1993
什么是功率器件？
常常有人將功率器件和功率半導(dǎo)體混為一談，其實功率半導(dǎo)體包括兩部分：功率器件和功率IC，其中功率器件是功率半導(dǎo)體分立器件的簡稱，而功率IC則是將功率半導(dǎo)體分立器件與驅(qū)動/控制/保護(hù)/接口/監(jiān)測等外圍電路集成而來。
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圖 | 功率半導(dǎo)體框圖示意，圖源：華潤微招股說明書
所有的功率半導(dǎo)體器件都具有處理高電壓、大電流的能力，主要用于有大功率處理需求的電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面，比如：變頻、變壓、變流、功率管理，電壓處理范圍從幾十V到幾千V，電流能力最高可達(dá)幾千A。
早期的功率半導(dǎo)體是以分立器件的形式出現(xiàn)的，20世紀(jì)50年代，功率二極管、功率三極管面世并主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)，因此當(dāng)年的功率半導(dǎo)體又被稱為電力電子器件。20世紀(jì)60至70年代，晶閘管等半導(dǎo)體功率器件快速發(fā)展。20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來。20世紀(jì)80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，此時二極管和晶閘管技術(shù)越來越成熟，附加值逐漸變低，國際大廠產(chǎn)能開始向以功率MOSFET、IGBT為代表的功率半導(dǎo)體器件迅速轉(zhuǎn)移，功率半導(dǎo)體正式進(jìn)入電子應(yīng)用時代。截至目前，MOSFET和IGBT都還是最主要、價值含量最高、技術(shù)壁壘較高的功率器件。但近年來，不斷有機構(gòu)預(yù)估以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料將站上未來功率半導(dǎo)體主流舞臺。
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圖 | 功率器件發(fā)展歷程與類別，圖源：國聯(lián)證券研究所
為什么要關(guān)注功率器件行業(yè)？
“關(guān)注功率器件行業(yè)”一方面是技術(shù)需求，另一方面是市場空間導(dǎo)向。技術(shù)需求會在正文中著重體現(xiàn)，至于市場面，根據(jù)IHS Markit 數(shù)據(jù)顯示，2018年全球功率器件市場規(guī)模約為391億美元，預(yù)計至2021年市場規(guī)模將增長至441億美元，CAGR為4.1%，其中MOSFET和IGBT有望成為未來5年增長最強勁的功率器件。此外，根據(jù)Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入預(yù)計將從2018年的5.71億美元增至8.54億美元。未來十年的年均兩位數(shù)增長率，到2029年將超過50億美元。
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圖 | 全球功率半導(dǎo)體市場趨勢，圖源：IHS Markit
為什么常規(guī)功率器件要從Si向GaN/SiC方向轉(zhuǎn)移？
目前Si材料在半導(dǎo)體行業(yè)中占據(jù)95%以上半導(dǎo)體器件和99%集成電路的體量，仍占主流。然而，隨著5G時代的到來，工業(yè)4.0和汽車電動化的繼續(xù)推進(jìn)，對功率器件在開關(guān)頻率、散熱、抗壓性能等方面都提出了新的挑戰(zhàn)和要求，傳統(tǒng)Si功率器件瓶頸凸顯。
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圖 | 功率器件適用范圍示意，圖源：英飛凌
德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理Steve Tom告訴與非網(wǎng)，“與現(xiàn)有Si器件，比如MOSFET或IGBT相比，GaN和SiC由于不同的物理特性，是具備更好開關(guān)性能的新型半導(dǎo)體材料。具體而言，GaN具有低得多的輸入和輸出電容以及顯著降低功耗的零反向恢復(fù)電荷。市場上要求更高效率和功率密度的應(yīng)用正以極快的速度向GaN產(chǎn)品過渡。相對于MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了實質(zhì)性的改進(jìn)，包括快速開關(guān)時間、低導(dǎo)通電阻、較低的門極電容（例如，GaN的單位門極電荷小于1nC-Ω，而Si的單位門極電荷為4nC-Ω），這些特性可以實現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，同時減少柵極驅(qū)動損耗。GaN還提供了較低的單位輸出電容（典型的GaN 器件的單位輸出電荷為5nC-Ω，而傳統(tǒng)的Si器件為25nC-Ω），這使設(shè)計人員能夠在不增加開關(guān)損耗的同時實現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，更高的開關(guān)頻率意味著設(shè)計人員能夠縮小電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸、重量和數(shù)量?！?/p>
意法半導(dǎo)體中國區(qū)功率器件市場經(jīng)理周志強則表示，“SiC和GaN的帶隙較寬，可提供更高的電場和更高的導(dǎo)熱性，從而降低了Rdson的關(guān)鍵參數(shù)，反之，Radson實現(xiàn)出色傳導(dǎo)性能的關(guān)鍵參數(shù)，同時還降低了開關(guān)損耗和工作溫度。尤其是SiC MOSFET，廣泛用于電子汽車（EV）和電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施中的車載充電器和牽引逆變器。GaN MOSFET憑借其高功率效率和密度優(yōu)勢，在快速充電器和功率傳輸（PD）中是成功的典范?！?/p>
這兩位都在強調(diào)功率密度的重要性，那到底什么是功率密度呢？羅姆（ROHM）深圳技術(shù)中心高級經(jīng)理蘇勇錦告訴與非網(wǎng)，“其實功率密度一般是針對成品來講的，類比到功率器件應(yīng)該是RonA（單位面積內(nèi)阻）這個參數(shù)。舉個例子，目前ROHM最高的RonA產(chǎn)品是第4代SiC-MOS，RonA達(dá)到2.5mΩcm2，而提高RonA的關(guān)鍵因素則包括芯片構(gòu)造、材料和封裝技術(shù)等?！?/p>
GaN/SiC最新替代進(jìn)展，應(yīng)用下沉到哪一步了？
作為消費者，提到GaN/SiC等第三代半導(dǎo)體材料，大部分人的第一反應(yīng)也許都是“小米GaN 65W快速充電器”，熱點效應(yīng)帶來的是“GaN 工藝的拐點到了”的呼聲，力據(jù)大概就是“像小米這樣的‘價格屠夫’都開始推 GaN工藝的消費品了，一方面印證了GaN工藝的成熟化，另一方面告訴我們GaN芯片的設(shè)計、制造成本已經(jīng)降到了消費者可以接受的程度，而這個利惠會隨著GaN產(chǎn)量的擴大而不斷加大。”
我們從兩個角度來看這些論斷，一個是全球GaN/SiC功率器件的落地情況，另一個則是中國的功率器件行業(yè)位置和國民信息接收。
??? ?全球GaN/SiC功率器件落地情況
首先，我們定位到5G新基建和汽車電動化這兩個推動功率器件向前發(fā)展的主力方向，并圍繞功率器件落地情況，采訪了三家功率器件主流廠商，采樣范圍包括國內(nèi)和國外。
與非網(wǎng)：5G的建設(shè)，尤其是基站電源的敷設(shè)需求給功率器件帶來了新機遇，具體會涉及其中哪些部位，用到哪些器件？
泰科天潤：“對于功率器件來說，5G建設(shè)的利好，更多表現(xiàn)在對于更多更高效電源產(chǎn)品的需求，比如：數(shù)量更多、功率等級更高的5G宏基站電源，戶外使用的分布式設(shè)備供電單元。對于SiC二極管和MOSFET都有需求?！?/p>
羅姆：“在5G通信中，除了基帶單元之外，還有被稱為“遠(yuǎn)程無線電頭（RHH）”的單元，這種單元在每個基帶單元上都會附有幾個，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換RF信號等。由于“遠(yuǎn)程無線電頭(RRH)”中配備了大量通信用的陣列天線，因此用來放大功率的傳感器放大器和用來進(jìn)行高級控制的電流檢測用分流電阻器等通用產(chǎn)品的需求日益增長?！?/p>
“此外，在基帶單元中，對ROHM先進(jìn)的功率元器件和模擬元器件的需求與日俱增。盡管各國所使用的頻段各不相同，但與4G通信相比，5G通信通常是在高頻段進(jìn)行的，因此業(yè)內(nèi)正在研究能夠高效率且高頻工作的SiC和GaN等功率元器件的應(yīng)用。另外，基帶單元的設(shè)計中，通過電源部分的設(shè)計來節(jié)能的做法增加。這是因為5G通信的基站比4G通信多，尤其需要減少基站外圍的功耗。ROHM的電源IC系列產(chǎn)品采用ROHM自有的模擬技術(shù)，可高效率工作，非常有助于基帶單元的進(jìn)一步節(jié)能，因此各通信設(shè)備制造商已經(jīng)開始評估采用。”
德州儀器：“TI為5G電信市場提供完整的集成GaN FET+驅(qū)動器產(chǎn)品組合，從30MΩ（4kW整流器）到150MΩ的400W集成AC/DC模塊。TI的集成GaN驅(qū)動器將功率損耗降至更低，這對于受限于腔室體積，空氣流動有限而影響散熱的5G小型電池尤為重要?！?/p>
與非網(wǎng)：在汽車電動化的趨勢下，MOSFET、IGBT等功率器件命運如何？
泰科天潤：“汽車領(lǐng)域相較于其他應(yīng)用來說，更多的要求會表現(xiàn)在可靠性上，對于參數(shù)上的要求，更多表現(xiàn)在需求端，如：適應(yīng)更高電壓平臺的高耐壓器件、更低的導(dǎo)通電阻、更高的開關(guān)頻率等。對于Si基MOSFET和IGBT來說，由于材料性能的局限性，為了更好的優(yōu)化器件性能，需要對器件結(jié)構(gòu)做不斷的調(diào)整優(yōu)化。比如對于Si基開關(guān)器件來說，很難同時滿足高耐壓和高頻開關(guān)，但對于SiC基開關(guān)器件，使用更適合高頻開關(guān)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合材料本身高耐壓的特點，可較為輕松的實現(xiàn)上述目標(biāo)?！?/p>
德州儀器：“TI最近發(fā)布了業(yè)界首款用于汽車的650 V GaN FET集成驅(qū)動器LMG3522R030-Q1。該器件非常適合重視效率的車載充電應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)超過4 kW/L的功率密度，幾乎是當(dāng)前MOSFET和IGBT解決方案的兩倍。這將允許在相同條件下使用更高額定值的車載充電器，并最終顯著縮短充電時間。”
羅姆：“汽車的電動化在為了提升整車?yán)m(xù)航里程以及各項性能，在三電系統(tǒng)上對功率器件特別是SiC-MOS和IGBT的需求日益增加。為了減少能量轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗，對功率器件本身的特性需求主要表現(xiàn)為高壓化，高頻化，高效化。比如通過芯片構(gòu)造的不斷改良使器件提高單位面積導(dǎo)通電阻RonA,降低器件的雜散電容，通過更先進(jìn)的封裝工藝減小封裝的寄生電感等。特別針對上面提到的【三高】趨勢，Si基的IGBT芯片以及基本達(dá)到技術(shù)的理論極限，而SiC-MOS還有較大的提升空間，得益于寬禁帶半導(dǎo)體的材料特性優(yōu)勢，SiC-MOS正逐漸替代傳統(tǒng)IGBT?！?/p>
“ROHM的第四代SiC-MOS采用先進(jìn)的雙溝槽工藝，在RonA，寄生電容的關(guān)鍵參數(shù)的提升上非常先進(jìn)，另外，在客戶使用便利性上，ROHM也充分權(quán)衡，第四代SiC-MOS將支持與傳統(tǒng)IGBT驅(qū)動電壓相同的15V驅(qū)動?！?/p>
“當(dāng)然，由于目前大多數(shù)SiC器件的封裝還是沿用傳統(tǒng)IGBT的封裝，在散熱和寄生參數(shù)上并不能讓SiC的性能得到充分發(fā)揮。包括ROHM在內(nèi)，業(yè)界也在不斷尋找更適合第三代半導(dǎo)體SiC的新封裝工藝，比如銀燒結(jié)技術(shù)，雙面散熱封裝或者耐熱性能更高的封裝材料等?！?/p>
??? ?中國的功率器件行業(yè)位置和國民信息接收
為什么我們接收到的信息會局限在“小米GaN 65W快速充電器”上面呢？一方面是作為普通消費者，很少去關(guān)注5G基站、工業(yè)和汽車方面的電子器件用料，當(dāng)然隨著汽車電動化的普及，當(dāng)我們每天接觸汽車充電裝置的時候，我們也會增加充電速度、充電安全等方面的考量，自然而然會加大對這些大功率設(shè)備性能及內(nèi)在功率器件和方案的關(guān)注。
此外，據(jù)英飛凌方面統(tǒng)計，2019年全球功率半導(dǎo)體器件與模組市場規(guī)模為210億美元，歐美日呈現(xiàn)三足鼎立之勢，英飛凌位居第一，占比19%，安森美次之，占比8.4%，前十大公司合計市占率達(dá)到58.3%，暫無中國廠商身影。
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圖 | 2019 年全球功率半導(dǎo)體分立器件與模組競爭格局，圖源：英飛凌
然而在需求端，2019 年中國功率半導(dǎo)體市場占比全球達(dá)35.9%，是全球最大的功率器件消費國。與整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)類似，對比海外的功率器件IDM 大廠，國內(nèi)的功率器件龍頭企業(yè)，像華潤微、斯達(dá)半導(dǎo)體、新潔能、揚杰科技、華微電子、士蘭微等的年銷售額與國際巨頭們相差很大，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)偏低端，表明中國功率器件的市場規(guī)模與自主化率嚴(yán)重不相匹配，國產(chǎn)化空間巨大。
這一點與泰科天潤董事長兼CEO陳彤先生的表述是一致的，“對于Si基器件來說，市場的頭部集中效應(yīng)比較強。但對于SiC基器件來說，各家公司都處在技術(shù)積累和市場拓展的上升期。目前作為國產(chǎn)SiC品牌在國內(nèi)市場占有率居首。對于功率等級比較高的電力電子變換器都是亟需替代的應(yīng)用，如：新能源汽車、光伏發(fā)電等，對于特高壓領(lǐng)域，由于更依賴于器件本身技術(shù)的進(jìn)步，所以可以等待產(chǎn)品成熟后再做發(fā)掘?！?/p>
這意味著，當(dāng)GaN/SiC功率器件生態(tài)越來越成熟，國內(nèi)廠商也有可能站上全球功率器件榜單，而現(xiàn)在正是機遇時間窗口。等到哪天，功率器件中也能產(chǎn)生一個通信界的“華為”，即使不是消費領(lǐng)域，國人對功率器件的關(guān)注度和信息接收面也會同比上漲。
寫在最后
市場側(cè)，2020年受疫情影響，上半年功率半導(dǎo)體需求不佳，但是三季度之后，受到5G電源、智能手機、工業(yè)、電動汽車及IOT 設(shè)備等拉動，需求上升明顯，海外疫情影響了國外廠商的產(chǎn)能供給，部分產(chǎn)品出現(xiàn)了缺貨漲價的情況。國金證券的預(yù)判，2021年功率半導(dǎo)體將在需求增長+漲價+國產(chǎn)化的利好驅(qū)動下迎來發(fā)展良機，產(chǎn)業(yè)鏈將積極受益。
技術(shù)側(cè)，為了降低研發(fā)的難度，保障設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，功能集成和熱性能正成為功率設(shè)備的廠商在功率半導(dǎo)體器件選型中考慮的重點，因此越來越多的功率器件原廠在保留分立功率器件產(chǎn)線的同時，增加了功率IC的豐富度。
意法半導(dǎo)體中國區(qū)功率器件市場經(jīng)理周志強就表示，“意法半導(dǎo)體的MasterGaN就是將2個GaN晶體管和一個雙柵極驅(qū)動器結(jié)合到一個QFN 9 * 9mm緊湊型封裝中，該封裝的底部具有3個散熱墊。 這種先進(jìn)的封裝集成確保了設(shè)備的高魯棒性和可靠性，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)運行期間的穩(wěn)定性。而且，通常使用不同的半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行優(yōu)化和制造的控制器仍然獨立于功率部分工作，從而可為客戶提供適合其應(yīng)用選擇的適當(dāng)靈活性?！?/p>
鳴謝：
感謝給本文輸出提供資料的四位受訪者（以資料反饋時間排序，無其他參考意義）
德州儀器（TI）高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部 氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom
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羅姆（ROHM）深圳技術(shù)中心 高級經(jīng)理 蘇勇錦
意法半導(dǎo)體（ST） 中國區(qū)功率器件市場經(jīng)理 周志強
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泰科天潤 董事長兼CEO 陳彤
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