化合物半導體卡位“雙碳”需求 加速滲透功率電子市場

    雖然受到全球疫情反復等多種不利因素的影響，但化合物半導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體前沿趨勢研討會上，集邦咨詢化合物半導體分析師龔瑞驕介紹，在下游需求持續(xù)旺盛推動下，碳化硅外延設(shè)備在近五年正在以超過20%的復合增長率在增長。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英寸擴徑，以進一步降低成本。

    “4英寸導電型碳化硅襯底的價格非常穩(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)能擴充，價格持續(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)不具備性價比，但未來下降空間相當大。”龔瑞驕預計，6英寸片將會長時間作為市場主流產(chǎn)品，8英寸片市場份額將在2026年達到約15%，而4英寸片則會慢慢淡出市場。

    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)，該工廠預計2024年達產(chǎn)，屆時產(chǎn)能將達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、天岳先進、爍科晶體、同光半導體、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，天岳先進披露斬獲近14億元的6英寸導電型碳化硅襯底產(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。愛思強工藝經(jīng)理陳偉介紹，公司外延片設(shè)備已經(jīng)可以實現(xiàn)4/6/8英寸自由切換，目前愛思強也已經(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集邦咨詢最新報告《2022第三代半導體功率應(yīng)用市場報告》顯示，隨著越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導入SiC技術(shù)，預估2022年車用SiC功率元件市場規(guī)模將達到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)中車時代電氣也有布局。

    基本半導體技術(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三個系列產(chǎn)品，并獲得多個車型的定點。2021年通線的汽車級碳化硅功率模塊封裝產(chǎn)線已進入量產(chǎn)階段，未來預計車用空調(diào)、新燃料汽車、新型儲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，導致裝置體積大、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，當前碳化硅器件的應(yīng)用尚處于試驗探索階段，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)用在功率半導體、微波射頻元件以及光電元件。據(jù)集邦咨詢預估，2022年氮化鎵的功率元件市場規(guī)模將達到2.61億美元，并在2026年攀升至17.68億美元，復合增長率達到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)用市場正由當前的消費電子逐步延伸到數(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高壓汽車平臺需求的推動，上車時機已經(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，氮化鎵適合在混動的OBC（車載充電機）、激光雷達BMS（電池管理系統(tǒng)）等，預計隨著氮化鎵的技術(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、電機驅(qū)動、移動儲能、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。目前公司珠海基地氮化鎵晶圓產(chǎn)能達到4000片/月，蘇州基地去年6月實現(xiàn)量產(chǎn)，達到6000片/月，合計供應(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報記者采訪時指出，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，預計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。

    “氮化鎵作為第三代半導體的成功代表，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，升級超寬禁帶半導體材料氧化鎵和金剛石超寬禁帶半導體襯底的出口限制。

    對于美國芯片方案，馮雷向記者表示，“半導體是一個全球化的產(chǎn)業(yè)，逆全球化的行為不應(yīng)該被鼓勵；另一方面，說明一個國家擁有自主的半導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。”