功率半導體國產化需求迫切
在新能源汽車領域,功率半導體是核心部件之一,其重要性僅次于電池。功率半導體在電池管理、車載充電和電機控制等多個系統使用,每臺車大概占10%的成本。此外,在光伏逆變器,風電變流器等設備中,都離不開功率半導體。

隨著智能化時代的到來,例如新能源汽車實現自動駕駛和聯網化,需要更長的續航能力的和高效的電池管理,對于功率半導體將提出更高的要求。而新一代半導體材料,例如碳化硅和氮化鎵,在電場強度、熱導率、禁帶寬度、飽和遷移速度方面有著優異表現,已經成為功率半導體廠商的重點研發方向。
近年來,美國禁令不斷,堵截上游芯片的供應,劍指中國制造和高科技產業。那么,功率半導體的國產化也是十分緊迫的。今年兩會提議將功率半導體材料列研發入國家計劃,那么功率半導體國產化進程將加速,國產器件代替進行只是時間的問題。

目前,中國大部分的功率半導體以進口為主,例如德國英飛凌在汽車領域占據了58%的市場。英飛凌在全球功率器件市場中排名第一,其次還有安森美、三菱電機、富士、羅姆、賽米控等領先廠商,國內龍頭廠商斯半導體,排到第十。國內外差距還是比較大。
碳化硅器件成必爭之地
國內功率半導體廠商除了斯達之外,還有比亞迪半導體、中車時代電氣、吉林華微、士蘭微等知名廠商,在產品類型方面基本覆蓋了各種電壓級別,雖然功率器件在低端產品方面已對開始代替進口,但高端產品依然嚴重依賴進口。
由于IGBT核心技術掌握在發達國家手中,例如設計制造、模塊封裝、失效分析、測試等。目前,英飛凌、三菱、ABB在1700V以上電壓等級占絕對優勢,在大功率溝槽技術方面,英飛凌與三菱公司領先,3300V以上電壓的IGBT基本由國外壟斷。
未來IGBT向更高工作結溫與功率密度發展,廠商除了要聚焦在降低損耗和降低生產成本,通過改良工藝和設計方案來提升產品的性能之外,第三代半導體技術開發可能是一個必爭之地。第三代半導體主要以寬禁帶半導體材料,例如碳化硅和氮化鎵材料制成的半導體產品。
第一代半導體以硅(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料為主要,第二代以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(lnP)等化合物為主,而第三代是碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導體材料,具有禁帶寬度和擊穿電壓高的特點。自從特斯拉推出Model3型電動汽車,其逆變器采用了24個碳化硅MOSFET為功率模塊,碳化硅功率器件受到了越來越多廠商的重視。
碳化硅為材料的功率模塊具有高開關頻率、耐高溫、耐高壓和低開關損耗,以及抗輻射能力強等優點,不僅可以大量節省能源損耗,還提升了電控效率,而且體積更少,重量更低。此前,豐田便展示的全碳化硅模組,是傳統硅產品體積的1/5,重量上減輕了35%,損耗從20%降到5%,能讓汽車經濟性提升10%。
目前,碳化硅功率器件主要國外廠商為英飛凌、羅姆、Cree和ST,國內有泰科天潤、基本半導體、上海瞻芯電子、楊杰科技、芯光潤澤、瑞能半導體等。
在碳化硅晶片方面,CREE占據了一半以上市場份額,是行業的領頭羊。近兩年,由于碳化硅晶片供應緊張,下游器件巨頭紛紛與CREE簽訂長期供貨協議。為了滿足市場需求,CREE投資10億美金用來擴大SiC的產能,包括一座8寸晶圓廠。整個碳化硅產業格局來看,以美、歐、日為主,除了CREE之外,還有II-VI、DowCorning、Rohm等玩家。
從碳化硅晶片成本來看,尺寸越大,生產效率越高,成本就越低,但同時品質控制難度越高。目前全球碳化硅市場為國外企業所壟斷。國內廠商只在襯底、外延和器件方面占據少量的市場。其中,天科合達是國內最早實現碳化硅晶片產業化的企業,已經成功研制出6英寸碳化硅晶片。
2018年5月,海瞻芯電子科技有限公司生產出第一片國產6英寸碳化硅(SiC)MOSFET晶圓。最近,華潤微宣布其6英寸商用碳化硅(SiC)晶圓生產線正式量產。隨著國內越來越多的國內廠商投入碳化硅項目,功率半導體產業將從材料到研發,從設計到生產,形成一條完全的本土產業鏈。
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