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基本信息：
一文捋顺，功率半导体器件及模组首发2023-10-20 07:07·公子丶井目录前言什么是功率半导体？功率半导体器件与功率半导体模组Si IGBT与SiC MOSFETSiC功率半导体产业分析本文将以功率半导体器件及模组作为切入点，深入探讨整个半导体功率产业。前言近年来，随着电动车渗透率的逐步提升，在各类汽车半导体产物中，功率半导体是受益最大的一个领域。根据Strategy Analytics的数据：传统燃油车：微控制器（MCU）的价值占比最高，达到23%；其次为功率半导体，占比为21%。纯电动车型：功率半导体使用量大幅提升，成为占比最高的半导体产物，达到55%，其次为微控制器（MCU），占比为11%。除新能源汽车以外，功率半导体还广泛应用于：消费电子、光伏逆变器、家电、轨交、风电、电网等众多领域。研究机构Omdia预计2023年全球功率半导体市场规模有望达到503亿美元。什么是功率半导体？功率半导体又称为电力电子（Power Electronic），主要用于电力设备中电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。是电子设备电能转换和电路控制的关键组件，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等，广泛应用在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域。功率半导体可以分为功率半导体分立器件（功率半导体器件）和功率半导体集成电路模组（功率半导体模组）两种。功率半导体器件功率半导体的分类功率半导体器件可以分为三大类：IGBT、MOS与BJT的符号表示双极型晶体管(BJT,bipolar junction transistor)：①二极管，如功率整流二极管、肖特基二极管、齐纳稳压管和二极管组件等；②三极管，如PNP、NPN三极管、功率达林顿晶体管等；③晶闸管及其派生器件，如普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、静电感应晶闸管。这类功率半导体器件开关速度慢，常用于低频领域。场效应晶体管（MOS,Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）：如、隔离栅晶体管、功率静电感应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等绝缘栅双极型晶体管（IGBT）:IGBT中文全名为绝缘栅双极型晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT），它是由BJT和MOS组成的功率半导体复合器件。如果大家实在觉难以理解，没关系，就记住一句话：IGBT是一种组合的晶体管就可以了。IGBT的结构及等效电路图其中MOSFET、IGBT是目前最主要细分市场，分别占比40%、25%。整体来看，在低压下，MOSFET在电性能和价格上具有优势；超过600V以上，电压越高，IGBT优势越明显。功率半导体器件功率半导体模组功率半导体模组：是通过将功率半导体器件与各种功能的外围电路进行集成而得到的功率半导体集成电路模组（可以简单的理解为，是功率半导体器件的二次设计集成）。功率半导体模组功率半导体模组内部由许多功率半导体器件组成功率半导体模组和汽车制造业一样，属于技术含量低（这个低是相对的哦，相对与功率半导体的晶圆与衬底制造而言），产值大的产业，可谓是各地招商的香饽饽。汽车领域细分市场功率模组中所用器件同时，还有一个IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）的概念，除却功率模块的基本功能之外，智能功率模块还具有内部集成的逻辑、控制、检测和保护电路，这使得其使用更加方便，不仅减小了系统的体积和开发时间，还大大增强了系统的可靠性。其实，如果不以严格意义来划分，一般的，我们通常所说的功率模块（或模组）可以等价的理解为就是IPM。以IGBT说明器件、模组、IPM的差异根据Omdia的数据统计，2021年功率半导体器件与模块全球市场规模为275亿美元，其中英飞凌以19.7%的市场占有率居于领先地位，紧随其后的是安森美和意法半导体，CR5约为43.3%。Si IGBT与SiC MOSFET：SiC MOSFET是大势所趋根据NE时代的统计数据，按照交强险数据口径，2022年中国本土新能源乘用车功率模块装机量中，英飞凌仍位居第一，累计装机127.5万套，市场份额约25%。但比亚迪半导体（市场份额22.9%）、斯达半导（市场份额14.9%）、中车时代（市场份额12.4%）装机量都在持续提升。近年来，功率半导体在新能源汽车中的价值量大幅提升。根据Strategy Analytics的数据，2022年电动汽车的平均单车半导体价值量已达到1000美元，相比传统内燃车提升了一倍，其中价值量提升最多的是功率半导体。预计到2028年，纯电动汽车的单车半导体价值量将达到将近1500美元，其中功率半导体占比近半。根据EVVolumes的统计数据，中国新能源汽车的渗透率从2020年的5.6%大幅提升至2022年的25.6%。在新能源汽车高速增长的背景下，功率半导体大有可为。总的来说，Si IGBT与SiC MOSFET是当前功率半导体市场的主流解决方案。各器件特性对比Si IGBTIGBT是三端口的复合器件（和BJT非常像），分别包括：栅极，集电极和发射极。同时具备MOSFET输入阻抗高、开关速度快、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小以及BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。（这就是组合晶体管的优势所在）IGBT和MOSET、BJT对比IGBT的市场增量：新能源车是IGBT最大增量市场。IGBT是新能车电控系统和直流充电桩的核心器件，占到整车成本的10%，占充电桩成本的20%。光伏和储能是IGBT第二增量市场，IGBT是光伏逆变器、储能逆变器的核心器件。功率半导体产业链IGBT竞争格局全球IGBT竞争格局来看，海外公司较早布局该领域，因此具有先发优势，并通过收购整合迅速抢占了市场份额，使得全球市场的集中度较高。英飞凌（德，35%）、三菱（12%日）、富士电机（日，8%）、安森美（美）、东芝（日）合计占据了约70%市场份额。国内，IGBT龙头斯达半导位列IGBT模块市场第六（3%）、时代电气位列IGBT模块市场第十（2%），功率器件IDM龙头杭州士兰微位列IGBT分立器件市场第八（3.5%）、IPM模块市场第九（2.2%）。SiC MOSFET这里的我们所说的MOSFET，是SiC MOSFET。SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定，SiC比GaN和Si具有更高的热导率，意味着SiC器件比GaN或Si从理论上可以在更高的功率密度下操作。因此，SiC更加适用于制作高压高功率密度器件。SiC MOSFET的开关速度快、损耗小，能耗低、便于集成，在通信、消费电子、汽车电子、工业控制等众多领域有广泛应用。全球MOSFET行业集中度高，由英飞凌、安森美、东芝等欧美日系厂商主导，国内厂商市占率仍处于较低水平。华润微：国内功率半导体IDM大厂、MOSFET龙头厂商。产物包括功率半导体、智能传感器及智能控制产物。闻泰科技：旗下安世半导体为全球领先的功率半导体IDM厂商，小信号二极管和晶体管出货量全球第一、小信号MOSFET全球第一、功率分立器件全球第六。士兰微：国内功率半导体IDM大厂，MOSFET、IPM模块国内市占率领先。公司业务涵盖分立器件、集成电路、发光二极管三大类，分立器件覆盖MOSFET、IGBT等产物。新洁能：国内MOSFET、IGBT等半导体芯片和功率器件设计大厂由于MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC MOSFET替代Si IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。另外，由于SiC MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现被动器件的小型化。IGBT真的不行吗？请记住一句话，不是IGBT不行，拉胯的是Si衬底可不是IGBT！IGBT的实现形式有很多：它可以在Si衬底（或外延）上实现，也可以在SiC衬底（或外延）上实现，还可以在GaN外延（或外延）上实现，于是就可以得到Si IGBT、SiC IGBT甚至GaN IGBT了。当然，不同衬底或外延上制备得到的IGBT特性，也会随着衬底或外延材料的变化而变化，价格变化也会更大！至于目前为啥都是在说Si IGBT，很少有人谈及SiC IGBT或GaN IGBT？有一点要声明，绝不是因为性能原因，恰恰相反，SiC IGBT或GaN IGBT性能吊打Si IGBT，但是SiC IGBT或GaN IGBT实在是太贵了，而且，SiC IGBT或GaN IGBT的耐压范围轻松干到10KV以上，性能严重溢出。而现在SiC的MOSFET可以做到6500V耐压，已经能覆盖现在的Si IGBT耐压水平了，且MOSFET的芯片结构比IGBT简单，所以目前没有必要用SiC来做IGBT浪费成本。除非以后需要10kV级别的器件才有可能考虑SiC的IGBT。SiC IGBT要实现商业化，还有三大难题：应用场景问题：只有高压大功率领域SiC IGBT才有价值。载流子寿命问题：IGBT器件电导调制能力依赖于漂移区载流子寿命，事实上对于10-20kV电压等级的碳化硅IGBT器件，3us-5us的载流子寿命就可以了。但是目前碳化硅载流子寿命提高的热氧化法和C离子注入退火法都难以实现稳定的载流子寿命提高，实验结果的片间均匀性很差，所以难以形成商业化的器件产物。良品率问题：10kV以上高压器件终端的良品率、双金属欧姆接触对之前形成的栅氧的影响造成的良品率问题等等。SiC MOSFET的优势分析目前，采用Si IGBT技术的功率模块在电动汽车应用中仍然占据主导地位。然而由于经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限，要进一步提高Si IGBT功率器件的性能非常困难。因此，仅就功率半导体产业而言，一直在持续演进的宽禁带功率器件SiC MOSFET是更具潜力的。宽禁带功率SiC器件比Si器成本要贵很多（12英寸Si衬底也就200/片，而SiC 6英寸衬底6000+/片）。，但因其功率组件的尺寸和重量减小，特别是在相同里程范围内可节省电池容量，因此能够降低整体动力总成成本。SiC与Si材料的对比在新能源汽车领域，以SiC器件所实现的逆变器可以带来更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。在 DC-DC 应用中，SiC器件可以提供更高的开关频率FSW 、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。以英飞凌为例：其650V TRENCHSTOPTM F5 Si IGBT 和 650V CoolSiC? SiC MOSFET。在400V 输出的 3.3 千瓦图腾柱 PFC的功率损耗对比中，SiC MOSFET的逆变器能耗相对于Si IGBT，可降低约63%。SiC功率半导体产业分析功率器件包括芯片设计、芯片制造、封装测试和对外销售等环节。与其他半导体产业类似，功率半导体产业链也可分为上中下游：上游：主要是原材料和设备供应环节，包括晶圆、光刻机、引线框架、宽禁带材料和其他辅助材料的供应。中游：主要是芯片制造、设计、封装等生产制造环节，产物包括功率IC、分立器件和模块，其中IGBT和MOSFET在功率分立器件中价值量最大。下游：几乎涵盖所有电子制造业，包括消费电子、工业控制、电力传输和新能源等领域。什么是SiC（碳化硅）SiC 是第三代宽禁带化合物半导体材料。第一、二、三、四代半导体示意图在禁带宽度、热传导率、击穿场强、电子饱和漂移速度等物理特性上存在明显优势，被广泛应用于新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等大功率高电压应用场景）。一二三代半导体的应用示意图SiC 器件因其材料特性，呈现出导通损耗更低、工作电压高、功率密度大（同样功率晶体管尺寸可以做的更小，有利于小型化）、热稳定性强的电器性能。SiC功率器件SiC 功率器件，主要包括SiC二极管、SiC晶体管以及SiC功率模块三大分类。目前，SiC SBD二极管和MOSFET 晶体管目前应用最广泛、产业化成熟度最高，SiC IGBT 和GTO 等器件，由于技术难度大成本高，市场化进程较慢。SiC 功率器件分类与Si基数字芯片核心技术点不同，第三代半导体SiC功率器件的关键技术，在于衬底外延的制备与器件模组的研发，对工艺制程要求不高，可不受先进光刻机的制约。当前，国内第一梯队的SiC相关公司均已具备IDM能力。碳化硅器件成本结构：衬底及外延占据70%截止2022年，国内6寸SiC晶圆（折合）产能约10万片/年，根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟测算，随着国内新能源汽车的飞速发展，2025年国内SiC需求将有望突破50万片/年，国内主要SiC公司均在积极扩产。SiC为什么要做外延呢？外延是指通过外延生长技术（如气相外延MOCVD、液相外延等）在衬底上生长出来的薄膜。这个薄膜可以与衬底用相同的材料（同质外延），但可以用与衬底不同的材料（异质外延）。外延片的制作外延的主要作用可以归结两个方面：一是，同质外延，可以提升器件的稳定性。从生产工艺来看，外延技术对外延温度、气流、时间等参数的精确控制，使得外延层的缺陷度可以比同质衬底更小，在衬底上沉积一层外延可以达到提高器件的性能及可靠性的目的。由于SiC 外延有一定难度，所以市场上有一些专门做SiC 外延的厂商。二是，异质外延，可以大幅降低成本。比如，它通过在便宜的硅片上生长一层薄薄的GaN外延，这样用成熟的第一代半导体材料做衬底，来(部分)实现第三代半导体宽禁带的特性，可谓是相当划算。但是这种异质外延结构，也存在如晶格失配（可以理解为把脚手架搭在塑料地基上）、温度系数不一致（热胀冷缩，温度变化时，不同材质肯定存在问题）、热传导不良（Si的导热性很差的）等问题。借助石墨烯实现Si衬底上单晶GaN薄膜的外延生长SiC碳化硅器件，按照电阻性能的不同分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅基射频器件。碳化硅的主要器件形式及应用导电型衬底：是通过去除晶体中的各种杂质，特别是浅能级杂质，实现晶体的本征高电阻率。在导电型SiC 衬底上生长SiC 外延层制得SiC 外延片，可进一步制成功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。半绝缘型衬底：采用N 掺杂，通过标定氮气掺杂浓度、生长速度等参数与晶体电阻率的对应关系等方式实现导电型产物电阻率的精确控制。在半绝缘型SiC 衬底上生长氮化镓外延层制得SiC 基氮化镓（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。后记在整个半导体产业下行周期大行情下，功率半导体产业或可依托飞速发展的新能源汽车、储能及民用航空航天产业，实现逆势增长！本文略有深度，作者之前有不少科普性文章，感兴趣可参阅。傻瓜式科普：IGBT是个啥玩意？第三代半导体SiC碳化硅到底是干啥的？SiC碳化硅导电衬底与半绝缘衬底到底啥区别？同为第三代半导体，GaN与SiC到底啥区别？掏心窝子的聊聊硅基GaN到底有没有前途？衬底与外延，这俩到底是啥关系？这回帮你捋顺了！【202310更新】SiC主流衬底外延，价格、设备及趋势分析第三代半导体SiC碳化硅：深度解读从娱乐圈底层走出来的赵丽颖，见多了人情冷暖，也明白了拜高踩低首发2024-01-08 15:44·艾伦研习社赵丽颖出生在一个普通的农村家庭，父母都是种地的农民。小时候的生活并不富裕，也没有太多的娱乐活动。初中毕业后，赵丽颖没有选择升学，而是在外面打工谋生，当过收银员、发传单员、服务员等临时工种。2006年，18岁的赵丽颖参加了一个选秀节目，凭借出色的表现获得了在一部电影中跑龙套的机会。这对她来说无疑是一个大好机遇。然而口音和外貌的局限一直困扰着她，在片场她总是被人耻笑、看不起，扮演的也都是丫鬟、士兵、路人甲这样默默无闻的小角色。赵丽颖并没有气馁，反而下定决心要在娱乐圈站稳脚跟。她开始刻苦训练自己的演技，向前辈讨教经验，利用每一个镜头练习表演。三年后的辛勤付出没有白费，在电视剧《陆贞传奇》中，赵丽颖终于出演了女主角，一举成为当红小花。从这里开始，她逐渐让大家看到了一个农村女孩的蜕变与成长。2013年，赵丽颖主演的古装剧《陆贞传奇》获得了轰动效应，她也在剧中出色诠释了女主角，一时间名声大噪，成为当红小花。然而就在事业达到巅峰之时，她的口碑和人设却遭遇了前所未有的打击。2014年，一个名为“蜡笔小球”的博主在网上诬蔑赵丽颖是提供某些特殊服务的“朝阳姐”，并宣称掌握她的不雅视频。这一爆料引来众人侧目，尽管没有证据证实，但赵丽颖这个标签已经深深烙印。紧接着，她的前经纪人爆料两人恩断义绝的细节，称赵丽颖是典型的心机女和白莲花。面对层出不穷的负面新闻，赵丽颖选择了沉默。她看似波澜不惊，内心却在经历着前所未有的打击与痛苦。这时候，她开始意识到，一个艺人最脆弱的地方就是过去。于是，舆论对她农村生活的种种揣测与臆测也成为了攻击她的有力武器。赵丽颖不得不面对自己的出身背景遭受奚落，甚至在镜头前喝水都会引来非难。这场前所未有的舆论危机，让成功的赵丽颖一时间身陷泥潭。她想要证明自己，却束手无策。这时候，唯一能依靠的，就只有实力这个最直接的证明。面对层出不穷的质疑与批评，赵丽颖选择了最直接有力的方式来证明自己——用实力说话。她开始全身心投入到工作中，选择了更多戏路广，挑战性更大的角色。为了更加逼真的演绎，她开始选择亲自上阵完成高难度的动作。有一次，剧组在为古装剧取景时，工作人员的疏忽导致她从马上摔下，后背着地。为了不耽误进度，赵丽颖硬撑着剧痛完成了当天的拍摄任务，直到包机回京才前往医院。因为错过最佳治疗期，这场意外至今给她的身体健康带来隐患。然而赵丽颖没有因此退缩。她始终坚信，好的作品和角色才是自己的最佳名片。于是，在接下来的作品中，大家看到的是一个全新的赵丽颖。她可以是武侠剧中一个武艺高强且敢爱敢恨的女子;可以是宫廷剧中一个机智聪慧又不畏权贵的女官;也可以是现代剧里一个性格坚韧，永不言弃的职业女性。这几年赵丽颖参与的剧集一个个获得了口碑与收视双丰收的佳绩，而她精湛的演技也得到了前所未有的认可。渐渐地，那些质疑她的声音也静了下来。大家开始意识到，不管一个演员来自何方，只要有实力和魅力，就一定能在娱乐圈站稳脚跟。如今的赵丽颖依旧保有当初的那份吃苦精神与勤奋态度。她也逐渐从一个娱乐圈新人成长为家喻户晓的实力派女演员。这份蜕变与成就，让她有资格重新审视这些年的风风雨雨，体会到了什么才是这个圈子里永恒不变的定律。2015年，事业达到新高峰的赵丽颖在感情路上也迎来了大起大落。这一年，她与同是演员出身的冯绍峰闪电结婚，两人的结合一时间成为娱乐圈和大众关注的焦点。然而好景不长， 一年多后，他们的婚姻以离婚告终。表面看，赵丽颖与冯绍峰两人都是当红演员，感情基础似乎也很好，所以结婚决定获得了大多数人的祝福。但细究下来，这门婚事存在太多问题。冯绍峰出身名门望族，生活起居无忧，他沉迷花丛的传言不绝于耳;而赵丽颖则是凭借自己不懈努力从娱乐圈最底层逆袭到今日地位。两人在生活态度、情感态度上都存在很大差异。也许是一时兴起，赵丽颖选择与冯绍峰走到了一起。这段时间，她的状态的的确确让人眼前一亮。然而好景不长，婚礼筹备的同时，传出两人已经出现裂痕的消息。终究，这场婚姻在风风雨雨1年多后草草结束。赵丽颖不得不面对又一段伤痛的感情经历。所幸，她没有像从前一样选择回避。这次，赵丽颖再次选择用工作与事业来治愈自己。她重新回归大众视野，全力以赴投入到拍摄新剧中。最终，她还是凭借自己韧劲十足的性格和对演艺事业的热爱，重新站起，向前看。婚姻失败后的赵丽颖并没有像从前一样回避舆论和镜头。这一次，她毅然选择重返大众视野，接演一部又一部好剧好片。很快，观众们再次看到了一个状态极佳的赵丽颖。在这几年拍摄的电视剧和电影中，赵丽颖不仅演技更加精湛，整个人的气质也愈发成熟。她已然完全蜕变成一个马达全开的实力演员。哪怕对手戏的男主角是影帝或巨星，她也毫无惧色，有来有往。现在的她，可以轻松驾驭古装、宫廷、职场、家庭等多个类型的戏路。这让很多观众和导演刮目相看，纷纷表示今后的赵丽颖会走更远。其实，赵丽颖在这些年的风风雨雨中，早已经习惯了跌宕起伏。她经历过来自舆论和黑粉的各种质疑;她历经过失败婚姻的痛苦;她也曾在这个圈子里体会到了人情冷暖。然而她没有低头，只是一个劲儿地往前走——因为她心里明白，唯有不断奋斗才能获得站得住脚的位置。如今的赵丽颖，依旧保有当初那个从娱乐圈底层一步步爬上来的农村女孩的本色。她依旧可以在寒冬中只穿着单衣接戏;依旧可以在酷暑中头顶烈日完成动作。这份吃苦耐劳的精神，让她得到了更多人的认可。这也成就了今天家喻户晓的她，虽然她的人生波澜壮阔，但那颗乐观向上的心依旧没有改变。