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車輛電氣化來實(shí)現(xiàn)。世界主要國家已經(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)施來運(yùn)輸電力。通過使用更高效的轉(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造更清潔的環(huán)境。

全球電力電子市場價(jià)值 175 億美元，從 2019 年到 2025 年，將以 4.3% 的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長[1]。在這個(gè)市場中，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

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

總體而言，MOSFET 占分立市場的 74%，在消費(fèi)、計(jì)算和汽車市場占有重要份額，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)類快速充電器中的滲透，MOSFET 的市場份額將下降：2019 年和 2020 年出現(xiàn)了許多此類采用，中國 OEM 廠商將 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 分立晶體管的市場有限，如今在用于高效系統(tǒng)的車載充電器 (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：分立電力電子市場趨勢

事實(shí)上，從理論的角度來看，GaN 比傳統(tǒng)的 Si MOSFET 提供了極好的技術(shù)優(yōu)勢。此外，價(jià)格的降低可以使GaN器件成為目前使用的Si基功率開關(guān)晶體管的一個(gè)很好的競爭對手。盡管如此，硅超結(jié) MOSFET 的改進(jìn)將保持這些器件在市場上的地位并推動(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。

從制造的角度來看，第一個(gè)技術(shù)問題是在基板層面；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)性問題，這對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)類快速充電器市場，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、更容易生長和較低的位錯(cuò)密度是至關(guān)重要的優(yōu)勢，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 功率開關(guān)晶體管的另一個(gè)技術(shù)問題。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)問題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場正在提出一些分立 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提供更簡單的解決方案。[3][4] 在 GaN 集成中要考慮的另一個(gè)問題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場正在提出一些分立 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提供更簡單的解決方案。[3][4] 在 GaN 集成中要考慮的另一個(gè)問題是晶體管驅(qū)動(dòng)器的集成。集成是消費(fèi)市場的一個(gè)明顯技術(shù)趨勢，而 GaN SiP 或 SoC 解決方案主要用于快速充電器。該市場正在提出一些分立 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提供更簡單的解決方案。[3][4]

在此背景下，2020-2021 年期間對于基于 GaN 的快速充電器在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和采購方面至關(guān)重要。一旦 GaN 達(dá)到高成熟度和市場接受度，以及與 Si MOSFET 相比的成本競爭力，消費(fèi)類應(yīng)用的市場擴(kuò)張速度有望加快。今天，新的參與者正在進(jìn)入市場，但歷史參與者通過盡可能降低生產(chǎn)成本或引入不同的技術(shù)來保持領(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

IGBT 模塊目前占總電源市場的 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 (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 車型，汽車市場已成為最重要的驅(qū)動(dòng)力，因此到 2025 年，汽車市場將占總模塊市場的 45% 以上[5][6]。

xEV 中 IGBT 和 SiC 模塊之間存在明顯的競爭，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 電池汽車代表了 SiC 的重要市場機(jī)會(huì)，Lucid 等公司的 Lucid Air 已經(jīng)拉開了比賽的序幕（特斯拉的主逆變器也是如此）。另一方面，IGBT模塊具有成本競爭力和可靠性，因此它們?nèi)匀挥泻艽蟮氖袌觥Ｎ覀冾A(yù)計(jì)在未來 5 年內(nèi)將在奧迪、豐田、蔚來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)汽車市場相比，在 COVID-19 危機(jī)期間電動(dòng)汽車的銷量并未下降，制造商繼續(xù)開發(fā)適用于電動(dòng)汽車的模塊技術(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）或收購和供應(yīng)SiC 晶圓和設(shè)備的協(xié)議，因?yàn)槠囍圃焐绦枰蕾噺?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)部開發(fā)他們自己的專有設(shè)備或模塊技術(shù)。

圖3：電源模塊市場趨勢

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 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別。提供了新的硬樹脂，而不是經(jīng)典的環(huán)氧樹脂；而在汽車行業(yè)，集成商從外殼模塊轉(zhuǎn)向模制單面冷卻模塊。新基板對散熱影響大；銅已廣泛用作引線框架的材料，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：未來會(huì)怎樣……

自從推出第一批晶體管以來，電力電子市場一直受到技術(shù)創(chuàng)新、消費(fèi)者需求、政治選擇和環(huán)境問題的推動(dòng)。在工業(yè)和可再生能源的前兩大趨勢之后，不久的將來電力電子市場和技術(shù)發(fā)展將受到汽車行業(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，未來必須繼續(xù)這樣做才能獲得廣泛的市場采用。

在此背景下，System Plus Consulting 和 Yole 的分析師不僅預(yù)計(jì) IGBT 功率模塊市場的增長和 Si MOSFET 市場的穩(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。

審核編輯 黃昊宇