1电机市场发展趋势
历经百年的发展,电机的应用领域已非常广泛。安森美半导体的电机驱动产品覆盖的汽车及工业等领域的应用,正是电机市场主要趋势的一个缩影。
首先是汽车电气化的趋势,即汽车制造商用集成的高能效电机替代传统内燃引擎动力,通常是用无刷直流(BLDC)电机替代皮带和齿轮驱动,用于引擎盖下的辅助元件,如泵、阀、供暖及空调、风扇等。由于BLDC电机具有相当优异的性能,也开始进入传统上采用有刷直流(BDC)电机方案的其他应用。
另一个趋势是应用装配率的提升增加了电机的安装数量,如电机化供暖通风空调(HVAC)气瓣控制(主要用于有刷直流及单极步进电机)也开始应用于较低端汽车的HVAC系统。
BLDC电机在工业及电信中的应用也越来越普遍。典型应用包括风扇、鼓风机、泵及压缩机。BLDC电机的能效比交流电机或开关磁阻电机更高。BLDC电机能实现低成本变速应用,特别是用于集成了无传感器换相算法,从而能够省却外部传感器。
2节能趋势对电机驱动应用的新要求
能源成本通常是电机整个寿命周期成本最主要的部分。因此,采用更高效的电机可以节约大量能源。
节能趋势对电机驱动的新要求包括几个方面。其一,能效是由所选择的电机技术及电机结构决定的,因此要求选择能将电能转换为机械能的比例提升至最高的电机。其次,要选择可以将驱动器的功耗降至最低并提高能效的驱动电路。其三,要通过提升电机驱动智能来实现优化的能耗方案。
此外,一些应用还要求系统中不使用有刷电机(使用步进或无刷直流电机);而使用无传感器换相(不使用电位计或霍尔传感器反馈)、嵌入运动控制算法(用于低动力应用),将能效提到最高,降低可听噪声,改善电磁干扰(EMC)性能等。另外,还有一些应用需要将驱动电路与电机紧邻布设在机电致动器上,并通过总线(LIN、I2C等)连接至中央控制单元。
3安森美半导体提
高电机设计能效的创新解决方案
在快速、精确及动态的动作控制应用中,步进电机是越来越普及的一种选择。随着电机技术的发展,智能驱动器/控制器专用标准产品(ASSP)也涌现出来,能够高效地驱动这些电机。这些器件为设计人员提供了更加灵活的方案,开创了创新功能的空间,并发现了许多新的应用。
31 双极步进电机驱动及控制器
安森美半导体开发的AMIS-3062x系列的AMIS-30623就是高效驱动机电致动器中的双极步进电机的驱动及控制器。这款产品嵌入了专用有限状态机及针对先进前照灯系统(AFS)的要求定制的本地互连网络(LIN)指令集。该器件集成了非传感控制检测功能,能提高可靠性,减少元件数量和板上空间,降低产品成本。AMIS-30623专为远程及多轴定位应用而设计,非传感控制检测功能的设计者能轻易完成精确的定位校准及半封闭式的循环 *** 作。
AMIS-30623的LIN接口使其适用于需要连接远程LIN主机的机械电子解决方案。这款产品的目标应用包括前照灯级测量、自动HVAC设计、监控摄像头控制、专业照明设备及工业机器人等。AMIS-30623的工作温度均为-40℃至125℃,可传输高达800 mA的可编程电流。芯片上的定位控制器可依监控类型、定位范围和参数的不同而修改配置。这款产品还具备电流保持特性。图1是AMIS-30623的框图。
安森美半导体的AMIS-30624步进电机驱动器也可用于可移动式拍摄全景-上下摆动-放焦变大(PTZ)保安摄像机应用。该器件通过I2C总线以简单的微控制器驱动3个电机。该拓扑结构支持极紧凑的摄像机设计,有助于降低成本及提供精确的工作。
AMIS-3062x单芯片解决方案的核心是一个数字运动控制器和一个H桥布局的50mA至800mA双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进(micro-stepping) *** 作,因此不再需要在速度、噪声和共振导致的失步(step loss)之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流,采用20kHz PWM电流控制方案。它还集成了系统通信接口,有LIN或I2C接口可供选择。在包括汽车工业在内的远程或分布式应用中,LIN架构可以减少布线和改善EMC性能。配有I2C的器件更适合在独立PCB上与本地微处理器一起用作外围设备。
该系列器件的主要优点是,所有针对应用的运动控制功能都可以在厂内进行预编程,明显减少了工程师的编码工作。如果选择器件的闪存版本,还可以在开发应用及之后测试和调试软件时进行再编程。这将显著加快设计更新的速度。
32 步进电机的精确动态控制
随着步进电机出现在越来越多的应用场合,设计人员也在继续追求高精度的定位。此外,其高能效、高性能及逐渐缩小的尺寸等特性,也使其对纺织机、机器人、计算机数控铣雕机等设备的吸引力与日俱增。安森美半导体的AMIS-305xx系列就是用于需要精确动态控制步进电机系统的专用标准产品(ASSP),它能够以SPI接口提供可变电机电流控制,进而实现精确的动态控制。
AMIS-305xx系列集成了转换器,将连续步长转换为所需的线圈电流(可通过查找表或其他方式)。该系列还集成了采用H桥配置的驱动器晶体管、反激二极管、经PWM的片上稳流,以及多种保护电路。图2是AMIS-30522应用框图。
该系列IC包含两个内置H桥,能够以最高达1600mA的电流驱动双相步进电机。速度和负载角输出使主微控制器能够检测阻转转子和运行结束状况,而无需额外的开关、霍尔传感器(Hall sensor)或光学编码器。除了停转检测,这些功能还允许设计人员为微控制器编程,以计算转子位置,并按要求动态调节电流或速度,以防止失步。它还完美实现了微步进,能够消除终点停止的噪声和震动,并在无需添加元件的情况下提升运动控制的精确度和可靠性。
在构建加工、汽车、安全和建筑自动化应用时,工程师不必再担心运动算法中的动力学设计,因为这些均已嵌入在ASSP中。他们只需设计电机的总体运动,而相关IC可以实现无传感器失速检测等先进特性,从而更进一步简化设计人员的工作,加快产品上市时间。此外,这些新的微型步进电机驱动器还可使设计人员用最少的元件和最低的材料成本快速而简便地完成动态运动应用。
33 其他电机驱动控制解决方案
安森美半导体的NCV770x系列驱动器也常用于驱动HVAC电子控制单元中的气瓣。这个系列半桥驱动器提供了高性价比的方案,可以用串联或并联方式驱动多个有刷直流电机,同时也完全满足了寿命周期内可靠性、诊断、电池供电瞬态等方面的最新汽车标准。
4总结
高效节能是一个总的趋势,电机驱动器也正趋于成为大批量通用产品,而降低每个电机驱动器的成本及减小方案尺寸则是主要的动力。市场将会在高效的控制方式和成本之间获得一个动态平衡。
根据战略重点和对系统需求的理解,尤其是客户的需求,安森美半导体采用定制方法为客户提供从ASSP到客户专用集成电路(ASIC)的不同方案。这些解决方案将帮助中国市场上的消费电子、工业控制和汽车电子领域的电机应用设计人员获得更高的效率、更长的寿命、更佳的故障控制,使电机逐步实现了小型化、高效率、低噪声和更高的可靠性。
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芯片短缺于2020年底从 汽车 行业开始蔓延到涉及半导体的各个领域，而今，一年多过去之后， 汽车 行业的芯片短缺仍然处于深水区。最近，据财联社报道，安森美深圳工厂内部人士称“车用绝缘栅双极晶体管(IGBT)订单已满且不再接单，但不排除订单中存在一定比例的超额下单(overbooking)”，再次引发 汽车 业界特别是IGBT需求端的“芯片慌”。
车规级IGBT在新能源电动 汽车 的电动化发展下，需求不断增长。在全球芯片短缺的持续之下，其供应显得更加紧迫。2022年业界传出IGBT或将成为新能源 汽车 生产瓶颈所在，其影响可能将超过MCU。 供应链方面有消息指：安森美、英飞凌等产品交货周期达到30~50期，个别产品周期甚至更长。
安森美
安森美半导体是世界最大模拟 IC、逻辑 IC 和分立半导体元件供应商之一。其拥有12家晶圆制造厂和9家封测工厂，产品自产率达到70%。其中，安森美半导体在中国乐山、苏州、深圳各有一家封测工厂。
作为 汽车 行业前十大半导体供应商之一，安森美的产品应用在 汽车 中的多个领域，包括车载充电器、高压负载电池管理、DC-DC、高压动力总成、主驱逆变、48V皮带传动起动机-发电机(BSG)、ADAS、信息 娱乐 、车门、座椅控制等。
公开信息显示，安森美半导体2019全年收入的近1/3来自 汽车 市场，约1/4来自工业市场，约1/5来自通信市场；按照地区分类，全年收入有约65%来自亚洲市场。
在此次“安森美暂不接单”事件中，安森美深圳公司的G先生表示，“我们对大客户都是采取直供模式，且2年一签，我们现在的产能刚好能满足已签订单的需求。目前我们今年、明年的订单都已经全部订出去了，我们现在已经不接单了。没有足够的产能，接单也无法交付，还要面临违约的风险。不仅是我们，其他主要供应商也面临这样的情况。 ”
其实，车规级IGBT的市场缺货情况或许很严峻。供应链方面的人士认为，目前IGBT缺货已高达50周以上，供需缺口已经拉长到50%以上；目前，IGBT订单与交货能力比最大已拉至2：1。
IGBT国际市场情况
IGBT 市场长期被英飞凌、富士电机、三菱电机等海外公司垄断。但近两年，由于国外供应链也无法满足旺盛的市场需求，本土供应商机遇显现。
由于英飞凌IGBT供货周期过长，2021年国内部分造车新势力开始转向本土供应商，比亚迪在去年年底与士兰微、斯达半导、时代电气、华润微签订 IGBT 供货订单，理想 汽车 新增时代电气为主要供应商，东风公司与中国中车联手设立的智新半导体，快速扩产IGBT。而斯达半导则依托汇川技术和英威腾等本土工控企业，将产品导入中低端新能源车型，并逐渐向中高端渗透。
国际方面，业界消息显示，英飞凌的12英寸晶圆厂2021年9月已投产，前期产能2-3万片/月，2023年满产8-10万片/月，满足不了新能源 汽车 和光伏市场需求的高速增长。而安森美和ST方面，据业界人士透露，两家公司目前没看到明显扩产。
国内IGBT市场情况
从目前国内外IGBT供应商扩产成效上看，今年下半年IGBT产能或仍无法满足需求。
国内供应商中，比亚迪半导体IGBT产能至2021年6月已接近满产，其与时代电气的新增晶圆产线均处于早期建设阶段，没有额外产能释放；
时代电气今年4月末该公司表示，IGBT芯片、传感器芯片供应链压力很大，目前新能源车IGBT订单饱满，公司基于截至业绩会时的在手订单评估，2022年落实的车规IGBT交付水平有望超过70万台；
斯达半导则显示光伏领域在手订单是现有产能的数倍之多；
士兰微表示，公司持续推进12英寸车规&特殊工艺建设。
分销商情况
除了安森美外，还有多家功率半导体厂商也陷入了IGBT订单交货紧张的情况。
据媒体报道，富昌电子等分销商官网显示，至4月底，IGBT相关产品信息共有2192条，但有库存的仅121条，其中有42条物料货期在45周及以上，部分分销商的部分料号货期甚至拉长到了60周。
部分车企也因为英飞凌产能紧张于2021年开始寻求本土供应商供货。比亚迪也在去年底与士兰微签订IGBT供货订单，业内人士表示，比亚迪通过自产自销以及外购，今年基本不会存在IGBT供应不足的情况；但其他新能源 汽车 车企则面临较大压力。
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111亿美元和731亿美元;
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2562亿美元,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1553亿美元和314亿美元。
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>23eV)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9415亿元,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62342亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从786亿元增长至1521亿元,年复合增速为2461%,半导体器件市场规模从8629亿元增长至60821亿元,年复合增速为9173%。
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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