前言:【核芯觀察】是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄,目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構,理清上、中、下游的各個環節,同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。我們計劃會對包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導體產業上下游進行梳理。在本次GaN專題中,我們將GaN產業鏈的上中下游各分為幾個部分:上游主要是原材料,包括襯底、外延片;中游主要是IC設計、GaN晶圓制造、封裝測試;下游是應用部分,包括射頻器件、功率器件、以及光電器件。這期帶來的是氮化鎵產業鏈下游梳理。
一、GaN下游
1.GaN射頻器件市場格局
根據Yole Développement的數據,2020年GaN射頻器件市場規模為8.91億美元,復合年增長率將達18%,預計到2026年GaN射頻器件市場規模會達到26億美元以上。
同時,由于在高頻、高溫領域有較大優勢,GaN射頻器件市場會由國防(大功率雷達、衛星)以及5G電信基礎設施等應用為主導,在2026年這兩個應用分別占整個市場的49%和41%。
在GaN射頻器件市場上,Woflspeed、住友電氣、Qorvo等共三家企業占據大部分市場份額。電子發燒友網統計,截至2022年7月1日,Mouser在售的GaN射頻產品共有623款,而截至2020年6月底的這個數字是451款,兩年時間增加了172款產品,產品線持續完善。
在性能上,工作頻率和輸出功率是GaN射頻器件/模塊的主要技術指標。從Mouser的數據庫中,可以發現目前市面上GaN射頻放大器最大工作頻率可以達到42.5GHz(Qorvo),最大功率800W;GaN射頻HEMT最大輸出功率高達1800W(Qorvo,1GHz-1.1GHz),最高工作頻率為DC to 25 GHz(Qorvo,輸出功率7.2W)。
縱觀整個射頻器件市場,目前硅基LDMOS和GaAs依然占據主流,但GaN在工作頻率、功率密度等方面都擁有明顯優勢。隨著5G通信高頻通信應用持續迭代發展,對射頻前端等器件的性能要求不斷提高,以及載波聚合、MIMO、包絡跟蹤等技術的廣泛應用,GaN射頻器件需求規模將不斷擴大。
5G基站AAU的能耗占比 圖源:優鎵科技
從5G基站AAU(有源天線處理單元)的能耗占比中,可以發現功率放大器占到最大的一部分,同時5G基站中射頻通道數量從4G宏基站RRU(射頻拉遠單元)中的4通道變為64通道,單個基站中的PA數量增加16倍。因此GaN PA尺寸小、效率高、功率密度大等特點,更加適合5G基站的應用場景。
工信部的最新數據顯示,截至2022年4月末,我國已經建成5G基站161.5萬個,預計2025年前我國5G宏基站將建設超過500萬站。隨著5G基站高能效、小體積等需求,在未來幾年,預計GaN射頻器件在5G基站市場滲透率將逐步提升至70%。
2.GaN功率器件市場格局
GaN的功率應用起步較晚,市場規模目前相比于射頻GaN較小。根據Yole Développement數據,2021全球GaN功率器件市場規模為1.26億美元,預計2021-2027年期間復合年增長率為59%,2027年全球市場規模高達20億美元。
在TrendForce此前的2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率排名預測中,納微半導體、PI、英諾賽科、EPC分列前四,四大玩家攬下全球接近90%的市場份額。其中排名第一的納微半導體市占率達到29%,PI和英諾賽科分別占到24%和20%的份額,EPC則占有14%的市場份額。
GaN主要主要是面向650V以下中低壓應用,功率器件產品性能上,擊穿電壓集中在650V以及300V以下,導通電流最高150A(GaN Systems,650V),Transphorm的產品最高耐壓值達到900V。更高耐壓的GaN功率器件也即將推出市場,目前包括東芝、Transphorm、GaN Power、博世等都已經對外透露了1200V GaN功率管的研發進度,預計很快會推出市場。
目前GaN功率器件最大的應用市場是消費電子,比如PC電源、手機充電器等,其次是數據中心、5G通信基站電源等應用。2021年,GaN功率市場中消費電子應用占比約為63%,通信基站、數據中心等應用占比約21%,而工業和汽車應用的占比分別為7%、4%左右。
電動汽車是GaN功率器件未來最具潛力的市場之一。短期來看,GaN功率器件在11kW、6.6kW、22kW的OBC,以及4kW的DC-DC中,相比于SiC具有非常明顯的成本優勢、系統效率優勢、功率密度優勢。在電動汽車驅動和電池平臺上,目前中高端車型的趨勢是800V系統,但由于成本等原因,預計2030年全球范圍內主流還會是400V平臺。而SiC相比于GaN在功率應用上的優勢主要在于1200V以上的超高壓,所以在電動汽車上,隨著成本、產能等優勢凸顯,GaN功率器件有望在電動汽車400V平臺上得到廣泛應用。
根據納微半導體的規劃,預計在2025年左右車規級GaN功率產品能夠實現大批量出貨。
二、國內外GaN產業各環節發展現狀
對GaN技術的研究最早起步于20世紀70年代初的日本,從技術專利上看,日美起步相對較早。2010年以前,日本在GaN技術專利申請數上處于明顯領先,中國在2010年后專利申請數開始高速增長,并保持至今。
中、美、日三國GaN技術專利申請趨勢圖 來源:Patsnap
GaN單晶襯底方面,我們在第一期有提到,同樣是日本廠商占據領先地位,住友電工在2003年成為全球首家量產GaN襯底的廠商。目前主流的GaN襯底尺寸是2英寸,住友電工和三菱化學都宣布將會在2022年開始量產4英寸GaN單晶襯底,2022年3月,豐田合成與大阪大學合作宣布成功研制出6英寸GaN襯底。
國內在GaN襯底方面發展速度也很快,蘇州納維在2017年率先推出4英寸GaN單晶襯底,并且還表示突破了6英寸的關鍵核心技術;2018年2月,東莞中稼半導體宣布,在國內首次試產4英寸自支撐GaN襯底,并在2019年10月發售4英寸自支撐氮化鎵襯底;2020年3月,鎵特半導體宣布開發出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片,并表示“鎵特是第一家,也是唯一一家生產4英寸半絕緣氮化鎵晶圓片的公司”。
外延片方面,目前國際上GaN射頻應用的SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存,海外6英寸代表企業有Wolfspeed、Qorvo、NXP,4英寸代表企業為住友電工;國內SiC基GaN外延片主要以4英寸為主,代表企業有蘇州能訊、聚能晶源等,其中聚能晶源已經具備量產6寸SiC基GaN外延片的能力。
射頻器件方面,GaN PA大部分用于6GHz以下宏基站,主要海外供應商有恩智浦、住友、Qorvo等等。不過國內5G發展迅速,基站PA需求巨大,國內廠商在GaN PA上同樣在加速導入市場,包括蘇州能訊、中興微電子、海特高新(旗下與中國電子29所合資公司嘉納海威設計、旗下海威華芯代工)等等,都已經有相關產品在5G宏基站上進行測試或量產應用。
功率器件方面,GaN功率市場目前來看主要應用于手機充電器。從市場份額上看,國內以英諾賽科為代表,占全球20%份額,同時英諾賽科也在加速開啟國際業務。可以發現,目前全球GaN功率市場份額排名前列的納微半導體、EPC、GaN system等都走Fabless模式,走IDM模式的英諾賽科在供貨能力、價格上會有一些優勢,預計打開國際市場后,英諾賽科份額將會繼續有進一步提升。
在汽車應用上,國內方面聞泰科技旗下安世半導體較為領先,目前已經推出用于汽車OBC、DC-DC的車規 650V GaN FET,900V產品也已經完成開發,預計未來繼續推進1200V GaN功率產品。國外方面,ST、英飛凌、Ti、GaN Systems等都有600V以上的車規GaN功率產品推出。總體而言,目前GaN功率器件主要用于汽車OBC上,且應用規模還比較小,要廣泛應用于電驅等汽車核心動力模塊上,預計要到2025年后。
產能方面,CASA統計2020年國內折合4英寸GaN-on-SiC的射頻器件、模塊年產能為16萬片,折合6英寸GaN-on-Si的電力電子器件、模塊年產能為22萬片。根據推算,由于英諾賽科等國內廠商的擴產落地,今年國內GaN-on-Si的電力電子器件、模塊產能增速較快,年產能預計會超過60萬片(折合6英寸),GaN-on-SiC射頻器件、模塊方面增速稍慢,但預計2022年國內年產能也將超過35萬片(折合4英寸)。
一、GaN下游
1.GaN射頻器件市場格局
根據Yole Développement的數據,2020年GaN射頻器件市場規模為8.91億美元,復合年增長率將達18%,預計到2026年GaN射頻器件市場規模會達到26億美元以上。
在GaN射頻器件市場上,Woflspeed、住友電氣、Qorvo等共三家企業占據大部分市場份額。電子發燒友網統計,截至2022年7月1日,Mouser在售的GaN射頻產品共有623款,而截至2020年6月底的這個數字是451款,兩年時間增加了172款產品,產品線持續完善。
在性能上,工作頻率和輸出功率是GaN射頻器件/模塊的主要技術指標。從Mouser的數據庫中,可以發現目前市面上GaN射頻放大器最大工作頻率可以達到42.5GHz(Qorvo),最大功率800W;GaN射頻HEMT最大輸出功率高達1800W(Qorvo,1GHz-1.1GHz),最高工作頻率為DC to 25 GHz(Qorvo,輸出功率7.2W)。
縱觀整個射頻器件市場,目前硅基LDMOS和GaAs依然占據主流,但GaN在工作頻率、功率密度等方面都擁有明顯優勢。隨著5G通信高頻通信應用持續迭代發展,對射頻前端等器件的性能要求不斷提高,以及載波聚合、MIMO、包絡跟蹤等技術的廣泛應用,GaN射頻器件需求規模將不斷擴大。
從5G基站AAU(有源天線處理單元)的能耗占比中,可以發現功率放大器占到最大的一部分,同時5G基站中射頻通道數量從4G宏基站RRU(射頻拉遠單元)中的4通道變為64通道,單個基站中的PA數量增加16倍。因此GaN PA尺寸小、效率高、功率密度大等特點,更加適合5G基站的應用場景。
工信部的最新數據顯示,截至2022年4月末,我國已經建成5G基站161.5萬個,預計2025年前我國5G宏基站將建設超過500萬站。隨著5G基站高能效、小體積等需求,在未來幾年,預計GaN射頻器件在5G基站市場滲透率將逐步提升至70%。
2.GaN功率器件市場格局
GaN的功率應用起步較晚,市場規模目前相比于射頻GaN較小。根據Yole Développement數據,2021全球GaN功率器件市場規模為1.26億美元,預計2021-2027年期間復合年增長率為59%,2027年全球市場規模高達20億美元。
GaN主要主要是面向650V以下中低壓應用,功率器件產品性能上,擊穿電壓集中在650V以及300V以下,導通電流最高150A(GaN Systems,650V),Transphorm的產品最高耐壓值達到900V。更高耐壓的GaN功率器件也即將推出市場,目前包括東芝、Transphorm、GaN Power、博世等都已經對外透露了1200V GaN功率管的研發進度,預計很快會推出市場。
目前GaN功率器件最大的應用市場是消費電子,比如PC電源、手機充電器等,其次是數據中心、5G通信基站電源等應用。2021年,GaN功率市場中消費電子應用占比約為63%,通信基站、數據中心等應用占比約21%,而工業和汽車應用的占比分別為7%、4%左右。
電動汽車是GaN功率器件未來最具潛力的市場之一。短期來看,GaN功率器件在11kW、6.6kW、22kW的OBC,以及4kW的DC-DC中,相比于SiC具有非常明顯的成本優勢、系統效率優勢、功率密度優勢。在電動汽車驅動和電池平臺上,目前中高端車型的趨勢是800V系統,但由于成本等原因,預計2030年全球范圍內主流還會是400V平臺。而SiC相比于GaN在功率應用上的優勢主要在于1200V以上的超高壓,所以在電動汽車上,隨著成本、產能等優勢凸顯,GaN功率器件有望在電動汽車400V平臺上得到廣泛應用。
根據納微半導體的規劃,預計在2025年左右車規級GaN功率產品能夠實現大批量出貨。
二、國內外GaN產業各環節發展現狀
對GaN技術的研究最早起步于20世紀70年代初的日本,從技術專利上看,日美起步相對較早。2010年以前,日本在GaN技術專利申請數上處于明顯領先,中國在2010年后專利申請數開始高速增長,并保持至今。
GaN單晶襯底方面,我們在第一期有提到,同樣是日本廠商占據領先地位,住友電工在2003年成為全球首家量產GaN襯底的廠商。目前主流的GaN襯底尺寸是2英寸,住友電工和三菱化學都宣布將會在2022年開始量產4英寸GaN單晶襯底,2022年3月,豐田合成與大阪大學合作宣布成功研制出6英寸GaN襯底。
國內在GaN襯底方面發展速度也很快,蘇州納維在2017年率先推出4英寸GaN單晶襯底,并且還表示突破了6英寸的關鍵核心技術;2018年2月,東莞中稼半導體宣布,在國內首次試產4英寸自支撐GaN襯底,并在2019年10月發售4英寸自支撐氮化鎵襯底;2020年3月,鎵特半導體宣布開發出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片,并表示“鎵特是第一家,也是唯一一家生產4英寸半絕緣氮化鎵晶圓片的公司”。
外延片方面,目前國際上GaN射頻應用的SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存,海外6英寸代表企業有Wolfspeed、Qorvo、NXP,4英寸代表企業為住友電工;國內SiC基GaN外延片主要以4英寸為主,代表企業有蘇州能訊、聚能晶源等,其中聚能晶源已經具備量產6寸SiC基GaN外延片的能力。
射頻器件方面,GaN PA大部分用于6GHz以下宏基站,主要海外供應商有恩智浦、住友、Qorvo等等。不過國內5G發展迅速,基站PA需求巨大,國內廠商在GaN PA上同樣在加速導入市場,包括蘇州能訊、中興微電子、海特高新(旗下與中國電子29所合資公司嘉納海威設計、旗下海威華芯代工)等等,都已經有相關產品在5G宏基站上進行測試或量產應用。
功率器件方面,GaN功率市場目前來看主要應用于手機充電器。從市場份額上看,國內以英諾賽科為代表,占全球20%份額,同時英諾賽科也在加速開啟國際業務。可以發現,目前全球GaN功率市場份額排名前列的納微半導體、EPC、GaN system等都走Fabless模式,走IDM模式的英諾賽科在供貨能力、價格上會有一些優勢,預計打開國際市場后,英諾賽科份額將會繼續有進一步提升。
在汽車應用上,國內方面聞泰科技旗下安世半導體較為領先,目前已經推出用于汽車OBC、DC-DC的車規 650V GaN FET,900V產品也已經完成開發,預計未來繼續推進1200V GaN功率產品。國外方面,ST、英飛凌、Ti、GaN Systems等都有600V以上的車規GaN功率產品推出。總體而言,目前GaN功率器件主要用于汽車OBC上,且應用規模還比較小,要廣泛應用于電驅等汽車核心動力模塊上,預計要到2025年后。
產能方面,CASA統計2020年國內折合4英寸GaN-on-SiC的射頻器件、模塊年產能為16萬片,折合6英寸GaN-on-Si的電力電子器件、模塊年產能為22萬片。根據推算,由于英諾賽科等國內廠商的擴產落地,今年國內GaN-on-Si的電力電子器件、模塊產能增速較快,年產能預計會超過60萬片(折合6英寸),GaN-on-SiC射頻器件、模塊方面增速稍慢,但預計2022年國內年產能也將超過35萬片(折合4英寸)。
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