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新基建來了,功率半導體器件火了

時間:2020-07-07 15:51:24

來源:中國電子網

作者:佚名

      6月29日,臺基股份表示將募資5.02億元,投建新型高功率半導體器件升級項目等;投資60億元的富能功率半導體器件項目6月建成,預計年底投片;華微電子8英寸功率半導體器件晶圓生產線項目第一期6月通線……在半導體領域,功率器件的總體表現一向以平穩著稱,然而近段時期產業熱度卻在迅速提高,相關投資擴建的消息不斷涌現。這種情況無疑與市場需求的增長密切相關。

      在新基建的激勵之下,市場對電力電子設備的需求越來越強烈。這為功率半導體器件行業的發展添了一把火。在此情況下,功率半導體器件將呈何種發展趨勢?

      新基建利好功率半導體器件

      功率半導體器件有電力電子的“CPU”之稱。本質上,它是利用半導體的單向導電性能,在電力電子設備中實現變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開關等電能轉換,達到對電能(功率) 的傳輸、處理、存儲和控制。

      隨著電力電子設備越來越普及,電器化、信息化、數字化越來越深入地影響著社會的發展。在此背景下,功率半導體器件所發揮的作用也就越來越巨大,特別是今年年初以來,我國大力推動新基建,這為功率半導體器件產業的發展又添了一把火。

      新基建本質上是信息數字化的基礎設施建設,這些設施都繞不開電力和電子設備的應用。根據中國工程院院士丁榮軍介紹,新基建主要包含信息、融合、創新三個方面的基礎設施建設。以5G、物聯網為代表的通信網絡基礎設施,以云計算、區塊鏈、數據中心為代表的數據基礎設施等,這些設施均為用電大戶,對用電的需求量和質量(供電電源穩定性、功率放大和能源利用效率)都有更高要求。這必然要依托于功率半導體器件作為底層技術。而在新基建關注的融合基礎設施涵蓋智能交通、智慧能源等領域,比如高速列車、城際列車和城市軌道交通等,功率半導體器件作為電能轉換的關鍵核心部件,能夠大幅度提升電能轉換和傳輸過程效率,降低能源的消耗。在重大科技基礎設施、科教基礎設施、產業技術創新基礎設施等,功率半導體器件技術支撐著眾多產業發展的基礎與共性核心技術。可以說,功率半導體器件是新基建部署和實施的底層保障和基礎支撐。

      比亞迪功率器件總經理楊欽耀也指出,功率半導體器件廣泛應用于新基建的各個領域,尤其在特高壓、新能源汽車充電樁、軌道交通及工業互聯網方面起到核心支撐作用,在5G基建和大數據中心建設的電源模塊中是非常關鍵的元器件。

      正是由于功率半導體器件在5G基建、特高壓、新能源汽車充電樁、大數據中心等當中發揮著關鍵作用,功率半導體器件在這些領域有著廣泛的應用。隨著新基建的快速實施,功率半導體器件廠商將迎來巨大的成長機遇。

      根據IHS數據,2018年我國功率半導體器件市場規模138億美元。2021年我國功率半導體器件市場規模有望達到159億美元,年復合增長率4.83%,超過全球功率半導體器件的增長速度。中金公司研究部認為,在“新基建”以及進口替代推動下,預計2025年中國僅通信基站用電源類功率半導體器件市場將達到126億元。

      明星產品IGBT與MOSFET占比快速提升

      功率半導體器件經過60多年的發展,產品種類繁多,主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。其中,MOSFET和IGBT由于產品性能優越,近年來市場規模增長迅速,占比不斷提升。IC Insights 報告中指出,在各類功率半導體器件中,未來最看好的產品是 MOSFET 與 IGBT 模組。

      簡單來說,MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬與數字電路的場效應晶體管。MOSFET具有導通電阻小、損耗低、驅動電路簡單、熱阻特性佳等優點,適合用于 PC、手機、移動電源、車載導航、電動交通工具、UPS 電源等電源控制領域。IHS預估,2022 年全球 MOSFET 市場規模接近 75 億美元。

      IGBT 是由雙極型三極管 (BJT) 和 MOSFET 組成的復合式功率半導體器件,兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 BJT 的低導通電阻的優點。IGBT 驅動功率小,非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統,如新能源汽車、變頻器、開關電源、照明電路、交流電機等,預估2020年全球IGBT市場空間達到60億美元左右。

      新基建的實施無疑將進一步強化MOSFET和IGBT的市場領軍優勢。楊欽耀指出,新能源汽車、軌道交通等多個領域加速崛起,將帶動功率半導體器件產業迎來發展機遇。以新能源汽車為例,新能源汽車工作時電流范圍在-100A到+150A之間,如此巨大的電流需要被電控單元精準控制,以實現汽車的制動,而當中極核心的零部件就是IGBT。有數據顯示,新能源中汽車功率半導體器件的價值量約為傳統燃油車的5倍以上,IGBT約占新能源汽車電控系統成本的37%。未來新能源汽車市場的快速增長,有望帶動IGBT使用量的顯著提升,從而有力推動IGBT市場的發展。

      通信行業是功率半導體器件應用的另一大領域。華潤微電子功率器件事業群總經理李虹指出,5G是新基建的核心,AI在5G基礎上將得到快速發展,兩者相輔相成,是未來非常具有潛力的增長領域。半導體產業尤其是功率半導體器件產業,既是技術驅動的產業,也是應用需求拉動的產業。5G建設所需的基站設備及其普及后帶來物聯網、云計算的快速發展,將對功率半導體器件產生長期大量需求。以5G的核心技術MassiveMIMO為例,它的廣泛布署將大大提升對于MOSFET構成的射頻器件需求。

      第三代半導體具備發展潛力

      從技術發展來看,隨著硅基器件的趨近成本效益臨界點,近年來主流功率半導體器件廠商紛紛圍繞碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等第三代半導體材料進行探索。第三代半導體材料具備寬禁帶、低功率損耗等特性,迅速在高壓高頻率等新場景下發展壯大,成為功率半導體器件領域未來的重要發展趨勢之一。

      不過,第三代半導體也存在著制造成本較高以及長期可靠性疑慮等問題,因此還需要更加廣泛的推廣應用,以降低成本、提高性能。而新基建的實施無疑對第三代半導體材料在功率器件當中擴大滲透率有著極大的幫助。對此,意法半導體亞太區功率分立和模擬產品器件部區域營銷和應用副總裁沐杰勵就指出,新基建對于SiC和GaN器件而言,是一個巨大的機會。SiC器件相對于Si器件的優勢之處在于可以降低能量損耗、更易實現小型化和更耐高溫。SiC器件在直流充電樁及智能電網、工業用電等領域使用,可以帶來高效率、大功率、高頻率的優勢。GaN器件也有其市場空間。GaN的優勢在于其開關頻率非常高。高開關頻率意味著可以使用尺寸更小的無源元件。如果需要減小器件的外形尺寸,這時GaN將發揮重要作用。

      以新能源汽車充電樁為例,沐杰勵指出,充電樁建設已經成為新基建的一部分,車樁比及充電樁的有效分布會直接影響新能源汽車消費者的使用體驗。隨著新能源汽車使用率提高,消費者對方便、快速充電的需求也越來越高,因此需要擴大基礎設施建設,增加充電站數量并提供更快的充電服務。先進的功率技術和新材料如SiC在新能源汽車中起著重要作用。車載充電器和逆變器正在推動半導體公司投資新的寬禁帶半導體技術和新型IGBT,并研發新的功率封裝解決方案,以極大限度地利用這種高端硅技術的優勢。數據顯示,2018-2025年SiC MOSFET在充電樁等工業領域預計將保持12%的平均增長速度。

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