什么是功率器件?


常常有人将功率器件和功率半导体混为一谈,其实功率半导体包括两部分:功率器件和功率IC,其中功率器件是功率半导体分立器件的简称,而功率IC则是将功率半导体分立器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成而来。


 
图 | 功率半导体框图示意,图源:华润微招股说明书


所有的功率半导体器件都具有处理高电压、大电流的能力,主要用于有大功率处理需求的电力设备的电能变换和控制电路方面,比如:变频、变压、变流、功率管理,电压处理范围从几十V到几千V,电流能力最高可达几千A。


早期的功率半导体是以分立器件的形式出现的,20世纪50年代,功率二极管、功率三极管面世并主要用于工业和电力系统,因此当年的功率半导体又被称为电力电子器件。20世纪60至70年代,晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末,平面型功率MOSFET发展起来。20世纪80年代后期,沟槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世,此时二极管和晶闸管技术越来越成熟,附加值逐渐变低,国际大厂产能开始向以功率MOSFET、IGBT为代表的功率半导体器件迅速转移,功率半导体正式进入电子应用时代。截至目前,MOSFET和IGBT都还是最主要、价值含量最高、技术壁垒较高的功率器件。但近年来,不断有机构预估以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料将站上未来功率半导体主流舞台。


 
图 | 功率器件发展历程与类别,图源:国联证券研究所


为什么要关注功率器件行业?


“关注功率器件行业”一方面是技术需求,另一方面是市场空间导向。技术需求会在正文中着重体现,至于市场面,根据IHS Markit 数据显示,2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元,预计至2021年市场规模将增长至441亿美元,CAGR为4.1%,其中MOSFET和IGBT有望成为未来5年增长最强劲的功率器件。此外,根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率,到2029年将超过50亿美元。


 
图 | 全球功率半导体市场趋势,图源:IHS Markit


为什么常规功率器件要从Si向GaN/SiC方向转移?


目前Si材料在半导体行业中占据95%以上半导体器件和99%集成电路的体量,仍占主流。然而,随着5G时代的到来,工业4.0和汽车电动化的继续推进,对功率器件在开关频率、散热、抗压性能等方面都提出了新的挑战和要求,传统Si功率器件瓶颈凸显。


 
图 | 功率器件适用范围示意,图源:英飞凌


德州仪器高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom告诉与非网,“与现有Si器件,比如MOSFET或IGBT相比,GaN和SiC由于不同的物理特性,是具备更好开关性能的新型半导体材料。具体而言,GaN具有低得多的输入和输出电容以及显著降低功耗的零反向恢复电荷。市场上要求更高效率和功率密度的应用正以极快的速度向GaN产品过渡。相对于MOSFET和IGBT器件,GaN器件提供了实质性的改进,包括快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容(例如,GaN的单位门极电荷小于1nC-Ω,而Si的单位门极电荷为4nC-Ω),这些特性可以实现更快的导通和关断,同时减少栅极驱动损耗。GaN还提供了较低的单位输出电容(典型的GaN 器件的单位输出电荷为5nC-Ω,而传统的Si器件为25nC-Ω),这使设计人员能够在不增加开关损耗的同时实现较高的开关频率,更高的开关频率意味着设计人员能够缩小电源系统中磁性元件的尺寸、重量和数量。”


意法半导体中国区功率器件市场经理周志强则表示,“SiC和GaN的带隙较宽,可提供更高的电场和更高的导热性,从而降低了Rdson的关键参数,反之,Radson实现出色传导性能的关键参数,同时还降低了开关损耗和工作温度。尤其是SiC MOSFET,广泛用于电子汽车(EV)和电动汽车基础设施中的车载充电器和牵引逆变器。GaN MOSFET凭借其高功率效率和密度优势,在快速充电器和功率传输(PD)中是成功的典范。”


这两位都在强调功率密度的重要性,那到底什么是功率密度呢?罗姆(ROHM)深圳技术中心高级经理苏勇锦告诉与非网,“其实功率密度一般是针对成品来讲的,类比到功率器件应该是RonA(单位面积内阻)这个参数。举个例子,目前ROHM最高的RonA产品是第4代SiC-MOS,RonA达到2.5mΩcm2,而提高RonA的关键因素则包括芯片构造、材料和封装技术等。”


GaN/SiC最新替代进展,应用下沉到哪一步了?


作为消费者,提到GaN/SiC等第三代半导体材料,大部分人的第一反应也许都是“小米GaN 65W快速充电器”,热点效应带来的是“GaN 工艺的拐点到了”的呼声,力据大概就是“像小米这样的‘价格屠夫’都开始推 GaN工艺的消费品了,一方面印证了GaN工艺的成熟化,另一方面告诉我们GaN芯片的设计、制造成本已经降到了消费者可以接受的程度,而这个利惠会随着GaN产量的扩大而不断加大。”


我们从两个角度来看这些论断,一个是全球GaN/SiC功率器件的落地情况,另一个则是中国的功率器件行业位置和国民信息接收。


    全球GaN/SiC功率器件落地情况


首先,我们定位到5G新基建和汽车电动化这两个推动功率器件向前发展的主力方向,并围绕功率器件落地情况,采访了三家功率器件主流厂商,采样范围包括国内和国外。


与非网:5G的建设,尤其是基站电源的敷设需求给功率器件带来了新机遇,具体会涉及其中哪些部位,用到哪些器件?


泰科天润:“对于功率器件来说,5G建设的利好,更多表现在对于更多更高效电源产品的需求,比如:数量更多、功率等级更高的5G宏基站电源,户外使用的分布式设备供电单元。对于SiC二极管和MOSFET都有需求。”


罗姆:“在5G通信中,除了基带单元之外,还有被称为“远程无线电头(RHH)”的单元,这种单元在每个基带单元上都会附有几个,负责转换RF信号等。由于“远程无线电头(RRH)”中配备了大量通信用的阵列天线,因此用来放大功率的传感器放大器和用来进行高级控制的电流检测用分流电阻器等通用产品的需求日益增长。”


“此外,在基带单元中,对ROHM先进的功率元器件和模拟元器件的需求与日俱增。尽管各国所使用的频段各不相同,但与4G通信相比,5G通信通常是在高频段进行的,因此业内正在研究能够高效率且高频工作的SiC和GaN等功率元器件的应用。另外,基带单元的设计中,通过电源部分的设计来节能的做法增加。这是因为5G通信的基站比4G通信多,尤其需要减少基站外围的功耗。ROHM的电源IC系列产品采用ROHM自有的模拟技术,可高效率工作,非常有助于基带单元的进一步节能,因此各通信设备制造商已经开始评估采用。”


德州仪器:“TI为5G电信市场提供完整的集成GaN FET+驱动器产品组合,从30MΩ(4kW整流器)到150MΩ的400W集成AC/DC模块。TI的集成GaN驱动器将功率损耗降至更低,这对于受限于腔室体积,空气流动有限而影响散热的5G小型电池尤为重要。”


与非网:在汽车电动化的趋势下,MOSFET、IGBT等功率器件命运如何?


泰科天润:“汽车领域相较于其他应用来说,更多的要求会表现在可靠性上,对于参数上的要求,更多表现在需求端,如:适应更高电压平台的高耐压器件、更低的导通电阻、更高的开关频率等。对于Si基MOSFET和IGBT来说,由于材料性能的局限性,为了更好的优化器件性能,需要对器件结构做不断的调整优化。比如对于Si基开关器件来说,很难同时满足高耐压和高频开关,但对于SiC基开关器件,使用更适合高频开关的结构,结合材料本身高耐压的特点,可较为轻松的实现上述目标。”


德州仪器:“TI最近发布了业界首款用于汽车的650 V GaN FET集成驱动器LMG3522R030-Q1。该器件非常适合重视效率的车载充电应用,能够实现超过4 kW/L的功率密度,几乎是当前MOSFET和IGBT解决方案的两倍。这将允许在相同条件下使用更高额定值的车载充电器,并最终显著缩短充电时间。”


罗姆:“汽车的电动化在为了提升整车续航里程以及各项性能,在三电系统上对功率器件特别是SiC-MOS和IGBT的需求日益增加。为了减少能量转换过程中的功率损耗,对功率器件本身的特性需求主要表现为高压化,高频化,高效化。比如通过芯片构造的不断改良使器件提高单位面积导通电阻RonA,降低器件的杂散电容,通过更先进的封装工艺减小封装的寄生电感等。特别针对上面提到的【三高】趋势,Si基的IGBT芯片以及基本达到技术的理论极限,而SiC-MOS还有较大的提升空间,得益于宽禁带半导体的材料特性优势,SiC-MOS正逐渐替代传统IGBT。”


“ROHM的第四代SiC-MOS采用先进的双沟槽工艺,在RonA,寄生电容的关键参数的提升上非常先进,另外,在客户使用便利性上,ROHM也充分权衡,第四代SiC-MOS将支持与传统IGBT驱动电压相同的15V驱动。”


“当然,由于目前大多数SiC器件的封装还是沿用传统IGBT的封装,在散热和寄生参数上并不能让SiC的性能得到充分发挥。包括ROHM在内,业界也在不断寻找更适合第三代半导体SiC的新封装工艺,比如银烧结技术,双面散热封装或者耐热性能更高的封装材料等。”


    中国的功率器件行业位置和国民信息接收


为什么我们接收到的信息会局限在“小米GaN 65W快速充电器”上面呢?一方面是作为普通消费者,很少去关注5G基站、工业和汽车方面的电子器件用料,当然随着汽车电动化的普及,当我们每天接触汽车充电装置的时候,我们也会增加充电速度、充电安全等方面的考量,自然而然会加大对这些大功率设备性能及内在功率器件和方案的关注。


此外,据英飞凌方面统计,2019年全球功率半导体器件与模组市场规模为210亿美元,欧美日呈现三足鼎立之势,英飞凌位居第一,占比19%,安森美次之,占比8.4%,前十大公司合计市占率达到58.3%,暂无中国厂商身影。


 
图 | 2019 年全球功率半导体分立器件与模组竞争格局,图源:英飞凌


然而在需求端,2019 年中国功率半导体市场占比全球达35.9%,是全球最大的功率器件消费国。与整个半导体产业类似,对比海外的功率器件IDM 大厂,国内的功率器件龙头企业,像华润微、斯达半导体、新洁能、扬杰科技、华微电子、士兰微等的年销售额与国际巨头们相差很大,且产品结构偏低端,表明中国功率器件的市场规模与自主化率严重不相匹配,国产化空间巨大。


这一点与泰科天润董事长兼CEO陈彤先生的表述是一致的,“对于Si基器件来说,市场的头部集中效应比较强。但对于SiC基器件来说,各家公司都处在技术积累和市场拓展的上升期。目前作为国产SiC品牌在国内市场占有率居首。对于功率等级比较高的电力电子变换器都是亟需替代的应用,如:新能源汽车、光伏发电等,对于特高压领域,由于更依赖于器件本身技术的进步,所以可以等待产品成熟后再做发掘。”


这意味着,当GaN/SiC功率器件生态越来越成熟,国内厂商也有可能站上全球功率器件榜单,而现在正是机遇时间窗口。等到哪天,功率器件中也能产生一个通信界的“华为”,即使不是消费领域,国人对功率器件的关注度和信息接收面也会同比上涨。


写在最后


市场侧,2020年受疫情影响,上半年功率半导体需求不佳,但是三季度之后,受到5G电源、智能手机、工业、电动汽车及IOT 设备等拉动,需求上升明显,海外疫情影响了国外厂商的产能供给,部分产品出现了缺货涨价的情况。国金证券的预判,2021年功率半导体将在需求增长+涨价+国产化的利好驱动下迎来发展良机,产业链将积极受益。


技术侧,为了降低研发的难度,保障设备的稳定性和可靠性,功能集成和热性能正成为功率设备的厂商在功率半导体器件选型中考虑的重点,因此越来越多的功率器件原厂在保留分立功率器件产线的同时,增加了功率IC的丰富度


意法半导体中国区功率器件市场经理周志强就表示,“意法半导体的MasterGaN就是将2个GaN晶体管和一个双栅极驱动器结合到一个QFN 9 * 9mm紧凑型封装中,该封装的底部具有3个散热垫。 这种先进的封装集成确保了设备的高鲁棒性和可靠性,从而进一步提高系统运行期间的稳定性。而且,通常使用不同的半导体制造工艺进行优化和制造的控制器仍然独立于功率部分工作,从而可为客户提供适合其应用选择的适当灵活性。”

 

鸣谢:

感谢给本文输出提供资料的四位受访者(以资料反馈时间排序,无其他参考意义)


德州仪器(TI)高压电源应用产品业务部 氮化镓功率器件产品线经理 Steve Tom
 


罗姆(ROHM)深圳技术中心 高级经理 苏勇锦

 


意法半导体(ST) 中国区功率器件市场经理 周志强

 

 
泰科天润 董事长兼CEO 陈彤