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瑞能:理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元

2021-09-15 18:44:34 赵明灿 阅读:
9月15日,在由临港集团主办、ASPENCORE承办的第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛上,瑞能半导体首席战略和业务运营官沈鑫分享了“理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元”的主题演讲。

9月15日,在由临港集团主办、ASPENCORE承办的第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛上,瑞能半导体首席战略和业务运营官沈鑫分享了“理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元”的主题演讲。KqBednc

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据介绍,瑞能前身是恩智浦半导体一部分。2015年独立出来以后,一直继续做原来功率半导体的业务,前前后后已经做了40多年。第三代半导体业务是从2012年开始,主要以碳化硅(SiC)功率器件为主,到现在为止已经将近10年了。第三代半导体累计出货量已达千万量级。KqBednc

此次所分享的内容主要是对于第三代半导体机遇和挑战的一些思考。KqBednc

有人提到第三代半导体是不是过热,投资怎么样?这应该从长期结构化发展来看。现在,包括功率半导体在内的半导体行业供给非常紧张,这有它一定的结构化原因。KqBednc

以下面这张图来看,蓝线代表这些年来世界人口的发展,红色则代表全球用电量的发展,综合这两个数据可知,人均用电量翻了接近5倍。这其中有很多原因。对半导体行业最根本的诉求在于电能转换效率要求,以及用电控制的要求。KqBednc

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驱动行业发展的原因和要素有很多方面。主要原因包括:KqBednc

第一,交通电气化,这对用电量产生了极大的需求。KqBednc

第二,通信电子,早期的功能手机几天一充,现在的智能手机变成一天一充。KqBednc

第三,对计算的要求也大大提升了,这种电气化或数字化对于用电要求是非常大的。KqBednc

“国家前两天新闻预测说,未来到2030年左右,全球用电量还会翻2.5倍。这对于功率电子,尤其是对于能量效率等等,有着非常大的潜在要求。”沈鑫补充说。KqBednc

下图反映了在单位体积里所能承载能量的大小的发展。“左边33W充电器的能量密度大概平均每毫升承载0.45W功率,右边快充的能量密度基本上翻了两倍半,这也就意味着同样体积所需的用电量翻了两倍半,对于半导体的要求是能否处理热,提高可靠性,这对现代产业发展都有非常大的挑战。“沈鑫指出。KqBednc

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另外一个例子是充电桩。“国家现在大力发展充电桩,不管是居民用还是工业用充电桩,左边这种是属于挂在墙上的,功率只有20kW甚至更小,功率密度远远低于快充。KqBednc

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这个前提条件下,就催生出了对宽禁带半导体或第三代化合物半导体的需求。KqBednc

宽禁带半导体的主要好处和优势有三点:第一,热导率比较好;第二,电子迁移率比较高;第三,击穿场强比较大。KqBednc

这对电子系统的好处体现在三个方面:第一,效率更高;第二,系统冷却要求更小,尤其是散热片的大小要求较小;第三,可以把整个系统的重量或体积做得比较小。KqBednc

很多半导体研究机构预测化合物半导体,尤其是碳化硅,会有一个非常大的发展,从今年10亿美金左右增长到未来的30-35亿美金。考虑到整个半导体行业的发展,年复合增长率一般只有个位数,能在这么大环境里实现超过30%的年复合增长率,就是一个非常可观、非常有利的细分市场。KqBednc

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在产业发展上实现了很多的突破:KqBednc

首先,缺陷密度大大降低了。现在的良率在95%以上。KqBednc

其次,是衬底的规模,现在碳化硅衬底在向8寸发展。国内6寸已经比较成熟了,跟过去相比,整个行业产能有了非常大的提升。KqBednc

最后,就是从设计角度来说也有很大的提升。从过去的二极管经历到现在已经到了第六代,这么多代迭代下来,它的设计也有很大的提升。KqBednc

这些行业发展使得供应比较稳定,良率比较高,成本比较低,另外性能也比硅基产品有很大的提升。KqBednc

这些情况下使得碳化硅或第三代化合物半导体未来有更大潜力的发展空间。KqBednc

瑞能比较侧重的几个行业是:KqBednc

第一,在电动汽车方面,陆陆续续有不同的汽车厂商使用碳化硅器件,包括碳化硅的模块都在使用。随着汽车电池包的电压从400V升级到800V,传统的600V产品就不能适应高压要求了。1200V碳化硅MOSFET的效率和性能是要好于硅基IGBT的。随着国内电动车的发展,对于从事第三代化合物半导体的公司来说,未来会成为一个很大的市场空间。KqBednc

第二,国家提出的碳中和目标和要求跟清洁能源相关,欧洲等地也都提出了到2030年、2040年左右不使用燃气的目标。这些都是跟清洁能源有关,不管是太阳能还是光伏,对功率半导体的要求都比传统火力发电更多、更高。尤其在光伏领域,国内的微逆和逆变器在全球市场上占了大半壁江山,目前逐步开始使用碳化硅二极管、碳化硅MOSFET以及碳化硅模块。未来随着太阳能装机量的提升,目前国家对太阳能也有一定的扶持,这个领域的发展空间就非常看好。KqBednc

第三就是电源。电源和我们平常的生活息息相关,像手机就是我们比较看中的场景。KqBednc

碳化硅二极管比较关注的一个方面是能量密度的提升,单位面积的碳化硅晶片到底可以承载多大的电流,这主要反映在材料本身的进步,另一方面也反映在半导体厂商(比如瑞能)器件设计的进步。“如果以2018年基数为100来算的话,我们今天已经提升了20%。从芯片设计角度来说,为了承载同样的电流,现在用的晶片面积可以比三四年前小20%。这个数字从业绩上来说是比较通用的,也就是从行业对比来说,跟国际上的领先企业都是相当的。”KqBednc

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从碳化硅MOSFET来说,单位面积导通电阻越小越小。“瑞能今天的竞争对手都是国际知名的厂商,瑞能的电阻跟国际大厂都是相当的,甚至有些地方都还领先。从性能角度来说,这对整个行业慢慢使用更多碳化硅器件有一定的促进作用。”沈鑫认为,“随着行业发展,碳化硅成本跟硅基相匹配是有一定空间的。这个匹配不是一模一样,而从系统角度来说,碳化硅器件跟硅有一定的对比性。”KqBednc

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“现在,全球贸易战问题还在延续,所以中国企业不管是从衬底、外延片,还是从晶圆制造角度来说,临港都有一个很大的碳化硅晶圆制造的企业。”沈鑫指出。KqBednc

中国供应链会越来越成熟,从内循环角度来说,中国到目前为止已经具备了这个基础。从前端衬底、外延到晶圆制造都有一系列的企业,包括很多企业也都在走上市的道路,从基金供给来说,也都是有非常充足的供给。能否加速中国本土化的进程,一方面是个挑战,同时也是一个机遇。随着内循环建立,这对中国企业长期发展是有非常大帮助的。KqBednc

最后,就是碳化硅毕竟是一种新的器件,简单从硅器件替换成碳化硅器件,实际上是不能充分发挥碳化硅器件本身优势的。不管从相匹配的控制电路,还是相匹配的电阻电容来说,其实对于碳化硅器件的设计,包括使用碳化硅器件的系统设计都是有非常大的挑战的。“中国企业在这方面,坦白来说,跟国际企业相比还是有一定落后的。从中国企业来说,我们还有更多工作要做,但不管怎么样,有临港和政府的支持,尤其有碳化硅整体企业聚集度的产业发展政策,我个人,包括公司,对于碳化硅器件,包括第三代半导体,还是有非常大的期待和希望的!”沈鑫总结道。KqBednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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