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/接口/監(jiān)測等外圍電路集成而來。
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。
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。
為什么要從Si向GaN/SiC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，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。
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，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。”
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。”
這兩位都在強調(diào)功率密度重要性，那到底什么是功率密度？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。”
頂峰論劍：
GaN/SiC替代應(yīng)用下沉進展
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。
Q&A
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。”
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。”
“此外，在基帶單元中，對ROHM先進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。”
Q&A
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)。”
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。”
“ROHM的第四代SiC-MOS采用先進的雙溝槽工藝，在RonA，寄生電容的關(guān)鍵參數(shù)的提升上非常先進，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。”
“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。”
中國功率器件行業(yè)位置與其他
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。
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)的進步，所以可以等待產(chǎn)品成熟后再做發(fā)掘。”
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。這種先進的封裝集成確保了設(shè)備的高魯棒性和可靠性，從而進一步提高系統(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。”
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