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。今年年初,英飞凌、意法半导体、恩智浦等国际半导体大厂均对今年功率半导体有着高景气的预期,2022 年全年产能已全部排满。
任何电能转换过程都需要功率半导体,没有它,几乎一切现代电子产品都将无法工作。但它并不像提供各种算力的 CPU、GPU、FPGA、ASIC 广受关注,往往只是作为配角出现[3]。这一领域技术迭代迅速,竞争激烈。
在本文中,你将了解到:功率半导体分类,功率半导体技术细节,功率半导体发展历史,功率半导体市场,国产功率半导体的布局情况。
功率半导体器件(Power Electronic Device)又被称为电力电子器件或功率电子器件,是实现电能变换或控制的电子器件。
按功率处理能力,功率半导体分为低压小功率半导体器件、率半导体器件、大功率半导体器件和高压特大功率半导体器件[5],按照不同等级功率半导体器件广泛应用在计算机、家电、消费电子、汽车电子、工业控制、新能源、轨道交通、电力设施(发电、变电、送电)等方面。[6]
随着电动汽车的推广普及、绿色能源的使用以及地铁、动车等现代交通工具的建设,市场对高性能功率半导体器件的开发需求愈发强烈。产品包括功率半导体防护器件、高端功率半导体整流器件、光电混合集成电路、新型电力半导体器件等广泛应用于消费电子、工业制造、电力输配、新能源等重点领域。[7]
功率半导体器件通常有三类产品形式:功率半导体分立器件(Power Discrete)、功率模块(Power Module,业界也将这一部分与分立器件合称为功率器件)、功率半导体集成电路(Power Integrated Circuit,即功率 IC)。
是构成功率半导体集成电路和智能功率模块的基础器件,是具有单一功能的电路基本元件,并且其本身在功能上不能再拆分的半导体器件。[9]
分立器件加工工艺包括光刻、刻蚀、离子注入、扩散退火、成膜等流程,经过加工在半导体材料上形成 PN 结,不同结构和掺杂浓度 PN 结进行组合都会影响分立器件的参数特性。
分立器件包括二极管、晶闸管、晶体管三类器件,其中晶体管分为双极性结型晶体管(BJT,常称为晶体三极管)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
不可控指导通和关断都不可由控制信号控制,半控指可以控制导通但不可控制关断,全控指导通和关断都可控制。
是一种混合集成电路,由多个分立器件按一定功能组合模块化封装而成,如 IGBT 模块。功率模块已经历三次迭代发展,目前的产品已采用更先进的 IC 驱动、封装技术以及更多的保护技术。[11]
指将在分立器件或功率模块制造工艺基础上,通过复杂的隔离与互连工艺将各种器件(如二极管、三极管和场效应晶体管等)集成在一个半导体芯片上形成的复杂电路。功率 IC 是模拟 IC 的一个子赛道。
用于制备功率集成电路的制造技术称之为功率集成技术,功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性。[12]
功率 IC 包括线性稳压器、开关稳压器、开关 IC、电压基准、功率管理 IC 五个大类。这些 IC 能够实现将电池或电源提供的固定电压升压、降压、稳压或电压反向处理,负责设备电能的变换、分配和检测。
虽然不同类型器件在功能、性能、成本等方面差异巨大,对比形式均有所不同,但一般都会使用功率密度(每单位体积功率)和功耗衡量器件性能,同时还会关注工作电压、电流密度、反向恢复时间、最高结温、通态电阻、反向漏电流、静态电流、总栅电荷等具体参数。
在时代冲刷下,许多功率半导体产品都逐渐淘汰,只有综合评估表现良好的器件成为了市场最终的宠儿。纵观这一历史,发展呈现两种趋势:一种是向实现更高的电压和更低的损耗方向发展,即在分立器件上进化;另一种是向小型复合化、高集成、高密度发展,即模块化和集成电路化,但这也要仰赖构成模块或电路的“基础单位”分立器件[6]。因此,一切都指向了分立器件。
一开始,功率半导体分立器件是从结构上进化的:第一阶段以二极管为代表,第二阶段出现以晶闸管为代表的半控型器件,第三阶段诞生了以 MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)和 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为代表的全控型器件。
而后,器件结构已基本明朗,大多情况下都是围绕这几种结构进行优化改良。虽然制程也会影响功率半导体的性能,但它属于特色工艺(More than Moore)范畴。与逻辑电路和存储芯片相反,工艺节点的进步并不能直接为分立器件、模拟电路等带来效率显著提升和成本显著下降[13],而是需要通过器件结构、加工工艺、应用环境提升器件价值和性能。[14]
相比动辄使用 7nm、5nm 等先进制程的逻辑 IC,功率半导体分立器件及功率 IC 技术实现难度会低很多。目前国际意法半导体(ST)最先进的 BCD 工艺也只到 65nm,国内士兰微总投资 170 亿元建设的两条 12 英寸 90~65nm 特色工艺芯片生产线便已处于先进水平,许多器件只需要 0.15~0.35μm 的工艺即可满足性能要求。[15]
当然,虽然造出功率半导体相对简单,但并不是说它毫无技术含量,这种情况下反而对技术优化、集成调整及功能等要求更高。
因此,在器件改良以外,业界瞄向了器件的根本 —— 材料。改变材料能够显著提升全性能指标,其中宽禁带半导体材料是非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成器件的材料。禁带宽度是半导体材料一个重要特性参数,参数越大意味着电子跃迁到导带所需能量越大,材料能承受的温度和电压也会越高。[16]
根据半导体材料的能带结构不同,可将半导体材料分为窄禁带和宽禁带两种,2.3eV 带隙宽度是区分宽窄的重要指标。窄带隙半导体代表性材料有第一代半导体材料 Si(硅)、Ge(锗)和第二代半导体材料 GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟),大于或等于 2.3eV 的宽带隙半导体代表性材料有第三代半导体材料 GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)[18]和研究中的半导体材料氮化铝(AlN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)等。
需强调的是,新生的半导体材料在现阶段不会完全取代之前代际的材料,均是对硅材料的一种重要补充。[19]
SiC 和 GaN 是宽禁带半导体材料发展比较成熟的材料,自 2001 年以来,SiC 二极管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等宽禁带的第三代半导体产品相继开发成功并量产[21]。但彼时使用新材料的性价比较低,在长达十余年里一直被冠以价格高昂的帽子,而后经过多年研发,器件成本逐渐下降、晶圆产能逐渐丰富,两种材料在 TCO(总拥有成本)上优势逐渐凸显,这一赛道开始爆发,前景广阔。
GaN 和 SiC 瞄准的领域各有不同,业界的普遍认为 GaN 功率半导体瞄准的耐压区域比 SiC 功率半导体低几十伏至六百伏[10],目前来说 GaN 主要应用在通信射频、电力电子、LED 三大场景,SiC 主要应用在电力电子和通信射频两大领域。[22]
SiC 和 GaN 是功率半导体行业的“福音”,几乎所有巨头都会掺上一脚。德州仪器(TI)向笔者解释,相比传统的硅器件,宽禁带器件无疑是实现更高效率和更高功率密度方案的重要选择,作为全球领先的半导体公司也从 2010 年开始布局。
IDM 模式(Integrated Device Manufacture),即一体化模式,通过产业链的延伸与上下游整合,一家公司扛起造芯片的所有步骤;
Fabless 模式(特指垂直分工模式中设计一环),即企业自身没有晶圆生产线,仅进行芯片设计,最终生产通过定制化采购和代工完成。
由于功率半导体不依赖先进制程,更侧重于打造特色平台,并在工艺上精益求精,因此决定了功率半导体厂商在建厂和购买设备上投入相对小,因此从国际到国内大部分公司为 IDM 模式。目前全球功率半导体公司分为三个梯队,第一梯队为国际领先的大型半导体公司,第二梯队为国内技术突破公司,第三梯队为一些分立器件封装企业。[23]
功率半导体拥有技术密集型属性,对芯片设计、工艺流片、封装测试、可靠性测试等环节衔接及质量要求高,且研发周期长、研发投入大,从设计至规模化投放往往需要两年以上。与此同时,对技术储备和人才储备要求高。为推出比国内外竞品更先进、更具竞争力的技术和产品,要精准把握行业发展趋势,同时还要承担产品升级迭代失败的风险。[24]
相对来说,功率半导体是能滚雪球的赛道,持续精进便可占据一席之地[25]。据半导体风向标分析,功率半导体行业波动符合大宗商品走势规律,4~5 年的行业波动非常吻合半导体周期规律,产品与全球 GDP 走势密切相关。[26]
现在,全世界很多半导体企业都在斥巨资研发和生产功率半导体。国际上德州仪器(TI)、亚德诺半导体(ADI)、英飞凌(Infineon)、意法半导体(ST)、东芝(Toshiba)、瑞萨电子(Renesas)、罗姆(Rohm)等企业都在为夺取功率半导体的市场霸权而卯足了劲。
从数据来。
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