如今，我們生活在一個(gè)由電氣化和自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，特別注重減少污染和提高效率，電力電子市場(chǎng)正在朝著這些目標(biāo)發(fā)展。需要減少高 CO 2排放量以實(shí)現(xiàn)更清潔的環(huán)境，而這種減少的很大一部分可以通過(guò)車(chē)輛電氣化來(lái)實(shí)現(xiàn)。世界主要國(guó)家已經(jīng)承諾到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，即使要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，也需要更多的清潔能源，并且必須發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)運(yùn)輸電力。通過(guò)使用更高效的轉(zhuǎn)換器，能源消耗將減少。使用不同的技術(shù)或包裝材料也將有助于營(yíng)造更清潔的環(huán)境。

全球電力電子市場(chǎng)價(jià)值 175 億美元，從 2019 年到 2025 年，將以 4.3% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)[1]。在這個(gè)市場(chǎng)中，我們可以區(qū)分兩種不同的主要驅(qū)動(dòng)組件：分立器件和模塊。

分立器件：功率半導(dǎo)體的最大市場(chǎng)

如今，功率器件市場(chǎng)的最大份額是硅MOSFET器件，占總功率市場(chǎng)價(jià)值的44%。盡管由于 2020 年上半年 COVID-19 封鎖導(dǎo)致汽車(chē)和消費(fèi)者終端系統(tǒng)銷(xiāo)售額下降，但我們?nèi)灶A(yù)計(jì)2019-2025 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 2.3%。

總體而言，MOSFET 占分立市場(chǎng)的 74%，在消費(fèi)、計(jì)算和汽車(chē)市場(chǎng)占有重要份額，而其他可靠的硅元件，如 IGBT，用于白色家電或焊接系統(tǒng)的數(shù)量較少。Yole 預(yù)計(jì)，隨著 GaN 器件在消費(fèi)類(lèi)快速充電器中的滲透，MOSFET 的市場(chǎng)份額將下降：2019 年和 2020 年出現(xiàn)了許多此類(lèi)采用，中國(guó) OEM 廠(chǎng)商將 GaN 用于豪華手機(jī)（Oppo、小米、Vivo 或魅族）的大功率內(nèi)置充電器) 以及三星和華為采用的配件快速充電器。另一方面，我們認(rèn)為 SiC 分立晶體管的市場(chǎng)有限，如今在用于高效系統(tǒng)的車(chē)載充電器 (OBC) 系統(tǒng)中大量使用，但 SiC 的驅(qū)動(dòng)力將在模塊中。[2]

圖1：分立電力電子市場(chǎng)趨勢(shì)

事實(shí)上，從理論的角度來(lái)看，GaN 比傳統(tǒng)的 Si MOSFET 提供了極好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。此外，價(jià)格的降低可以使GaN器件成為目前使用的Si基功率開(kāi)關(guān)晶體管的一個(gè)很好的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。盡管如此，硅超結(jié) MOSFET 的改進(jìn)將保持這些器件在市場(chǎng)上的地位并推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化和普及。因此，技術(shù)前景尚不清楚；每個(gè)制造商都針對(duì)模具設(shè)計(jì)和封裝集成提出了自己的解決方案。

從制造的角度來(lái)看，第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是在基板層面；GaN 和 Si 之間的高熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致在制造過(guò)程中需要超晶格夾層。外延沉積和制造工藝方面的創(chuàng)新導(dǎo)致極低的制造良率和可重復(fù)性問(wèn)題，這對(duì)最終模具成本至少有 40% 的影響。2019年，隨著Power Integration的器件進(jìn)入消費(fèi)類(lèi)快速充電器市場(chǎng)，藍(lán)寶石上的GaN發(fā)出了大量的聲音。藍(lán)寶石上 GaN 的低成本、更容易生長(zhǎng)和較低的位錯(cuò)密度是至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)，而藍(lán)寶石上 GaN 受益于非常成熟的 LED 行業(yè)的產(chǎn)能和技術(shù)訣竅。為了實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行所強(qiáng)烈要求的常斷運(yùn)行，是 GaN 功率開(kāi)關(guān)晶體管的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。同樣，制造商提出了不同的解決方案，例如柵極注入晶體管結(jié)構(gòu)、E 模式晶體管或共源共柵設(shè)計(jì)。在 GaN 集成中要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場(chǎng)的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢(shì)，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場(chǎng)正在提出一些分立 GaN 解決方案，但我們預(yù)計(jì) GaN IC 解決方案將在未來(lái)五年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，為受益于較小尺寸的最終用戶(hù)提供更簡(jiǎn)單的解決方案。[3][4] 在 GaN 集成中要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場(chǎng)的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢(shì)，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場(chǎng)正在提出一些分立 GaN 解決方案，但我們預(yù)計(jì) GaN IC 解決方案將在未來(lái)五年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，為受益于較小尺寸的最終用戶(hù)提供更簡(jiǎn)單的解決方案。[3][4] 在 GaN 集成中要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場(chǎng)的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢(shì)，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場(chǎng)正在提出一些分立 GaN 解決方案，但我們預(yù)計(jì) GaN IC 解決方案將在未來(lái)五年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，為受益于較小尺寸的最終用戶(hù)提供更簡(jiǎn)單的解決方案。[3][4]

在此背景下，2020-2021 年期間對(duì)于基于 GaN 的快速充電器在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和采購(gòu)方面至關(guān)重要。一旦 GaN 達(dá)到高成熟度和市場(chǎng)接受度，以及與 Si MOSFET 相比的成本競(jìng)爭(zhēng)力，消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的市場(chǎng)擴(kuò)張速度有望加快。今天，新的參與者正在進(jìn)入市場(chǎng)，但歷史參與者通過(guò)盡可能降低生產(chǎn)成本或引入不同的技術(shù)來(lái)保持領(lǐng)先地位。

圖 2：基于 GaN 的器件技術(shù)：哪種策略

模塊設(shè)備：極具潛力的市場(chǎng)

IGBT 模塊目前占總電源市場(chǎng)的 22%，傳統(tǒng)上用于工業(yè)或可再生能源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用，但幾年前它們也可以在電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (xEV) 中找到，基本上在主逆變器。隨著各大 OEM 的電氣化目標(biāo)不斷提高，到 2025 年將推出數(shù)十款 xEV 車(chē)型，汽車(chē)市場(chǎng)已成為最重要的驅(qū)動(dòng)力，因此到 2025 年，汽車(chē)市場(chǎng)將占總模塊市場(chǎng)的 45% 以上[5][6]。

xEV 中 IGBT 和 SiC 模塊之間存在明顯的競(jìng)爭(zhēng)，而性能、成本和可靠性是決定設(shè)計(jì)獲勝的關(guān)鍵參數(shù)。事實(shí)上，當(dāng)需要高功率密度時(shí)，碳化硅就變得有趣了。800V 電池汽車(chē)代表了 SiC 的重要市場(chǎng)機(jī)會(huì)，Lucid 等公司的 Lucid Air 已經(jīng)拉開(kāi)了比賽的序幕（特斯拉的主逆變器也是如此）。另一方面，IGBT模塊具有成本競(jìng)爭(zhēng)力和可靠性，因此它們?nèi)匀挥泻艽蟮氖袌?chǎng)。我們預(yù)計(jì)在未來(lái) 5 年內(nèi)將在奧迪、豐田、蔚來(lái)或大眾等大型原始設(shè)備制造商的主要逆變器中看到 SiC 技術(shù)[7]。

與標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)市場(chǎng)相比，在 COVID-19 危機(jī)期間電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量并未下降，制造商繼續(xù)開(kāi)發(fā)適用于電動(dòng)汽車(chē)的模塊技術(shù)。預(yù)計(jì) 2019 年至 2025 年 IGBT 功率模塊的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 18%，供應(yīng)鏈必須為這種數(shù)量的增加做好準(zhǔn)備[8]。

說(shuō)到供應(yīng)鏈，這也被xEV的滲透所撼動(dòng)：在半導(dǎo)體行業(yè)有重大投資，比如300mm晶圓廠(chǎng)投資（英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體、士蘭微電子等）或收購(gòu)和供應(yīng)SiC 晶圓和設(shè)備的協(xié)議，因?yàn)槠?chē)制造商需要依賴(lài)強(qiáng)大的供應(yīng)鏈，半導(dǎo)體制造商也需要確保他們的業(yè)務(wù)。我們已經(jīng)看到汽車(chē)原始設(shè)備制造商熱衷于這項(xiàng)技術(shù)，并在電力電子設(shè)計(jì)中變得更加具有侵入性，與設(shè)備和模塊制造商合作或在內(nèi)部開(kāi)發(fā)他們自己的專(zhuān)有設(shè)備或模塊技術(shù)。

圖3：電源模塊市場(chǎng)趨勢(shì)

然而，碳化硅的道路并不都是綠色的。在它被采用的背后，我們需要指出包裝的發(fā)展。目前，符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的模塊供應(yīng)商數(shù)量仍然有限。由于標(biāo)準(zhǔn)硅封裝并未針對(duì) SiC 的更高性能進(jìn)行優(yōu)化，因此不斷推出新的設(shè)計(jì)和材料。一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是封裝和 SiC MOSFET 管芯之間的熱連接和電氣連接。SiC MOSFET 最初僅采用三引線(xiàn)通孔封裝，但現(xiàn)在有幾種更先進(jìn)的分立和模塊封裝可用。

去年，System Plus Consulting 的分析師已經(jīng)看到使用新設(shè)計(jì)和新材料來(lái)重塑標(biāo)準(zhǔn)模塊，以改善 SiC 的散熱[9][10]。創(chuàng)新遍及從封裝到散熱器的所有制造級(jí)別。提供了新的硬樹(shù)脂，而不是經(jīng)典的環(huán)氧樹(shù)脂；而在汽車(chē)行業(yè)，集成商從外殼模塊轉(zhuǎn)向模制單面冷卻模塊。新基板對(duì)散熱影響大；銅已廣泛用作引線(xiàn)框架的材料，而 SiN AMB 基板正在成為標(biāo)準(zhǔn)。最后，芯片和基板的連接也在提高模塊可靠性方面發(fā)揮作用，尤其是在較高溫度下；

圖 4：EV/HEV 模塊

電力電子：未來(lái)會(huì)怎樣……

自從推出第一批晶體管以來(lái)，電力電子市場(chǎng)一直受到技術(shù)創(chuàng)新、消費(fèi)者需求、政治選擇和環(huán)境問(wèn)題的推動(dòng)。在工業(yè)和可再生能源的前兩大趨勢(shì)之后，不久的將來(lái)電力電子市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展將受到汽車(chē)行業(yè)的強(qiáng)力推動(dòng)。

從應(yīng)用到應(yīng)用的要求不盡相同，一刀切的技術(shù)是不夠的。芯片和封裝開(kāi)發(fā)商的關(guān)鍵方面將是在給定的基礎(chǔ)技術(shù)內(nèi)為足夠廣泛的參數(shù)權(quán)衡提供空間，以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的特定應(yīng)用產(chǎn)品要求。創(chuàng)新技術(shù)本身可以有更高的成本，但必須考慮最終對(duì)集成度和最終系統(tǒng)靈活性的影響。由于基礎(chǔ)材料、模具設(shè)計(jì)和新封裝解決方案的改進(jìn)，最初非常昂貴，我們預(yù)計(jì)成本將大幅下降，未來(lái)必須繼續(xù)這樣做才能獲得廣泛的市場(chǎng)采用。

在此背景下，System Plus Consulting 和 Yole 的分析師不僅預(yù)計(jì) IGBT 功率模塊市場(chǎng)的增長(zhǎng)和 Si MOSFET 市場(chǎng)的穩(wěn)定，而且特別是功率模塊封裝和基于 WBG 的設(shè)備的新設(shè)計(jì)和材料。此外，整個(gè)供應(yīng)鏈將被重塑，新的參與者、系統(tǒng)集成商和 OSAT 將進(jìn)入半導(dǎo)體市場(chǎng)。

審核編輯 黃昊宇