近日，據(jù)知情人士透露，華為正在為公司的功率器件研發(fā)大肆招兵買馬，其中包括IGBT、MOSFET、SiC、GaN等主流的功率器件，據(jù)說隊伍目前已有數(shù)百人。華為自研功率器件已經(jīng)不是什么秘密了，那么華為進行這些功率器件的研發(fā)，究竟是在下一盤怎么的大棋？

為什么重視功率器件？

我們都知道華為做芯片很厲害，麒麟芯片已經(jīng)媲美甚至超越高通蘋果，但其實功率器件也是半導體很重要的一環(huán)。功率器件是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，是實現(xiàn)電壓、頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等功能的核心部件，主要包含二極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等，但如二極管、晶閘管等技術(shù)相對較老逐漸被大廠拋棄。 尤其是隨著功率半導體器件逐漸往高壓、高頻方向發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基功率半導體器件及其材料已經(jīng)接近物理極限，再加上第二代化合物半導體在成本，毒性上均不適合，國際大廠已經(jīng)將產(chǎn)業(yè)未來聚焦到了第三代化合物半導體身上?？梢哉f第三代半導體就是未來功率器件的發(fā)展方向。 全國兩會近日剛落下帷幕，第三代半導體（GaN和SiC）再度成為兩會的關(guān)鍵詞之一。兩會期間，全國政協(xié)委員王文銀在采訪中稱，伴隨著第三代半導體行業(yè)的觸角向5G基站、特高壓、城際高鐵交通、新能源充電樁等關(guān)鍵領(lǐng)域延伸，我國半導體行業(yè)發(fā)展風口已至。 另據(jù)TrendForce集邦咨詢的預期，2021年GaN通訊及功率器件營收分別為6.8億和6，100萬美元，年增30.8%及90.6%；SiC器件部分，預估2021年SiC器件于功率領(lǐng)域營收可達6.8億美元，年增32%。中國是全球最大的功率器件消費國，國內(nèi)功率器件整體自給率不足10%，國產(chǎn)替代空間巨大，尤其是高端器件方面。 讓我們看看GaN有多熱？據(jù)臺媒今年2月份報道，臺積電購買了GaN相關(guān)設(shè)備達16臺，比既有的六寸廠內(nèi)的6臺增加2倍多，這相當于產(chǎn)能將增達逾萬片左右，足見客戶端下單的需求有多大。 而GaN供應(yīng)商納微半導體，也是臺積電的大客戶，于日前宣布，其出貨量創(chuàng)下最新紀錄，已向市場成功交付超過1300萬顆GaN功率IC，實現(xiàn)產(chǎn)品零故障，反應(yīng)了全球移動消費電子市場正加速采用GaN芯片，實現(xiàn)移動設(shè)備和相關(guān)設(shè)備的快速充電。 2020年2月在小米10發(fā)布會上，納微GaNFast氮化鎵功率芯片首次被小米65W氮化鎵充電器采用，GaN開始進入人們視線。如今小米11即將帶著新版的55W GaN快充推向市場，該充電器在小米11手機智能手機海外上市時，隨機附贈。據(jù)Navitas首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Gene SHERIDAN表示，小米11標配的55W納微GaNFast氮化鎵充電器海外版擁有歐標的2-pin AC，這標志著主流一線智能手機廠商已開始采用氮化鎵技術(shù)，也標志著行業(yè)開始淘汰舊的低速硅芯片。

IGBT和SiC兩手都抓

關(guān)于IGBT和SiC，業(yè)界一直有個隱憂，隨著IGBT漸逼硅材料的性能極限，第三代半導體材料 SiC 被看作是IGBT在未來電動車的新挑戰(zhàn)者。但據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析到，“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年，優(yōu)點突出，缺點同樣突出。IGBT更像一個持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重擔?！彼澡b于兩者的分工不同，華為在IGBT和SiC上雙管齊下也是明智的選擇。 華為最早傳出要做的功率器件是IGBT。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，而華為作為UPS電源的龍頭企業(yè)，在全球數(shù)據(jù)中心占據(jù)第一的市場份額，所以IGBT是華為UPS電源的核心部件。 此外，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，IGBT在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。隨著新能源汽車、軌道交通及智能電網(wǎng)的發(fā)展，IGBT需求迎來大幅增長。功率器件是新能源汽車電控系統(tǒng)中最核心的電子器件之一，新能源汽車中功率器件的價值量約為傳統(tǒng)燃油車的5倍以上，尤其是IGBT約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的37%。 除了IGBT之外，據(jù)了解，華為也在研發(fā)SiC。這兩年，由于SiC獨有的優(yōu)良特性，車廠陸續(xù)開始導入SiC器件。而關(guān)于華為在汽車上的布局早已路人皆知，華為不造車，聚焦ICT技術(shù)，幫助車企造好車。華為致力于成為面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車的增量部件供應(yīng)商。研發(fā)IGBT和SiC也是華為做好汽車部件供應(yīng)商的一個方向。 不過就目前來看，車用功率半導體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來，因為它性能更強，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車動力電池包越來越大、電機最大功率/峰值扭矩越來越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢就越顯著。 SiC功率器件也在加速融入車載充電器領(lǐng)域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動汽車充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計，這一市場在2023年之前可保持44%的增長速度。

功率SiC的長期演變（來源：Yole） 在投資領(lǐng)域，華為旗下的哈勃科技投資有限公司去年投資了我國第三代半導體材料碳化硅龍頭企業(yè)山東天岳先進材料科技有限公司，持股 10%。2020年7月，華為還投資了東微半導體，主要有高壓GreenMOS系列、中低壓SGTMOS系列、IGBT系列三大系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于快速充電器、充電樁應(yīng)用、開關(guān)電源、直流電機驅(qū)動、光伏逆變器。

對GaN的謀劃

根據(jù)Yole的預測，GaN將主要應(yīng)用在消費電子、汽車電子、電信技術(shù)設(shè)施等。在氮化鎵領(lǐng)域，GaN器件集成的主要趨勢是系統(tǒng)級封裝或片上系統(tǒng)解決方案。 其實，GaN功率器件主要銷售給電子市場，對于消費市場來說，這是一個明顯的技術(shù)趨勢。比較典型的就是快充，快充頭產(chǎn)品中主要包括兩塊核心部件，一是電源管理IC芯片，另一塊是功率分立器件。快充的要求是功率密度和效率。所以企業(yè)就必須以這種外形尺寸真正壓縮系統(tǒng)并降低每功率價格。

圖2：功率GaN市場（來源：Yole） 隨著GaN技術(shù)趨于成熟，GaN技術(shù)能夠容許精簡元件通過巧妙的設(shè)計實現(xiàn)更好的尺寸、重量等。此外，相比普通的硅基元件，GaN元件的切換速度要快10倍，還可以在更高的溫度下運作。所以GaN在USB PD快充領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。 2020年4月8日，在華為2020春季新品發(fā)布上，華為發(fā)布了一款充電器單品——65W GaN（氮化鎵）雙口充電器。當時就有傳言說是華為自研，但實際情況還有待考究。不過熟悉華為的供應(yīng)鏈相關(guān)人士指出，華為在GaN領(lǐng)域已經(jīng)布局頗深。 目前市面上已有多家廠商布局GaN快充，如Power Integration ， Inc.、納微半導體（Navitas）、英諾賽科（Innoscience）三大主要的供貨商，國內(nèi)除了華為海思，還有海特高新，海陸重工，蘇州晶湛，江蘇華功，重慶華潤微，杭州士蘭微等在內(nèi)的多家公司均已積極布局第三代半導體。預計隨著用戶對便攜性的需求提高，2025年全球GaN快充市場規(guī)模有望達600多億元，同時加速GaN芯片在其他新興領(lǐng)域?qū)杌a(chǎn)品的替代。 除了消費電子領(lǐng)域的快充，基于GaN的分立器件，也更適合于高功率應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)中心或基站電源。2020年6月，華為宣布將在英國建立光電子研發(fā)與制造基地。一期項目將聚焦光器件和光模塊的研發(fā)、制造。通過集研發(fā)制造功能一體，以加速產(chǎn)品研發(fā)和商業(yè)化進程，更高效地將產(chǎn)品推向市場。光電子技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，華為在英國的這項重大投資旨在推動相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于全球數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 說到光電子領(lǐng)域，GaN低功耗、高發(fā)光效率為LED及紫外激光器助力?；贕aN半導體的深紫外發(fā)光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發(fā)展方向，其光源體積小、效率高、壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。 在射頻GaN領(lǐng)域，早在幾年前，華為就已經(jīng)在其4G LTE基站中采用了氮化鎵功率放大器。然后，隨著5G的到來，GaN具有越來越大的潛力，因為在高頻下，與LDMOS相比，GaN的功率密度仍然非常出色，并且功率附加效率也隨之提高。 據(jù)Yole的數(shù)據(jù)預測（如圖2），數(shù)據(jù)中心采用GaN正在緩慢增長，Yole的技術(shù)與市場分析師Ezgi Dogmus說，這是因為缺乏監(jiān)管，如果政府加強對數(shù)據(jù)中心實施嚴格的監(jiān)管，以減少電力消耗，則GaN在數(shù)據(jù)中心的滲透率將會更高。隨著高效率要求的提高，氮化鎵確實比仍滿足當前要求的硅起著重要的作用。 在汽車領(lǐng)域，隨著汽車采用的元器件越來越多，GaN的作用也越來越凸顯。2020年8月11日，在第十二屆汽車藍皮書論壇上，華為智能汽車解決方案BU總裁王軍透露，華為目前正在研發(fā)激光雷達技術(shù)。而GaN晶體管的進步已被證明是開發(fā)高精密激光雷達系統(tǒng)不可或缺的一部分。 激光雷達系統(tǒng)從垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）發(fā)出光脈沖，需要高功率的電氣控制，其速度非?？欤仙拖陆禃r間也很短。這也是氮化鎵使激光雷達系統(tǒng)受益的原因之一。氮化鎵的開關(guān)速度比硅FET快得多，可以在大電流下實現(xiàn)短脈沖寬度。這一特性對激光雷達來說至關(guān)重要，因為較短的脈寬可以帶來更高的分辨率，而高脈沖電流則可以讓激光雷達系統(tǒng)看得更遠。

國內(nèi)功率半導體的整體情況

最后讓我們系統(tǒng)的看看國內(nèi)功率半導體，主要是IGBT、SiC以及GaN的產(chǎn)業(yè)鏈情況。 首先讓我們看向整個IGBT產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)的IGBT在芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局，但卻僅處于初步階段，尤其是晶圓制造、背板減薄和封裝工藝是IGBT制造技術(shù)的主要難點，這方面與國外差距較大。

國內(nèi)的IGBT整個產(chǎn)業(yè)鏈梳理（制表：半導體行業(yè)觀察） 而在整個SiC領(lǐng)域，在SiC襯底和外延方面，國內(nèi)仍然是以4英寸為主，已開發(fā)出6英寸產(chǎn)品并實現(xiàn)小批量供貨。總體來看，與國外相比，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)整個價值鏈的各個環(huán)節(jié)都有差距，可能整體水平差距在5年左右。國內(nèi)SiC 二極管與國外最先進的水平相比較，大約差1代，落后大約2至3年，差距不算特別大，在可見的未來是完全可以追上的。但這還需要國內(nèi)整個價值鏈上下游同時發(fā)力，才能取得進步。

國內(nèi)的SiC整個產(chǎn)業(yè)鏈梳理（制表：半導體行業(yè)觀察） 根據(jù)RESEARCH AND MARKETS發(fā)布的“氮化鎵半導體器件市場2023年全球預測”稱，氮化鎵器件市場預計將從2016年的165億美元，增長至2023年的224.7億美元，年復合增長率為4.51%。GaN產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用。在國內(nèi)GaN逐步擴大的市場帶動下，上、中、下游各環(huán)節(jié)均開始出現(xiàn)大批廠商。

國內(nèi)的GaN整個產(chǎn)業(yè)鏈梳理（制表：半導體行業(yè)觀察）

結(jié)語

總體來看，在目前的國際形勢下，華為的海外業(yè)務(wù)受阻，新興的汽車業(yè)務(wù)成為了華為尋求增長的一個突破口，在華為業(yè)務(wù)板塊中的重要性越來越高。進軍做功率器件，無論是IGBT、SiC還是GaN都是為其汽車零部件供應(yīng)商的身份蓋樓。再就是基于這些功率器件各自的優(yōu)越特性為其自身的設(shè)備如基站電源、快充、光電子的研發(fā)等應(yīng)用服務(wù)。 當下在第三代半導體功率器件領(lǐng)域，無論是國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展水平，還是國家的重視度上，我們都處于很好的位置，國內(nèi)多數(shù)專家也對我國第三代半導體的發(fā)展持積極態(tài)度，第三代半導體材料或許可以成為我們擺脫集成電路被動局面，實現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機。如華為這樣有能力的企業(yè)就該一馬當先，引領(lǐng)國內(nèi)半導體崛起！

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