据知情人士透露，华为近日正在为其功率器件研发团队招募人才，其中包括IGBT、MOSFET、SiC、GaN等主流功率器件。据悉，该团队目前已有数百人。华为自主研发功率器件已是公开的秘密。那么，华为在这些功率器件的研发领域究竟在打着怎样的棋呢？（内容转载自【半导体产业观察】公众号，ID：icbank，作者：杜琴）

 

为什么要关注功率设备？

我们都知道华为非常擅长制造芯片，其麒麟芯片可以与高通和苹果的芯片相媲美，甚至超越它们，但实际上，功率器件也是半导体中非常重要的一部分。 功率器件是电子设备中功率转换和电路控制的核心。 它们是实现电压、频率和直流到交流转换等功能的核心部件。 它们主要包括二极管、晶闸管、MOSFET 和 IGBT。 然而，二极管和晶闸管等技术相对老旧，已被主要制造商逐渐淘汰。 特别是随着功率半导体器件逐渐向高电压、高频方向发展，传统的硅基功率半导体器件及其材料正接近物理极限。 此外，第二代化合物半导体在成本和毒性方面也不适用。 国际主要制造商已将行业的未来重心放在第三代化合物半导体上。 可以说，第三代半导体是未来功率器件的发展方向。 全国两会刚刚结束，第三代半导体（GaN和SiC）再次成为两会的关键词之一。 在两届会议期间，全国政协委员王文银在接受采访时表示，随着第三代半导体产业的触角延伸到5G基站、超高压、城际高速铁路运输、新能源充电桩等关键领域，我国半导体产业的发展时代已经到来。 根据 TrendForce Consulting 的预测，2021 年 GaN 通信和功率器件的收入将分别达到 680 亿美元和 61 万美元，年增长率分别为 30.8% 和 90.6%；对于 SiC 器件，预计 2021 年功率领域的 SiC 器件收入将达到 680 亿美元，年增长率为 32%。 中国是全球最大的电力设备消费国。 家用电力设备的总体自给率低于 10%。 国产产品替代的空间巨大，尤其是在高端设备领域。 我们来看看氮化镓（GaN）的性能有多强？ 据台湾媒体今年2月报道，台积电采购了16台GaN相关设备，是现有六英寸工厂6台设备的两倍多。 这相当于产能增加到 10,000 件以上，这表明客户订单的需求量有多大。 GaN供应商Nanosemiconductor（也是台积电的主要客户）近日宣布，其出货量创下新纪录，已成功向市场交付超过13万颗GaN功率IC，实现了零产品故障。 这反映出全球移动消费电子市场正在加速采用氮化镓芯片，以实现移动设备及相关设备的快速充电。 2020 年 2 月，在小米 10 发布会上，Nanomicro 的 GaNFast 氮化镓功率芯片首次应用于小米的 65W 氮化镓充电器，GaN 开始受到人们的关注。 小米11即将上市，并将搭载全新版本的55W GaN快充技术。 这款充电器将在小米11系列智能手机海外上市时随附。 据 Navitas 首席执行官兼联合创始人 Gene SHERIDAN 称，小米 11 海外版标配的 55W Nano GaNFast 氮化镓充电器采用欧标 2 针 AC 插头，这标志着主流一线智能手机厂商已开始采用氮化镓技术，也标志着业界已开始逐步淘汰老旧的低速硅芯片。

同时入手IGBT和SiC

关于IGBT和SiC，业界一直存在着一种隐忧。随着IGBT的性能逐渐接近硅材料的极限，第三代半导体材料SiC被视为未来电动汽车领域IGBT的新挑战者。然而，业内人士分析道：“SiC就像一个聪明而意志坚定的青少年，优势突出，缺点也同样突出；而IGBT则更像一个稳重成熟的青年，能够扛起功率器件的重担。” 因此，考虑到两者分工不同，华为对IGBT和SiC采取双管齐下的策略也是明智之举。据传，华为首款自主研发的功率器件便是IGBT。IGBT是能量转换和传输的核心器件，通常被称为电力电子器件的“CPU”。作为UPS电源领域的领军企业，华为在全球数据中心市场占据领先地位，因此IGBT是华为UPS电源的核心组件。此外，作为国家战略性新兴产业，IGBT广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车和新能源装备等领域。随着新能源汽车、轨道交通和智能电网的发展，对IGBT的需求也大幅增长。功率器件是新能源汽车电子控制系统中的核心电子器件之一，其在新能源汽车中的应用价值是传统燃油汽车的五倍以上。其中，IGBT约占新能源汽车电子控制系统成本的37%。据悉，华为除了IGBT之外，也在研发SiC。近两年来，由于SiC独特的优异性能，汽车制造商陆续开始引入SiC器件。众所周知，华为在汽车领域的布局是：华为不造车，而是专注于ICT技术，帮助汽车企业打造优质汽车。华为致力于成为智能网联汽车的增量零部件供应商。IGBT和SiC的研发也是华为成为汽车零部件供应商的方向之一。但就目前而言，汽车功率半导体器件仍以硅基IGBT为主导，而碳化硅（SiC）基MOSFET因其更强大的性能而代表着未来发展方向，但目前推广的最大障碍是成本高昂。然而，随着汽车动力电池组容量越来越大，电机最大功率/峰值扭矩也越来越高，碳化硅基MOSFET的优势日益凸显。碳化硅功率器件在汽车充电器领域的应用也在加速推进。许多厂商已经推出了用于混合动力汽车（HEV）/电动汽车（EV）充电器的碳化硅功率器件。据Yol​​e统计，到2023年，该市场有望保持44%的年增长率。    

碳化硅功率器件的长期发展趋势（来源：Yole）在投资领域，华为旗下子公司哈勃科技投资有限公司去年投资了我国领先的第三代半导体材料碳化硅企业——山东天跃先进材料科技有限公司，持股10%。2020年7月，华为还投资了东威半导体，该公司主要拥有三大系列产品：高压GreenMOS系列、中低压SGTMOS系列和IGBT系列，广泛应用于快充、充电桩、开关电源、直流电机驱动和光伏逆变器等领域。    

氮化镓规划

根据Yole的预测，氮化镓（GaN）将主要应用于消费电子、汽车电子、通信技术等领域。在氮化镓领域，GaN器件集成的主要趋势是系统级封装（SiP）或系统级芯片（SoC）解决方案。事实上，GaN功率器件主要面向电子市场。对于消费市场而言，这是一个显而易见的技术趋势。其中最典型的应用是快速充电。快速充电头产品主要包含两个核心组件：电源管理IC芯片和功率分立器件。快速充电对功率密度和效率的要求很高。因此，企业必须在这种封装尺寸下尽可能地压缩系统，降低单位功率成本。    

图 2：功率氮化镓市场（来源：Yole）  
随着氮化镓技术的成熟，氮化镓技术可以使精简的组件在尺寸、重量等方面得到更好的控制。 通过巧妙的设计。 此外，与普通的硅基元件相比，GaN元件的开关速度快10倍，并且可以在更高的温度下工作。 因此，GaN 在 USB PD 快速充电领域的应用非常普遍。 2020 年 4 月 8 日，在华为 2020 年春季新品发布会上，华为发布了一款充电器产品——65W GaN（氮化镓）双端口充电器。 当时有传言称华为正在自主研发该技术，但实际情况还有待调查。 然而，熟悉华为供应链的人士指出，华为在氮化镓领域拥有深厚的实力。 目前市场上有很多厂商都在部署 GaN 快速充电技术，例如 Power Integration, Inc.、Navitas 和 Innoscience 这三大主要供应商。 除了华为海思之外，包括海特高新技术、海陆重工、苏州京展、江苏华工、重庆华润微电子、杭州思兰微电子在内的许多国内企业也积极部署了第三代半导体技术。 预计随着用户对便携性的需求增加，到 2025 年，全球 GaN 快速充电市场规模将超过 60 亿元人民币，同时加速 GaN 芯片在其他新兴领域取代硅基产品。 除了在消费电子领域实现快速充电外，基于氮化镓的分立器件也更适合数据中心或基站电源等高功率应用。 2020年6月，华为宣布将在英国建立光电研发和制造基地。 项目第一阶段将重点放在光学器件和光学模块的研发和制造上。 通过整合研发和制造功能，我们可以加快产品开发和商业化进程，更高效地将产品推向市场。 光电子技术是光纤通信系统的关键技术，华为在英国的大规模投资旨在促进相关技术在全球数据中心和网络基础设施中的应用。 在光电子领域，GaN的低功耗和高发光效率有助于LED和紫外激光器的发展。 基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管（LED）是紫外消毒光源的主流发展方向。 它们的光源体积小、效率高、寿命长。 拇指帽大小的芯片模块可以发出比汞灯更强的紫外线。 在射频氮化镓领域，华为几年前就已在其 4G LTE 基站中使用了氮化镓功率放大器。 然后，随着 5G 的出现，GaN 的潜力越来越大，因为在高频下，GaN 的功率密度与 LDMOS 相比仍然非常出色，而且功率附加效率也在提高。 根据 Yole 的数据预测（图 2），GaN 在数据中心的应用正在缓慢增长。 Yole 的技术和市场分析师 Ezgi Dogmus 表示，这是由于缺乏监管造成的。 如果政府加强对数据中心的严格监管以降低能耗，GaN在数据中心的渗透率将会更高。 随着对高效率要求的提高，氮化镓相对于仍然能够满足当前要求的硅，发挥着越来越重要的作用。 在汽车领域，随着越来越多的零部件被应用于汽车中，氮化镓的作用也变得越来越突出。 2020年12月11日，在第十二届汽车蓝皮书论坛上，华为智能汽车解决方案事业部总裁王军透露，华为目前正在研发激光雷达技术。 氮化镓晶体管的进步已被证明是开发高精度激光雷达系统的关键。 激光雷达系统通过垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 发射光脉冲，需要高功率电控制，速度非常快，上升和下降时间都很短。 这就是氮化镓有利于激光雷达系统的原因之一。 氮化镓的开关速度比硅场效应晶体管快得多，因此可以在高电流下实现短脉冲宽度。 该特性对于激光雷达至关重要，因为更短的脉冲宽度可以实现更高的分辨率，而高脉冲电流可以让激光雷达系统看得更远。

国内功率半导体整体情况

最后，我们系统地考察一下国内功率半导体（主要是IGBT、SiC和GaN）的产业链现状。首先，我们来看IGBT的整个产业链。国内IGBT产业链，如芯片设计、晶圆制造、模块封装等，基本已经布局完毕，但仍处于初步阶段。特别是晶圆制造、背板减薄和封装工艺是IGBT制造技术的主要难点，与国外相比差距较大。

梳理国内IGBT产业链全貌（表格来源：半导体产业观察）  
在整个碳化硅领域，就碳化硅衬底和外延技术而言，我国目前仍以4英寸产品为主，6英寸产品虽已研发并小批量供应，但总体而言，与国外相比，国内碳化硅产业链的各个环节都存在差距，整体水平差距可能在5年左右。与国外最先进的水平相比，国内碳化硅二极管大约落后一代，落后2到3年。差距并不算特别大，在可预见的未来完全有可能迎头赶上。但这需要国内整个产业链上下游各环节齐心协力，共同推进。

梳理国内SiC产业链全貌（表格：半导体产业观察）根据市场研究公司Research and Markets发布的《2023年全球氮化镓半导体器件市场预测》，氮化镓器件市场预计将从2016年的16.5亿美元增长到2023年的22.47亿美元，复合年增长率为4.51%。氮化镓产业链涵盖上游材料（衬底和外延）、中游器件和模块以及下游系统和应用。在国内氮化镓市场逐步扩张的推动下，上、中、下游各个环节都涌现出大量厂商。  
 

梳理国内GaN产业链全貌（表格：半导体产业观察）     

结语

总体而言，在当前国际形势下，华为的海外业务受到阻碍，而新兴的汽车业务已成为华为寻求增长的突破口，在华为的业务板块中日益重要。进军功率器件领域，无论是IGBT、SiC还是GaN，都是华为作为汽车零部件供应商的基石。随后，基于这些功率器件的优异特性，华为可以将产品应用于基站供电、快充、光电研发等领域。    

目前，在第三代半导体功率器件领域，无论从国内外技术发展水平还是国家重视程度来看，我们都处于有利地位。国内大多数专家也对我国第三代半导体的发展持积极态度。第三代半导体材料或许是我们摆脱集成电路被动局面、实现芯片技术追赶和超越的良机。像华为这样有实力的公司应该发挥带头作用，引领国产半导体的崛起！

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