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新基建来了,功率半导体器件火了

6月29日,台基股份表示将募资5.02亿元,投建新型高功率半导体器件升级项目等;投资60亿元的富能功率半导体器件项目6月建成,预计年底投片;华微电子8英寸功率半导体器件晶圆生产线项目第一期6月通线……
发布时间:2020-07-06 09:15        来源:中国电子报        作者:陈炳欣

6月29日,台基股份表示将募资5.02亿元,投建新型高功率半导体器件升级项目等;投资60亿元的富能功率半导体器件项目6月建成,预计年底投片;华微电子8英寸功率半导体器件晶圆生产线项目第一期6月通线……在半导体领域,功率器件的总体表现一向以平稳著称,然而近段时期产业热度却在迅速提高,相关投资扩建的消息不断涌现。这种情况无疑与市场需求的增长密切相关。

在新基建的激励之下,市场对电力电子设备的需求越来越强烈。这为功率半导体器件行业的发展添了一把火。在此情况下,功率半导体器件将呈何种发展趋势?

新基建利好功率半导体器件

功率半导体器件有电力电子的“CPU”之称。本质上,它是利用半导体的单向导电性能,在电力电子设备中实现变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等电能转换,达到对电能(功率) 的传输、处理、存储和控制。

随着电力电子设备越来越普及,电器化、信息化、数字化越来越深入地影响着社会的发展。在此背景下,功率半导体器件所发挥的作用也就越来越巨大,特别是今年年初以来,我国大力推动新基建,这为功率半导体器件产业的发展又添了一把火。

新基建本质上是信息数字化的基础设施建设,这些设施都绕不开电力和电子设备的应用。根据中国工程院院士丁荣军介绍,新基建主要包含信息、融合、创新三个方面的基础设施建设。以5G、物联网为代表的通信网络基础设施,以云计算、区块链、数据中心为代表的数据基础设施等,这些设施均为用电大户,对用电的需求量和质量(供电电源稳定性、功率放大和能源利用效率)都有更高要求。这必然要依托于功率半导体器件作为底层技术。而在新基建关注的融合基础设施涵盖智能交通、智慧能源等领域,比如高速列车、城际列车和城市轨道交通等,功率半导体器件作为电能转换的关键核心部件,能够大幅度提升电能转换和传输过程效率,降低能源的消耗。在重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等,功率半导体器件技术支撑着众多产业发展的基础与共性核心技术。可以说,功率半导体器件是新基建部署和实施的底层保障和基础支撑。

比亚迪功率器件总经理杨钦耀也指出,功率半导体器件广泛应用于新基建的各个领域,尤其在特高压、新能源汽车充电桩、轨道交通及工业互联网方面起到核心支撑作用,在5G基建和大数据中心建设的电源模块中是非常关键的元器件。

正是由于功率半导体器件在5G基建、特高压、新能源汽车充电桩、大数据中心等当中发挥着关键作用,功率半导体器件在这些领域有着广泛的应用。随着新基建的快速实施,功率半导体器件厂商将迎来巨大的成长机遇。

根据IHS数据,2018年我国功率半导体器件市场规模138亿美元。2021年我国功率半导体器件市场规模有望达到159亿美元,年复合增长率4.83%,超过全球功率半导体器件的增长速度。中金公司研究部认为,在“新基建”以及进口替代推动下,预计2025年中国仅通信基站用电源类功率半导体器件市场将达到126亿元。

明星产品IGBT与MOSFET占比快速提升

功率半导体器件经过60多年的发展,产品种类繁多,主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。其中,MOSFET和IGBT由于产品性能优越,近年来市场规模增长迅速,占比不断提升。IC Insights 报告中指出,在各类功率半导体器件中,未来最看好的产品是 MOSFET 与 IGBT 模组。

简单来说,MOSFET是一种可以广泛使用在模拟与数字电路的场效应晶体管。MOSFET具有导通电阻小、损耗低、驱动电路简单、热阻特性佳等优点,适合用于 PC、手机、移动电源、车载导航、电动交通工具、UPS 电源等电源控制领域。IHS预估,2022 年全球 MOSFET 市场规模接近 75 亿美元。

IGBT 是由双极型三极管 (BJT) 和 MOSFET 组成的复合式功率半导体器件,兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 BJT 的低导通电阻的优点。IGBT 驱动功率小,非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统,如新能源汽车、变频器、开关电源、照明电路、交流电机等,预估2020年全球IGBT市场空间达到60亿美元左右。

新基建的实施无疑将进一步强化MOSFET和IGBT的市场领先优势。杨钦耀指出,新能源汽车、轨道交通等多个领域加速崛起,将带动功率半导体器件产业迎来发展机遇。以新能源汽车为例,新能源汽车工作时电流范围在-100A到+150A之间,如此巨大的电流需要被电控单元精准控制,以实现汽车的制动,而当中最核心的零部件就是IGBT。有数据显示,新能源中汽车功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上,IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%。未来新能源汽车市场的快速增长,有望带动IGBT使用量的显著提升,从而有力推动IGBT市场的发展。

通信行业是功率半导体器件应用的另一大领域。华润微电子功率器件事业群总经理李虹指出,5G是新基建的核心,AI在5G基础上将得到快速发展,两者相辅相成,是未来最具潜力的增长领域。半导体产业尤其是功率半导体器件产业,既是技术驱动的产业,也是应用需求拉动的产业。5G建设所需的基站设备及其普及后带来物联网、云计算的快速发展,将对功率半导体器件产生长期大量需求。以5G的核心技术MassiveMIMO为例,它的广泛布署将大大提升对于MOSFET构成的射频器件需求。

第三代半导体具备发展潜力

从技术发展来看,随着硅基器件的趋近成本效益临界点,近年来主流功率半导体器件厂商纷纷围绕碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体材料进行探索。第三代半导体材料具备宽禁带、低功率损耗等特性,迅速在高压高频率等新场景下发展壮大,成为功率半导体器件领域未来的重要发展趋势之一。

不过,第三代半导体也存在着制造成本较高以及长期可靠性疑虑等问题,因此还需要更加广泛的推广应用,以降低成本、提高性能。而新基建的实施无疑对第三代半导体材料在功率器件当中扩大渗透率有着极大的帮助。对此,意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁沐杰励就指出,新基建对于SiC和GaN器件而言,是一个巨大的机会。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于可以降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC器件在直流充电桩及智能电网、工业用电等领域使用,可以带来高效率、大功率、高频率的优势。GaN器件也有其市场空间。GaN的优势在于其开关频率非常高。高开关频率意味着可以使用尺寸更小的无源元件。如果需要减小器件的外形尺寸,这时GaN将发挥重要作用。

以新能源汽车充电桩为例,沐杰励指出,充电桩建设已经成为新基建的一部分,车桩比及充电桩的有效分布会直接影响新能源汽车消费者的使用体验。随着新能源汽车使用率提高,消费者对方便、快速充电的需求也越来越高,因此需要扩大基础设施建设,增加充电站数量并提供更快的充电服务。先进的功率技术和新材料如SiC在新能源汽车中起着重要作用。车载充电器和逆变器正在推动半导体公司投资新的宽禁带半导体技术和新型IGBT,并研发新的功率封装解决方案,以最大限度地利用这种高端硅技术的优势。数据显示,2018-2025年SiC MOSFET在充电桩等工业领域预计将保持12%的平均增长速度。

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