智芯研报 高效能、小体积加速GaN消费电子类应用

　　智芯研报 高效能、小体积加速GaN消费电子类应用目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一，硅(Si)、锗(Ge)材料在20 世纪50 年代有过高光时刻，广泛应用于低压、低频、率晶体管以及光电探测器中，但到了60 年代后期因耐高温和抗辐射性能较差，工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代。

　　目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域，被认为是半导体行业的重要发展方向。

　　第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN 等)，因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3 电子伏特(eV)而得名。第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构，广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大的发展潜力。

　　GaN 材料的运行速度比旧式慢速硅加快了20 倍，并且能实现高出三倍的功率。GaN 充电器具备小巧、高效、发热低等优势。

　　传统功率器件通常采用IGBT技术方案，但近年来随着材料科技的发展，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术正成为技术热点。目前，SiC已实现了车规级应用，GaN尚处于研发阶段。SiC是600V以上高压应用系统的最佳解决方案，GaN是600V以下的应用系统的理想选择。

　　氮化镓技术最早于1970 年被美国无线电公司用来制造LED，而后基于GaN 的LED 成为了LED 的主流。

　　除了LED，GaN 也逐渐被使用到了功率半导体和射频器件上。氮化镓器件主要包括射频器件和电力电子器件，射频器件产品包括功率放大器和开关器等，主要面向基站卫星、军用雷达等市场；电力电子器件产品包括场效应晶体管等产品，主要应用于无线充电、电源开关和逆变器等市场。

　　GaN三个特点大幅提升效率：开关频率高、禁断宽度大、更低的导通电阻。开关频率是指充电头内部晶闸管，可控硅等电子元件，每秒可以完全导通、断开的次数。变压器恰好是充电器中体积最大的元器件之一，占据了内部相当大的空间。

　　开关的频率高可使用体积更小的变压器。使用氮化镓作为变压元件，变压器和电容的体积减少，有助于减少充电头的体积和重量。

　　禁带宽度直接决定电子器件的耐压和最高工作温度，禁带宽度越大，器件能够承载的电压和温度越高，击穿电压也会越高，功率越高。更低的导通电阻，直接表现为导电时的发热量。导通电阻越低，发热量越低。

　　2018年ANKER将GaN带出实验室。2018年10月25日ANKER在美国纽约发布了一款划时代的新品—“ANKERPowerPortAtomPD1”GaN充电器，由于其搭载了高频高效的GaN（氮化镓）功率器件而备受业界关注。该款产品也是首次将第三代半导体技术应用在充电设备上，从而将相关技术从实验室带向应用市场。

　　主流厂商依次跟进，高功率，小体积成最明显优势。小米于2020年2月发布了GaN充电器Type-C65W，能够为小米10Pro最高提供50W的充电功率，小米10Pro搭配其使用从0充电至100%仅需45分钟。

　　同时，它支持小米疾速闪充、PD3.0等快充协议，并且还支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充电器Type-C65W为iPhone11充电，充电速度比原装5W充电器提升约50%。

　　得益于新型半导体材料GaN的加持，Type-C65W的体积比小米笔记本标配的适配器减小约48%。

　　此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多个档位的智能调节输出电流，能为新款MacBookPro、小米笔记本等大功率设备进行最大65W充电，还能兼容大多数Type-C接口的电子设备，包括Switch等。产品搭载E-Marker芯片，最大支持5A电流。

　　从消费电子快充市场来看，未来随快充需求与GaN渗透率不断提升，2022年市场规模有望达到87.74亿元。随着5G手机各类参数不断提升，内部射频、处理器、屏幕的耗电量在直线上升，电子产品对快充的需求日益提升。

　　多家厂商发布GaN快充后，目前的售价大部分用户已经可以接受，未来渗透率有望逐步提升。假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%，可穿戴需求度相对手机端有所降低，三年的渗透率为0.5%、1%、2%。

　　政策端：全球节能减排，碳排放成国际谈判的重要筹码，国六排放的实行，加速新能源汽车替代传统燃油车。

　　供给端：全球主流厂商规划将未来重点发展方向放到NEV，有保有量加速提升，目前全球有超过150家车厂已有规划EV新车上市；在自动驾驶水平方面，2019年L2+级别自动驾驶产品在部分车型中已成为标配，部分车型仍需要选装，未来L3级别的自动驾驶有可能会在2020年后正式上市，从供给端来看，智能化水平在加速提升。

　　需求端：新能源汽车的边际变化来源有两点：车载娱乐及驾乘体验，纯电动与自动驾驶带来的独特驾驶体验，车联网的落地及人车手机生态化的构建，是娱乐化需求的来源。

　　汽车电子化程度上升是必然趋势，直接带动汽车产业链价值迁移。汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。

　　其中控制装置包括动力总成控制、底盘和车身电子控制等；车载电子装置包括汽车信息系统导航系统、车载通信系统、车载网络等。

　　从传统燃油动力车型转向电池动力的过程中，汽车电子化程度将呈现大幅提升，其中两类需求增长最为迅速：1）以智能驾驶为长期驱动力的安全系统（ADAS），是未来实现无人驾驶的重要保障；2）以智能座舱位代表的车载电子、车载通信，是建设车联网及物联网的基础需求。

　　汽车电子市场规模快速发展，国内市场有望超千亿。随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来，汽车电子市场规模不断扩大，从汽车音响空调电子显示屏等，目前已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上，未来汽车电子市场发展空间还将进一步增加，汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。

　　根据中国汽车工业协会数据，2020年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到2400亿美元，其中我国汽车电子市场规模将超过1058亿美元。

　　第三代半导体材料功率器件对于电机、电控、电池三大核心元件的效率提升具有重要意义。从燃油车和新能源车两方面看：在国六排放要求背景下，主流车厂选择以48V轻混作为过度时期的解决方案；在新能源车型中，目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上，电机与电控是核心元器件。

　　GaN可用于48VDC/DC以及OBC(OnBoardCharger车载充电机)。据Yole的预测，2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力，也是不同技术路线（Si、SiC和GaN）的主要争夺市场。

　　汽车电子涉及高功率的驱动系统与低功率的控制系统，目前解决方案并不统一。从技术上而言，GaN功率器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力：SiC更适合大功率主逆变器，Si基GaN功率电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。

　　预计到2025年，大部分的轻型车将采用48V逆变器。同时GaN功率器件也可用于车载充电器（OBC）。

　　目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案，若GaN方案的成本和技术足够成熟，GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升亚美体育app官方网站。

　　未来前景看好，目前稳定性仍待提高。由于在新能源汽车的应用中，功率需求相对较大，如在混合动力车型上，包含动力系统在内的电子元器件的成本占比已经达到50%，对器件稳定性和可靠性的要求非常高，需要较长时间的质量认证过程，在此过程中需要投入大量的研发经费；而SiC功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。

　　在这种情况下，GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。另外，（汽车）激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场，基于GaN功率器件的性能优越性，未来市场预期较好，据Yole的预测，上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%，部分厂商会已经在高端设备上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未来的市场发展情况除了受到现有的既定市场的影响之外，新兴市场的影响力也不容忽视。

　　作为承上启下的宽禁带半导体材料，GaN与Si/SiC相比有突出成本优势氮化镓（GaN）是新一代半导体材料，具有超强的导热效率、耐高温和耐酸碱等特点。

　　作为承上启下的新型宽禁带半导体材料，其禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远优于Si和GaAs，拥有类似Sic性能优势的禁宽带材料，但具备更大的成本控制潜力。

　　GaN材料的应用使器件小型化、轻量化，降低了电力电子装置的体积、重量以及制作和生产的成本，能够更好的控制成本，大规模的产业化，实现量产。

　　GaN是直接能隙半导体，带隙能量为3.4Ev，是硅的几倍。更宽的带隙使得GaN更适用于光电子器件。另外，GaN半导体具有1000倍于硅的电子迁移率，且更耐高温，因此更能在高频、高温和高功率的环境下工作。

　　也就是说，与硅相比，GaN具有更节能、更快、更好的恢复特性等突出优势，能够同时实现高频率和高效率。

　　总的来说，GaN材料拥有很大带隙，击穿强高达Si的10倍，可大幅降低导通电阻，并可可在高温下工作，非常适合应用在小型快充充电电源上。

　　GaN功率器件包括SBD、常关型FET、级联FET等产品，主要应用于无线充电件、电源开关、逆变器、交流器等领域。

　　就性能来讲，GaN材料更适用于高频率应用场景，SiC则在高压高功率场景表现更佳。随着技术水平的进步与成本控制，GaN材料将在中低功率取代硅基功率器件，在300V~600V电压间发挥优势作用。

　　根据Yole估计，在0~900V的低压市场内，GaN都有较大的应用潜力。按照整体市场154亿美元来看，占据68%的该部分低压市场都是GaN的潜在市场，约有105亿美元。

　　国际大型企业在移动设备探索上先于国内手机厂商，2018年，GaNIC厂商Navitas和Exagan推出了带有集成GaN解决方案的45W快速充电电源适配器，内置GaN充电器比苹果充电器体积减少40%。

　　就充电头网的拆解数据来看，目前市面上几款GaN充电器多数采用PI和纳微的方案。PI方案是将GaN功率器件、驱动、PWM控制器都集成在一颗芯片内，设计更加简洁、集成度较高。

　　纳微的器件则是独立的，采用高度集成的驱动电路和单晶片设计，最终实现产品的小型化和高效率。伴随GaN充电器不断普及，技术进步、产品快速放量带来芯片的设计、制造成本快速下降，刺激市场的进一步应用。

　　全球范围内，氮化镓专利申请量排名前四的国家及地区是日本、中国、美国、韩国、中国，其中我国专利量占全球的23%。

　　这和GaN布局早晚有一定的联系，美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划，我国的GaN研究始于2013年。

　　尽管当前发展程度不高，但是我国是全球最大的半导体照明产业生产地、全球规模最大的5G移动通信、全球增速最快的新能源汽车、智能手机和军工领域对功率半导体需求增速，这些应用的发展都离不开第三代半导体材料和器件的支撑。

　　其中激光雷达市场规模约为0.27亿元人民币，无线电源、光伏逆变器等领域也在加速渗透，当前下游应用领域的市场格局与国际市场情况类似。

　　据Yole统计数据，2017年全球氮化镓衬底市场需求约为7.4万片，未来5年里维持高速增长，复合增长率高达34%，到2022年将增长数倍至32万片。假设每片衬底的价格为20000元，则2022年氮化镓市场规模将达64亿元。当前行业集中度较高，CR3高达85%。住友电工、三菱化学及Sciocs三家日本企业是绝对的行业龙头，其他厂商仍处于小规模量产或研发阶段。

　　子公司海威华芯在中国率先提供六英吋砷化镓（GaAs）集成电路的纯晶圆代工（Foundry）服务。

　　在第三代半导体（氮化镓GaN）领域拥有国际领先、国内一流的技术。在全球氮化镓芯片专利技术属于一流梯队，公司专利总共249项，其中过半数是发明专利。

　　目前已建成国内首条6吋化合物半导体商用生产线，解决了中国化合物半导体产业链中制造环节的瓶颈，实现了核心高端芯片自主可控及国产化替代。

　　公司目前已完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及磷化铟在内的6项工艺产品的开发，可支持制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激光器、电力电子等产品，业务涵盖航空、航天、卫星、消费电子等领域，产品广泛应用于5G移动通信、AI人工智能、雷达、汽车电子、电力电子、光纤通讯、3D感知、新能源、国防等领域。截止目前公司部分产品已实现量产，服务客户数和订单持续增加。

　　三安光电全资子公司厦门市三安集成电路主要提供化合物半导体晶圆代工服务，工艺能力涵盖微波射频、电力电子、光通讯和滤波器四大产品领域，主要应用于5G、大数据、云计算、物联网、电动汽车、智能移动终端、通讯基站、导航等领域。

　　公司电力电子业务已推出高可靠性，高功率密度的碳化硅功率二极管及MOSFET及硅基氮化镓功率器件，产品主要应用于新能源汽车，充电桩，光伏逆变器等电源市场；光通讯业务已具备生产DFB、VCSEL、PDAPD等数通产品的能力，产品主要应用于光纤到户，5G通信基站传输，数据中心以及消费类终端的3D感知探测等应用市场；滤波器业务产线设备已到位并进入全面安装调试阶段，预计今年产线全面组建完成投产。

　　公司2005年成立之初即开始研发IGBT模块，十几年专注于深耕IGBT赛道，目前IGBT模块产品已超过600多种，电压等级涵盖100V～3300V。

　　公司不仅在IGBT模块有深厚积累，还实现上游部分芯片的技术突破，2019年上半年公司芯片自给率已达到52.71%。

　　据IHS数据2017年公司是国内唯一进入世界前十的IGBT模块供应商，全球排名第10位，中国排名第1位。在公司在IGBT领域技术优势和先发优势将奠定公司长期行业龙头地位。

　　公司上市后募投新项目进行中，新能源汽车用IGBT模块扩产项目：项目预计投资2.5亿元，建设地点在上海道之（公司汽车用IGBT模块生产基地），形成年产120万个新能源汽车用IGBT模块的生产能力。全面达产后项目预计年实现销售4.2亿元，年均可实现利润6404万元。IPM模块项目：计划投资2.2亿元，形成年产700万个IPM模块的生产能力。全面达产后项目预计实现销售3.15亿元，年均可实现利润4967万元。

　　公司在IPM领域相关技术储备已较为成熟，大力扩产将推动公司获得更多的市场份额，提升公司在行业里领导地位。