知情人士透露，華為近日正在為其功率元件研發團隊招募人才，其中包括IGBT、MOSFET、SiC、GaN等主流功率元件。據悉，該團隊目前已有數百人。華為自主研發功率元件已是公開的秘密。那麼，華為在這些功率元件的研發領域究竟在打著怎樣的棋呢？ （內容轉載自【半導體產業觀察】公眾號，ID：icbank，作者：杜琴）

 

為什麼要關注功率設備？

我們都知道華為非常擅長製造晶片，其麒麟晶片可以與高通和蘋果的晶片相媲美，甚至超越它們，但實際上，功率元件也是半導體中非常重要的一部分。 功率元件是電子設備中功率轉換和電路控制的核心。 它們是實現電壓、頻率和直流到交流轉換等功能的核心元件。 它們主要包括二極體、晶閘管、MOSFET 和 IGBT。 然而，二極體和晶閘管等技術相對老舊，已被主要製造商逐漸淘汰。 特別是隨著功率半導體裝置逐漸朝向高電壓、高頻方向發展，傳統的矽基功率半導體裝置及其材料正接近物理極限。 此外，第二代化合物半導體在成本和毒性方面也不適用。 國際主要製造商已將產業的未來重點放在第三代化合物半導體上。 可以說，第三代半導體是未來功率元件的發展方向。 全國兩會剛結束，第三代半導體（GaN和SiC）再次成為兩會的關鍵字之一。 在兩屆會議期間，全國政協委員王文銀受訪時表示，隨著第三代半導體產業的觸角延伸到5G基地台、超高壓、城際高速鐵路運輸、新能源充電樁等關鍵領域，我國半導體產業的發展時代已經到來。 根據 TrendForce Consulting 的預測，2021 年 GaN 通訊和功率裝置的收入將分別達到 6.8 億美元和 6,100 萬美元，年增長率分別為 30.8% 和 90.6%；對於 SiC 裝置，預計 2021 年功率領域的 SiC 元件收入將達到 680 億美元，2% 2%。 中國是全球最大的電力設備消費國。 家用電力設備的整體自給率低於 10%。 國產產品替代的空間巨大，尤其是在高階設備領域。 讓我們來看看氮化鎵（GaN）的性能有多強？ 根據台灣媒體今年2月通報，台積電採購了16台GaN相關設備，是現有六吋工廠6台設備的兩倍多。 這相當於產能增加到 10,000 件以上，這表示客戶訂單的需求量有多大。 GaN供應商Nanosemiconductor（也是台積電的主要客戶）近日宣布，其出貨量創下新紀錄，已成功向市場交付超過13萬顆GaN功率IC，實現了零產品故障。 這反映出全球行動消費性電子市場正在加速採用氮化鎵晶片，以實現行動裝置及相關裝置的快速充電。 2020 年 2 月，在小米 10 發表會上，Nanomicro 的 GaNFast 氮化鎵功率晶片首次應用於小米的 65W 氮化鎵充電器，GaN 開始受到人們的關注。 小米11即將上市，將搭載全新版本的55W GaN快充技術。 這款充電器將在小米11系列智慧型手機海外上市時隨附。 據 Navitas 執行長兼聯合創始人 Gene SHERIDAN 稱，小米 11 海外版標配的 55W Nano GaNFast 氮化鎵充電器採用歐標 2 針 AC 插頭，這標誌著主流一線智慧型手機廠商已開始採用氮化鎵技術，也標誌著舊業界已開始淘汰舊的低速矽晶片。

同時入手IGBT和SiC

關於IGBT和SiC，業界一直存在著一種隱憂。隨著IGBT的性能逐漸接近矽材料的極限，第三代半導體材料SiC被視為未來電動車領域IGBT的新挑戰者。然而，業內人士分析道：「SiC就像一個聰明而意志堅定的青少年，優勢突出，缺點也同樣突出；而IGBT則更像一個穩重成熟的青年，能夠扛起功率器件的重擔。」 因此，考慮到兩者分工不同，華為對IGBT和SiC採取雙管齊下的策略也是明智之舉。據傳，華為首款自主研發的功率裝置便是IGBT。 IGBT是能量轉換和傳輸的核心裝置，通常被稱為電力電子裝置的「CPU」。身為UPS電源領域的領導企業，華為在全球資料中心市場佔據領先地位，因此IGBT是華為UPS電源的核心元件。此外，作為國家戰略性新興產業，IGBT廣泛應用於軌道運輸、智慧電網、航空航太、電動車和新能源裝備等領域。隨著新能源汽車、軌道運輸和智慧電網的發展，對IGBT的需求也大幅增加。功率元件是新能源汽車電子控制系統中的核心電子元件之一，其在新能源汽車中的應用價值是傳統燃油汽車的五倍以上。其中，IGBT約佔新能源汽車電子控制系統成本的37%。據悉，華為除了IGBT之外，也在研發SiC。近兩年來，由於SiC獨特的優異性能，汽車製造商陸續開始引入SiC裝置。眾所周知，華為在汽車領域的佈局是：華為不造車，而是專注於ICT技術，幫助汽車企業打造優質汽車。華為致力於成為智慧網聯汽車的增量零件供應商。 IGBT和SiC的研發也是華為成為汽車零件供應商的方向之一。但就目前而言，汽車功率半導體裝置仍以矽基IGBT為主導，而碳化矽（SiC）基MOSFET因其更強大的性能而代表未來發展方向，但目前推廣的最大障礙是成本高昂。然而，隨著汽車動力電池組容量越來越大，馬達最大功率/峰值扭力也越來越高，碳化矽基MOSFET的優勢日益凸顯。碳化矽功率元件在汽車充電器領域的應用也在加速推進。許多廠商已經推出了用於混合動力汽車（HEV）/電動車（EV）充電器的碳化矽功率裝置。根據Yol​​e統計，到2023年，該市場預計將保持44%的年增長率。    

碳化矽功率元件的長期發展趨勢（資料來源：Yole）在投資領域，華為旗下子公司哈伯科技投資有限公司去年投資了我國領先的第三代半導體材料碳化矽企業－山東天躍先進材料科技有限公司，持股10%。 2020年7月，華為也投資了東威半導體，該公司主要擁有三大系列產品：高壓GreenMOS系列、中低壓SGTMOS系列和IGBT系列，廣泛應用於快充、充電樁、開關電源、直流馬達驅動和光伏逆變器等領域。    

氮化鎵規劃

根據Yole的預測，氮化鎵（GaN）將主要應用於消費性電子、汽車電子、通訊技術等領域。在氮化鎵領域，GaN元件整合的主要趨勢是系統級封裝（SiP）或系統級晶片（SoC）解決方案。事實上，GaN功率元件主要面向電子市場。對於消費市場而言，這是一個顯而易見的技術趨勢。其中最典型的應用是快速充電。快速充電頭產品主要包含兩個核心元件：電源管理IC晶片和功率分立元件。快速充電對功率密度和效率的要求很高。因此，企業必須在這種封裝尺寸下盡可能壓縮系統，並降低單位功率成本。    

圖 2：功率氮化鎵市場（資料來源：Yole）  
隨著氮化鎵技術的成熟，氮化鎵技術可以使精簡的組件在尺寸、重量等方面得到更好的控制。 透過巧妙的設計。 此外，與普通的矽基元件相比，GaN元件的開關速度快10倍，並且可以在更高的溫度下工作。 因此，GaN 在 USB PD 快速充電領域的應用非常普遍。 2020 年 4 月 8 日，在華為 2020 年春季新品發表會上，華為發表了一款充電器產品－65W GaN（氮化鎵）雙埠充電器。 當時有傳言稱華為正在自主研發該技術，但實際情況仍有待調查。 然而，熟悉華為供應鏈的人士指出，華為在氮化鎵領域擁有深厚的實力。 目前市面上有許多廠商都在部署 GaN 快速充電技術，例如 Power Integration, Inc.、Navitas 和 Innoscience 這三大主要供應商。 除了華為海思之外，包括海特高新技術、海陸重工、蘇州京展、江蘇華工、重慶華潤微電子、杭州思蘭微電子在內的許多國內企業也積極部署了第三代半導體技術。 預計隨著用戶對便攜性的需求增加，到 2025 年，全球 GaN 快速充電市場規模將超過 60 億元人民幣，同時加速 GaN 晶片在其他新興領域取代矽基產品。 除了在消費性電子領域實現快速充電外，基於氮化鎵的分立元件也更適合資料中心或基地台電源等高功率應用。 2020年6月，華為宣布將在英國建立光電研發和製造基地。 專案第一階段將重點放在光學元件和光學模組的研發和製造。 透過整合研發和製造功能，我們可以加速產品開發和商業化進程，更有效率地將產品推向市場。 光電子技術是光纖通訊系統的關鍵技術，華為在英國的大規模投資旨在促進相關技術在全球資料中心和網路基礎設施的應用。 在光電子領域，GaN的低功耗和高發光效率有助於LED和紫外線雷射的發展。 以氮化鎵半導體為基礎的深紫外線發光二極體（LED）是紫外線消毒光源的主流發展方向。 它們的光源體積小、效率高、壽命長。 拇指帽大小的晶片模組可以發出比汞燈更強的紫外線。 在射頻氮化鎵領域，華為幾年前就已在其 4G LTE 基地台中使用了氮化鎵功率放大器。 然後，隨著 5G 的出現，GaN 的潛力越來越大，因為在高頻下，GaN 的功率密度與 LDMOS 相比仍然非常出色，而且功率附加效率也在提高。 根據 Yole 的資料預測（圖 2），GaN 在資料中心的應用正在緩慢成長。 Yole 的技術和市場分析師 Ezgi Dogmus 表示，這是由於缺乏監管造成的。 如果政府加強對資料中心的嚴格監管以降低能耗，GaN在資料中心的滲透率將會更高。 隨著對高效率要求的提高，氮化鎵相對於仍能滿足當前要求的矽，發揮越來越重要的作用。 在汽車領域，隨著越來越多的零件被應用於汽車中，氮化鎵的作用也變得越來越突出。 2020年12月11日，在第十二屆汽車藍皮書論壇上，華為智慧汽車解決方案事業部總裁王軍透露，華為目前正在研發光達技術。 氮化鎵晶體管的進步已被證明是開發高精度雷射雷達系統的關鍵。 雷射雷達系統透過垂直腔面發射雷射 (VCSEL) 發射光脈衝，需要高功率電控制，速度非常快，上升和下降時間都很短。 這就是氮化鎵有利於光達系統的原因之一。 氮化鎵的開關速度比矽場效電晶體快得多，因此可以在高電流下實現短脈衝寬度。 此特性對於雷射雷達至關重要，因為更短的脈衝寬度可以實現更高的分辨率，而高脈衝電流可以讓雷射雷達系統看得更遠。

國內功率半導體整體情況

最後，我們有系統地檢視國內功率半導體（主要是IGBT、SiC和GaN）的產業鏈現況。首先，我們先來看看IGBT的整個產業鏈。國內IGBT產業鏈，如晶片設計、晶圓製造、模組封裝等，基本上已經佈局完畢，但仍處於初步階段。特別是晶圓製造、背板減薄和封裝製程是IGBT製造技術的主要困難，與國外相比差距較大。

整理國內IGBT產業鏈全貌（表格來源：半導體產業觀察）  
在整個碳化矽領域，就碳化矽基板和外延技術而言，我國目前仍以4英寸產品為主，6英寸產品雖已研發並小批量供應，但總體而言，與國外相比，國內碳化矽產業鏈的各個環節都存在差距，整體水平差距可能在5年左右。與國外最先進的水平相比，國內碳化矽二極體大約落後一代，落後2到3年。差距並不算特別大，在可預見的未來完全有可能迎頭趕上。但這需要國內整個產業鏈上下游各環節要齊心協力，共同推動。

整理國內SiC產業鏈全貌（表：半導體產業觀察）根據市場研究公司Research and Markets發布的《2023年全球氮化鎵半導體裝置市場預測》，氮化鎵裝置市場預計將從2016年的16.5億美元成長到2023年的22.47億美元，複合年增長率為4.51%。氮化鎵產業鏈涵蓋上游材料（基板和外延）、中游裝置和模組以及下游系統和應用。在國內氮化鎵市場逐步擴張的推動下，上、中、下游各環節都湧現大量廠商。  
 

整理國內GaN產業鏈全貌（表：半導體產業觀察）     

結語

總體而言，在當前國際情勢下，華為的海外業務受到阻礙，而新興的汽車業務已成為華為尋求成長的突破口，在華為的業務板塊中日益重要。進軍功率元件領域，無論是IGBT、SiC或GaN，都是華為作為汽車零件供應商的基石。隨後，基於這些功率元件的優異特性，華為可將產品應用於基地台供電、快充、光電研發等領域。    

目前，在第三代半導體功率元件領域，無論從國內外技術發展水準或國家重視程度來看，我們都處於有利地位。國內大多數專家也對我國第三代半導體的發展持正面態度。第三代半導體材料或許是我們擺脫積體電路被動局面、實現晶片技術追趕與超越的良機。像華為這樣有實力的公司應該發揮領導作用，引領國產半導體的崛起！

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