2025年功率半导体的五大发展趋势

2024 年功率半导体行业的销售额高达 468 亿美元，与 2023 年相比下降了 8%。展望 2025 年的潜在增长机会，市场面临着一些挑战，包括汽车行业（尤其是电动汽车）的需求低于预期、地缘政治的不确定性加剧了工业应用的低迷，以及消费市场的疲软。更重要的是，目前行业参与者依然保持大规模投资扩充产能的势头，这些挑战对行业来说不容乐观。在此背景下，功率半导体产业依然在不断地获得战略投资。2025 功率半导体的五大发展趋势：功率半导体在AI数据中心应用的增长，SiC在非汽车领域应用的增长，GaN导入到快速充电器之外的应用领域， 中国功率半导体生态系统的壮大以及晶圆尺寸的显著升级。

01,人工智能推动功率半导体发展

随着消费和工业应用中大规模生成式人工智能的兴起，数据中心运营商和超大规模厂商为了获得更广泛的市场认可，重新思考如何从处理器层面获取和管理电源，并且如何将数据中心的增长与其能源消耗和随之而来的碳足迹脱钩也是他们关注的问题。

数据中心园区通常超过 100 兆瓦，计划新增容量超过 150 千兆瓦，其中 60% 用于人工智能，数据中心电力需求的增长速度远远超过了电网的增长速度。现场发电将变得更加重要，需要多样化的能源组合，不仅包括传统的光伏和风能，还包括核小型模块化反应堆（SMR）发电和氢燃料电池。这一转变也将推动更大容量电池储能系统 (BESS) 和不间断电源 (UPS) 的激增。

在数据中心内，服务器机架的功率水平不断提高，达到 100kW 甚至更高，这反过来又影响了功率密度要求，目前已超过 100W/in³。更高功率电源供应单元 (PSU) 和电池备份单元 (BBU) 的需求正在激增，功率范围从 5.5kW 到 12kW。业界将氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙 (WBG) 材料定位为关键技术。

随着每个机架的功率急剧增加，业界正在探索如何更高效地提供功率。虽然 48 伏直流配电已成为常态，但对更高电压（如 +/-400 伏直流）解决方案的需求也在不断增长，这就需要新颖的电源转换策略。在处理器层面，垂直电源输送--即从加速卡背面向处理器供电--正在成为最大限度减少损耗的首选方法。这种方法为整个行业提供了创新和竞争的空间。

02,碳化硅正在向汽车以外的领域发展

碳化硅（SiC）早在电动汽车（EV）问世之前就已被开发出来，并被用于高速列车等工业大功率应用领域。然而，正是汽车市场推动了这一技术从利基市场走向主流市场，正如TechInsights机构发布《碳化硅在线数据报告》（ODR），至2024 年，功率半导体市场规模将达到 35 亿美元。这一转变导致了技术成本的下降，主要原因是对晶圆产能进行了大量投资，以及器件架构和工艺的进步带来了良率的提高，从而解决了基底面位错和栅极氧化物泄漏等可靠性问题。额定电压为 650V 和 1200V 的标准产品正是从这些发展中产生的。

随着电动汽车市场的发展势头放缓，业界将更多的注意力放在了数据中心、直流快速充电、可再生能源发电和存储以及工业电源等其他应用上。我们相信，碳化硅正进入一个充满新机遇的时代，2025 年将是关键的一年。

在数据中心，英飞凌的 400V 碳化硅 MOSFET 和 onsemi 最近从 Qorvo 的碳化硅业务中收购的碳化硅 JFET 等新产品不断涌现。这两种产品都能在电源的 AC-DC 转换阶段提供更高的效率和功率密度，是下一代高功率 PSU 的解决方案。

另一方面，碳化硅在其最初的大功率应用领域重新受到关注。具体而言，预计碳化硅在可再生能源发电、传输和存储领域的应用将进一步扩大，因为更高的额定功率水平必然导致更高的配电电压，以避免高电流损耗。例如，2000 伏碳化硅将支持需要 1500 伏直流链路的应用，与硅基技术相比，它能提供简化的功率转换架构。

03,氮化镓为未来增长做好准备

在功率半导体技术中，氮化镓（GaN）是最有前途的技术之一。氮化镓在电流处理能力、击穿电压和导通电阻方面与碳化硅不相上下，同时电容较低。这使得开关速度大大提高，进而实现了更小的功率转换系统。工艺成本低、芯片尺寸小，最终使氮化镓的成本与硅持平。氮化镓器件在 USB-C 快速充电器和 USB-PD 插头中越来越受欢迎，可承受高达 240 瓦的功率。

然而，由于栅极驱动器需要专门的技术诀窍，氮化镓面临着可靠性问题和实施方面的挑战。业界正在努力解决这些问题，以充分发挥该技术的潜力。

除了低功率 AC-DC 转换应用外，业界还将氮化镓的功率能力扩展到 10-15 千瓦。这为人工智能服务器、电信、卫星电源和电动汽车的车载充电器带来了机遇。要进一步拓展工业应用并最终解决电动汽车逆变器问题，就需要更高的额定电压，如 1200V 或 1700V。目前，领先的代工工艺仅限于 650V 或 750V。然而，在 2024 年，已经有多家公司宣布将进一步发展氮化镓，其中包括 ROHM 和台积电的合作协议、GlobalFoundries 收购 Tagore Technology 的 IP 以及 Power Integrations 收购 Odyssey Semiconductor 等。

04,中国继续投资功率半导体

在电动汽车和可再生能源制造领域，尤其是光伏领域，中国已稳居全球领先地位。然而，2024 年的这一成功在很大程度上仍然依赖于西方公司的功率半导体技术。由于认识到自力更生的战略重要性，中国在过去两年中对其制造能力进行了大规模投资，重点关注碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙技术。

中国功率半导体生态系统已急剧扩张，目前已拥有 60 多家公司，涵盖了从衬底生产和外延到器件和模块设计与制造的整个供应链。这种全面的方法使其中几家公司的规模在 2024 年接近十亿美元大关，该数据也反映出它们日益增强的市场影响力。此外，中国还是碳化硅所必需的冶金级硅的主要生产国，并控制着全球镓储备的很大一部分，而镓是氮化镓的关键材料。中国在原材料供应方面的优势使其具有成本优势，在一定程度上加强了我国在宽带隙半导体上游供应链中的优越地位。

有分析报告指出，中国近年来该产业市场份额显著上升，目前已超过全球功率半导体市场总份额的 10%。这一增长证明了中国在战略投资方面的明智决策以及其正逐步成为功率半导体行业主导者的趋势。中国在这一领域的进步有望减少对外国技术的依赖，在全球市场中巩固地位。

05,功率半导体晶圆尺寸升级

功率半导体行业正在经历晶圆尺寸的重大转变，以提高性能、成本和可扩展性。值得注意的是，大多数晶圆代工厂都在 12 英寸晶圆上进行先进的 BCD 开发，并已将其成熟的 BCD 工艺过渡到 12 英寸，从而避免了在成本更高的 8 英寸晶圆上升级。集成器件制造商 (IDM) 也已将其部分硅产能，包括 BCD、HCMOS、IGBT 和 MOSFET 技术，过渡到 12 英寸晶圆。虽然市场上很大一部分产品已经转用 12 英寸晶圆，据TechInsights预计，在整个 2025 年期间还会有更多产品转用 12 英寸晶圆。

由于电动汽车和可再生能源系统等应用需要更高的效率和功率密度，碳化硅（SiC）技术正从 6 英寸晶圆转向 8 英寸晶圆。这一转变使每个晶圆可生产更多器件，从而降低成本并提高生产量。预计到 2025 年，8 英寸碳化硅晶圆将占产量的 13% 以上，到 2030 年将占59%。值得一提的是，中国领先的碳化硅晶圆制造商 SICC 于2024 年 11 月在 Electronica 上展示了首块 12 英寸碳化硅晶圆。

关于氮化镓（GaN），由于市场仍处于成长阶段，目前还没有明确的共识。氮化镓的制造厂既有台积电和联电等使用 6 英寸晶圆的领先代工厂，也有使用 8 英寸晶圆生产氮化镓的较小公司，如Innoscience, X-Fab 和 VIS。英飞凌和德州仪器开发了 8 英寸氮化镓技术，也展示了 12 英寸氮化镓能力。随着市场的不断发展和成熟，我们预计 2025 年仍将维持现状。

下一步：适应快速变化的环境

随着电气化的不断推进和可持续发展议题日益受到重视，功率半导体行业正面临着巨大的机遇。过去一年，全球前十大行业领导者占据约 65% 的市场份额，但他们面临着来自新兴公司，尤其是来自中国的公司日益激烈的竞争。创新是保持领先地位的关键，而降低成本则是盈利的关键。为了保持领先地位，企业必须投资研发，推动技术进步，提高生产效率。此外，建立战略合作伙伴关系和收购也能提供竞争优势，扩大市场范围。

来源：电子发烧友