日本“功率半导体”保持高全球份额

在纯电动汽车(EV)等的核心零部件“功率半导体”开发方面,日本企业正展开激烈竞争。与中韩企业具备优势的存储器不同,功率半导体的源头是面向电力企业的工业设备等技术。因此,东芝和三菱电机等日本重型电机设备企业掌握很高的全球份额。在此背景下,属于中型企业的富士电机也在高性能化竞争中显示出存在感。

位于山梨县的富士电机功率半导体芯片生产工厂目前处于前所未有的繁忙状态。面向纯电动汽车和混合动力车的订单从日本国内外涌来,工厂维持满负荷运转状态。富士电机将在2023年度之前投入1200亿日元,以负责晶圆处理工序的山梨县工厂为中心,把产能提高至2019年度的1.5倍。该公司电子元件业务本部业务企划部长岛田高志表示,“仍具有增强产能的空间”,还考虑进行追加投资。

富士电机在被称为IGBT的功率半导体领域具有优势。这是一种能高速切换开关的器件,用于逆变器等,被混合动力车和纯电动汽车所采用,富士电机在IGBT模块领域排在全球份额第3位。

富士电机的车载RC-IGBT模块

在长野县的松本工厂,最新型“RC-IGBT”的开发正在推进。其特点是结合续流二极管(FreeWheel Diode)和IGBT这2种芯片。续流二极管用于释放关闭马达电源时瞬间产生的高压电流,防止电子零部件发生故障。RC-IGBT具备2种功能,能够减少面积和发热量。

岛田高志表示,“只有本公司把面向纯电动汽车的RC-IGBT实现产品化”。如果这种产品的应用不断增加,有望促进纯电动汽车的进一步小型化和轻量化。

功率半导体被比喻为纯电动汽车和工业设备等需要较多电力的设备的“肌肉”。这些设备需要将通过电池等获得的电力高效地转换为动力。承担这一功能的正是功率半导体。

法国调查公司Yole Développement的统计显示,2019年全球功率半导体的市场规模换算成日元接近2万亿日元。预计到2025年将扩大至2.3万亿日元。德国英飞凌科技公司是最大的功率半导体企业,在全球拥有约2成份额。在日本企业中,三菱电机、富士电机、东芝和罗姆等跻身前十。

日本企业为何在功率半导体领域具备优势呢?富士电机和东芝等一直在开发向电力企业供应的送配电设备和用于铁路车辆的马达及电力转换设备等。通过自主生产这些工业设备使用的功率半导体,在竞相推进节能的过程中,自主发展了功率半导体技术。在功率半导体问世的1980年代,较多用于工厂和成套设备,但从混合动力车增加的1990年代后半期开始,功率半导体不断应用于汽车。原因在于电动马达的控制需要使用逆变器。目前,富士电机的功率半导体业务有35%是面向汽车。该公司认为随着全球推进汽车电动化,到2023年度这一比例将提高至近5成。

日本在功率半导体的高性能化方面领跑,但在IGBT等领域,中国企业也在提升实力。日本企业的优势地位并非绝对。作为对抗海外企业的手段而受到关注的是能进一步减少电力损耗的采用碳化硅的功率半导体。碳化硅是由硅和碳构成的化合物半导体的材料。据悉其结合力强于硅,并且很耐热。

与硅材料的半导体芯片相比,碳化硅芯片在电力转换过程中的电力损耗减少6成左右。由于芯片的电力损耗较少,能实现模块的小型化,这是主要优点。减少多余的容量还有助于纯电动汽车电池的小型化。

罗姆将碳化硅业务定位为增长核心。在福冈县筑后市的工厂推进增强设备,旨在扩大碳化硅功率半导体生产。罗姆旗下拥有德国碳化硅晶圆制造企业SiCrystal,优势是从晶圆到器件都能自主生产。与瑞士半导体厂商意法半导体签署了碳化硅晶圆的长期供应合同。

罗姆董事高级执行官CSO业务统括伊野和英强调称,“本公司在功率半导体领域起步晚,但在碳化硅领域属于先行者。力争在汽车和可再生能源等领域全方位扩大市场份额”。碳化硅功率半导体的世界市场规模现阶段估计为500亿日元左右,但到2024年有望达到2000亿日元,其中近3成是面向汽车。罗姆计划2025年之前在筑后工厂投入600亿日元,将碳化硅晶圆和器件的产能提高至2019年度的5倍。

中国企业正在加快功率半导体的国产化。日本的各家企业在供货实绩和技术实力上领先,但在包括中国在内的世界市场,成本竞争加强的局面或将难以避免。

SMBC日兴证券的分析师吉积和孝表示,“与需求波动大的存储器等不同,功率半导体的需求有望保持稳定,设备投资风险相对较低。应当积极推进投资”。富士电机等日本国内企业的投资战略将左右日本今后是否仍是“功率半导体大国”。

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