi)投資600億日元，將使用于EV的SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)能擴增至現(xiàn)行的5倍。

大陸方面，SiC的項目如雨后春筍，據(jù)公眾號創(chuàng)道硬科技的不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)SiC項目有104個，GaN項目43個。除了我們所熟知的SiC廠商之外，各地的SiC新項目更是層出不窮。

就看近段時間的項目，據(jù)四川眉山市國資委消息，6月10日，眉州博雅“高性能閃爍晶體項目”二期建筑工程3號車間封頂，轉(zhuǎn)入裝飾裝修階段。而這個二期項目主要用于擴產(chǎn)和碳化硅的研發(fā)生產(chǎn)。8月1日，安徽微芯長江碳化硅項目建設(shè)工程封頂。據(jù)山西省商務(wù)廳網(wǎng)站公告，8月10日至13日，第三代半導(dǎo)體SiC實驗室項目與陽城開發(fā)區(qū)負責(zé)人達成合作協(xié)議，將建設(shè)SiC實驗室等產(chǎn)業(yè)基地，總投資175億元，啟動資金8000萬元，建設(shè)實驗室等約2000平方米，總占地300畝，形成月產(chǎn)5000片碳化硅功率芯片制造能力。8月18日總投資25億元的上海天岳碳化硅半導(dǎo)體材料項目開工，達產(chǎn)后，形成年產(chǎn)導(dǎo)電型碳化硅晶錠2.6萬塊，對應(yīng)襯底產(chǎn)品30萬片的生產(chǎn)能力。8月20日，東尼電子公告，公司同意增加經(jīng)營范圍：碳化硅半導(dǎo)體材料、節(jié)能型太陽能膠膜、線路板的生產(chǎn)。

GaN領(lǐng)域今年的新項目也不少，8月10日，封測巨頭晶方科技1000萬美元投資以色列半導(dǎo)體領(lǐng)域第三代氮化鎵設(shè)備龍頭VisIC，布局第三代半導(dǎo)體。8月24日，宏光照明也投資了VisIC，日前，宏光還宣布即將改名為“宏光半導(dǎo)體”，這次改名宣告宏光正式跨入新的第三代半導(dǎo)體時代，而且宏光半導(dǎo)體已經(jīng)引入移動電源的兩大客戶羅馬仕與鴻智電通。8月11日，大連金普新區(qū)管委會與深圳正威集團簽署總投資達300億元的戰(zhàn)略合作協(xié)議，根據(jù)協(xié)議，雙方將合作建設(shè)以氮化鎵半導(dǎo)體為核心的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地。8月14日，賽微電子表示其GaN 業(yè)務(wù)子公司聚能創(chuàng)芯的GaN芯片產(chǎn)線正在建設(shè)過程中，公司在GaN外延晶圓、GaN芯片方面均已有成熟的系列化產(chǎn)品，正以“虛擬IDM”模式在進行全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

瞄準氧化鎵未來

除了Si功率器件和大熱的第三代半導(dǎo)體之外，業(yè)界也開始對氧化鎵(Ga2O3 )投入了興趣。關(guān)于氧化鎵，此前也有不少關(guān)于技術(shù)方面的報道《潛力無限的氧化鎵》。氧化鎵被視為是更新一代的半導(dǎo)體材料，它比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比SiC 等要更為低廉。據(jù)Fact.MR的研究，與2020年相比，預(yù)計2030年全球氧化鎵市場的價值將增加 2.8 倍。其中5N級（氧化鎵市場等級有4N、5N、6N）產(chǎn)品占據(jù)全球氧化鎵市場近66%的份額，到2030年將創(chuàng)造1320萬美元的機會。氧化鎵產(chǎn)品種類主要為α-氧化鎵和β-氧化鎵，而β-氧化鎵基板將主導(dǎo)產(chǎn)品領(lǐng)域，預(yù)計到2030年將達到2780萬美元。

據(jù)日本氧化鎵企業(yè)Novel Crystal Technology（NCT）的介紹，β-氧化鎵是一種新型的半導(dǎo)體功率器件材料，具有比SiC和GaN更大的帶隙能量。因此，很有可能被用于制造高電壓、低電阻的半導(dǎo)體。此外，由于它是從熔體中生長β-氧化鎵單晶，與SiC和GaN相比，它的生長速度較快，而且其substrate process也叫容易，所以可以以低成本向市場提供高質(zhì)量的基材。

圖源：Novel Crystal Technology（NCT）

在氧化鎵方面的研究，日本相對較領(lǐng)先，其中Tamura Corporation, Novel Crystal Technology, 和Kyma Technologies是比較領(lǐng)先的氧化鎵供應(yīng)商。2012年日本首先實現(xiàn)2英寸氧化鎵材料的突破。今年6月16日，日本半導(dǎo)體企業(yè)Novel Crystal Technology（NCT）全球首次成功量產(chǎn)了100mm（4英寸）的“氧化鎵”晶圓。這是氧化鎵晶圓首次在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。

國內(nèi)方面，氧化鎵自2017年開始逐步成為中國的熱點。2017年9月份，科技部高新司重點研發(fā)計劃把氧化鎵列入其中，2018年3月，北京市科委率先開展了前沿新材料的研究，把氧化鎵列為重點項目。

2021年8月20日，中國的氧化鎵材料廠商銘鎵半導(dǎo)體完成由洪泰基金領(lǐng)投的數(shù)千萬元Pre-A輪融資。銘鎵半導(dǎo)體成立于2020年，全稱為北京銘鎵半導(dǎo)體有限公司，是國內(nèi)專業(yè)從事氧化鎵材料及其功率器件產(chǎn)業(yè)化的高新企業(yè)。主要專注于新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件和高頻大功率器件等產(chǎn)業(yè)化高新技術(shù)的研發(fā)，目前已實現(xiàn)2寸氧化鎵襯底材料量產(chǎn)。據(jù)報道，銘鎵半導(dǎo)體是目前唯一可實現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級氧化鎵半導(dǎo)體晶片小批量供貨的中國廠家，現(xiàn)有專利17項（含申請中），實用新型3項，發(fā)明專利14項。

韓國政府在今年4月1日發(fā)布了先進功率半導(dǎo)體研發(fā)和產(chǎn)能提升計劃。韓國政府計劃到 2025 年將市場競爭力提升到全球水平，到那時至少可以從韓國獲得五種先進的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。將針對SiC、GaN、氧化鎵三種材料開展應(yīng)用技術(shù)和技術(shù)攻關(guān)，突破有機硅材料的局限性，助力國內(nèi)企業(yè)的材料和晶圓研發(fā)工作。