半导体的分歧在哪里？回调之后，值得买入吗？

上两周我陆续走访了好些家实体企业，然后又去北京路演交流了一圈，得到一些反馈，汇总如下：

实体企业普遍反映： 缺芯已经成为各家产品放量的最大障碍 。不单是 汽车 、在LED显示屏、背光模组、光伏逆变器、安防监控摄像头甚至PC，都因为缺芯从而影响了其他元器件的出货。

LED显示屏厂商说：现在都开始把小间距做成大间距，就是因为 显示驱动芯片不够用。

背光模组厂商说：苹果和三星MiniLED背光已经每年几百万台的放量，TCL更是预期三年MiniLED渗透率60%，最紧缺的材料就是背光驱动芯片和PCB板。

光伏逆变器厂商说：现在 最大的制约瓶颈就是IGBT等功率半导体严重缺货。

安防镜片厂商说：7、8月销售额环比提升，但是量提升不多，主要就是 摄像头厂商把有限的芯片都出给高端产品 ，从而影响了低端镜片的出货量。

线路板厂商说：电脑现在因为音频CODEC芯片不够，本来PC主板销售收入会更好。

被动元器件厂商说：因为 缺芯 ，导致被动元器件的销售也收到制约。

缺芯已经成为制约制造业产出的最大瓶颈

制约还会持续至2023年，道理很简单， 全球未来两年新增供给合计仅11% 。根据WSTS统计数据，2021年上半年全球半导体出货量折合8寸2300万片/月，未来两年新增出来的产能合计也就是260万片/月（全部折合成8寸片）。

然而， 资本市场却不买账，上周更受减持因素影响，半导体板块调整幅度较大 。

市场的分歧究竟在哪里呢？

在和众多机构投资者交流完之后，我发现主要分歧点主要就一点： 半导体属性是成长属性多些，还是周期属性多些？

认为周期属性多些的市场人士的判断依 据是：全球半导体过去周期性比较明显，一般4-5年一个周期，过去就是这样。 实际情况呢？ 区分全球和中国，差异很明显：

回顾过去，国家 科技 重大专项（01）专项专家组总体组组长魏少军报告指出：十五年来我国集成电路产业高速增长，产值增长近14倍， 年均复合增长率达到19.2％，远高于全球4.5％的年均复合增长率。

换言之， 历史 数据告诉我们：即使有周期性， 全球半导体也是周期成长的 ； 中国半导体则是实实在在的成长行业啊！ 过去15年复合增速20%的行业还算不上成长么？

过去十年，电子行业主要机会点在消费电子，而研究消费电子公司的业绩预测则主要是按照具体客户的量价方式拆分。这个方法论针对半导体行业却带来了两个障碍：

1）研究手段；

2）研究视野。

绝大部分半导体公司的客户集中度都很低，试图按照每个客户来拆分肯定是不现实的。研究消费电子的视野主要集中在智能手机及相关配套领域，而这次 半导体景气这么高 ，很重要的 推动力就是智能新能源 汽车 为代表的各种AIOT 。

AIOT万物互联，智能硬件门类百花齐放，而智能手机仅此一品类同时品牌集中，所以用 消费电子的方法来研究半导体下游必然会产生较大偏差 。

很多市场人士一直怀疑半导体需求不是真实需求，他们辩驳道为什么需求增速加快是这几年而不是过去？

我的理解是事物的发展是 量变引起质变 ，并不是连续缓慢变化，而是积累到一个阶段开始发生质变。比如新一代标准协议的释出就是质变的产物。

为什么半导体的需求会持续增长？

4G网络最早大规模投入建设始于2010年，在中国大陆，4G网络的建设则是始于2012年。5G网络中国大陆走在全球前列，于2019年起大规模建设。

计算机体系架构中最重要的一个协议：总线标准PCI-E标准也是如此，3.0协议发布是2010年发布，4.0协议是2017年完成，大规模商用一般滞后协议2-3年。数据存储协议DDR4.0 是在2011年出的标准， DDR 5.0规范是2018年定稿。最重要的网络标准、总线标准、存储标准是如此，其他的接口标准自然跟随。

华为被美国打压，并不代表技术的更新换代而停止，事实上美国就是为了自己能继续快跑至前列而打压华为的。基站这些信息基础设施一旦建立，再配合总线与存储标准更新后数据中心等建设，各种各样的智能终端的产生与爆发就具备了基础。 很多市场人士 还老是觉得手机市场就是半导体的大部分，这其实是不对的。 就像年初的时候，我去拜访一家国内PCB第一梯队厂商，公司总经理跟我说，其实智能手机对全球PCB行业拉动并不大，电动 汽车 才是PCB大福星，毕竟 一部智能电动 汽车 PCB价值量是一部智能手机的100倍以上 。

按照英飞凌的统计数据（全球第一大车企半导体公司的数据比外部预测机构靠谱），当前全球一辆普通新能源 汽车 半导体价值量约为1000美元（不含智能驾驶），约合人民币6000多元。而一部手机芯片平均价值量约合500元（存储占了很大一部分），再考虑其他各种电子产品的存在。以 手机的销量来描绘半导体的整体景气度一定会失真较大 。

市场还有很多人士说PC需求不行，但事实上 PC在2021上半年在去年高基数的基础上取得15%以上增长 ，而且结构上明显商务型和 游戏 型占比大幅提升。以电路机构来看，上网笔记本主板6层板、商务笔记本主板10层板、 游戏 笔记本主板12层板，电路层数增多的原因就是因为芯片用量变多以及单个芯片输入输出变多导致的，这些都是占用更多的芯片制造产能的。

实际做过芯片的人，特别能理解这种需求的增量。 标准协议每更新一版，数据率等指标基本都是指数级提升 ，但是芯片的处理速率受制于硅材料是存在物理极限的，处理速率不可能指数级增长，最后的办法就是晶体管数量变多，芯片层数变多（和电路层数一样芯片内部也是十几层甚至几十层的）。

接下来，再讲讲产业生态。

过去十多年，晶圆制造环节并不是一个很好的生意模式，我比喻晶圆代工厂是捧着金饭碗讨饭吃。一个高资金壁垒、高技术壁垒、高人才组织壁垒的行业，这种投资回报率是不合理的。

最近因为供不应求晶圆代工费开始上涨，很多市场人士把他理解为周期，觉得代工费涨上去很快又会掉下来回到过去。然而，我认为这个理解是非常错误的！这是价值的合理回归！ 再想回到过去那么低廉，是一种不切实际的奢望。尤其是短期内回去，更是天方夜谭！

晶圆厂扩产周期摆在那里，至少3年！ 无论是配套基础设施（电、水、气、消防、厂房）还是设备。半导体设备很多核心零部件，因为要求特殊，全球可能仅此一家，还是躲在日本或者德国的一个小企业。

新建晶圆厂的最大难度还不是资金，而是人才！一个成建制的有经验的工程师队伍才是最大的瓶颈，对于这一点，您要是有机会可以读一读电子工业部前部长、华虹集团前董事长胡启立的一本书《芯路历程-909超大规模集成电路工程纪实》。 20多年过去了，这个难度只有增加，没有缩小！

所以我不断地说： 晶圆制造能力才是半导体的核心资产！ 有很多市场人士还在说晶圆厂重资产折旧压力大，这是过去的不合理现象，投资是投未来，尤其要注重产业趋势的重要转折变化。

落实到投资标的

近期有没有产能增量是选择投资标的的关键因素。不仅仅是Q3、Q4等短期，更是未来2-3年后的长期。 有产能增量说明 ：产业界已经为您优选出了未来有前景的企业。产业界资源这么紧缺的背景下，肯定是有未来前景的公司，产业界才愿意给予更多资源予以支持。

这两三年，不仅仅是紧缺的两三年 ，更是重要是战略机遇窗口期 。被产业优选出来幸运儿不单这三年快速壮大，更具备了三年后虹吸其他资源的能力。包括但不限于：人才资源，整合产业链资源的能力，整合竞争对手的能力。这两三年是竞争格局初步塑造的两三年。毫无以为，这些 被产业优选出来的幸运儿应该给予更高的估值 。那些错过的厂商也许再也没有机会了。

所以我不断地强调：要买入 $士兰微(SH600460)$ 、 $上海贝岭(SH600171)$ 、 晶丰明源 、和新洁能等。

士兰微：最紧缺的功率半导体IDM龙头厂商 ，IDM拥有最高行业壁垒的商业模式，细分赛道行业需求最为紧俏最为确定、最有新增产能，最有自主核心技术、估值最便宜（30多万片的IDM，居然比月产2万不到的芯片设计公司市值还低）。

上海贝岭：虚拟IDM公司 （华大半导体，国内唯一涵盖设计（贝岭）、制造（积塔）、封装测试（确安）、EDA（华大九天）完整产业链企业）的核心成员单位，有产线资源支持产品线全面的公司的爆发力最强，公司管理改善，估值便宜（仅为可比公司估值的1/3）

晶丰明源 ：拥有敏锐市场能力和全面公司治理能力的设计公司，产品结构不断高端化，产业界重点支持下锁定了未来两年产能，对应今年估值也仅25倍。 新洁能：产品结构持续高端化，产业链从仅设计环节延伸至模块封装环节，华虹半导体扩产最大受益者。

正如胡启立部长所言， 半导体是全球高新技术产业的唯一核心技术 ，不掌握只能沦落为全球产业蛋糕残羹冷炙的乞食者，一旦掌握了不单能享受了数以万亿计的市场，更拥有了全球产业利润分配的话语权，享受超额利润率。

这么好的行业景气度， 这么好的产业集群环境、这么好的进口替代刚需，面对着这么多这么好，那么多优质潜力股正如16岁的花季少女 。唯一还需要的就是发现潜力发现美的眼光。

当然 时代也一定也会重奖那些睿智的眼光 ！

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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