全球功率器件競爭白熱化

語言: CN / TW / HK

從傳統Si功率器件IGBT、MOSFET,到以SiC和GaN為代表的第三代半導體,再到更新一代的半導體材料氧化鎵,企業融資併購、廠商增資擴產、新玩家跑步入場、新專案不斷湧現,整個功率半導體市場全都沸騰起來了。

押注傳統Si功率器件

如今傳統的Si功率器件包括IGBT和MOSFET,仍舊是市場應用最大的部分。IGBT是眾多電力電子應用的關鍵,而矽 MOSFET 是非常廣泛的中低功率應用中的關鍵元件。

2020年,IGBT最大的細分市場是工業應用和家用電器,緊隨其後的是 EV/HEV,除了 EV/HEV之外,分立式 IGBT 和 IGBT 功率模組還可以在工業電機驅動器、風力渦輪機、光伏裝置、火車、UPS、EV充電基礎設施和家用電器等應用中找到。

Yole預計,2020年至2026年間IGBT將增長7.5%,到2026 年,其市場規模將達到84億美元。而且2026年IGBT 模組細分市場將佔總市場的81%。這主要是受到EV/HEV的推動,2020年IGBT在EV/HEV的市場規模為5.09億美元,而在2020年至2026年間,IGBT將以驚人的23%的複合年增長率增長。

Yole 電子電源系統技術與市場分析師 Abdoulaye Ly解釋說:“充電基礎設施也受到政府決策的影響,因為充電器的部署對於擴大電動汽車的普及至關重要。雖然充電基礎設施對IGBT來說仍然是一個小市場,但預計未來五年將增長300%以上。”

2020-2026年IGBT不同應用市場的發展預測。(圖源:Yole)

在IGBT領域,歐美日的玩家長期佔據主要地位,但這幾年國內也不乏有優秀的IGBT玩家在開發、生產和產能方面都在快速追趕。不過國內面臨的競爭依然很大,在系統層面,因為國外的大廠正在瞄準最大的IGBT市場,製造商們都開始提供600V - 1200V元件,並提供新的產品系列(從800到1000v)。包括三菱電機、東芝、Onsemi在內的電子製造商正在尋求與競爭對手的區別,他們提供具有“中間”標稱電壓等級的IGBT裝置,如1300伏、1350v、2000伏……Yole預計,到2026年,超過80%的市場將專注於 600V-1,200V 標稱電壓範圍。

2020年IGBT前十五名廠商情況(圖源:Yole)

全球主要的頭部IGBT玩家已經開發了幾代IGBT器件,並且處於IGBT技術的前沿,例如場阻、柵極溝槽和薄晶片。中車和富士電氣正在開發6.5kV以上的超高電壓IGBT,作為軌道和電網中閘流體的替代品。像super junction IGBT這樣新的 IGBT結構已經被ABB或英飛凌這樣的公司追求了好幾年,但是仍然沒有商業化生產。

2021-2030年Yole預計的IGBT技術路線圖(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給定應用程式的特定需求,現在許多開發工作都開始集中在用於分立器件和模組的IGBT器件封裝上。特別是大功率IGBT模組,越來越多地使用創新的封裝解決方案,如銅線鍵合、增強陶瓷基片和銀燒結模具連線。模組熱管理設計越來越多地針對特定的逆變器設計和功率優化,尤其是在整合系統中。電動汽車中不同系統進一步整合的趨勢,也導致了供應鏈上的整合趨勢,而且汽車製造商對增加系統和動力模組設計和製造的整合越來越感興趣。

在Si功率MOSFET上,2020年,矽MOSFET的市場價值75億美元。Yole預計2020年至2026年MOSFET的複合年增長率為 3.8%,到 2026 年,MOSFET 市場規模將達到 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不同應用市場的發展預測。(圖源:Yole)

雖然MOSFET市場也是由歐美日等大廠把控,但是MOSFET器件是成熟的矽器件,可靠性高。它們以高產量大批量生產。過去幾年,中國製造商在技術上取得了進步。吉林華微、士蘭微電子或華潤微電子等公司的產品組合中有相當多的 MOSFET 產品。現在一些中國公司可以實現與主要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功率器件產線上,如今廠商們紛紛在向300mm產線上過渡,因為300mm晶圓製造可以實現更高的器件產能。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產線,用來生產IGBT和MOSFET,該產線投資額預計約為250億日元,計劃在2023年度展開生產,這兩種功率器件的產能將比當前水平提高約 1.2 倍。

國內方面,早在2020年7月,華虹巨集力已開始利用其在無錫的300mm晶圓廠開發智慧IGBT功率器件。2021年5月11日,士蘭微釋出公告,擬建“新增年產24萬片12英寸高壓積體電路和功率器件晶片技術提升及擴產專案”,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立潤西微電子(重慶)有限公司(暫定名)(簡稱 “專案公司”),註冊資本擬為50億元人民幣,由專案公司投資建設12英寸功率半導體晶圓生產線專案。2021年7月,粵芯也獲得了國投創業的投資,用於建設12英寸晶圓產線建設。今年1月份,聞泰科技宣佈擴建位於上海臨港的12英寸晶圓廠,將於2022年7月投產,產能預計將達到每年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也引起了業界廣泛關注,不過NWF主要生產8英寸車規級晶圓。

加快發展第三代半導體SiC和GaN

這一年關於SiC擴產的訊息此起彼伏,SiC的競爭已經白熱化。廠商們無不摩拳擦掌,為SiC的來臨做準備。

8月26日,據日經報道,日本富士電機將額外投資 400 億日元(3.65 億美元),以擴大功率半導體的生產,400億中大約 250 億日元的額外資金將用於在該公司的馬來西亞工廠開始生產 8 英寸矽片,這將比之前在那裡生產的 6 英寸矽片的製造效率更高。富士電機計劃在2023財年左右開始在馬來西亞生產功率半導體,使用上個月硬碟媒體生產停止後騰出的潔淨室和其他設施。剩餘的 150 億日元將用於其他地方的擴張,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 億日元的基礎上,從 2023 財年的原始時間框架上調,以滿足意外的強勁需求。富士電機預計,包括電力半導體在內的半導體領域的銷售額將從2018財年增長53%,在其五年計劃的最後一年2023財年達到2100億日元。

也是在近日,韓國半導體晶圓製造商SK Siltron宣佈計劃將在Bay County工廠投資 3 億美元,SK Siltron CSS 生產由碳化矽製成的特種晶圓,可用於電動汽車的半導體功率元件。2019 年收購了密歇根州的碳化矽晶圓業務,並將 SK Siltron CSS 設立為美國子公司。

8月24日訊息,昭和電工籌措了約1,100億日元資金,拿出約700億日元將用於擴增SiC晶圓等半導體材料產能。細項來看,昭和電工計劃投資58億日元增產使用於功率半導體的SiC晶圓以及鋰離子電池材料、增產工程預計於2023年12月完工;投資59億日元增產電子材料用高純度氣體、預計2023年12月完工;投資232億日元提高研磨液(CMP Slurry)產能及改善質量、預估2023年12月完工;投資248億日元增產使用於印刷電路板(PCB)的銅箔基板(CCL、Copper Clad Laminate)、感光性薄膜,預計2024年3月完工。

8月6日,富士康旗下的鴻海以25.2億元收購旺巨集位於竹科的6英寸晶圓廠,後續還要斥資數十億元添購新裝置,鎖定當紅的第三代半導體碳化矽(SiC)元件。據悉,這座晶圓廠以研發為主,小量生產SiC元件所需晶圓,未來也將製造SiC模組。

7月29日,意法半導體成功製造 200mm 碳化矽晶圓,此舉也預示著SiC晶圓進入了8英寸時代,由於200mm晶圓的積體電路可製造面積大約是150mm晶圓的兩倍,因此公司每片晶圓可取晶片數量為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的佈局上,Cree可謂是最早、手筆最大的廠商,Cree於2019年開始建設的位於紐約州馬西鎮(Marcy)的碳化矽晶圓廠有望在2022年初投產,這被稱作是“世界上最大”的碳化矽晶圓廠,聚焦車規級產品,是科銳10億美元擴大碳化矽產能計劃的一部分。

羅姆也計劃在今後5年內投資600億日元,將使用於EV的SiC功率半導體產能擴增至現行的5倍。

大陸方面,SiC的專案如雨後春筍,據公眾號創道硬科技的不完全統計,目前國內SiC專案有104個,GaN專案43個。除了我們所熟知的SiC廠商之外,各地的SiC新專案更是層出不窮。

就看近段時間的專案,據四川眉山市國資委訊息,6月10日,眉州博雅“高效能閃爍晶體專案”二期建築工程3號車間封頂,轉入裝飾裝修階段。而這個二期專案主要用於擴產和碳化矽的研發生產。8月1日,安徽微芯長江碳化矽專案建設工程封頂。據山西省商務廳網站公告,8月10日至13日,第三代半導體SiC實驗室專案與陽城開發區負責人達成合作協議,將建設SiC實驗室等產業基地,總投資175億元,啟動資金8000萬元,建設實驗室等約2000平方米,總佔地300畝,形成月產5000片碳化矽功率晶片製造能力。8月18日總投資25億元的上海天嶽碳化矽半導體材料專案開工,達產後,形成年產導電型碳化矽晶錠2.6萬塊,對應襯底產品30萬片的生產能力。8月20日,東尼電子公告,公司同意增加經營範圍:碳化矽半導體材料、節能型太陽能膠膜、線路板的生產。

GaN領域今年的新專案也不少,8月10日,封測巨頭晶方科技1000萬美元投資以色列半導體領域第三代氮化鎵裝置龍頭VisIC,佈局第三代半導體。8月24日,巨集光照明也投資了VisIC,日前,巨集光還宣佈即將改名為“巨集光半導體”,這次改名宣告巨集光正式跨入新的第三代半導體時代,而且巨集光半導體已經引入移動電源的兩大客戶羅馬仕與鴻智電通。8月11日,大連金普新區管委會與深圳正威集團簽署總投資達300億元的戰略合作協議,根據協議,雙方將合作建設以氮化鎵半導體為核心的第三代半導體產業基地。8月14日,賽微電子表示其GaN 業務子公司聚能創芯的GaN晶片產線正在建設過程中,公司在GaN外延晶圓、GaN晶片方面均已有成熟的系列化產品,正以“虛擬IDM”模式在進行全產業鏈佈局。

瞄準氧化鎵未來

除了Si功率器件和大熱的第三代半導體之外,業界也開始對氧化鎵(Ga2O3 )投入了興趣。關於氧化鎵,此前也有不少關於技術方面的報道《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Fact.MR的研究,與2020年相比,預計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)產品佔據全球氧化鎵市場近66%的份額,到2030年將創造1320萬美元的機會。氧化鎵產品種類主要為α-氧化鎵和β-氧化鎵,而β-氧化鎵基板將主導產品領域,預計到2030年將達到2780萬美元。

據日本氧化鎵企業Novel Crystal Technology(NCT)的介紹,β-氧化鎵是一種新型的半導體功率器件材料,具有比SiC和GaN更大的帶隙能量。因此,很有可能被用於製造高電壓、低電阻的半導體。此外,由於它是從熔體中生長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,日本相對較領先,其中Tamura Corporation, Novel Crystal Technology, 和Kyma Technologies是比較領先的氧化鎵供應商。2012年日本首先實現2英寸氧化鎵材料的突破。今年6月16日,日本半導體企業Novel Crystal Technology(NCT)全球首次成功量產了100mm(4英寸)的“氧化鎵”晶圓。這是氧化鎵晶圓首次在全球範圍內實現量產。

國內方面,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,把氧化鎵列為重點專案。

2021年8月20日,中國的氧化鎵材料廠商銘鎵半導體完成由洪泰基金領投的數千萬元Pre-A輪融資。銘鎵半導體成立於2020年,全稱為北京銘鎵半導體有限公司,是國內專業從事氧化鎵材料及其功率器件產業化的高新企業。主要專注於新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件和高頻大功率器件等產業化高新技術的研發,目前已實現2寸氧化鎵襯底材料量產。據報道,銘鎵半導體是目前唯一可實現國產工業級氧化鎵半導體晶片小批量供貨的中國廠家,現有專利17項(含申請中),實用新型3項,發明專利14項。

韓國政府在今年4月1日釋出了先進功率半導體研發和產能提升計劃。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體產品。將針對SiC、GaN、氧化鎵三種材料開展應用技術和技術攻關,突破有機矽材料的侷限性,助力國內企業的材料和晶圓研發工作。

結語

可喜的是,無論是IGBT、MOSFET,還是SiC以及GaN,甚至是現在超前的氧化鎵領域,中國都有廠商佈局,並且正在不斷研發和生產,開始慢慢取得一席之地。

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