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晶体管或将取代电子管:2023年半导体射频电源市场调研报告

2023年7月5日

编辑:Rokin/中国出海半导体网

 

射频电源是可以产生固定频率的正弦波、具有一定频率的高频电源,主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成,是等离子体配套电源。其中,射频功率放大器被认为是射频电源的核心,因此射频功率放大器是制约射频电源发展的关键因素。

根据采用的功率放大器类型不同,射频电源可分为电子管射频电源与晶体管射频电源,由20世纪80年代的电子管射频电源发展到现在的晶体管射频电源,射频电源经历了漫长的发展过程。功率由瓦、百瓦、千瓦、到兆瓦,频率有2、4、13.56、27.12、40.68MHz、60MHz等不同范围。目前射频电源被广泛应用于半导体工艺设备、LED与太阳能光伏行业、科学实验中的等离子体发生、射频感应加热、医疗美容及常压等离子体消毒清洗等领域。

射频功率放大器的发展较为缓慢,直到1904年电子管的出现,才开始被正式应用于各领域口,电子管本身存在很多问题——首先其体积过大,在某些精密领域限制了电子管射频电源的应用;其次电子管射频电源的寿命还不到晶体管射频电源的一半;最重要的是其制造工艺非常复杂。同电子管相比,晶体管射频电源的体积要小很多,同时它的损耗低,寿命长,产生很少的热量,因此随着晶体管的发展,电子管逐渐被淘汰。

 

 

半导体射频电源行业发展主要特点

1.随着电力电子技术的发展,射频电源由电子管电源发展成现在的晶体管射频电源。氮化镓GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度以及高导通的AlGaN/GaN异质结二维电子气2DEG等优点。GaN功率器件与硅功率器件相比,具有导通阻抗低、输入/输出电容小等特性,这些特性使得GaN功率器件高开关速度、低损耗。在E类功率射频电源的基础上,采用GaN功率器件设计制作了一款开关频率为4 MHz、功率可调的全固态射频电源实验样机。通过电路的设计和优化,样机的输出功率为21.4 W时,效率达到了96.7%;同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,实验数据验证了GaN器件开关速度快、损耗低,可大幅度提高射频电源的效率。

2.射频电源一般由射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器组成。按照放大电路的核心元器件划分,可分为电子管式射频电源和固态射频电源,其中电子管式射频电源采用电子管作为功率放大元件,而固态射频电源则采用晶体管作为功率放大元件。当前,国内厂商的产品以电子管式射频电源为主,虽然其具有较大的阻抗失配承受能力,但是因为存在着易老化、输出功率不稳定和工作电压高等缺点,只能作为一般教学科研设备中的部件。国外主流厂商,例如美国优仪、XP Power公司和万机仪器公司,均采用晶体管作为功率放大元件,提供的固态射频电源已经广泛使用于主流的半导体工艺生产线。

3.数字电源的发展,电源的控制单元分别与射频时钟发生器单元和电压可调直流电源相连,射频时钟发生单元的输出和电压可调直流电源的输出均与功率放大单元连接,功率放大单元的功率输出经功率合成器合成后,再经定向耦合器测量入射功率和反射功率后,定向耦合器的测量信号输出与控制单元连接。该电源采用调节功率驱动级驱动脉冲的高度和宽度的方式来控制射频功率输出,工作效率高,控制可靠,而且电源的重要工作参数都能通过控制单元中的主CPU进行实时采集、分析,并通过控制单元中的主CPU对控制参数进行设定,如果参数出现异常则能及时对电源进行保护,从而大大提高了射频电源的工作效率和可靠性。

 

半导体射频电源行业总体发展概况

半导体射频电源是可以产生固定频率的正弦波、具有一定频率的高频电源,主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成,射频电源作为等离子体配套电源,频率在射频范围内。广泛应用于半导体蚀刻、CVD和PCV等领域。

目前我国先进的等离子体设备使用的射频电源,与国外同类电源相比还存在一定差距,要超赶上国际水平,还需要做很多工作:

  • 我国的射频电源采用大多是电子管或电子管、晶体管混合电路,体积较大,限制了它的应用。并且使用的晶体管大多为国外进口,因此,需要研制我国自主核心的晶体管,研制新技术、新元器件,使射频电源小型化
  • 我国使用的还是阻抗手动匹配器,容易受环境因素的影响,而国外已开始使用阻抗自动匹配器,在工业自动化领域发挥着重要的作用,因此,高精度、高速度的阻抗自动匹配器是未来发展的必然趋势。
  • 与国外射频电源相比,我国射频电源种类较为单一,今后还应该进行宽频带电源、微波电源、高功率射频电源等不同类型射频电源的研制。

 

全球半导体射频电源市场销售额及增长率

 

据统计,2022年全球半导体射频电源市场销售额达到了7.26亿美元,预计2029年将达到14.57亿美元,年复合增长率为11.18%。地区层面来看,中国市场在过去几年变化较快,2022年市场规模为96.6百万美元,约占全球的13.31%,预计2029年将达到188.52百万美元,届时全球占比为12.94%。未来几年,亚太地区的重要市场地位将更加凸显,除中国外,日本、韩国、印度和东南亚地区,也将扮演重要角色。此外,未来六年,预计德国将继续维持其在欧洲的领先地位。

从生产端来看,北美和日本是两个重要的生产地区,2022年分别占有36.04%和23.17%的市场份额,预计未来几年,中国地区将保持最快增速,预计2029年份额将达到11.71%。从产品类型方面来看,13.56MHz占有重要地位,预计2029年份额将达到32.1%,其次是27.12Mhz类型。同时就应用来看,蚀刻在2022年份额大约是36.56%,未来几年CAGR大约为11.09%。

从生产商来说,全球范围内半导体射频电源核心厂商主要包括万机仪器、美国优仪、日本大阪变压器株式会社、XP Power和通快等。2022年,全球第一梯队厂商主要有万机仪器、美国优仪、日本大阪变压器株式会社,第一梯队占有大约52.95%的市场份额;第二梯队厂商有通快、康姆艾德、京三制作所、北广科技、爱发科、日本电子株式会社、Adtec Plasma Technology、New Power Plasma等,共占有33.99%份额。