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(jìn)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(shí)功率器件也是半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體身上。可以說第三代半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)發(fā)展風(fēng)口已至。 另據(jù)TrendForce集邦咨詢的預(yù)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(yù)估2021年SiC器件于功率領(lǐng)域營收可達(dá)6.8億美元，年增32%。中國是全球最大的功率器件消費(fèi)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(dá)16臺，比既有的六寸廠內(nèi)的6臺增加2倍多，這相當(dāng)于產(chǎn)能將增達(dá)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(dǎo)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(jì)錄，已向市場成功交付超過1300萬顆GaN功率IC，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零故障，反應(yīng)了全球移動消費(fèi)電子市場正加速采用GaN芯片，實(shí)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(jìn)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(jī)智能手機(jī)海外上市時，隨機(jī)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(biāo)配的55W納微GaNFast氮化鎵充電器海外版擁有歐標(biāo)的2-pin AC，這標(biāo)志著主流一線智能手機(jī)廠商已開始采用氮化鎵技術(shù)，也標(biāo)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(dǎo)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(qiáng)的少年，優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)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?fù)?dān)。”所以鑒于兩者的分工不同，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追Q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(dú)有的優(yōu)良特性，車廠陸續(xù)開始導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)，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(jī)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(dǎo)體材料碳化硅龍頭企業(yè)山東天岳先進(jìn)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(dǎo)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(jī)驅(qū)動、光伏逆變器。

對GaN的謀劃

根據(jù)Yole的預(yù)測，GaN將主要應(yīng)用在消費(fèi)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(shí)，GaN功率器件主要銷售給電子市場，對于消費(fèi)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(shí)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(yùn)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(dāng)時就有傳言說是華為自研，但實(shí)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(dǎo)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(dǎo)體。預(yù)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(dá)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(fèi)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(jìn)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。基于GaN半導(dǎo)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(qiáng)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(yù)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(qiáng)對數(shù)據(jù)中心實(shí)施嚴(yán)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(shí)比仍滿足當(dāng)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(lán)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(dá)技術(shù)。而GaN晶體管的進(jìn)步已被證明是開發(fā)高精密激光雷達(dá)系統(tǒng)不可或缺的一部分。 激光雷達(dá)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，其速度非常快，上升和下降時間也很短。這也是氮化鎵使激光雷達(dá)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(shí)現(xiàn)短脈沖寬度。這一特性對激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)看得更遠(yuǎn)。

國內(nèi)功率半導(dǎo)體的整體情況

最后讓我們系統(tǒng)的看看國內(nèi)功率半導(dǎo)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(diǎn)，這方面與國外差距較大。

國內(nèi)的IGBT整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂恚ㄖ票恚喊雽?dǎo)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(shí)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(jìn)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(jìn)步。

國內(nèi)的SiC整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂恚ㄖ票恚喊雽?dǎo)體行業(yè)觀察） 根據(jù)RESEARCH AND MARKETS發(fā)布的“氮化鎵半導(dǎo)體器件市場2023年全球預(yù)測”稱，氮化鎵器件市場預(yù)計將從2016年的165億美元，增長至2023年的224.7億美元，年復(fù)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(kuò)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?zhǔn)崂恚ㄖ票恚喊雽?dǎo)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(jìn)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(dāng)下在第三代半導(dǎo)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(dǎo)體的發(fā)展持積極態(tài)度，第三代半導(dǎo)體材料或許可以成為我們擺脫集成電路被動局面，實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機(jī)。如華為這樣有能力的企業(yè)就該一馬當(dāng)先，引領(lǐng)國內(nèi)半導(dǎo)體崛起！

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