矽IGBT領跑功率電子產業

作者 : Yole Développement

2019年全球功率半導體電子市場規模為175億美元,預計2019~2025年間的複合年均成長率(CAGR)約4.3%。其中,IGBT模組市場CAGR可望成長18%...

全球功率電子市場蓄勢待發,汽車應用正成為最強勁的驅動力。根據Yole Développement (Yole)在其最新的《2020年功率電子產業態勢》(Status of the Power Electronics Industry 2020)報告中指出,2019年全球功率半導體電子市場規模達175億美元,2019~2025年間的複合年均成長率(CAGR)約為4.3%。

功率電子市場市場可區分三種不同的主要驅動元件:IGBT模組、矽MOSFET和碳化矽(SiC)元件,其中,矽MOSFET元件目前在功率電子市場中佔最大部份(45%)。受到對於更高效率和日益增加的全球通訊需求帶動,矽MOSFET的主要應用領域是汽車、可攜式和無線、運算與儲存以及工業。儘管2020年上半年COVID-19導致汽車和消費者終端系統銷售下降,但這一市場預計在2019-2025年的CAGR仍有1.4%。

IGBT模組傳統上則用於工業或可再生能源轉換器等應用,在2019年的市場中佔37億美元。目前能效法規或更高的清潔能源目標正在推動這些應用發展,這部份佔據了IGBT模組整體市場的46%。儘管如此,功率IGBT模組的關鍵應用無疑地還是電動車/油電混合車(EV/HEV),從2019年至2025年預計約成長18%,到2025年將達到54億美元。

System Plus Consulting的技術與成本分析師Amine Allouche表示,「IGBT等矽元件正從成熟的基礎架構和製程中受益。新一代元件即將上市。除了性能上的提升,由於開始朝向12吋矽晶圓過渡,而與寛能隙(WBG)材料的競爭更加激烈,使得Si IGBT的成本也將進一步降低」。

SiC MOSFET市場預計也同樣受到EV/HEV的推動,這是因為特斯拉(Tesla)和比亞迪(BYD)等多家公司持續導入基於SiC的模組​​,直接與主逆變器中使用的IGBT模組競爭,以提供更緊湊且高效的設計。此外,為了實現更高效率的系統,SiC離散式電晶體則與板載充電器(OBC)系統中的矽MOSFET直接競爭。

Yole和System Plus Consulting兩家公司日前對顛覆性功率電子技術及相關市場進行了深入調查。探討IGBT技術及其應用現狀,包括有哪些主要細分市場?業界主導廠商的技術選擇是什麼?System Plus Consulting並帶來其最新的IGBT技術反向工程與成本分析。

中國在功率電子產業的新角色

中國主導多個功率電子應用領域。比亞迪、華為(Huawei)、中車(CRRC)和陽光電源(Sungrow)等中國業者領先全球。但是,在功率電子裝置製造業中,中國仍然強烈依賴外國供應商,其中包括英飛凌(Infineon)、富士電機(Fuji Electric)和三菱電機(Mitsubishi Electric)。中國的功率半導體公司和中國政府正試圖改變這種狀況,以支持國內生產功率電子裝置。

當地公司也希望擴大生產能力,以便在中國國內市場上獲得更多的附加值並征戰國外新市場。例如,Wingtech為Nexperia China募資8.18億美元,用於導入半導體和封裝所需的大功率MOSFET生產線。當地還有其他新公司則直接建造具有離散式功率和電源IC功能的300mm代工廠,例如華虹半導體(HHGrace)或芯恩(SiEn)。而大型中國公司,如華潤微電子(CR Micro)或比亞迪半導體則逐步上市的趨勢。

根據Yole的分析,這些公司已經取得了「成熟和整併」的地位,希望進一步擴展,因此首次公開募股(IPO)是籌募資金相對較快的好方法。

中美技術和貿易戰更為中國發展製造業提供了更多動力。儘管如此,中美之間的緊張關係影響整個功率電子領域的情況各不相同。例如,相較於馬達驅動器,為國防和電信市場市場購買/銷售元件更為重要。一些半導體製造商並禾明顯感受到中美貿易戰前後的差異。儘管來自中國以外一些主導的功率電子公司對於中國開發和掌握具挑戰性功率電子技術的能力仍存疑,但徵諸中國以往的表現顯示能夠克服非常艱鉅的挑戰。

功率電子供應鏈持續重塑

在供應鏈方面,矽IGBT市場競爭業者為元件設計提供了不同的方式。根據System Plus Consulting在新發佈的《2021年矽IGBT比較》(Silicon IGBT Comparison 2021)報告中所做的分析,矽IGBT廠商提供了各種不同的元件設計方法。因此,技術選擇顯然取決於目標電氣性能和應用。System Plus Consulting並強調,大多數廠商採用的是FS7溝槽結構。

領先的功率電子業者是年營收達到十億美元等級的大公司,儘管大型公司持續成長,但市場前幾大業者的地位不太可能發生重大變化。根據Yole的分析師,在未來​​幾年,年營收排名較低階段的業者預計將持續變動。重塑供應鏈的主要驅動力是什麼?原因之一在於透過併購可以接觸到新的技術/產品組合、擴大客戶組合,以及進入新的地理市場並減少研發費用。

另一個原因是技術的發展,特別是越來越多的SiC和GaN等寬能隙材料被採用,以及諸如電動車(包括EV/HEV)以及電動貨卡和公車以及充電基礎設施等新應用出現。事實上,那些為了投資新技術而冒著風險以及專注於快速成長的新技術和應用領域的參與者們,更可能提升其市場地位,而其競爭對手仍只能專注於其關鍵技術和市場。

近幾個月來,功率電子產業並未顯示任何重大的技術突破,但已確認了過去所觀察到的技術趨勢,包括在晶片級持續採用SiC和GaN技術,在裝置封裝級增加銀燒結、Si3N4活性金屬硬焊(AMB)陶瓷基板和環氧樹脂模製的份額,以及在轉換器級增加電壓和功率。研發工作則主要集中在功率封裝和SiC技術領域。

System Plus Consulting並針對選擇的關鍵功率電子元件進行詳細分析。《英飛凌EasyPACK FS100R12W2T7》(Infineon EasyPACK FS100R12W2T7)就是其中之一。該報告針對FS100R12W2T7模組進行全面拆解,揭示英飛凌科技(Infineon Technologies)在其全新IGBT7晶片中所做的技術選擇,並詳細介紹其二極體的設計及其模組封裝結構,同時比較英飛凌各種IGBT技術的技術和成本:IGBT3、IGBT4、IGBT5 和 IGBT7。

英飛凌於2019年3月推出的TRENCHSTOP IGBT7晶片基於新型微溝槽柵技術,相較於之前IGBT3和IGBT4中使用的方形溝槽單元,IGBT7具有新的單元結構,可用於其Easy封裝平台。。《英飛凌EasyPACK FS100R12W2T7》的全面反向成本分析也是基於此,Amine Allouche解釋:「這一功率模組採用了英飛凌的最新IGBT技術與二極體技術:TRENCHSTOP IGBT7和EC7二極體,能夠驅動100A的標稱電流,額定電壓為 1200V。」

2019年,英飛凌以28%的市佔率引領IGBT功率模組市場。在中國,英飛凌仍然是最大的功率電子供應商之一。

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