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SiC和GaN“上车”的最新进展如何?
来源:国际电子商情 发布:2023/08/04 浏览量:101

虽然SiC已经在汽车上批量应用,但是受限于由于良率和性价比问题,对大部分汽车而言,SiC器件的成本依旧过高;GaN的商用集中在消费电子的快充领域,近几年也拓展到了数据中心领域,只是其上车进程却迟迟未见明显收效……

虽然SiC已经在汽车上批量应用,但是受限于由于良率和性价比问题,对大部分汽车而言,SiC器件的成本依旧过高;GaN的商用集中在消费电子的快充领域,近几年也拓展到了数据中心领域,只是其上车进程却迟迟未见明显收效……

进入到2023年,业界持续关注以SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体发展。不过,这两类半导体应用的表现,仍然面临着许多挑战。
具体来看,虽然SiC已经在汽车上批量应用,但是受限于由于良率和性价比问题,对大部分汽车而言,SiC器件的成本依旧过高;GaN的商用集中在消费电子的快充领域,近几年也拓展到了数据中心领域,只是其上车进程却迟迟未见明显收效。
截至目前,SiC和GaN的商业进程最新进展如何?在日前的“2023集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会”上,来自第三代半导体产业链上下游的从业者,解读了SiC和GaN当前的最新现状及前沿趋势。
Image8英寸SiC正进入市场,目前市占率低于2%
根据TrendForce预测,SiC功率元件的市场规模将从2022年的16.09亿美元,增长到2026年的53.28亿美金,期间的年复合增长率高达35%。
集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄指出,SiC衬底在过去几年中,一直处于供不应求的状态,预测全球等效6英寸SiC的导电型碳化硅衬底材料生产,将会从2022年的107万片成长到2026年的569万片。
具体来看,6英寸仍是目前市场的主流供应,市场份额约占到80%,到2025年该数字将提升到90%。另外,8英寸碳化硅晶圆也正在进入市场,其市占率当前仍低于2%,预计到2026年,其份额将会达到15%。
如今,全球有超过15家厂商展示了8英寸碳化硅衬底样品,其中以Wolfspeed和Vitesco为代表,其他参与8英寸晶圆设施的厂商,还包括ST、英飞凌、博世、onsemi、罗姆、三菱等国际厂商,以及天科合达、天岳先进、烁科晶体、同光半导体等国内厂商。
  • Wolfspeed在美国有一座8英寸晶圆厂,该公司还与Tier1采埃孚计划在德国建立一座8英寸晶圆厂。
  • ST去年宣布计划投资7.3亿欧元在意大利建设8英寸的碳化硅设施;ST还于2023年6月宣布,与三安光电在重庆将设立一座8英寸碳化硅晶圆制造厂,三安光电将建造一个额外的8英寸碳化硅衬底设施来作为配套。
  • 英飞凌在去年投资20亿欧元,以扩展其马来西亚居林工厂的宽禁带半导体产能。
  • 博世在今年收购了芯片生产商TSI半导体公司,后者在美国加州拥有一座8英寸的专用芯片晶圆厂,博世计划未来会投资14亿欧元,把这座晶圆厂改建成碳化硅产线。
从国际厂商的布局中可以看出,这些大厂其实非常关注8英寸的发展。随着衬底技术的不断突破、产能的提升,8英寸碳化硅晶原厂的投资也在不断加大,相信在未来,8英寸SiC晶圆的市场渗透动作将更快速。
ImageSiC加速“上车”,车厂抢占产能
一方面是SiC器件厂商抢占衬底厂的产能,另一方面是汽车厂商抢占SiC器件。以汽车厂为例,当前车厂在不断寻求多元化的供应链体系,好以此来防备供应链风险。比如,特斯拉的碳化硅器件供应商有ST和安森美;比亚迪的碳化硅供应商有ST和博世等。
除此之外,车厂也在通过投资或者合资的方式,来参与到碳化硅供应链的建设。最新的一起事件是,2023年1月爆出的“采埃孚与Wolfspeed共同投资30亿美元在德国建造一座碳化硅晶圆厂和研发中心”,以及今年5月底媒体报道的“纬湃科技(Vitesco Technologies)向onsemi投资2.5亿美金来购买全新的碳化硅设备,以支持onsemi的碳化硅产品发展”。种种迹象表明,车厂非常看好碳化硅的发展前景。
应用方面,SiC在800V汽车市场有突出的优势,该技术的应用能更好地解决充电焦虑问题。自2021年开始,许多汽车制造商开始采用SiC MOSFET的技术,比如2023年小鹏的G6、奥迪Q6 E-Tron,以及比亚迪仰望U8等,这些800V车型均搭载了SiC MOSFET。
2022年,800V汽车系统在B级汽车市场的渗透率大约为3%,该渗透率主要由现代loniq5、起亚EV6等车型贡献。预计到2026年,这一数值将会提升到15%左右。同时,800V汽车系统的蓬勃发展,也会推动SiC市场的进一步发展。
SiC在充电功率市场也有较好的发展。龚瑞骄指出,随着越来越多汽车厂商开始将碳化硅技术引入到汽车的电驱系统中,预计车用SiC功率元件市场将会从2022年的10.9亿美金成长到2026年的39.8亿美金,复合增长率达到38%。
再看中国车用SiC市场,包括上汽、北汽、广汽车厂,都在重金投资本土碳化硅供应链,像瞻芯电子、清纯半导体、泰科天润等厂商的产品,或经实现了在汽车OBC或DC-DC上的搭载,或已经处于市场验证阶段。
与此同时,一些传统的工业半导体厂商,也在进入碳化硅市场,包括中车、比亚迪、士兰微、斯达半导体等。
ImageGaN消费类快应用突出,但“上车”长路漫漫
GaN因具备宽禁带、高频率、低损耗、抗辐射强等优势,可满足了各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求。理论上,GaN适用于开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电、芯片处理器等应用场景。GaN商业化得最好的应用是消费电子快充,其在数据中心的应用逐渐开始起来,但在电动汽车上的应用还需进一步发展。
关注上游的器件部分,GaN功率芯片赛道玩家主要包括纳微半导体、Power Integration(PI)、英诺赛科等,依托在消费类快充的应用,GaN芯片出货量已经到达数亿颗。比如,截至2023年Q2季度末,英诺赛科GaN芯片出货量已超1.7亿颗,纳微半导体的高压GaN芯片出货量超7500万颗。
GaN在消费类快充应用的迅速走红,也让其在其他领域的商用进程广受关注。据龚瑞骄介绍,近年来,许多GaN器件厂商将目光转向了工业市场,而数据中心是GaN在工业市场关键的应用场景,“数据中心的耗电量巨大,使用GaN功率元件可缩减数据中心耗电量,并且提高服务器的运行效率、降低运营成本。”他说。
但GaN“上车”却迟迟未见明显的收效。虽然现在大家谈论第三代半导体时,经常会同时讨论GaN和SiC,但若说到在汽车市场的应用情况时,大部分人只会把目光聚焦在SiC上。其实,汽车市场也是GaN的潜力市场之一,许多OEM和Tier1也都非常看好GaN在汽车市场的发展。具体而言,GaN可应用与汽车行的OBC、DC-DC、BMS等。
在众多下游市场应用的带动下,GaN的市场规模也将起量。根据TrendForce预测,GaN功率元件的市场规模将从2022年的1.8亿美金,增长到2026年的13.3亿美金,期间的年复合增长率高达65%。
再回到老生常谈的话题——究竟当前限制GaN商用的因素有哪些?
华灿光电氮化镓电力电子研发总监邱绍谚指出,GaN目前也处于发展的萌芽期,仍面临同质衬底生长、可靠性不佳等技术问题,限制了生产良率和商用化发展。其中,GaN器件特性由外延结构决定,器件的可靠性则与材料质量紧密相关。目前,GaN衬底仍在开发中,市场上尚未有成熟的GaN衬底,只能使用硅和蓝宝石等异质接面衬底,而这些导致了GaN器件特性不佳。
即使在商用过程中面临着一些难题,也无法阻碍整个市场的向前发展。到目前为止,消费类领域的GaN快充的各项参数也越来越大。随着用户用电需求的一个增加,GaN快充的输出功率也在不断提高,比如今年小米推出的300W GaN快充的功率密度高达2.31W/cm³。
再看GaN在快充中的价值量分布。GaN在功率市场最主要的价值量,体现在15W-65W的市场。但随着大功率快充的发展,市场上出现了GaN LLC+PFC方案,该方案解决了传统电源方案的外围电阻复杂、成本高的难题,未来GaN有望持续在这一领域大规模渗透。
前文也提到,GaN在汽车中的应用主要涉及到OBC、DC-DC等,为了让电动汽车更加节能,其实也有少数厂商正在致力于开发汽车逆变器GaN功率元件,比如2022年12月,Cambridge GaN Devices(CGD)宣布,他们与IFP Energies nouvelles(IFPEN)签署了汽车逆变器开发协议。根据协议,IFPEN将在一款新的汽车逆变器设计中采用CGD的 ICeGaN™ GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)。
龚瑞骄评价说,但GaN在汽车市场仍处于早期验证阶段,预计到2025年左右,才会小批量渗透到低功率的OBC和DC-DC中。大概在2030年,OEM才可能会考虑将GaN引入到汽车逆变器中。因此,整体来看,GaN玩家在汽车市场的前景广阔,但也需要产业界共同努力来推进它的每一个应用。
Image半导体大厂双布局:SiC和GaN两手抓
在去年笔者的《宽禁带功率半导体的竞争格局及趋势分析》和《第三代半导体加速爆发,SiC、GaN产业化进度如何?》对SiC和GaN产业链、供应商、融资进度,以及竞争格局均作过详细介绍,文本就不这对这些内容再做赘述。
值得注意的是,在发力SiC和GaN的玩家中,有一个特点已经越来越突出,即部分有实力的大厂在同时布局SiC和GaN。
最新的消息是,今年3月,英飞凌宣布将以8.3亿美元收购GaN Systems公司,后者是开发基于GaN的功率转换解决方案的全球技术领导者。
GaN Systems在汽车市场拥有包括宝马、纬湃科技等客户,在消费快充市场拥有包括三星在内的客户。英飞凌方面表示,在完成对GaN Systems的收购后,英飞凌将会进一步扩展自己的GaN功率器件生产线,并进一步扩展市场份额。从2022年的市场份额来看,GaN Systems约占12%的份额,位列全球第五。预计英飞凌与GaN Systems合体后的市场份额大约为15%。
另一个例子是,2022年8月,纳微半导体宣布收购GeneSiC Semiconductor,将原本的GaNFast氮化镓功率芯片产品线扩展,新增GeneSiC碳化硅产品线。纳微半导体在汽车方面的布局主要在车载充电桩方面。据资料显示:纳微旗下的碳化硅技术已为十几家充电桩服务商客户采用,纳微半导体基于SiC技术的车载充电器已经进入车企供应链,比如中国的比亚迪和吉利也都采用了GeneSiC的方案,今年年初,纳微半导体还与吉利集团旗下威睿汽车开设联合电动汽车设计中心。
在SiC与GaN的共同驱动下,纳微半导体的营收也不断攀升。2023年Q1,纳微半导体的净销售额增至1340万美元,较2022年Q1同比接近翻番,较2022年Q4增长8%。且毛利率达到了41.1%。
Image小结
我们关注到,无论是SiC还是GaN,它们都还面临着良率和成本问题,与之对比的硅器件在市场应用中,仍占有比较大的性价比优势。因此,当前市场上仍以硅基半导体为主。当然,我们也看到,在整个产业链参与者的积极推动下,SiC和GaN的成本在慢慢降低,其在汽车市场的需求将会进一步加大,所以从整体上看,未来这两类技术都将在汽车市场有更好的发展。

*本文为国际电子商情原创文章,未经授权禁止转载。

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