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全球第三代半导体厂家解析

发布时间:2022-06-08作者来源:钟林浏览:583


氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)在国内一直被行业和投资人所关注,也对以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体有着很高的热情和期待。

 

最近,笔者查阅国外相关报道对全球第三代半导体部分主要厂家进行了分析和总结:

 

1、碳化硅市场的竞争正在加剧,多家供应商对市场规模超过当前中期预期表示乐观。


2、Soitec对其SmartSic基板和GaN-on-SOI(绝缘体上硅)产品的基板客户吸引力仍然充满信心,认为GaN-on-SOI的潜在商业化可能会为市场和投资者提供额外的选择机会。


3、英飞凌采用ColdSplit技术。从分析来看,英飞凌不太可能采用Soitec的SmartSic基板。但Soitec仍然认为SmartSic基板在未来有着重大机遇。


4、GaN功率器件的交付周期较短(与硅功率器件相比)和创新的营销策略(GaN功率产品的20年保修期)可能会加速GaN功率器件市场的增长。行业看好英飞凌(Infineon)、意法半导体(STMicroelectronics)和Soitec(Soitec)。

 

Infineon Technologies


碳化硅

1、英飞凌的碳化硅业务最近在工业终端市场上赢得广泛基础。2017财年,87%的design win来自太阳能逆变器。2021与2017财年相比,碳化硅业务增加了5倍,碳化硅的应用也变得多样化。英飞凌在2025年将从SiC器件获得10亿美元的收入。

 

2、英飞凌SiC产品与竞品的主要区别因素有:

  • 能够在未来大规模扩展和交付/承诺量产

  • 英飞凌沟槽SiC MOSFET的高性能(低开关损耗、更小的芯片尺寸/更大的功率密度、低导通电阻、更好的尖峰保护)

  • 有能力提供驱动IC 和完整的封装/系统专有技术– mgmt。其Easy 模块中有50%以上是定制产品。在功率模块客户方面,英飞凌能够提供与硅基模块相同的SiC模块,能为客户带来多种优势,帮助客户加速上市时间。

 

3、英飞凌的SiC产品仍处于第一代,但它刚刚推出了升级版。第二代产品(Cell设计小25-30%)正处于验证阶段,英飞凌预计,基于第二代SiC MOSFET的产品将于今年年底在汽车市场推出。

 

4、在高压应用中,虽然碳化硅有望随着时间的推移从硅基产品中抢得份额,但许多产品将在未来多年内继续使用硅基IGBT。例如,Infineon提到电机驱动和高压DC-DC。在这些使用案例中,由于与成本、低开关频率和长设计周期相关的原因,预计对IGBT的需求将保持不变。

 

5、英飞凌的SiC收入增长预计将由汽车终端市场带动,其次是工业终端市场。

 

英飞凌的ColdSplit与Soitec的SmartCut的相对优势:

1、英飞凌指出,尚未对Soitec的SmartSiC基板进行全面评估,因此无法对SmartSiC的优点发表评论。英飞凌电力产品中的硅芯片目前厚度低于50微米。

 

2,对于1.7KV应用,SiC模具只需要20微米的厚度,对于3.4KV应用,则需要c30微米的厚度。英飞凌采用ColdSplit技术的最终目标是将SiC芯片厚度从c350微米的起始晶圆厚度提升到50微米以下。目前英飞凌还没有达到这个目标厚度。

 

3、如果Infineon成功,这意味着Infineon的SiC芯片在使用ColdSplit技术分裂后的电阻率可能明显低于未使用ColdSplit技术分裂的SiC晶片制造的电阻率。

 

4、此外,英飞凌注意到,最终SiC器件的电阻率仅在很小程度上取决于基板的电阻率(1200v SiC MOSFET的单位百分比影响)——主要驱动因素往往是Infineon内部所做外延层的电阻率,这是Infineon SiC解决方案与竞争者的关键区别因素。

 

5、单晶硅碳化硅的电导率约为20mOhm.cm,假设为5mOhm.cm电导率,使用SmartSiC基板生产的SiC MOSFET的电阻率的最终影响可能与使用厚度<50微米的SiC Die生产的SiC MOSFET没有实质性区别(冷裂技术后处理)。Soitec的SmartSiC基板的价格不会低于传统SiC基板。

 

6、行业认为Soitec将其smartSiC基板出售给英飞凌以外的SiC器件厂商会是一个巨大的机会。

 

氮化镓

1、目前,GaN产品的收入很低,但英飞凌有着强大的design-in funnel,并专注于增加销量。英飞凌的内部制造(包括外延步骤)有望提供竞争优势。

 

2、英飞凌在GaN的产品组合将解决高达650V的额定电压问题。英飞凌预计,GaN在低压应用中的机会比在高压应用中的机会更大。

 

3、GaN产品包括集成电源系统,该系统具有与GaN电源开关相结合的驱动器。英飞凌也在研究单片集成驱动芯片,但指出单片集成产品可能只针对利基市场。此外,整体集成产品可能需要更大的模具,因此可能会导致较低的产量。

 

Soitec


碳化硅和氮化镓

1、近几个月来,Soitec从其SiC原型中看到了有希望的结果,在其200毫米SiC基板从试验线研究成功后,对其SiC产品线的信心增加,并且对其多晶硅碳化硅供应链也变得更加自信。

 

2、Soitec正在就其SmartSiC基板的商业化与客户进行深入讨论,并对客户吸引力充满信心。外界的观点是,Soitec管理层可能会在6月份的2022财年业绩更新中提供其SiC产品的最新情况。

 

3、Soitec指出,其单晶硅碳化硅可从多家供应商处采购,并正在就确保供应进行讨论。还打算拥有多家多晶硅碳化硅供应商。

 

4、在GaN方面,Soitec管理层注意到,当芯片的电源部分与输入/输出和逻辑/MCU部分进行单片集成时,硅上GaN制成的器件存在与隔离相关的问题。为了解决这个问题,Soitec正在将GaN-on-SOI视为一种潜在的解决方案,但也强调了Soitec尚未在实践中证明这种解决方案。虽然Soitec并没有为在SOI器件上生产GaN的基板提供具体的时间表,但他们指出,这可能需要2到4年的时间。

 

5、长期来看,Soitec打算使用SmartCut生产GaN器件的基板。作为该产品的一部分,Soitec可能希望通过优化基板来获得竞争优势,以降低电阻率,并更好地散热GaN器件。这不是当前的解决方案,Soitec目前正在研究开发具有上述特征的解决方案。

 

Power Integrations


氮化镓

1、PowerIntegrations一直在销售GaN Power产品,作为其Innoswitch产品线的一部分,该产品集成了驱动IC和电源开关。虽然GaN的收入贡献很小,但Power Integrations是GaN功率开关市场的领导者。目前,与GaN相关的收入主要由移动快速充电器市场推动。

 

2、GaN在30瓦以上的开关应用中具有成本效益,随着时间的推移,GaN将从硅开关产品市场中取得更多的份额。然而,考虑到采用硅基开关产品所设计产品的长周期性,硅产品将继续销售多年。

 

碳化硅

1、在Innoswitch产品线内,Power Integrations将使用碳化硅开关,具体取决于使用情况(例如,在电动汽车中)。该公司最近宣布了一款基于1700v SiC MOSFET的Innoswitch产品,用于汽车应用中的DC-DC电源。该产品已被设计进入到主要的汽车OEM厂商,用于牵引逆变器内的紧急开关应用。

 

2、电动汽车制造商愿意为碳化硅支付更高的价格,部分原因是与有利于减轻重量相关。这些更轻的重量优势在电动客车/卡车中并不显著,因此,电动客车/卡车中采用SiC的速度较慢。

 

3、Power Integrations最近推出了一种性能非常接近SiC二极管的硅二极管。这些二极管比SiC二极管便宜,将用于电动汽车的车载充电器,每辆电动车用量10-15美元不等。

 

近期供需及其他:

1、Power Integrations倾向于在高压市场销售更多的门驱动器IC。比如在商用卡车应用中。

 

2、  Power Integrations尚未发现其晶圆代工伙伴(包括GaN产品)的任何材料限制,并正在继续增加产能。

 

3、  当前的定价环境是有利的,因此,Power Integrations不会给客户任何降价。这意味着晶圆制造的改进已经贯穿到盈利能力指标。

 

4、  Power Integrations并不认为Android手机的库存特别高,但也指出,由于中国经济疲软、通货膨胀和停产,中国的需求已经减弱。另外还指出,中国智能手机厂商在俄罗斯有大量业务,这也影响了需求。

 

5、  Cypress在USB-PD市场的解决方案主要在接收端,而Power Integrations的USB-PD解决方案主要在充电器端。Cypress在USB-PD市场的许多design wins都是由笔记本市场推动的。移动手机市场尚未在数量上转向USB-PD市场。

   

6、  Power Integrations认为其高压GaN产品具有技术优势。这一点,再加上系统专长(而不是生产分立功率器件),将有助于Power Integrations保持其在GaN市场的领先地位。

 

Efficient power conversion corporation(EPC)


1、EPC的重点是用于低压应用的GaN器件,特别是48V。EPC打算成为48伏GaN应用的领导者。

 

2、EPC认为,目前有四个关键应用对推动增长非常重要。其中包括:

  • 用于自动驾驶汽车和更普遍的机器视觉的激光雷达应用——激光雷达应用需要非常尖锐的光脉冲,而这反过来又需要非常高且窄的电流脉冲。这些要求对GaN有利。Luminar、Septon、Velodyne、Ouster、Aptiv 、Valeo 正在将EPC的GaN器件用于激光雷达应用。

  • GaN的小尺寸在企业计算机应用方面有优势

  • 空间/卫星应用提供优势——GaN器件比基于硅的器件更能抵抗辐射。因此,GaN开关越来越多地用于卫星/空间应用。

  • 电机驱动

 

3、EPC在供应方面没有任何问题,目前正在努力在年底启用第二个晶圆厂(能力为200毫米)。转移到200mm GaN晶片并不一定会带来显著的成本优势,因为外延层在200mm晶片上比在150mm晶片上更难生长,外延是生产过程中最昂贵的步骤之一。

 

4、在许多应用中,GaN解决方案比硅基解决方案便宜,因为GaN芯片的尺寸比硅基解决方案小得多。在650V以下,GaN很可能会在许多开关应用中取代硅。

 

5、混合动力汽车的功率在2-8千瓦之间。在这些功率水平下,12伏的布线往往非常僵硬,因此,很难制作相关线束。因此,汽车制造商正在转向使用48伏电压。EPC的GaN产品专注于此电压水平。

 

Navitas


1、Navitas是最大的GaN器件公司,迄今已售出5000万片GaN芯片。Navitas的重点是高压领域。前十大手机设备制造商中有9家使用Navitas的GaN IC,Navitas是智能手机充电器的第一大GaN供应商。Navitas的GaN芯片用于170种充电器型号中,还有更多型号正在开发中。

 

2、Navitas打算进军更高端的电力市场,解决电动汽车等应用问题车载充电器、太阳能逆变器和数据中心电源。对于这些应用,可靠性非常重要,因此,Navitas最近推出了20年限保修,以使上述垂直领域的客户更容易使用Navitas的解决方案。这与硅功率半导体的典型2年保修相比。客户对其20年限保修服务非常感兴趣。

 

3、作为一个与众不同的因素,Navitas将驱动IC和传感组件与其电源开关集成在一起。这提高了系统性能,并成为竞争优势的来源。

 

4、Navitas使用台积电作为其GaN代工厂。GaN产品的交付周期比硅基功率半导体的交付周期短。这是促使充电器厂商采用GaN基功率半导体而非硅基功率半导体的另一个因素。

 

ROHM Semiconductor


1、Rohm打算在2020至2025年间将其SiC生产能力增加5倍以上,并计划到2030财年在SiC器件中实现30%的份额。

 

2、大多数汽车OEM厂商碳化硅平台将在2025年开始生产,2025-2030年计划中的碳化硅设计正在增加。汽车行业目前正在与碳化硅合作伙伴达成长期协议。Vitesco是Rohm在欧洲最大的SiC合作伙伴。

 

3、Rohm最近推出了基于沟槽技术的第四代SiC MOSFET。Rohm的第二代SiC MOSFET基于平面技术。在汽车终端市场,Rohm的重点聚焦在裸Dies;而在工业终端市场的重点是已封装器件。Rohm今年将开始为汽车终端市场送样已封装装的SiC产品。

 

4、Rohm与Vitesco和Semikron等公司有SiC模块合作伙伴关系。


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