华为全面进攻功率器件(MOSFET、IGBT等)

2021-03-31 10:26:14 70

近日,据知情人士透露,华为正在为公司的功率器件研发大肆招兵买马,其中包括IGBT、MOSFET、SiC、GaN等主流的功率器件,据说队伍目前已有数百人。华为自研功率器件已经不是什么秘密了,那么华为进行这些功率器件的研发,究竟是在下一盘怎么的大棋?内容转载自公众号【半导体行业观察】 ID:icbank  作者:杜芹DQ

 

为什么重视功率器件?

 
我们都知道华为做芯片很厉害,麒麟芯片已经媲美甚至超越高通苹果,但其实功率器件也是半导体很重要的一环。功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心,是实现电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件,主要包含二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等,但如二极管、晶闸管等技术相对较老逐渐被大厂抛弃。
 
尤其是随着功率半导体器件逐渐往高压、高频方向发展,传统的硅基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限,再加上第二代化合物半导体在成本,毒性上均不适合,国际大厂已经将产业未来聚焦到了第三代化合物半导体身上。可以说第三代半导体就是未来功率器件的发展方向。
 
全国两会近日刚落下帷幕,第三代半导体(GaN和SiC)再度成为两会的关键词之一。两会期间,全国政协委员王文银在采访中称,伴随着第三代半导体行业的触角向5G基站、特高压、城际高铁交通、新能源充电桩等关键领域延伸,我国半导体行业发展风口已至。
 
另据TrendForce集邦咨询的预期,2021年GaN通讯及功率器件营收分别为6.8亿和6,100万美元,年增30.8%及90.6%;SiC器件部分,预估2021年SiC器件于功率领域营收可达6.8亿美元,年增32%。中国是全球最大的功率器件消费国,国内功率器件整体自给率不足10%,国产替代空间巨大,尤其是高端器件方面。
 
让我们看看GaN有多热?据台媒今年2月份报道,台积电购买了GaN相关设备达16台,比既有的六寸厂内的6台增加2倍多,这相当于产能将增达逾万片左右,足见客户端下单的需求有多大。
 
而GaN供应商纳微半导体,也是台积电的大客户,于日前宣布,其出货量创下最新纪录,已向市场成功交付超过1300万颗GaN功率IC,实现产品零故障,反应了全球移动消费电子市场正加速采用GaN芯片,实现移动设备和相关设备的快速充电。
 
2020年2月在小米10发布会上,纳微GaNFast氮化镓功率芯片首次被小米65W氮化镓充电器采用,GaN开始进入人们视线。如今小米11即将带着新版的55W GaN快充推向市场,该充电器在小米11手机智能手机海外上市时,随机附赠。据Navitas首席执行官兼联合创始人Gene SHERIDAN表示,小米11标配的55W纳微GaNFast氮化镓充电器海外版拥有欧标的2-pin AC,这标志着主流一线智能手机厂商已开始采用氮化镓技术,也标志着行业开始淘汰旧的低速硅芯片。
 

IGBT和SiC两手都抓

 
关于IGBT和SiC,业界一直有个隐忧,随着IGBT渐逼硅材料的性能极限,第三代半导体材料 SiC 被看作是IGBT在未来电动车的新挑战者。但据业内人士分析到,“SiC就像一个聪明而又个性极强的少年,优点突出,缺点同样突出。IGBT更像一个持重而成熟的青年,可以扛起功率器件的重担。”所以鉴于两者的分工不同,华为在IGBT和SiC上双管齐下也是明智的选择。
 
华为最早传出要做的功率器件是IGBT。IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,而华为作为UPS电源的龙头企业,在全球数据中心占据第一的市场份额,所以IGBT是华为UPS电源的核心部件。
 
此外,作为国家战略性新兴产业,IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。随着新能源汽车、轨道交通及智能电网的发展,IGBT需求迎来大幅增长。功率器件是新能源汽车电控系统中最核心的电子器件之一,新能源汽车中功率器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上,尤其是IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%。
 
除了IGBT之外,据了解,华为也在研发SiC。这两年,由于SiC独有的优良特性,车厂陆续开始导入SiC器件。而关于华为在汽车上的布局早已路人皆知,华为不造车,聚焦ICT技术,帮助车企造好车。华为致力于成为面向智能网联汽车的增量部件供应商。研发IGBT和SiC也是华为做好汽车部件供应商的一个方向。
 
不过就目前来看,车用功率半导体器件中,仍以硅基IGBT为主,而SiC基MOSFET代表着未来,因为它性能更强,但目前推广的最大障碍就是高成本。然而,随着整车动力电池包越来越大、电机最大功率/峰值扭矩越来越高,SiC基MOSFET的优势就越显著。
 
SiC功率器件也在加速融入车载充电器领域,已有多家厂商推出了面向HEV/EV等电动汽车充电器的SiC功率器件。据Yole统计,这一市场在2023年之前可保持44%的增长速度。
 

功率SiC的长期演变(来源:Yole
 
在投资领域,华为旗下的哈勃科技投资有限公司去年投资了我国第三代半导体材料碳化硅龙头企业山东天岳先进材料科技有限公司,持股 10%。2020年7月,华为还投资了东微半导体,主要有高压GreenMOS系列、中低压SGTMOS系列、IGBT系列三大系列产品,广泛应用于快速充电器、充电桩应用、开关电源、直流电机驱动、光伏逆变器。
 

对GaN的谋划

 
根据Yole的预测,GaN将主要应用在消费电子、汽车电子、电信技术设施等。在氮化镓领域,GaN器件集成的主要趋势是系统级封装或片上系统解决方案。
 
其实,GaN功率器件主要销售给电子市场,对于消费市场来说,这是一个明显的技术趋势。比较典型的就是快充,快充头产品中主要包括两块核心部件,一是电源管理IC芯片,另一块是功率分立器件。快充的要求是功率密度和效率。所以企业就必须以这种外形尺寸真正压缩系统并降低每功率价格。
 

图2:功率GaN市场(来源:Yole)
 
随着GaN技术趋于成熟,GaN技术能够容许精简元件通过巧妙的设计实现更好的尺寸、重量等。此外,相比普通的硅基元件,GaN元件的切换速度要快10倍,还可以在更高的温度下运作。所以GaN在USB PD快充领域的应用已经非常普遍。
 
2020年4月8日,在华为2020春季新品发布上,华为发布了一款充电器单品——65W GaN(氮化镓)双口充电器。当时就有传言说是华为自研,但实际情况还有待考究。不过熟悉华为的供应链相关人士指出,华为在GaN领域已经布局颇深。
 
目前市面上已有多家厂商布局GaN快充,如Power Integration , Inc.、纳微半导体(Navitas)、英诺赛科(Innoscience)三大主要的供货商,国内除了华为海思,还有海特高新,海陆重工,苏州晶湛,江苏华功,重庆华润微,杭州士兰微等在内的多家公司均已积极布局第三代半导体。预计随着用户对便携性的需求提高,2025年全球GaN快充市场规模有望达600多亿元,同时加速GaN芯片在其他新兴领域对硅基产品的替代。
 
除了消费电子领域的快充,基于GaN的分立器件,也更适合于高功率应用,例如数据中心或基站电源。2020年6月,华为宣布将在英国建立光电子研发与制造基地。一期项目将聚焦光器件和光模块的研发、制造。通过集研发制造功能一体,以加速产品研发和商业化进程,更高效地将产品推向市场。光电子技术是光纤通信系统的一项关键技术,华为在英国的这项重大投资旨在推动相关技术应用于全球数据中心和网络基础设施。
 
说到光电子领域,GaN低功耗、高发光效率为LED及紫外激光器助力。基于GaN半导体的深紫外发光二极管(LED)是紫外消毒光源的主流发展方向,其光源体积小、效率高、寿命长,仅仅是拇指盖大小的芯片模组,就可以发出比汞灯还要强的紫外光。
 
在射频GaN领域,早在几年前,华为就已经在其4G LTE基站中采用了氮化镓功率放大器。然后,随着5G的到来,GaN具有越来越大的潜力,因为在高频下,与LDMOS相比,GaN的功率密度仍然非常出色,并且功率附加效率也随之提高。
 
据Yole的数据预测(如图2),数据中心采用GaN正在缓慢增长,Yole的技术与市场分析师Ezgi Dogmus说,这是因为缺乏监管,如果政府加强对数据中心实施严格的监管,以减少电力消耗,则GaN在数据中心的渗透率将会更高。随着高效率要求的提高,氮化镓确实比仍满足当前要求的硅起着重要的作用。
 
在汽车领域,随着汽车采用的元器件越来越多,GaN的作用也越来越凸显。2020年8月11日,在第十二届汽车蓝皮书论坛上,华为智能汽车解决方案BU总裁王军透露,华为目前正在研发激光雷达技术。而GaN晶体管的进步已被证明是开发高精密激光雷达系统不可或缺的一部分。
 
激光雷达系统从垂直腔面发射激光器(VCSEL)发出光脉冲,需要高功率的电气控制,其速度非常快,上升和下降时间也很短。这也是氮化镓使激光雷达系统受益的原因之一。氮化镓的开关速度比硅FET快得多,可以在大电流下实现短脉冲宽度。这一特性对激光雷达来说至关重要,因为较短的脉宽可以带来更高的分辨率,而高脉冲电流则可以让激光雷达系统看得更远。
 

国内功率半导体的整体情况

 
最后让我们系统的看看国内功率半导体,主要是IGBT、SiC以及GaN的产业链情况。
 
首先让我们看向整个IGBT产业链,国内的IGBT在芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局,但却仅处于初步阶段,尤其是晶圆制造、背板减薄和封装工艺是IGBT制造技术的主要难点,这方面与国外差距较大。

国内的IGBT整个产业链梳理(制表:半导体行业观察)
 
而在整个SiC领域,在SiC衬底和外延方面,国内仍然是以4英寸为主,已开发出6英寸产品并实现小批量供货。总体来看,与国外相比,国内碳化硅产业整个价值链的各个环节都有差距,可能整体水平差距在5年左右。国内SiC 二极管与国外最先进的水平相比较,大约差1代,落后大约2至3年,差距不算特别大,在可见的未来是完全可以追上的。但这还需要国内整个价值链上下游同时发力,才能取得进步。

国内的SiC整个产业链梳理(制表:半导体行业观察)
 
根据RESEARCH AND MARKETS发布的“氮化镓半导体器件市场2023年全球预测”称,氮化镓器件市场预计将从2016年的165亿美元,增长至2023年的224.7亿美元,年复合增长率为4.51%。GaN产业链包括上游的材料(衬底和外延)、中游的器件和模组、下游的系统和应用。在国内GaN逐步扩大的市场带动下,上、中、下游各环节均开始出现大批厂商。

国内的GaN整个产业链梳理(制表:半导体行业观察)
 

结语

 
总体来看,在目前的国际形势下,华为的海外业务受阻,新兴的汽车业务成为了华为寻求增长的一个突破口,在华为业务板块中的重要性越来越高。进军做功率器件,无论是IGBT、SiC还是GaN都是为其汽车零部件供应商的身份盖楼。再就是基于这些功率器件各自的优越特性为其自身的设备如基站电源、快充、光电子的研发等应用服务。
 

当下在第三代半导体功率器件领域,无论是国内外技术的发展水平,还是国家的重视度上,我们都处于很好的位置,国内多数专家也对我国第三代半导体的发展持积极态度,第三代半导体材料或许可以成为我们摆脱集成电路被动局面,实现芯片技术追赶和超车的良机。如华为这样有能力的企业就该一马当先,引领国内半导体崛起!


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