功率半导体是什么?
功率半导体是什么？
电子器件有哪些常常有⼈将功率器件和功率半导体混为⼀谈，其实功率半导体包括两部分：功率器件和功率IC，其中功率器件是功率半导体分⽴器件的简称，⽽功率IC则是将功率半导体分⽴器件与驱动/控制/保护/接⼝/监测等外围电路集成⽽来。
功率半导体框图⽰意图源 | 华润微招股说明书
所有的功率半导体器件都具有处理⾼电压、⼤电流的能⼒，主要⽤于有⼤功率处理需求的电⼒设备的电能变换和控制电路⽅⾯，⽐如：变频、变压、变流、功率管理，电压处理范围从⼏⼗V到⼏千V，电流能⼒最⾼可达⼏千A。
早期的功率半导体是以分⽴器件的形式出现的，20世纪50年代，功率⼆极管、功率三极管⾯世并主要⽤于⼯业和电⼒系统，因此当年的功率半导体⼜被称为电⼒电⼦器件。20世纪60⾄70年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末，平⾯型功率MOSFET发展起来。20世纪80年代后期，沟槽型功率MOSFET和IGBT逐步⾯世，此时⼆极管和晶闸管技术越来越成熟，附加值逐渐变低，国际⼤⼚产能开始向以功率MOSFET、IGBT为代表的功率半导体器件迅速转移，功率半导体正式进⼊电⼦应⽤时代。截⾄⽬前，MOSFET和IGBT都还是最主要、价值含量最⾼、技术壁垒较⾼的功率器件。但近年来，不断有机构预估以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料将站上未来功率半导体主流舞台。
功率器件发展历程与类别图源 | 国联证券研究所
为什么要关注功率器件⾏业？
“关注功率器件⾏业”⼀⽅⾯是技术需求，另⼀⽅⾯是市场空间导向。技术需求会在正⽂中着重体现，⾄于市场⾯，根据IHS Markit 数据显⽰，2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元，预计⾄2021年市场规模将增长⾄441亿美元，CAGR为4.1%，其中MOSFET和IGBT有望成为未来5年增长最强劲的功率器件。
此外，根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半导体的销售收⼊预计将从2018年的5.71亿美元增⾄8.54亿美元。未来⼗年的年均两位数增长率，到2029年将超过50亿美元。
全球功率半导体市场趋势图源 | IHS Markit
为什么要从Si向GaN/SiC转移？
⽬前Si材料在半导体⾏业中占据95%以上半导体器件和99%集成电路的体量，仍占主流。然⽽，随着5G时代的到来，⼯业4.0和汽车电动化的继续推进，对功率器件在开关频率、散热、抗压性能等⽅⾯都提出了新的挑战和要求，传统Si功
率器件瓶颈凸显。
功率器件适⽤范围⽰意图源 | 英飞凌
德州仪器⾼压电源应⽤产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom告诉与⾮⽹，“与现有Si器件，⽐如MOSFET或IGBT相⽐，GaN和SiC由于不同的物理特性，是具备更好开关性能的新型半导体材料。具体⽽⾔，GaN具有低得多的输⼊和输出电容以及显著降低功耗的零反向恢复电荷。市场上要求更⾼效率和功率密度的应⽤正以极快的速度向GaN产品
过渡。
相对于MOSFET和IGBT器件，GaN器件提供了实质性的改进，包括快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容（例如，GaN的单位门极电荷⼩于1nC-Ω，⽽Si的单位门极电荷为4nC-Ω），这些特性可以实现更快的导通和关断，同时减少栅极驱动损耗。GaN还提供了较低的单位输出电容（典型的GaN 器件的单位输出电荷为5nC-Ω，⽽传统的Si器件为25nC-Ω），这使设计⼈员能够在不增加开关损耗的同时实现较⾼的开关频率，更⾼的开关频率意味着设计⼈员能够缩
⼩电源系统中磁性元件的尺⼨、重量和数量。”
意法半导体中国区功率器件市场经理周志强则表⽰，“SiC和GaN的带隙较宽，可提供更⾼的电场和更
⾼的导热性，从⽽降低了Rdson的关键参数，反之，Radson实现出⾊传导性能的关键参数，同时还降低了开关损耗和⼯作温度。尤其是SiC MOSFET，⼴泛⽤于电⼦汽车（EV）和电动汽车基础设施中的车载充电器和牵引逆变器。GaN MOSFET凭借其⾼
SiC MOSFET，⼴泛⽤于电⼦汽车（EV）和电动汽车基础设施中的车载充电器和牵引逆变器。GaN MOSFET凭借其⾼功率效率和密度优势，在快速充电器和功率传输（PD）中是成功的典范。”
这两位都在强调功率密度重要性，那到底什么是功率密度？罗姆（ROHM）深圳技术中⼼⾼级经理苏勇锦告诉与⾮⽹，“其实功率密度⼀般是针对成品来讲的，类⽐到功率器件应该是RonA（单位⾯积内阻）这个参数。举个例⼦，⽬前ROHM最⾼的RonA产品是第4代SiC-MOS，RonA达到2.5mΩcm2，⽽提⾼RonA的关键因素则包括芯⽚构造、材料和
封装技术等。”
顶峰论剑：
GaN/SiC替代应⽤下沉进展
作为消费者，提到GaN/SiC等第三代半导体材料，⼤部分⼈的第⼀反应也许都是“⼩⽶GaN 65W快速充电器”，热点效应带来的是“GaN ⼯艺的拐点到了”的呼声，⼒据⼤概就是“像⼩⽶这样的‘价格屠夫’都开
始推 GaN⼯艺的消费品了，⼀⽅⾯印证了GaN⼯艺的成熟化，另⼀⽅⾯告诉我们GaN芯⽚的设计、制造成本已经降到了消费者可以接受的程度，⽽这个利
惠会随着GaN产量的扩⼤⽽不断加⼤。”
我们从两个⾓度来看这些论断，⼀个是全球GaN/SiC功率器件的落地情况，另⼀个则是中国的功率器件⾏业位置和国民
信息接收。
全球GaN/SiC功率器件落地情况
⾸先，我们定位到5G新基建和汽车电动化这两个推动功率器件向前发展的主⼒⽅向，并围绕功率器件落地情况，采访
了三家功率器件主流⼚商，采样范围包括国内和国外。
Q&A
5G的建设，尤其是电源的敷设需求给功率器件带来了新机遇，具体会涉及其中哪些部位，⽤到哪些器件？
泰科天润：“对于功率器件来说，5G建设的利好，更多表现在对于更多更⾼效电源产品的需求，⽐如：数量更多、功率等级更⾼的5G宏电源，户外使⽤的分布式设备供电单元。对于SiC⼆极管和MOSFET都有需求。”
罗姆：“在5G通信中，除了基带单元之外，还有被称为“远程⽆线电头（RHH）”的单元，这种单元在每个基带单元上都会附有⼏个，负责转换RF信号等。由于“远程⽆线电头(RRH)”中配备了⼤量通信⽤的阵列天线，因此⽤来放⼤功率的传感器放⼤器和⽤来进⾏⾼级控制的电流检测⽤分流电阻器等通⽤产品的需求⽇益增长。”
“此外，在基带单元中，对ROHM先进的功率元器件和模拟元器件的需求与⽇俱增。尽管各国所使⽤的频段各不相同，但与4G通信相⽐，5G通信通常是在⾼频段进⾏的，因此业内正在研究能够⾼效率且⾼频⼯作的SiC和GaN等功率元器件的应⽤。另外，基带单元的设计中，通过电源部分的设计来节能的做法增加。这是因为5G通信的⽐4G通信多，尤其需要减少外围的功耗。ROHM的电源IC系列产品采⽤ROHM⾃有的模拟技术，可⾼效率⼯作，⾮常有助于基带单元的进⼀步节能，因此各通信设备制造商已经开始评估采⽤。”
德州仪器：“TI为5G电信市场提供完整的集成GaN FET+驱动器产品组合，从30MΩ（4kW整流器）到150MΩ的400W集成AC/DC模块。TI的集成GaN驱动器将功率损耗降⾄更低，这对于受限于腔室体积，空⽓流动有限⽽影响散热的5G⼩
型电池尤为重要。”
Q&A
在汽车电动化的趋势下，MOSFET、IGBT等功率器件命运如何？
泰科天润：“汽车领域相较于其他应⽤来说，更多的要求会表现在可靠性上，对于参数上的要求，更多表现在需求端，如：适应更⾼电压平台的⾼耐压器件、更低的导通电阻、更⾼的开关频率等。对于Si基MOSFET和IGBT来说，由于材料性能的局限性，为了更好的优化器件性能，需要对器件结构做不断的调整优化。⽐如对于Si基开关器件来说，很难同时满⾜⾼耐压和⾼频开关，但对于SiC基开关器件，使⽤更适合⾼频开关的结构，结合材料本⾝⾼耐压的特点，可较为
轻松的实现上述⽬标。”
德州仪器：“TI最近发布了业界⾸款⽤于汽车的650 V GaN FET集成驱动器LMG3522R030-Q1。该器件⾮常适合重视效率的车载充电应⽤，能够实现超过4 kW/L的功率密度，⼏乎是当前MOSFET和IGBT解决⽅案的两倍。这将允许在相同
率的车载充电应⽤，能够实现超过4 kW/L的功率密度，⼏乎是当前MOSFET和IGBT解决⽅案的两倍。这将允许在相同条件下使⽤更⾼额定值的车载充电器，并最终显著缩短充电时间。”
罗姆：“汽车的电动化在为了提升整车续航⾥程以及各项性能，在三电系统上对功率器件特别是SiC-MOS和IGBT的需求⽇益增加。为了减少能量转换过程中的功率损耗，对功率器件本⾝的特性需求主要表现为⾼压化，⾼频化，⾼效化。⽐如通过芯⽚构造的不断改良使器件提⾼单位⾯积导通电阻RonA，降低器件的杂散电容，通过更先进的封装⼯艺减⼩封装的寄⽣电感等。特别针对上⾯提到的【三⾼】趋势，Si基的IGBT芯⽚以及基本达到技术的理论极限，⽽SiC-MOS还有较⼤的提升空间，得益于宽禁带半导体的材料特性优势，SiC-MOS正逐渐替代传统IGBT。”
“ROHM的第四代SiC-MOS采⽤先进的双沟槽⼯艺，在RonA，寄⽣电容的关键参数的提升上⾮常先进，另外，在客户使⽤便利性上，ROHM也充分权衡，第四代SiC-MOS将⽀持与传统IGBT驱动电压相同的15V驱动。”
“当然，由于⽬前⼤多数SiC器件的封装还是沿⽤传统IGBT的封装，在散热和寄⽣参数上并不能让SiC的性能得到充分发挥。包括ROHM在内，业界也在不断寻更适合第三代半导体SiC的新封装⼯艺，⽐如银烧结技术，双⾯散热封装或者
耐热性能更⾼的封装材料等。”
中国功率器件⾏业位置与其他
图源 | powerelectronictips
为什么我们接收到的信息会局限在“⼩⽶GaN 65W快速充电器”上⾯呢？⼀⽅⾯是作为普通消费者，很少去关注5G、⼯业和汽车⽅⾯的电⼦器件⽤料，当然随着汽车电动化的普及，当我们每天接触汽车充电装置的时候，我们也会增加充电速度、充电安全等⽅⾯的考量，⾃然⽽然会加⼤对这些⼤功率设备性能及内在功率器件和⽅案的关注。
此外，据英飞凌⽅⾯统计，2019年全球功率半导体器件与模组市场规模为210亿美元，欧美⽇呈现三⾜⿍⽴之势，英飞凌位居第⼀，占⽐19%，安森美次之，占⽐8.4%，前⼗⼤公司合计市占率达到58.3%，暂⽆中国⼚商⾝影。
率半导体分⽴器件与模组竞争格局图源 | 英飞凌
然⽽在需求端，2019 年中国功率半导体市场占⽐全球达35.9%，是全球最⼤的功率器件消费国。与整个半导体产业类似，对⽐海外的功率器件IDM ⼤⼚，国内的功率器件龙头企业，像华润微、斯达半导体、新洁能、扬杰科技、华微电⼦、⼠兰微等的年销售额与国际巨头们相差很⼤，且产品结构偏低端，表明中国功率器件的市场规模与⾃主化率严重不
相匹配，国产化空间巨⼤。
这⼀点与泰科天润董事长兼CEO陈彤先⽣的表述是⼀致的，“对于Si基器件来说，市场的头部集中效应
⽐较强。但对于SiC基器件来说，各家公司都处在技术积累和市场拓展的上升期。⽬前作为国产SiC品牌在国内市场占有率居⾸。对于功率等级⽐较⾼的电⼒电⼦变换器都是亟需替代的应⽤，如：新能源汽车、光伏发电等，对于特⾼压领域，由于更依赖于器件本⾝技术的进步，所以可以等待产品成熟后再做发掘。”
这意味着，当GaN/SiC功率器件⽣态越来越成熟，国内⼚商也有可能站上全球功率器件榜单，⽽现在正是机遇时间窗⼝。等到哪天，功率器件中也能产⽣⼀个通信界的“华为”，即使不是消费领域，国⼈对功率器件的关注度和信息接收⾯
也会同⽐上涨。
写在最后
市场侧，2020年受疫情影响，上半年功率半导体需求不佳，但是三季度之后，受到5G电源、智能⼿机、⼯业、电动汽车及IOT 设备等拉动，需求上升明显，海外疫情影响了国外⼚商的产能供给，部分产品出现了缺货涨价的情况。国⾦证券的预判，2021年功率半导体将在需求增长+涨价+国产化的利好驱动下迎来发展良机，产业链将积极受益。
技术侧，为了降低研发的难度，保障设备的稳定性和可靠性，功能集成和热性能正成为功率设备的⼚
商在功率半导体器件选型中考虑的重点，因此越来越多的功率器件原⼚在保留分⽴功率器件产线的同时，增加了功率IC的丰富度。
意法半导体中国区功率器件市场经理周志强就表⽰，“意法半导体的MasterGaN就是将2个GaN晶体管和⼀个双栅极驱动器结合到⼀个QFN 9 * 9mm紧凑型封装中，该封装的底部具有3个散热垫。这种先进的封装集成确保了设备的⾼鲁棒性和可靠性，从⽽进⼀步提⾼系统运⾏期间的稳定性。⽽且，通常使⽤不同的半导体制造⼯艺进⾏优化和制造的控制器仍然独⽴于功率部分⼯作，从⽽可为客户提供适合其应⽤选择的适当灵活性。”
然独⽴于功率部分⼯作，从⽽可为客户提供适合其应⽤选择的适当灵活性。”

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