《2025年,第三代功率半导体市场规模将达33亿美元》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2022-03-21
  • 第三代半导体将是未来半导体技术的关键。集邦咨询(TrendForce)的调查显示,在 2018 年至 2020 年因贸易战和 Covid-19 大流行而推迟之后,由于汽车、工业和电信应用的需求回升,第三代半导体领域可能会进入快速回升阶段。

     

    集邦咨询指出:碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在电动汽车(EV)和快充电池市场具有相当大的发展潜力。预计第三代功率半导体的产值,将从 2021 年的 9.8 亿美元、增长到 2025 年的 47.1 亿美元 —— 符合年增长率(CAGR)为 48% 。

     

    首先来看下大功率的碳化硅(SiC)器件,其能够在储能、风电、光伏、EV 新能源等领域发挥重要的作用。目前市面上的电动汽车,其功率半导体仍更加依赖于硅基材料(IGBT / MOSFET)。不过随着 EV 电池动力系统逐渐发展到 800V 以上的电压等级,SiC 将在高压系统中具有更高的性能表现。

     

    特斯拉已开始在其用于 Model 3 车辆的内部逆变器中采用意法半导体的 SiC 设计。根据英飞凌的说法,采用 SiC 设计的同一辆车的功率可以延长 4%,因为功率占 EV 费用的很大一部分,汽车行业已经开始越来越重视第三代半导体。英飞凌预测 SiC 芯片将占汽车电力电子元件的五分之一。过去节油靠发动机,现在节能靠第三代半导体。

     

    随着 SiC 逐步替代部分硅基础设计,整车架构和性能都将迎来大幅改进和提升。预计到 2025 年的时候,SiC 功率半导体的市场规模可达到 33.98 亿美元。

     

    其次是适用于高频场景的氮化镓(GaN)旗舰,其在手机 / 通讯设备、平板 / 笔记本电脑上具有相当大的应用前景。与传统快充方案相比,GaN 具有更高的功率密度,能够在更加轻巧、便携的封装内实现更快的充电速度。

     

    预计到 2025 年的时候,GaN 功率半导体市场规模可达到 13.2 亿美元。此外集邦咨询强调,第三代功率半导体基板相较于传统硅基板的制造难度和成本也都更高。

     

    好消息是,目前各大基板供应商都呈现了努力发展的态势。随着 Wolfspeed、II-VI、Qromis 等公司相继扩大产能,预计今年下半年可实现 8 英寸基板的量产,且未来几年仍有相当大的持续增长空间。

     

    事实证明,SiC和GaN的优势对诸多供应链的厂商有极大的吸引力,其中不少厂家早已积极投身于此类材料的研发。

     

    台积电正专注于硅基氮化镓的发展。虽然这项技术在通信方面受到限制,但它在汽车应用中是一个具有竞争力的组件。台积电在年报中透露,2020年已开发150和650电压。去年2月,意法半导体宣布与台积电合作制造汽车化合物半导体。

     

    台积电在制造 8 英寸晶圆的 GaN 器件方面取得了进展,而 6 英寸晶圆仍然是化合物半导体的主流。台积电许多退役的 8 英寸晶圆厂将承担新的化合物半导体生产。

     

    与台积电一样,VIS 也专注于 GaN on Silicon 衬底的开发。VIS 总裁 Leuh Fang 表示,该代工厂的目标是建立一个完整的制造工艺,包括晶圆超薄化。

     

    Sino-American Silicon Products Inc. (SAS)正在扩展第三代半导体,去年,该公司成为化合物半导体制造商AWSC进入电信应用领域的最大股东。据《财富》杂志报道,其子公司 Global Wafer 也在塑造第三代半导体基板的生产,但仍需提高良率和成本。

     

    SAS 总监 MK Lu 表示, “ 6 英寸硅片成本为 20 美元,而 6 英寸 SiC 晶圆成本为 1,500 美元,”他表示,汽车 SiC MOSFET 只有在 SiC 成本降至 750 美元以下时才会普及, “这将需要五年多的时间。”

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    • 根据TrendForce集邦咨询最新报告《2021第三代半导体功率应用市场》,受益于新能源汽车、光伏储能、智能电网、工业自动化等下游应用市场需求的多点爆发,功率半导体市场迎来了此轮高景气周期。第三代半导体SiC/GaN将通过突破Si性能极限来开拓功率半导体新市场,也将在部分与Si交*领域达到更高的性能和更低的系统性成本,是未来功率半导体产业发展的重点方向。 TrendForce集邦咨询分析2025年第三代半导体SiC/GaN功率市场规模合计可达47.1亿美元,相比2020年7.3亿美元,CAGR达45%。 SiC功率产业链结构分析 N型SiC衬底:作为产业链最关键环节,Wolfspeed/SiCrystal(Rohm)/II-VI等国际大厂占据了绝大部分市场份额,其中Wolfspeed位于美国北卡罗莱纳州的8吋SiC衬底产线预计将在2022年上半年开始产能爬坡。天科合达/山东天岳/烁科晶体/同光晶体等中国厂商开始崭露头角,但主流尺寸仍停留在4吋,6吋刚刚步入量产,与国际巨头差距不小。 外延:衬底或器件厂正在向产业链上下游延伸具备外延能力,纯粹的外延片供应商较少,主要集中在昭和电工/台湾嘉晶/瀚天天成/东莞天域。 器件:自SiC二极管首次商业化以来,SiC功率市场一直由供电应用推动,直到其2018年首次应用于特斯拉主驱逆变器后,汽车逐渐成为杀手级应用。SiC功率器件可靠性及成本已达到了电动车、光伏、轨道交通等应用要求,市场进入高速增长期。 根据TrendForce集邦咨询分析,全球SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长至2025年的33.9亿美元,CAGR达38%。 晶圆代工:市场尚处于起步阶段,目前具备规模化代工能力的Foundry主要集中在德国X-Fab和台湾地区汉磊。 GaN功率产业链结构分析 GaN-on-Si已成为GaN功率器件主流结构。 外延:全球主流GaN外延片供货商依旧集中在欧洲国家及日本,中国企业尚未进入供给端第一梯队。除了纯粹的外延厂以外,部分晶圆代工厂在产业链上进行延伸,同样具备外延能力。 器件:面向消费市场的650VGaN产品已经形成了批量供货能力,但更高压器件仍然较少。 根据TrendForce集邦咨询分析,Navitas/PI/英诺赛科将占据2021年GaN功率市场前三名。与此同时,全球GaN功率市场规模预计将从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元,CAGR达94%。 晶圆代工:台积电、世界先进等传统硅晶圆Foundry正在向这个市场靠拢,另外还包括X-Fab等特种工艺Foundry。 第三代半导体功率应用场景分析 新能源汽车:汽车市场对于延长电池续航、增加电池容量及缩短充电时间等有着极大需求,电池系统正朝着800V方向迈进,这使能承受高电压的SiC被寄予厚望,未来SiC将在主驱逆变器/OBC/DC-DC等组件中大放异彩。另一方面,GaN虽受限于可靠性等问题,但宝马等车企已经开始尝试,可见上车之路并不遥远。 消费电子:数位产品能耗与电池容量限制推动了GaN在消费快充市场的大规模应用。 根据TrendForce集邦咨询分析,随着GaN功率晶体管价格不断下降,以及技术方案愈趋成熟的态势下,预估至2025年GaN在整体快充领域的市场渗透率将达到52%。 光伏储能:“光伏+储能”已成为多国光伏开发的标准配置,逆变器的新增及替换市场正处于高速增长阶段。第三代半导体为实现光伏逆变器的“高转换效率”和“低能耗”提供了所需的优良性能,对提升光伏逆变器功率密度、进一步降低度电成本至关重要。 TrendForce集邦咨询重点分析2021第三代半导体SiC/GaN功率产业链结构、应用场景、供求关系、主要厂商情况等。相信能为读者在第三代半导体功率市场经营与销售提供全面布局。
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    • 编译者:husisi
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    • 在国内5G通信、新能源汽车、人工智能、工业互联网、大数据、光伏等行业快速发展的大趋势下,以及“碳达峰、碳中和”绿色低碳战略不断推进,第三代半导体市场应用已逐步开启,整体竞争力也不断提升。 具体来看,2020年底SiC与GaN市场规模已达8.5亿美元,2029年将达51亿美元,其中SiC占据超过70%份额。应用领域层面,新能源汽车需求持续增长,至2029年市场规模将超21亿美元,占比大于40%。 尽管当前国内第三代半导体的产业规模和市场份额还较小,但是增长空间巨大,极具应用潜力,并且政策也在加码扶持。今年发布的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中特别提出,重点实现“集成电路先进工艺和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等特色工艺突破”、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体,也就是第三代半导体要取得长远发展。 “缺芯”危机仍在,恢复仍需时间 目前来看,2021年,全球继续经历着Covid-19和集成电路短缺的洗礼,汽车半导体的产品短缺和减产尤甚。展望2022年,半导体需求将保持强劲,芯片短缺将持续到2022年底。许多供应商都在宣布增加产能,但在供需平衡需要时间。 持续的芯片短缺也导致下游整车厂商交期延迟或者是部分停产/产品涨价的情况发生。 在安世半导体看来,引发车用半导体产能不足的原因主要是原材料短缺和涨价,而且电动汽车需要使用比传统汽车多4到6倍的半导体器件;另外,疫情也同时刺激了全球工业(含5G)、移动、计算机和消费电子等领域的需求,造成产能的不足。 早在全球汽车半导体的短缺出现之前,安世半导体就已经制定了大幅扩大产能的全球增长战略: 2021年7月,安世半导体收购了英国的Newport 晶圆厂使安世半导体在IGBT、模拟和化合物半导体产品线方面具备前端能力,并宣布扩建在曼彻斯特和汉堡的200 mm晶圆厂、亚洲的封装和测试工厂及全球的研发基地。这些扩产和收购举措显著提升了安世半导体符合车规级标准的产品供应能力,扩大了市场份额。 安世半导体还在上海正式成立了中国研究院(China Design Center),为国内电动汽车、工业电子、消费电子以及新能源领域提供更加定制化及高性能的产品。 此外,安世半导体将继续在研发和产能上的投资,施行大幅扩大产能的全球增长战略。 持续攻坚第三代半导体技术 OFweek维科网·电子工程注意到,当前国内的第三代半导体产业发展面临复杂的内外部环境,国际上第三代半导体企业纷纷进行产能扩张,建立技术壁垒。再加上新能源汽车、 5G等产品市场爆发,下游企业考量供应链安全、国家政策支持和资本市场活跃也为第三代半导体发展提供了很好的机遇。 这使得诸多跨国企业纷纷加快布局,持续提升技术水平。众多半导体厂商加速布局,形成了包括衬底、外延、器件设计、流片、封装、系统在内的产业链条。汽车电子作为安世半导体的重点服务领域,自然也不过错过这次机遇。 “一直以来,安世半导体都是高效功率氮化镓(GaN)FET的可靠供应商,同时我们扩展宽禁带产品组合,包括碳化硅(SiC)和IGBT等新技术,推动中国汽车产业和移动通信的发展,让世界变得更美好,”张鹏岗表示,“目前来看,电动汽车需要大量的功率半导体。目前,每一款新车都使用了约270款不同应用领域的安世半导体产品,比如汽车和电动汽车动力系统、汽车直流电机控制和车载充电器等。比如:我们的车规级第三代半导体GaN产品,特别针对新能源汽车电驱及高压充电系统,目前已在全球范围内与众多行业头部Tier1展开合作。” 张鹏岗提到;“在2021年第四届中国进口博览会期间,我们与国内新能源电驱系统领导企业上海汽车电驱动联合开发的35kw三合一电驱系统,其电机控制器采用了安世半导体最新的GaN产品大幅度提升了系统效率,赋能减轻汽车电池重量及提升汽车续航里程。该方案是国内首款满足量产条件的35kw GaN电机控制器。我们将携手上海汽车电驱动一起将基于安世半导体GaN的电机控制器及系统方案推向国内外的整车及零部件合作伙伴。” 安世半导体的持续增长不仅源自于对产品和生产设施的持续投资,更归功于懂得对优秀人才的不断培养。“我们在欧洲和亚洲大力投资,兴建制造设施,不断扩大产能。我们在全球范围内持续拓展全新的研发设计中心、广招贤士,携手精兵良将共铸辉煌。”张鹏岗如此表示。 2021 年,安世半导体在研发领域的投资约占总营收的比例持续上升,预计将在未来升至 15%。同时,安世半导体在全球招聘更多研发工程师。目前强大的研发投入初见成效,更多新产品如 IGBT、中高压 MOSFET、Analog(模拟)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等均将在今年和未来几年逐步量产。