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功率器件简介及功率器件的技术发展趋势
/    2018-10-28    2018-10-28    被访问次

  周宏伟:我的报告分为五个部分,首先是功率器件简介,其次是功率器件的市场,再次是功率器件的技术发展趋势,接着是中国功率器件发展现状,最后是龙腾半导体功率器件简介。

  功率半导体是集成电路一个非常重要的组成部分,市场空间有400多亿美元,从大方面讲有200多亿美元是功率IC,还有100多亿是功率器件。手机充电器,手机当中都会有功率器件。功率器件主要的部分,体量比较大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好,就是一个很好的硬件厂商。IGBT模块是双子器件,它的特点是频率低一点,但是能量密度稍微大一点。所以像在新能源汽车,轨道交通应用得更广泛。它的重要性不言而喻,前一段发生中兴事件,我们在功能器件行业也刷屏了一个事情,通信系统如果中兴不卖了会是灾难,但如果在功率器件国外禁运的话,是一个更加灾难性的后果。比如高铁、电网,这个后果更为严重。至于它的重要性,我借用两个人说的话给大家听一下。一个是国际能源互联网研究院院长邱宇峰说的,已经知道电网将从钢铁网变成半导体电网,这是一个方面,半导体电网的核心的部件就是IGBT。另外一个重要的应用领域是轨道交通,我们说高铁是中国高端制造的名片,但是它的核心部分就是IGBT模块,类似于手机当中的CPU。还有一个更重要的领域,我们国家强推的新能源汽车,新能源汽车功率器件占整个成本的7%到10%,要到1000美元。

  正是因为功率器件在高端行业有核心的应用,像国家电网本来是做电网的,现在自己也整了个公司做功率器件,做IGBT。中车也是,自己干脆建了一条线,自己做IGBT。实际上功率器件是两个部分,一个是VDMOS,一个是IGBT。抓住这两个细分领域,中国的元器件就做好了。

  VDMOS在2017年的Yole统计报告当中,市场空间有60亿美元,这里面大部分是40v以下的设备。从市场份额来看,我们关心的是汽车电子,不管是增长率和市场份额,都是最大的。其次是计算机和存储,它的市场份额特别大。但是因为PC的发展比较慢,所以它的增长率比较小。另外是网络通讯,虽然现在来看市场份额不大,但是增长率很快,基本上和汽车电子一样。大家知道在通讯行业我们国家还可以,比如华为和中兴在通讯行业是第一位和第四位,所以伴随着整机器件的发展,国内应该有很好的发展。

  在2016年的统计报告当中,关于功率器件市场份额和一些重要的参与者,实际上0到40V体量是最大的。因为只要是手持器件,像数码相机、手机这些东西用量非常大,它的市场份额非常高。下面是40V到100V,这个为什么高呢?是因为做到了汽车,汽车电源是12V,很多是60到100V之间。大于400V这一部分统称为高压器件。谁是重要的参与者呢?从第一到十的排名,基本上没有中国厂商。客观来说,数到十五,中国厂商也很难排进去。第一名是很老牌的厂商,之前他的份额没那么多,三年前他收购了一个重要的厂商。第二位是On Semi,所以整个来看,细分市场里面,欧美日把持了大部分厂家。

  从VDMOS再细分一下,就是汽车电子,这个市场在2018年是14亿美金,增长比例每年逐渐增加的。前十位里面依然没有中国厂家。另外一个市场份额比较大的领域,是计算和存储市场,2018年的市场份额是14亿美元。但因为PC发展缓慢,是一个平稳的状态。即使这样,在这个非常大的市场领域前十名,也仍然没有中国厂家。严格来说,15位也没有。我们一直说是中国是制造大国,不是制造强国,因为在高端制造业当中,是找不到中国厂商的。

  再看另外一种非常重要的功率器件IGBT。IGBT总体市场是在2018年开始接近50亿美元,重要的参与者我们也列了一下。IGBT的电压非常广,从400V到6500V都有应用,因此很难有厂家独吞一个市场,所以厂家选自己擅长的领域做。这是第一梯队、第二梯队、第三梯队。第一梯队仍然是infineon、三菱,轨道交通被ABB垄断,所以很难见到中国厂商。只是在4500V领域把中车放进去了,但严格来说中车没有大批量量产IGBT。所以整体在IGBT这么大的市场里面,中国的参与度也比较低。

  所有的高压器件,这个技术是电子科大提出的,也因为这项工作获得了中科院的院士资格。这可以写进教科书,当时介绍的时候用了这么一句话,在半导体的历史上,陈先生把这个理论给推翻了,在半导体行业这是第一次。以至于陈先生的工作,正是因为他的奠基性的工作,使得公司在这个行业是非常领先的。从国内来看,这个结构看起来很简单,实际上有两种,一个是沟槽,一个是多次外延和注入。多次外延占了80%的市场份额,因为它的生产历史比较早,在陈院士提出来以后,他把专利很早提出来了,但是国内实现不了,后来infineon看了专利以后用了几年的时间,1998年就实现了。所以它的市场化份额开始得比较早。

  下面是沟槽刻蚀和回填,这就是先挖一个,再填充,这个工艺现在主要是华虹采取这个工艺。主要有两家厂家做,从工艺角度来说,华虹的工艺更好。在很深的沟槽里面填充一个没有缺陷的P型单晶是非常有挑战性的,你可以在市场上看,华虹是非常好。大家有机会看看华虹每个财季的财报都很漂亮,利润很高。再仔细看业务拆分的话,排第一的就是高压超结。

  下面是低压的VDMOS,一开始也是平面的,再到普通沟槽,然后到现在最热的SGT,现在是非常热的。实际上每一家的断代都不一样,但都是从平面的PT结构,到最新的PF+RC。从芯片厚度来说,头发丝直径30微米,IGBT60V在五六十微米,所以在8寸上面的精度非常高。应该来说国内和国际有两代到三代的差别,所以目前IGBT落后还是蛮多的。在学术界热的就是宽禁代,在五年之内宽禁代碳化硅也会发展平稳,以未来十年来看,增长量会非常大。今天这个节点上,国内碳化硅和氮化镓刚刚兴起。刚才谈的是行业的现状,现在谈中国的现状,因为比较分散,数据也不好搞,所以很多数据是来自国外的。这是2012年的一个报告,从这个上面结合我刚才谈的图,功率器件的市场基本上是在中国,我估计70%的功率器件在中国。

  从国内的地域来看,环渤海,就是北京和天津,有一些代工厂。天津有一个中华做得相当不错。西部只有西安,西安有龙腾和航天的一些厂。最强在江苏省,因为江苏在无锡和苏州,尤其是无锡,号称是中国集成电路的黄埔军校,所以一开始底子打得比较好,目前已经研制出很多元器件,不管是代工厂还是设计公司,很多都在无锡。深圳现在在功率器件应用端更强,但是代工厂有一些小的,像中芯、方正。中芯也开始在深圳做功率器件,半导体市场本身很火,但是功率器件比半导体更火。

  左边这个图重新画了一下,是全球主要功率MOSFET份额,中国厂商在功率器件不到5%,国内市场加起来不到10%,所以功率器件绝大部分依赖进口。这是个问题,对国内也是一个机会。

  再看产业环境。功率器件在半导体地位愈发突出。国务院提出了中国制造2025,它的核心就是功率器件。从现在来说,功率器件基本上还是欧美日把持,国内厂商相对来说比较弱小。国家也应该意识到这个问题了,像NPX,标准器件这部分,可能在国外警惕性没那么高的情况下,被中国资本拿下来了。2016年我在的时候,华润要收购相铜(音),我们很多同事也参与了这个谈判。最后的结局,它也承认卖给你们最好,但因为血统不行,哪怕便宜卖给别人,也不卖给你。

  从功率器件来看,一个是汽车,一个是通讯,都是功率器件的主要推动者,而且国家也把通讯和汽车作为战略产业,所以功率器件本身是一个非常好的行业。这是士兰,这是我们的友商,主营功率器件,它也做功率IC和规律模块,做得相当不错。十几年前,大家也没听说过,它现在有6寸厂,8寸线寸的厂。

  还有华虹宏力,从技术来讲,它号称是最大的8寸功率器件的晶圆代工,但是它主要是晶圆代工。它可能有些客户比较高端,但它主要是做代工业务。也就是说工艺可以做,但是设计上还是弱。还有华润微,它的产品线比较全,它的问题如何平衡好又做代工,又做IDM模式,如何平衡是它的问题。另外是华微,华微是个IDM厂商,它主要做高压平面VDMOS和功率三极管,它号称中国功率器件最大的上市企业。新洁能,它更细节的是低压的。还有东微,是最两年冒出来的新秀,是一个设计公司,号称估值将近10亿,它主要做高压超结。国内还有很多小的代工厂像深爱、方正、卫光,每个月可能就两三万片,非常少。还有一些小的功率器件设计公司,像韦尔、尚阳通,这些公司体量比较小、比较分散。在可预见的将来,肯定会有一个重组并购的过程,这个重组并购的过程事实上在两年前国际上已经发生了。可以想象在近几年,有一些资本进入以后,会有重组并购的行为。

  功率器件行业,因为半导体行业非常热,功率器件作为半导体行业的分支,它的投资价值我个人觉得是非常好的。为什么呢?如果我们和国外差几代,比如我们到28纳米大批量生产还是有问题,像台积电都是7纳米,代数落后非常多。但是功率器件本身来说,从硬件水平来说,无论是6寸高压平面或者是8寸,做一些低压的,工艺硬件国内本身绝对能满足,可以做。最宽的像8寸的,现在面最低的0.18微米,可能到不了纳米水平,比如0.5微米可以做,硬件上可以做。在软件上,经过了近几年发展问题也不大了。在五六年前,最初的平面的VDMOS,经常能看到国外公司。经过几年的发展,我们已经把它给挤走了。甚至ST在深圳的封装厂,已经倒闭了,所以人才的问题也不大。更重要的是功率器件产业链在中国,电子设备、家用设备,功率器件很多厂商在中国,中国就有主场之利,产品设计起来更快。从这上面来看,应该是一个好的方向。最近因为工作的关系,我去台湾和韩国做了相关的技术交流,从同行的角度来说,他们的危机感非常强,他们认为在近几年功率器件研发、销售,很快会往大陆方面转移。

  所以总体而言,半导体行业我们和国外还有不小的差距。但应该看到最先接轨的部分,就是最先赶上国外的部分在功率器件上。因为硬件没有问题,软件上也培养了很多人才。所以这个投资方向,是很好的。

  下面我把龙腾半导体产品给介绍一下。龙腾总部在西安,我们有77项专利,而且大部分是发明专利。下一代的碳化硅,我们也参与了国家的测试标准。我们承担了2011年国家电力电子专题项目。我们的产品是功率器件,主流的功率器件我们都做,第一类就是低压的沟槽的VDMOS和SGT产品,高压超结和高压平面DMOS我们也做,另外是600V、1200VFS IGBT产品。

  这是种低压MOSFET,普通的沟槽,比如100V以下,不管是N的还是P的,普通的低压的MOSFET我们都成熟了。这个技术水平也非常接近也能达到和国际主流了,而且我相信和国内的友商一起合作,几年之内国产份额会比现在有明显的提高。另外低压的SGT,这是比较高端的,到现在100V、30V、40V,我们处在上量的阶段,当然以后还要做120V、50V,现在100V马上就要量产。我们有超压超结的MOSFET,也比较成熟,经过国内各个厂商的努力,在中国市场基本已经失败了。华虹是2.5代,有一个参数RSP,这个越小越好。我们以650V为例,我们是18.7,在国内也是非常领先的。

  另一个是IGBT,IGBT有600V和1200V平台,基本上是国际主流平台。从效率来看,也没有太大问题。所以整体来看,龙腾产品基本上接近国际主流水准。所以有机会欢迎大家去西安龙腾,大家去视察一下,我的报告讲到这里,谢谢大家。

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