模拟集成电路主要是 指由电阻、电容、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理连续函数形式模拟信号(如声音、光线、温度等)的集成电路。国际主流的模拟集成电路公司依旧为德州仪器、亚德诺半导体、美信集成产品、意法半导体、英飞凌等美欧公司。
模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链芯片。其中,电源管理芯片是在电子 设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片, 主要分为AC-DC交直流转换、DC-DC直流和直流电压转换(适用于大压差)、 电压调节器(适用于小压差)、交流与直流稳压电源。电源管理芯片在不同产 品应用中发挥不同的电压、电流管理功能,需要针对不同下游应用采用不同的电路设计。当前,电源管理正往高速、高增益、高可靠性方向发展,发展电管理芯片是提高整机技能的重要方式。信号链芯片则是一个系统中信号从输入到输出的路径中使用的芯片,包括信号的采集、放大、传输、处理等功能。
目前全球 IGBT 市场主要被欧洲、日本企业垄断。全球主要 IGBT 厂商包括德国英飞凌 (Infineon)、日本三菱(Mitsubishi)、富士电机(Fiji Electric)、瑞士 ABB 等。IHS 调研 数据显示,2018 年全球 IGBT 市场规模达 62 亿美元,排名前三的厂商市场占比总共超过 60%,全 球 IGBT 行业市场集中度较高。
IGBT 作为能源变化和传输的核心器件,下游应用非常广泛。国家七大战略新兴产业中,IGBT 是新能源产业、新能源汽车产业、节能环保产业、高端装备制造产业不可缺少的半导体器件,随 着这些产业快速发展,为 IGBT 提供了更广阔的市场。根据中汽协发布的产销数据,2019 年,国 内新能源汽车产量及销量分别为 124.2 万辆和 120.6 万辆,随着新能源汽车替代率逐步上升, 将持续拉动 IGBT 模块市场的需求。根据产业在线的数据,2018 年我国变频空调、变频冰箱和变 频洗衣机销量分别达到 6,434.1 万台、1,665.7 万台和 2,163.3 万台,同比增长分别为 8.8%, 31.1%和 24.5%,均高于空调、冰箱、洗衣机整体增长率。随着节能环保的大力推行,变频家电的 渗透率有望进一步提升,面向变频家电的 IGBT 模块销量潜力巨大。此外,光伏、风电等新能源 领域对于 IGBT 的需求也大幅增长, IGBT 国产替代空间巨大。
受益于下游行业增长推动,预计 IGBT 产业仍将保持较快的发展速度,市场增速高于整个功率 半导体增速。根据集邦咨询数据,受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加,2025 年中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿人民币,复合增长率达 19.11%。此外,未来包括 5G 建设所需的基 站设备及其普及后带来物联网、自动驾驶等领域的快速发展,也会对 IGBT 产生长期大量的持续新 增需求,IGBT 市场未来高速增长可期。
不同IGBT模块各层材料的厚度 单位:mm
半导体材料的变迁:
Ge(锗)、Si(硅)→→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上覆硅) →→→碳纳米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。
目前功率放大器的主流工艺依然是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。其中HBT(heterojunction bipolar transistor,异质结双极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。
CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面,CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高,使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面,CMOS功率放大器在线性度,输出功率,效率等方面的性能较差,再加上CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。
碳纳米管(CNT)由于具有物理尺寸小、电子迁移率高,电流密度大和本征电容低等特点,人们认为是纳米电子器件的理想材料。
零禁带半导体材料石墨烯,因为具有很高的电子迁移速率、纳米数量级的物理尺寸、优秀的电性能以及机械性能,必将成为下一代射频芯片的热门材料。
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