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功率器件簡介及功率器件的技術發展趨勢

t1PS_TechSugar ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-05-24 17:10 ? 次閱讀

周宏偉:我的報告分為五個部分,首先是功率器件簡介,其次是功率器件的市場,再次是功率器件的技術發展趨勢,接著是中國功率器件發展現狀,最后是龍騰半導體功率器件簡介。

一、功率器件簡介

功率半導體是集成電路一個非常重要的組成部分,市場空間有400多億美元,從大方面講有200多億美元是功率IC,還有100多億是功率器件。手機充電器,手機當中都會有功率器件。功率器件主要的部分,體量比較大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好,就是一個很好的硬件廠商。IGBT模塊是雙子器件,它的特點是頻率低一點,但是能量密度稍微大一點。所以像在新能源汽車,軌道交通應用得更廣泛。它的重要性不言而喻,前一段發生中興事件,我們在功能器件行業也刷屏了一個事情,通信系統如果中興不賣了會是災難,但如果在功率器件國外禁運的話,是一個更加災難性的后果。比如高鐵、電網,這個后果更為嚴重。至于它的重要性,我借用兩個人說的話給大家聽一下。一個是國際能源互聯網研究院院長邱宇峰說的,已經知道電網將從鋼鐵網變成半導體電網,這是一個方面,半導體電網的核心的部件就是IGBT。另外一個重要的應用領域是軌道交通,我們說高鐵是中國高端制造的名片,但是它的核心部分就是IGBT模塊,類似于手機當中的CPU。還有一個更重要的領域,我們國家強推的新能源汽車,新能源汽車功率器件占整個成本的7%到10%,要到1000美元。

正是因為功率器件在高端行業有核心的應用,像國家電網本來是做電網的,現在自己也整了個公司做功率器件,做IGBT。中車也是,自己干脆建了一條線,自己做IGBT。實際上功率器件是兩個部分,一個是VDMOS,一個是IGBT。抓住這兩個細分領域,中國的元器件就做好了。

二、功率器件的市場

VDMOS在2017年的Yole統計報告當中,市場空間有60億美元,這里面大部分是40v以下的設備。從市場份額來看,我們關心的是汽車電子,不管是增長率和市場份額,都是最大的。其次是計算機和存儲,它的市場份額特別大。但是因為PC的發展比較慢,所以它的增長率比較小。另外是網絡通訊,雖然現在來看市場份額不大,但是增長率很快,基本上和汽車電子一樣。大家知道在通訊行業我們國家還可以,比如華為和中興在通訊行業是第一位和第四位,所以伴隨著整機器件的發展,國內應該有很好的發展。

在2016年的統計報告當中,關于功率器件市場份額和一些重要的參與者,實際上0到40V體量是最大的。因為只要是手持器件,像數碼相機、手機這些東西用量非常大,它的市場份額非常高。下面是40V到100V,這個為什么高呢?是因為做到了汽車,汽車電源是12V,很多是60到100V之間。大于400V這一部分統稱為高壓器件。誰是重要的參與者呢?從第一到十的排名,基本上沒有中國廠商。客觀來說,數到十五,中國廠商也很難排進去。第一名是很老牌的廠商,之前他的份額沒那么多,三年前他收購了一個重要的廠商。第二位是On Semi,所以整個來看,細分市場里面,歐美日把持了大部分廠家。

從VDMOS再細分一下,就是汽車電子,這個市場在2018年是14億美金,增長比例每年逐漸增加的。前十位里面依然沒有中國廠家。另外一個市場份額比較大的領域,是計算和存儲市場,2018年的市場份額是14億美元。但因為PC發展緩慢,是一個平穩的狀態。即使這樣,在這個非常大的市場領域前十名,也仍然沒有中國廠家。嚴格來說,15位也沒有。我們一直說是中國是制造大國,不是制造強國,因為在高端制造業當中,是找不到中國廠商的。

再看另外一種非常重要的功率器件IGBT。IGBT總體市場是在2018年開始接近50億美元,重要的參與者我們也列了一下。IGBT的電壓非常廣,從400V到6500V都有應用,因此很難有廠家獨吞一個市場,所以廠家選自己擅長的領域做。這是第一梯隊、第二梯隊、第三梯隊。第一梯隊仍然是infineon、三菱,軌道交通被ABB壟斷,所以很難見到中國廠商。只是在4500V領域把中車放進去了,但嚴格來說中車沒有大批量量產IGBT。所以整體在IGBT這么大的市場里面,中國的參與度也比較低。

三、功率器件的技術發展趨勢

所有的高壓器件,這個技術是電子科大提出的,也因為這項工作獲得了中科院的院士資格。這可以寫進教科書,當時介紹的時候用了這么一句話,在半導體的歷史上,陳先生把這個理論給推翻了,在半導體行業這是第一次。以至于陳先生的工作,正是因為他的奠基性的工作,使得公司在這個行業是非常領先的。從國內來看,這個結構看起來很簡單,實際上有兩種,一個是溝槽,一個是多次外延和注入。多次外延占了80%的市場份額,因為它的生產歷史比較早,在陳院士提出來以后,他把專利很早提出來了,但是國內實現不了,后來infineon看了專利以后用了幾年的時間,1998年就實現了。所以它的市場化份額開始得比較早。

下面是溝槽刻蝕和回填,這就是先挖一個,再填充,這個工藝現在主要是華虹采取這個工藝。主要有兩家廠家做,從工藝角度來說,華虹的工藝更好。在很深的溝槽里面填充一個沒有缺陷的P型單晶是非常有挑戰性的,你可以在市場上看,華虹是非常好。大家有機會看看華虹每個財季的財報都很漂亮,利潤很高。再仔細看業務拆分的話,排第一的就是高壓超結。

下面是低壓的VDMOS,一開始也是平面的,再到普通溝槽,然后到現在最熱的SGT,現在是非常熱的。實際上每一家的斷代都不一樣,但都是從平面的PT結構,到最新的PF+RC。從芯片厚度來說,頭發絲直徑30微米,IGBT60V在五六十微米,所以在8寸上面的精度非常高。應該來說國內和國際有兩代到三代的差別,所以目前IGBT落后還是蠻多的。在學術界熱的就是寬禁代,在五年之內寬禁代碳化硅也會發展平穩,以未來十年來看,增長量會非常大。今天這個節點上,國內碳化硅和氮化鎵剛剛興起。剛才談的是行業的現狀,現在談中國的現狀,因為比較分散,數據也不好搞,所以很多數據是來自國外的。這是2012年的一個報告,從這個上面結合我剛才談的圖,功率器件的市場基本上是在中國,我估計70%的功率器件在中國。

四、中國功率器件發展現狀

從國內的地域來看,環渤海,就是北京和天津,有一些代工廠。天津有一個中華做得相當不錯。西部只有西安,西安有龍騰和航天的一些廠。最強在江蘇省,因為江蘇在無錫和蘇州,尤其是無錫,號稱是中國集成電路的黃埔軍校,所以一開始底子打得比較好,目前已經研制出很多元器件,不管是代工廠還是設計公司,很多都在無錫。深圳現在在功率器件應用端更強,但是代工廠有一些小的,像中芯、方正。中芯也開始在深圳做功率器件,半導體市場本身很火,但是功率器件比半導體更火。

左邊這個圖重新畫了一下,是全球主要功率MOSFET份額,中國廠商在功率器件不到5%,國內市場加起來不到10%,所以功率器件絕大部分依賴進口。這是個問題,對國內也是一個機會。

再看產業環境。功率器件在半導體地位愈發突出。國務院提出了中國制造2025,它的核心就是功率器件。從現在來說,功率器件基本上還是歐美日把持,國內廠商相對來說比較弱小。國家也應該意識到這個問題了,像NPX,標準器件這部分,可能在國外警惕性沒那么高的情況下,被中國資本拿下來了。2016年我在的時候,華潤要收購相銅(音),我們很多同事也參與了這個談判。最后的結局,它也承認賣給你們最好,但因為血統不行,哪怕便宜賣給別人,也不賣給你。

從功率器件來看,一個是汽車,一個是通訊,都是功率器件的主要推動者,而且國家也把通訊和汽車作為戰略產業,所以功率器件本身是一個非常好的行業。這是士蘭,這是我們的友商,主營功率器件,它也做功率IC和規律模塊,做得相當不錯。十幾年前,大家也沒聽說過,它現在有6寸廠,8寸線今年投產,3月份公布在廈門還要建12寸的廠。

還有華虹宏力,從技術來講,它號稱是最大的8寸功率器件的晶圓代工,但是它主要是晶圓代工。它可能有些客戶比較高端,但它主要是做代工業務。也就是說工藝可以做,但是設計上還是弱。還有華潤微,它的產品線比較全,它的問題如何平衡好又做代工,又做IDM模式,如何平衡是它的問題。另外是華微,華微是個IDM廠商,它主要做高壓平面VDMOS和功率三極管,它號稱中國功率器件最大的上市企業。新潔能,它更細節的是低壓的。還有東微,是最兩年冒出來的新秀,是一個設計公司,號稱估值將近10億,它主要做高壓超結。國內還有很多小的代工廠像深愛、方正、衛光,每個月可能就兩三萬片,非常少。還有一些小的功率器件設計公司,像韋爾、尚陽通,這些公司體量比較小、比較分散。在可預見的將來,肯定會有一個重組并購的過程,這個重組并購的過程事實上在兩年前國際上已經發生了。可以想象在近幾年,有一些資本進入以后,會有重組并購的行為。

功率器件行業,因為半導體行業非常熱,功率器件作為半導體行業的分支,它的投資價值我個人覺得是非常好的。為什么呢?如果我們和國外差幾代,比如我們到28納米大批量生產還是有問題,像臺積電都是7納米,代數落后非常多。但是功率器件本身來說,從硬件水平來說,無論是6寸高壓平面或者是8寸,做一些低壓的,工藝硬件國內本身絕對能滿足,可以做。最寬的像8寸的,現在面最低的0.18微米,可能到不了納米水平,比如0.5微米可以做,硬件上可以做。在軟件上,經過了近幾年發展問題也不大了。在五六年前,最初的平面的VDMOS,經常能看到國外公司。經過幾年的發展,我們已經把它給擠走了。甚至ST在深圳的封裝廠,已經倒閉了,所以人才的問題也不大。更重要的是功率器件產業鏈在中國,電子設備、家用設備,功率器件很多廠商在中國,中國就有主場之利,產品設計起來更快。從這上面來看,應該是一個好的方向。最近因為工作的關系,我去***和韓國做了相關的技術交流,從同行的角度來說,他們的危機感非常強,他們認為在近幾年功率器件研發、銷售,很快會往大陸方面轉移。

所以總體而言,半導體行業我們和國外還有不小的差距。但應該看到最先接軌的部分,就是最先趕上國外的部分在功率器件上。因為硬件沒有問題,軟件上也培養了很多人才。所以這個投資方向,是很好的。

五、龍騰半導體功率器件簡介

下面我把龍騰半導體產品給介紹一下。龍騰總部在西安,我們有77項專利,而且大部分是發明專利。下一代的碳化硅,我們也參與了國家的測試標準。我們承擔了2011年國家電力電子專題項目。我們的產品是功率器件,主流的功率器件我們都做,第一類就是低壓的溝槽的VDMOS和SGT產品,高壓超結和高壓平面DMOS我們也做,另外是600V、1200VFS IGBT產品。

這是種低壓MOSFET,普通的溝槽,比如100V以下,不管是N的還是P的,普通的低壓的MOSFET我們都成熟了。這個技術水平也非常接近也能達到和國際主流了,而且我相信和國內的友商一起合作,幾年之內國產份額會比現在有明顯的提高。另外低壓的SGT,這是比較高端的,到現在100V、30V、40V,我們處在上量的階段,當然以后還要做120V、50V,現在100V馬上就要量產。我們有超壓超結的MOSFET,也比較成熟,經過國內各個廠商的努力,在中國市場基本已經失敗了。華虹是2.5代,有一個參數RSP,這個越小越好。我們以650V為例,我們是18.7,在國內也是非常領先的。

另一個是IGBT,IGBT有600V和1200V平臺,基本上是國際主流平臺。從效率來看,也沒有太大問題。所以整體來看,龍騰產品基本上接近國際主流水準。所以有機會歡迎大家去西安龍騰,大家去視察一下,我的報告講到這里,謝謝大家。

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原文標題:功率器件的發展現狀及機遇

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