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半导体周报0114-半导体之功率半导体

创建时间：2024-01-15 08:59

半导体周报-0114

一、行业新闻及动态：

1、半导体设计：

财联社1月4日电，澜起科技官微1月4日消息，近日，澜起科技宣布推出DDR5第四子代寄存时钟驱动器芯片（DDR5 RCD04），该芯片支持高达7200MT/s的数据速率，较DDR5第一子代RCD速率提升50%，以应对新一代服务器平台对内存速率和带宽不断攀升的需求。目前，澜起科技已将DDR5 RCD04工程样片送样给主要内存厂商，助力客户进行新一代内存产品研发。

2、半导体制造及封测：

财联社1月4日电，日前，美国佐治亚理工学院研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。研究团队使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。该项突破为开发全新电子产品打开了大门。研究发表在《自然》杂志上。

《科创板日报》2日讯，SEMI发布《世界晶圆厂预测报告》，报告显示全球半导体每月晶圆（WPM）产能在2023年增长5.5%至2960万片后，预计2024年将增长6.4%，首次突破每月3000万片大关（以200mm当量计算）。机构认为，2024年的增长将由前沿逻辑和代工、包括生成式人工智能、HPC（高性能计算）在内的应用的产能增长以及芯片终端需求的复苏推动。

3、其他：

《科创板日报》3日讯，SK海力士宣布，公司将参加于1月9-12日在美国拉斯维加斯举行的CES 2024，届时展示未来AI基础设施中最为关键的超高性能存储器技术实力。SK海力士将展示新一代接口的CXL内存、基于CXL运算功能整合而成的存储器解决方案CMS试制品、基于PIM半导体的低成本、高效率生成型AI加速器卡AiMX等。

《科创板日报》2日讯，TrendForce今日发布日本石川县能登地区强震影响调查报告，其指出，震区周边包含MLCC厂TAIYO YUDEN、硅晶圆厂信越、GlobalWafers、半导体厂东芝及Tower与Nuvoton共同营运的TPSCo等相关工厂皆位于震区。由于现阶段半导体仍处下行周期，且时序已进入淡季，部分零组件仍有库存，加上多数工厂落在4-5级震区，均在工厂耐震设计范围内。调查指出，多数工厂初步检查设备并未受到严重灾损，研判影响可控。

财联社1月6日电，中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”于6日9时上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。超导量子计算机是基于超导电路量子芯片的量子计算机。国际上，IBM与谷歌量子计算机均采用超导技术路线。“悟空”搭载的是72位超导量子芯片“悟空芯”。这款芯片在中国首条量子芯片生产线上制造，共有198个量子比特，其中包含72个工作量子比特和126个耦合器量子比特。

二、本周话题——功率半导体
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

模拟 IC 中的电源管理 IC 与分立器件中的功率器件功能相似，二者经常集成在一颗芯片中，因此功率半导体包括功率 IC 和功率器件。功率半导体的具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，相关产品具有节能的作用，被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。

功率半导体分类

数据来源:功率半导体器件标准化白皮书，华福证券研究所

功率半导体包含分立器件及电源管理芯片且细分种类繁多，预计 2022 年总市场规模约为 543 亿美元。功率半导体由分立功率器件与电源管理芯片组成;根据 OMDIA 与 Yole 数据，2022年全球功率半导体(含功率器件及电源管理芯片)市场规模约为 543 亿美元，占半导体市场 9%;其中分立功率器件 281 亿美元，电源管理芯片 262 亿美元。尽管功率半导体市场规模远小于数字芯片市场规模，但作为电子系统底层能量流的核心，功率半导体是电子系统正常运行的基础。

功率器件：

功率器件是快速的电子“开关”，通过切换“开”与“关”状态配合其驱动电路实现电流与电压状态的改变。其开关内部各功能的联系及交互影响决定了开关的特性，最终可实现直流-直流\交流-交流电压高低、电流频率及电流方向(整流\ 逆变)的改变，并应用于稳压器、变频器、逆变器、整流器及 DC-DC 电源中。

功率半导体-快速的电力电子“开关”待优化

资料来源:Omdia，Yole，国信证券经济研究所整理

功率器件分类：

功率半导体主要分为功率器件、功率 IC。其中功率器件经历了近 70 年的发展历程:20 世纪 40 年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二极管等;晶闸管出现于 1958 年，兴盛于六七十年代;近20年来各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，MOSFET和IGBT逐渐成为主流，多个 IGBT 可以集成为 IPM 模块，用于大电流和大电压的环境。功率 IC 是由功率半导体与驱动电路、电源管理芯片等集成而来的模块，主要应用在小电流和低电压的环境。

根据可控性分类：

第一类是不可控型功率器件，主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件，其中一端为阴极，另一端为阳极，二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压，正向导通，反向阻断，电流的方向也是单向的，只能正向通过。行控制，因此将这类器件称为不可控器件。

第二类是半控型功率器件，半控型器件主要是晶闸管(SCR)及其派生器件，如双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三段器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在阳极和阴极间施加正向电压，还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零。

第三类是是全控型器件，以 IGBT 和 MOSFET 等器件为主。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，因此称之为全控型器件。

根据驱动形式分类：

1、电流驱动型器件有 SCR、BJT、GTO 等，这类器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通或者关断，本质上是通过极电流来控制器件。GTO 和 SCR 一般通过脉冲电流控制，BJT 则需要通过持续的电流控制。

2、电压控制型电路主要是 IGBT 和 MOSFET 等，这类器件的导通和关断只需要特定的电压和很小的驱动电流，因此器件的驱动功率很小，驱动电路比较简单。

3、光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件，如光控晶闸管。这类器件的开关行为通过光纤和专用光发射器来控制，不依赖电流或者电压驱动。

功率器件各项参数及其应用领域对比

资料来源:菱端电子、国海证券研究所

主流功率器件：

1、二极管：二极管是最简单的功率器件，由 P 极和 N 极形成 PN 结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较低(锗管导通电压为 0.3V，硅管为 0.7V)，电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS 二极管等。

二极管结构示意图 二极管单向导通示意图

资料来源:电子发烧友网、富士电机、国海证券研究所

二极管应用:二极管是最简单的功率器件，由于二极管具有单向导电的特性，通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。齐纳二极管通常用于稳压电路，在达到反向击穿电压前，齐纳二极管的电阻非常高。达到反向击穿电压时，反向电阻降低，在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。TVS 二极管常用于电路保护，TVS 管的响应速度很高，当 TVS 管两端经受瞬间高能量冲击时，TVS 能以极高的速度将高阻抗降为低阻抗，从而吸收大电流，保护电路。

2、MOSFET:高频开关，功率器件最大市场。金属-氧化物半导体场效应晶体管，可广泛运用于数字电路和模拟电路。MOSFET 由 P 极、N 极、G 栅极、S 源极和D漏级组成。金属栅极与 N 极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加 G 与 S 间的电压至特定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此 MOSFET 是通过电压来控制导通，在 G 与 S 间施加特定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET 的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。 MOSFET 的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。

MOSFET 结构图

资料来源:电子发烧友、国海证券研究所

MOSFET 工作原理:MOSFET本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。通过脉宽调制，MOSFET 可以完成变频等功能。假设一个器件前1秒输入电压为 100V，后 1秒 MOSFET 关断，这 2 秒内相当于持续输入 50V 的等效电压，这就是脉宽调制的原理。通过控制 MOSFET 导通关断可以改变电压和频率。

MOSFET是功率器件最大市场。MOSFET 在功率器件中占比最高，Yole 数据显示，2019 年全球 MOSFET 市场规模为 68.54 亿美元，占功率器件市场的 41.18%。 MOSFET 的优点在于稳定性好，适用于 AC/DC 开关电源、DC/DC 转换器，因此 MOSFET 通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。MEMS 预测到 2022 年 MOSFET 下游应用中，汽车占比为 22%，计算机及存储占比为 19%，工业占比为 14%。

3、 IGBT:电力电子行业“CPU”。绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合式半导体。IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的优点，导通原理与 MOSFET 类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT 在克服了 MOSFET 缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。IGBT 是电机驱动的核心，广泛应用与逆变器、变频器等，在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代 GTO、 GTR 等产品。IGBT 的应用范围一般都在耐压 600V 以上，电流 10A 以上，频率 1KHz 以上的区域。IGBT 固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT工作频率通常为 40-50KHz。IGBT 的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。

IGBT 模块示意图

资料来源:英飞凌，公开信息整理，华福证券研究所

IGBT 相比 MOSFET，可在更高电压下持续工作，同时需要兼顾高功率密度、低损耗、高可靠性、散热好、低成本等因素。一颗高性能、高可靠性与低成本的 IGBT 芯片，不仅仅需要在设计端不断优化器件结构，对晶圆制造和封装也提高了更高的要求。

IGBT 应用:IGBT 的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用 IGBT。按电压需求分类，消费类电子应用的 IGBT 电压通常在 600V 以下，太阳能逆变器需要 1200V 的低损耗 IGBT，动车使用的 IGBT 电压在 1700V 至 6500V 之间，智能电网应用的 IGBT 通常为3300V。

功率器件制造流程包括硅晶圆-外延-芯片制造-封装:(1)衬底:通过区熔(CZ) 法和直拉(FZ)法得到单晶硅，并通过切割抛光后获得器件衬底(晶圆);(2) 根据器件结构进行外延、薄膜沉积、光刻、刻蚀和离子注入-扩散等多道工艺获得裸芯片晶圆;(3)裸露的芯片需要封装进一个外壳里并填充绝缘材料，再把芯片电极引到外部制成完整的功率器件产品，外壳中有一颗芯片的为单管产品，有多颗芯片电气互连并包含散热通道、连接接口和绝缘保护等单元的为模块产品，其封装方式根据应用工况不同而有所区别;最后，再将封装好的单管或模块等器件产品应用到逆变器等电源系统中。

功率半导体的制造流程

资料来源:Yole，时代电气招股说明书，国信证券经济研究所整理

发展趋势：

1、芯片向着高效率、低成本的器件结构发展：

功率器件是电能传输效率的关键，产品向着高转换效率、高功率密度即小体积方向发展，相应地，芯片向着结构优化以提升传输效率、减小芯片面积以降低成本的方向不断演进。以英飞凌 IGBT 产品为例，7 代产品围绕器件的电场分布、结温、短路能力等参数进行结构的设计优化，其中 3/4/7 代器件实现了变革性的技术突破:IGBT3 通过背面注入了一个掺杂浓度略高于 N-衬底的 N 缓冲层，使得电场强度可迅速降低，整体电场呈梯形且漂移区厚度减小，实现了器件关断时拖尾电流及损耗(低导通压降) 的降低。IGBT4 则通过薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，提升了器件输出电流的能力。IGBT7 则是增加了多种形式沟槽，综合各沟槽形式的优点，使得器件性能显著提升。此外，沟槽结构使得芯片面积不断减小，在功率密度提升的同时降低了芯片成本。

2、封装形式向着高可靠性和高集成度方向发展：

单管封装向小体积方向发展，模块封装向高可靠性发展。在汽车、工业等温度变化大、振动等动态工况复杂的场景中，模块是保证系统稳定运行的关键。为提升可靠性，未来模块将向着优化组合装配和连接技术、提高抗温度和负载变化的可靠性、改善散热效果、通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性、优化内部连接和外部配件布线、提高功率模块的集成度以降低系统成本的方向发展。

3、制造工艺向 12 英寸拓展：

功率器件应用场景逐渐丰富，12 英寸产线可用于生产的需求较大的中低压器件以提升单位产量。晶圆面积增加单位晶圆产出芯片量提升，芯片成本降低，因此，功率器件龙头厂商均布局了 12 英寸产线，将用量较大的中低压功率器件放于 12 英寸线上生产。此外，由于 12 英寸硅片仅能用直拉法(CZ)生产，因此需要区熔法(FZ)硅片的中高功率器件还是以 8 英寸及以下产线为主。

相比 8 英寸产线，12 英寸线设备更易购买且具备成本优势，芯片数量翻倍，前道成本将降低 20%-30%左右。一条 12 英寸线建设需经历厂房建设、设备安装及验证，投产后还需进行洗线，从简单工艺平台到复杂工艺平台进行调试并达到稳定生产状态，需要 2 年以上的时间。

行业现状：

据 Yole 数据预测，至 2025 年，全球功率半导体分立器件和模块的市场规模将分别达到 76 亿美元和 113 亿美元。据中国产业信息网数据，2023 年中国大陆地区 IGBT 市场规模预计达到 290.8 亿元，同比增长 11.6%。据中国半导体器件行业现状深度分析与未来投资预测报告数据，2023 年中国大陆地区 MOSFET 市场规模将达到 396.2 亿元，同比增长 4.8%。

2017-2022E 年中国功率半导体市场规模(亿美元)及增速预测