解析未來五年SiC/GaN市場應用態勢

作者 : 李晉,國際電子商情(ESMC)

在終端需求大幅增加的情況下,IGBT、MOSFET、SiC、GaN元件的市場機遇有多少?

據IHS Markit預測,2021年全球功率半導體市場規模將達441億美元,年化增速為4.1%。其中,中國市場預計約159億美元,佔全球市場的36.1%。功率半導體在超高壓輸電、大資料中心、工業網際網路、城際高鐵,以及新能源車和充電樁等產業被採用。

在終端需求大幅增加的情況下,IGBT、MOSFET、SiC、GaN元件的市場機遇有多少?《國際電子商情》分析師與功率半導體產業從業者共同探討了全球功率元件的供應情況和市場趨勢。

IGBT、MOSFET仍是主流

IC Insights曾在報告中指出,在各類功率半導體元件中,其短期內最看好MOSFET與IGBT模組。實際上,業界一直對「未來不同功率半導體元件之間會出現『有你無我』,還是『互補共生』的競爭格局」持有不同的意見。

對此,英飛凌(Infineon)科技工業功率控制事業部市場總監陳子穎表示,矽基功率半導體的代表——IGBT技術,在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關損耗與導通飽和壓降降低相互制約,降低損耗和提升效率的空間越來越小,於是業界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術。

但這樣的看法不是很全面,他以英飛凌矽基IGBT為例介紹,伴隨著封裝技術的進步,IGBT元件的性能和功率密度越來越高。同時,針對不同的應用而開發的產品,可以做一些特別的最佳化處理,提高矽元件在系統中的表現,進而提升系統性能和性價比。所以,寬能隙半導體的發展進程必然與矽元件相伴而行。「除了技術發展之外,還有針對不同應用的大規模商業化價值因素的考量,期望寬能隙半導體元件能在所有應用場景中快速替代矽元件是不現實的。」

安森美AC-DC應用總監Ajay Hari的觀點是:長遠來看,SiC將戰勝IGBT。當然,在某些價格敏感型應用中,IGBT會被優先考慮,未來3~5年內,隨著SiC變得更有競爭力,它將搶佔原先被IGBT佔有的領域。「以電壓為參考標準,當電壓為650V時,SiC的性能會勝過GaN和SJ MOSFET。不過,與SiC和SJ MOSFET相比,GaN則是一種頻率更高的材料,因此,GaN更適用於消費及物聯網應用,比如USB PD (供電)和遊戲等產品中。而650V的SJ FET,則將被歸入更低利潤的應用;100V及以下的GaN和矽場效應電晶體,將在中壓應用中長期並存。」他說。

與矽相比,SiC是一種介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高的半導體材料。SiC元件在用於半導體元件中時,可提供高耐壓、高速開關和低導通電阻。東芝(Toshiba)電子元件(上海)半導體技術統括部/技術企劃部高級經理黃文源認為,SiC被視為功率元件的新一代材料,有助於降低能耗和縮小系統尺寸的元件的出現。

但SiC產業上下游供應商和各元件廠家仍待完善,這一過程將會持續相當長的時間。在這期間,矽和SiC元件將會互補共存,一部分對開關頻率、耐壓、功率損耗有較高要求,且成本相對寬鬆的產品,將會優先採用SiC元件,其他產品則會繼續採用矽元件。

德州儀器(TI)車用GaN高壓電源部門產品行銷工程師Alex Zahabizadeh表示,「互補共生」是描述功率半導體元件未來競爭特點的一個很好的詞,在汽車市場上可以找到一次側(變壓器或互感器的輸入端側)使用GaN和二次側(變壓器或互感器的輸出端側)使用IGBT的高壓至低壓DC/DC轉換器。「GaN的優勢可在需要更高效率和更小尺寸的設計中得到最大程度的發揮。隨著電動車的發展,我們將GaN視為車載充電器和DC/DC轉換器的理想解決方案。」

 

圖1:電力技術定標。

(來源:TI)

 

「在600V~1,700V電壓應用領域中,與矽MOSFET和IGBT相比,SiC MOSFET具有更大的性能優勢。隨著半導體公司不斷新建SiC製造產線,SiC功率元件的價格會持續下降,但矽技術也會更加成熟,SiC元件與矽元件會長期存在價格差。當然,市場對SiC MOSFET的高需求將促使用戶接受這種價格差。」Cissoid技術長Pierre Delatte稱,透過系統級的性能和成本收益,來證明向SiC元件過渡是合理的。傳導和開關損耗的降低、卓越的熱性能,將促使SiC技術逐漸替代矽技術,SiC將在電池效率和重量/體積至關重要的應用中發揮作用。」

當前SiC基板晶片的成本是同尺寸矽基板晶片成本的4~5倍,預計未來3~5年內,SiC基板晶片的價格會逐漸降到矽的2倍左右。在這個過程中,短期內SiC元件產能和供貨吃緊可能在所難免。在《國際電子商情》分析師看來,無論是SiC還是GaN,雖然在很多應用場景中,它們擁有更優越的性能,但是在大規模商用化路徑上,它們還面臨一些制約因素的困擾。

寬能隙半導體商用的瓶頸

隨著矽基元件趨近成本效益臨界點,主流功率半導體元件廠商紛紛圍繞寬能隙半導體材料進行探索。市面上也出現一種聲音稱,寬能隙半導體將全面取代矽元件,不過這種情況在短期內不會出現。

從英飛凌SiC元件的發展史,可以看出SiC技術的發展歷程和趨勢。陳子穎說:「我們深知平面閘的可靠性問題,在溝槽閘沒有開發完成之前,透過SiC JFET這一過渡產品,協助客戶快速進入SiC應用領域。從技術發展趨勢來看,SiC MOSFET比IGBT更迫切地需要轉向溝槽閘,除了功率密度方面的考量之外,更注重可靠性問題。」

「進入到21世紀的第三個十年,寬能隙半導體產業格局已經發生了巨大的變化——SiC產業正在加速垂直整合,而GaN產業形成了IDM,以及設計公司和晶圓代工廠合作並存的模式。」英飛凌科技電源與感測系統事業部大中華區應用市場總監程文濤說,「當然,寬能隙半導體的產業發展時間相對較短,在標準化、成熟度等方面還有很長的路要走,尤其是在品質與長期可靠性方面,還有大量的研究和驗證工作要做。」

為了不錯過每一個技術落地的可能性,有實力的企業往往會走多種技術並駕齊驅的道路。英飛凌、安森美(onsemi)、東芝等企業擁有矽、GaN、SiC三種主要的功率技術,它們可以完全做到以客戶需求為導向。對這類公司而言,在不同階段平衡對不同功率元件的投入,是一個非常重要的工作。

英飛凌科技汽車電子事業部大中華區資深總監、動力與新能源系統業務單元負責人仲小龍表示,除了享譽新能源車市場的IGBT產品之外,英飛凌還在第三代功率半導體領域科學佈局、積極擴充產品線,客戶能根據需求選擇最適合的元件,打造自己的系統。

程文濤補充說,在業界追求更高能效、節能減排的道路上,如果要繼續以現有的速度發展,SiC和GaN等寬能隙材料是最有希望接力矽元件的革新技術。

今年8月25日,安森美宣佈將以4.15億美元現金收購SiC生產商GT Advanced Technologies (GTAT)。安森美電源配置部應用工程主任工程師Jon Harper介紹,這筆交易是為了支援客戶對SiC元件的需求。預計到2028年,電動車銷量將佔到汽車銷量的50%,SiC是電動車非常重要的材料之一,為了確保市場上有足夠的SiC產能,安森美將加速對SiC產品的開發。他還補充,SiC和GaN是互補的技術,安森美對它們持樂觀態度。SiC適用於650V、900V和1,200V的大電流應用,GaN適合於650V以下的高開關頻率應用。

東芝的SiC功率元件主要用於列車逆變器,未來可望應用在太陽能發電系統和電源管理系統中,不過,SiC元件的壽命和市場成長,一直受產品可靠性問題的阻礙。黃文源解釋,「當電流流過功率MOSFET源極和汲極之間的PN二極體時,會放大其晶體缺陷、增加導通電阻,並降低元件的可靠性。為此,東芝開發了一種新型的元件結構,即蕭特基勢壘二極體(SBD)內嵌式MOSFET,透過在MOSFET中放置一個與PN二極體並聯的SBD,以防止PN結二極體運作,保證更低的通態電壓,可抑制導通電阻的變化。」

GaN功率元件是實現系統高效化、小型化的候選元件,主要用於智慧型手機和電腦的快速充電器上,未來可望應用在工業設備和伺服器的電源中。用於功率變換的GaN電晶體,可分為共源共閘和p-GaN閘極兩種類型,後者使用p-GaN閘極使GaN HEMT保持常關狀態。東芝的新型GaN共源共閘元件比p-GaN閘極常關型HEMT元件具有更高的閾值電壓,不易受雜訊的影響,也無需特定的驅動器IC。

Zahabizadeh的觀點聚焦於GaN的商用瓶頸上,制約GaN大規模商用的瓶頸包含設計經驗、開發和學習時間,以及不斷變化的市場需求。「許多工程師只在新聞報導或新品宣傳中聽說過GaN,但缺乏使用它進行設計的經驗。TI提供了許多評估套件來測試GaN的性能,以協助客戶首次開始應用GaN的產品進行設計。」

Delatte則認為,產能是限制SiC商用的瓶頸,如今SiC元件的交期普遍超過6個月。雖然隨著新工廠的增加,供應緊張的情況會有所改善,但與此同時,需求將會蓬勃發展,尤其是電動汽車產業的需求。在價格與需求實現平衡匹配之前,仍可預期市場會有好幾年的動盪。

SiC和GaN商用的另一個障礙是「設計新電源轉換器的學習曲線」。這些新的快速開關電晶體,為電源模組的設計、關鍵元件都帶來了新挑戰。Cissoid推出了三相SiC智慧電源模組(IPM)平台,憑藉電源模組和閘極驅動器的協同設計,調整dV/dt和控制快速開關固有的電壓過衝,針對最低開關能量進行最佳化。

SiC技術已在GaN前面了嗎?

以中國市場為例,中國已實現4吋SiC基板量產,完成了6吋SiC基板的研發。但GaN的製備技術有待提升,目前僅可小批量生產2吋GaN基板,具備4吋GaN基板的生產能力。在一些受訪者們看來,由於兩者適用於不同的應用場景,不能以競爭關係來看待,但另一些受訪者贊同SiC的商用程度已經超過了GaN。

黃文源表示,雖然SiC和GaN都有耐高壓、導通電阻小、寄生參數小等優勢,但它們也存在著不同的特性。比如GaN的寄生參數極小、開關速度極高,適合高頻應用。而SiC MOSFET的易驅動特性,使其適用於高性能開關電源,能提升開關電源的效率、功率密度等。從市場應用狀況來看,GaN和SiC都有具體的應用在推進,而SiC技術似乎略微領先。可以肯定的是GaN和SiC都是不可或缺的好技術,但可能在應用領域上會有些許差異,應用系統需要較高頻率的場合可能GaN更好,較高工作環境溫度的場合使用SiC比較合適。

「GaN和SiC都在逐步向6吋和8吋晶圓發展,以幫助降低成本和提高產能,很難去判定兩種技術中哪種技術更領先。」Zahabizadeh補充:「我們既可提供為SiC場效應設計的閘極驅動器,也在持續推進矽基GaN的設計並將具有競爭力的產品推向市場。」據瞭解,TI利用自有工廠在矽基GaN基板上生產GaN元件,這幫助該公司能夠複用現有的矽工具,且更具供應鏈優勢。

Zahabizadeh相信,未來的電動車將同時利用GaN和SiC技術——GaN主要用於交流/直流車載充電器和高壓直流/直流轉換器,SiC則主要用於汽車牽引逆變器和壓縮機。尤其是在600V~1,700V應用電壓和高電流方面,SiC技術比GaN更成熟。

如果僅看細分市場的商用產量,可以看到GaN在消費類快充市場已經起量。中信證券的市場分析資料指出,2025年GaN快充市場將上升至638億元,2021~2025年內的CAGR高達94%。此外,新冠疫情爆發過後,全球5G基地台建設需求加速回補,刺激射頻GaN和電源GaN的應用普及。隨著消費電子和5G基礎建設的帶動,GaN產品的成本下降,應用場景將進一步擴大到新能源車、光達(LiDAR)、資料中心等領域。

此外,SiC在汽車電子領域也得到較好的應用。據IHS Markit的預測,預計到2027年SiC功率元件的市場規模將超過100億美元,2018~2027年期間的年複合成長率近40%。其中,新能源車市場是最主要的驅動力。

功率半導體未來五年的趨勢

據業界人士指出,由於功率半導體主要依賴於8吋晶圓製造產能,再加上電動車出貨的持續成長,對於功率半導體元件的需求激增,導致出現了明顯的缺貨、漲價。英飛凌受訪人表示,當前的需求繼續保持極高的水準,並大大超過了供給,預期短缺狀況將持續到2022年。作為結構性驅動因素,能源轉型和數位化正在繼續產生不間斷的強勁需求,和以前一樣,全球供應鏈仍然處於緊張狀態。同時,半導體庫存處於歷史低位,許多應用和大多數終端市場都遇到了交付瓶頸,且全球新冠疫情尚未被克服,將繼續成為一個不確定因素。

程文濤稱,從功率元件需求來看,未來成長強勁的領域包括:新能源車及其配套產業、巨量資料(資料中心)、通訊基礎設施、太陽能發電、智慧電網、工業設備、智慧家庭等。英飛凌憑藉規模效應,加之多年的技術積累和持續投入,將會繼續引領功率半導體的技術發展方向。

今年8月初,安森美高調宣佈改名。Hari說:「我們確定了『智慧電源』和『智慧感知』方面的成長領域。『電源』和『感知』是一個成功的組合,它們共同推動了工業和汽車市場的大規模顛覆。氣候和可持續性是電氣化和電源能效的主要需求驅動力,高能效的電力生產、分配和消費將是未來的關鍵。」

Harper援引國際能源署(IEA)的預測表態說,電動車的強勁成長是推動半導體市場的因素,太陽能逆變器和能源儲存也在持續成長,而這是在互連設備、資料中心、工業自動化和自動駕駛車需求之外。在這個強勁的成長期,重要的是把半導體市場,甚至是電子元件市場作為一個整體來考慮,一個領域的短缺將減少其他領域的需求。預計SiC和GaN市場將出現強勁,但有高波動性的成長。

安森美受訪人還預測了未來功率半導體元件的趨勢。「電動車及其車載充電器和其他車載電源系統,將成為功率半導體的廣泛用戶;由儲存在儲能系統中的太陽能和風能支援的電動車充電基礎設施將由電動車的強勁成長所推動;機器學習、雲端運算和線上服務需求帶來的資料中心成長,將推動這些資料中心使用更可靠的不斷電供應系統(UPS)和基於GaN的電源分配的電源板。」

Delatte說,當今電力電子元件的交期通常超過6個月,而某些元件的交期甚至可接近1年。隨著燃油汽車向電動汽車的過渡,據Strategy Analytics的統計資料,早在2019年純電動車中的功率元件含量已經達到了55%。當然,向SiC和 GaN技術的過渡也將繼續,甚至加速。對更高功率密度元件的需求,將推動功率元件能夠承受更高的結溫,且封裝技術在高溫下更加可靠。這也會影響電源轉換器中使用的所有元件,包括閘極驅動器、直流匯流排電容、感測器等。

TI相信,在未來的10~20年裡,GaN將會得到更廣泛的應用。Zahabizadeh說:「如今,使用GaN的伺服器、電腦和工業電源已投入使用,5年後它將取得更廣泛的商業應用。而GaN在機器人和馬達驅動器等其他工業市場,也會在同期被更廣泛地投入商業市場之中,比如用於車載充電器和高壓直流轉換器中。」

本文原刊登於國際電子商情網站

 

 

 

 

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