전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2016.10 특집 (p27~47)

파워 디바이스(Power Device), 세계경쟁
대형 파운드리(Foundry) 및 중국기업의 계속적인 진입


제1부: 동향
맞춤상품에서 범용품(汎用品) -- 파워 반도체를 싸고 손쉽게

전력의 제어 및 공급 등을 맡고 있는 파워 디바이스. 이 중, 높은 시장 성장이 예상되는 IGBT나 SiC, GaN 같은 내압 600V이상의 고∙내압 파워 디바이스업계에 M&A 및 수평분업화의 파도가 밀려오고 있다. 이 움직임의 선두에 있는 것이 범용화의 추진이다. 지금까지「그림의 떡」으로만 여겨졌던 고 내압 파워 디바이스가 더욱 저렴한 가격으로 사용하기 쉬워진다.

세계에서 확대되고 있는 성(省)에너지화의 움직임을 뒷받침하는 형태로, 산업용 기기 및 가전제품의 전력을 제어하는 파워 반도체(파워 디바이스)의 시장은 계속해서 늘어나고 있다. 2015년에 약 2조6,561억엔이었던 파워 디바이스의 세계시장 규모는 2020년이 2015년에 비해, 14.6% 증가한 3조 447억엔으로 성장할 것으로 보인다.(후지 경제 조사)

성장이 눈에 띄는 용도는「산업」,「자동차・전기장비」와 태양광・풍력발전 등의「신(新)에너지」의 3분야 이다. 예를 들어, 2020년의 분야별 시장규모를 보면 신∙에너지 쪽이 2015년 대비 55%증가, 산업 쪽이 35%증가, 자동차・전지장비 쪽이 26% 증가하는 등, 파워 디바이스 전체시장의 성장을 크게 상회하고 있다.

-- 신흥국 기기 제조업체의 요망 --
이렇게 시장성장이 빠른 신∙에너지 및 자동차, 산업기기에 탑재되는 것이 내압600V 이상의 고∙내압 파워 디바이스이다. 이 고∙내압 파워디바이스에서 경쟁이 한층 치열한 것은 IGBT(절연 게이트형 양극성 트랜지스터), SiC(실리콘 카바이드), GaN(질화 칼륨) 3종류의 디바이스이다. 이 중, 자동차나 산업기기, 에너지 관련기기에 가장 많이 탑재되는 것이 IGBT이다. 또한, IGBT에 비해, 전력변환기의 막대한 손실감축과 대폭적인 소량화를 가능하게 하는 것으로 자리매김 한 것이 신소재를 이용한 SiC, GaN의 파워 디바이스이다.

이들의 고∙내압 파워 디바이스는 지금까지 기기업체가 타사제품과 차별화를 시키기 위해, 자사제품에 좀더 적합하게 만드는 맞춤형 제품으로 요구하는 경우가 많았다. 그 결과, 가격이 높아지게 되었고, 파워 디바이스의 성능을 활용하기 위해서는 풍부한 경험과 노하우가 필요했다. 하지만, 그 상황은 앞으로 바뀔 것이다. 범용화가 진행됨에 따라, 급속하게 가격절감을 시도하는 움직임이 보이고 있다. 그렇게 멀지 않는 미래에, 기기제조업체들에게 있어서, 파워 디바이스는 손쉽게 이용 가능한 존재가 될 것이다.

-- 파워 디바이스 업계의 3개의 움직임 --
파워 디바이스 업계의 제조변화에 대하여, 크게 3개의 움직임이 있다. (1)계속되는 M&A, (2)신규기업의 참여 및 진출 (3)수평 분업화의 진행이다. 최근에 파워 디바이스 업계에서 극단적인 M&A를 시도하여 커다란 점유율을 확보한 2개의 업체가 있다. 그 하나가 독일 Infineon Technologies사이다. 동사는 먼저, 2014년에 미국의 International Rectifier (IR)사를 약 30억 미국달러에 매입한다고 발표하여, 2015년에 매입을 완료. 미국의 조사회사 IHS사에 따르면, 이 매입으로 인해, 2015년에 전원IC 및 고 내압 파워 디바이스 등을 포함한「파워 Management」분야의 금액 기준 시장 점유율에서 단독 선두로 우뚝 섰다.

a) 파워디바이스 업계에서의 2015~2016년의 주요 M&A 현황

b) 파워 메니지먼트 시장의 점유율

-- 고∙내압 분야의 빅3 탄생 --
M&A로 시장점유율을 확대한 또 다른 1사는 아날로그 반도체의 대기업인 미국 ON Semiconductor사로, 2015년 11월에 약 24억 미국달러로 미국 Fairchild Semiconductor사를 매입한다고 발표, 2016년 8월까지 매입을 완료했다. On사는 지금까지 PC나 TV, 백색가전 등의 민생기기에 사용하는 저∙내압에서 중(中)내압의 파워 디바이스에 강점을 두고 있었다. 이번 매수로 인하여 Fairchild사가 산업기기용으로 전개해 온 고∙내압 제품을 손에 넣을 수 있게 되었다. 차세대 소재에 관해서도, ON사가 가지고 있는 GaN파워 디바이스를 포함해, Fairchild사가 취급하는 SiC의 파워 디바이스기술을 가지게 되었다.

-- 중국기업이 차량탑재 모듈 및 SiC --
또한 (2)신규기업의 참여 및 진출은 고∙내압 파워 디바이스의 범용화와 가격 저하를 가속시킨다. 그 중에서도 요즘 들어 급속도로 존재감을 나타내고 있는 기업이 중국을 포함한 아시아 기업이다. 예를 들어, 중국기업으로는 CRRC(China Railway Rolling Stock Corporation: 中國中車)그룹 및 StarPower Semiconductor사가 각각 일반적인 IGBT모듈에 참여하여, 유럽과 미국 및 일본기업의 단독무대였던 신뢰성이 요구되는 차량 탑재의 IGBT 모듈이나 SiC 파워 디바이스까지 진입하기 시작했다.

-- SiC 및 GaN은 미국에서 활기 --
-- SiC/ GaN 디바이스에 파운드리(Foundry) --


제2부: IGBT
다이오드 집적으로 저∙코스트화 – 모듈의 범용화

고∙내압 파워 디바이스로 현재 주류인 IGBT. 산업기기에서 자동차, 재생가능 에너지용의 전력변환기로써 폭 넓게 이용되고 있다. 향후에도 계속해서 주역으로 자리매김하기 위해, 파워 디바이스업체와 함께, IGBT 칩의 가격 절감과 IGBT 모듈의 편리성 향상을 추진하고 있다.

SiC 파워 디바이스는 철도분야 및 태양광 발전 파워 컨디셔너(동력 조절기), 정보통신기기 등의 채용이 시작되고 있다. 하지만, 동 디바이스의 가격은 떨어지지 않아, 수년 전의 예측보다 매출 증가세가 둔하다. SiC가 고전하는 속에, IGBT는 다시 성능향상 및 저∙코스트화로 향하는 길이 보이기 시작하면서, 파워 디바이스 업체는「Si IGBT의 개발에 돌입하였다」(관련 업계)고 한다.

파워 디바이스 업체는 IGBT의 전력손실을 적게 만드는 성능향상을 실현하면서, 비용절감과 사용의 편리성을 꾀한다. 비용절감에 대해서는 IGBT 칩의 가격을 낮추는 움직임이 활발하다. 비용절간은 크게 두 가지이다. 하나는 구경이 큰 Si 웨이퍼(wafer)를 사용하여, IGBT 칩의 생산효율을 높이는 움직임이다. 동 칩은 구경150~200mm(6~8인치) 웨이퍼로 제조하는 것이 일반적이다. 이에 반해, 독일 Infineon Technologies사는 고∙내압 파워 디바이스로써는 대구경(大口徑)인 300mm (12인치)의 웨이퍼로 제조하는데 힘을 쏟고 있다. 300mm 웨이퍼의 이용으로 200mm 웨이퍼에 비해, 얻을 수 있는 칩의 개수가 2배이상 늘어나게 되어, 대폭적인 생산성 향상으로 이어진다.

--「RC-IGBT」가 주역으로 --
-- 열전도 소재를 미리 도포(塗布) --
-- 범용성을 향상시킨 차세대 모듈 --
-- 열팽창 계수를 조절하여 신뢰성 향상으로 --
-- 소결 Cu로 신뢰성 및 저(抵)코스트 양립 --


제3부: SiC
막혀있는 상황 타파를 위하여 – 차량탑재와 대∙구경화 추진

Si 파워 디바이스에 비해, 대폭적인 전력손실의 절감이 가능한 SiC 파워 디바이스. 이전보다 저렴한 가격으로 채용이 확대되고 있는 중이다. 그러나, 아직까지는 가격이 높은 관계로, 보급되고 있다고 말 하기는 어렵다. 전기자동차의 구동부에 채용하거나 생산성 향상 등, 이 상황을 타파하기 위해 움직이고 있다.

「이전보다 가격도 저렴해져서 기기로의 채용도 늘고 있으나, 예상보다 늘어나지 않는다」. SiC 파워 디바이스에 관한 분석가와 디바이스 관련업계의 일치된 견해이다. SiC 파워 디바이스가 최초로 제품화된 것은 2001년. 독일 Infineon Technologies사가 SBD의 제품을 출시한 것이 시작이었다. 그 이후로 많은 기업이 SiC 다이오드를 생산하게 되었으며, 2010년에 들어와서는 트랜지스터 제품을 생산하는 기업, 모듈제품을 생산하는 기업 등 다수 출현했다.

채용사례도 늘었다. 그 중에서도 철도분야가 눈에 띈다. 2012년 도쿄 지하철(메트로) 긴자선의「01계 차량」이 SiC 다이오드를 탑재하고 운행을 시작했다. 그것을 기점으로, 일본의 철도업계에서 SiC 파워 디바이스, 특히 모듈제품의 채용이 진행되었다. 2016년에는 2020년도부터 운행을 시작할 예정인 차세대 신간센(新幹線)에 SiC채용의 인버터가 탑재되는 것이 명확해졌다.

다이오드 및 트랜지스터와 같은 SiC의 디바이스 제품도, 태양광 발전 시스템용의 파워 컨디셔너 등의 신(新)에너지분야 및 서버 등의 정보통신기기 분야, 충전기 등의 자동차 분야에서의 채용이 시작되었다.

-- 채용진행도 1%미만의 시장규모 --
-- 차량 탑재용으로 방향을 바꾸다 --
-- 6인치, 그리고 8인치로 --
-- 두각을 나타내는 미국제품 --


제4부: GaN
최대 기업 파운드리(Foundry) 참전 -- 수평 분업으로 저∙가격화 가속

지금까지 수직통합의 사업형태가 일반적이었던 GaN 파워 디바이스 업계. 요즘에 와서 수평 분업화의 파도가 몰아치고 있다. 아날로그 반도체의 패브레스(Fabless, 무 설비제조) 업체가 동 디바이스를 제품화하여, 그것을 대기업 파운드리(Foundry)가 제조하는 구도가 일반화 될 것으로 보여진다. 수평 분업의 추진으로 GaN 파워 디바이스의 저 가격화가 가속화 된다.

2020년, 시장규모는 지금의 50배 이상이 된다. 후지 경제는 이런 GaN 파워 디바이스의 급성장을 예측하며, 2015년의 9억5,000만엔에서 2020년에 530억엔으로 확대된다고 보고 있다. 그 중에서 40%를 차지하는 것이 정보 통신기기 분야이다. 특히, 서버내의 DC-DC 컨버터로의 채용이 늘어날 것이라고 한다. 이어서, 태양광 발전 등의 신∙에너지 분야가 130억엔,「자동차, 전기장비 분야」가 100억엔에 달한다고 보고 있다.

이런 급성장 예측의 배경에는 GaN 파워 디바이스업계에서 시작한 구조변화가 있다. 구체적으로는 설계와 제조를 각각의 전업회사가 담당하는 수평 분업화에 있다. 대기업의 패브레스 반도체 업체 및 대기업 파운드리가 최근에 와서 GaN 파워 디바이스 업계에 한꺼번에 몰려들고 있다.

-- TSMC의 본격적 착수 --
-- 정열적인 파나소닉 --

        -- 끝 --