2024年，磁性元器件行業(yè)在激烈的市場競爭中，尤其是在價格戰(zhàn)的白熱化階段，依然展現(xiàn)出了頑強(qiáng)的生命力和持續(xù)的創(chuàng)新活力。
這一年，儲能領(lǐng)域自2023年起就已經(jīng)邁入“0.5元/Wh時代”的鏖戰(zhàn)，價格戰(zhàn)愈演愈烈。與此同時，新能源汽車領(lǐng)域的價格戰(zhàn)也再度升級，比亞迪等龍頭企業(yè)對供應(yīng)商提出的降本要求，因其嚴(yán)苛程度在行業(yè)內(nèi)掀起了廣泛討論。
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此外，上游原材料價格的不斷上漲，使得磁性元器件行業(yè)在夾縫中艱難生存。然而，正是在這樣的逆境中，磁性元器件行業(yè)企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新，積極尋求突破困境的道路。
01 .第三代半導(dǎo)體技術(shù)的突破與應(yīng)用
隨著科技的飛速發(fā)展，第三代半導(dǎo)體技術(shù)逐漸嶄露頭角，成為推動磁性元器件行業(yè)發(fā)展的重要力量。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)具有更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率和更快的電子飽和漂移速度，這些獨特的物理特性使它們在高功率、高頻化的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，為磁性元器件行業(yè)帶來了革命性的變化。
(1)性能優(yōu)勢明顯、價格下滑 第三代半導(dǎo)體應(yīng)用日益廣泛
以SiC為例，其器件不僅體積小巧，而且開關(guān)頻率損耗極低，為電源的高頻化、高功率密度設(shè)計帶來了顯著優(yōu)勢。與相同規(guī)格的Si基MOSFET相比，SiC基MOSFET的尺寸可大幅減小至原來的十分之一，這一特性極大地推動了高頻化應(yīng)用，進(jìn)而實現(xiàn)了更高的功率密度。
過去，SiC晶體生長過程復(fù)雜且成本高昂，包括高能耗、長時間和技術(shù)難度，制造過程中可能出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致成品率較低，使得SiC市場價格高昂且供給短缺。然而，近兩年隨著制備技術(shù)的突破和良率的提升，生產(chǎn)成本顯著下降。同時，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)涌入大量新玩家，SiC產(chǎn)能得到釋放，器件價格逐步降低。
第三代半導(dǎo)體在新能源汽車、光伏儲能、充電樁、服務(wù)器、大功率電源等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。特別是SiC和GaN等新型半導(dǎo)體材料的涌現(xiàn)，對磁性元器件的性能提出了更高要求。
中國電源學(xué)會磁技術(shù)專委會主任委員、太原理工大學(xué)的楊玉崗教授在2024聯(lián)合學(xué)術(shù)年會上指出：“磁性元器件行業(yè)的發(fā)展步伐已滯后于半導(dǎo)體、功率器件的發(fā)展，SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體材料的工作頻率高，可以推進(jìn)到數(shù)MHz級別，而現(xiàn)有的磁性材料在高頻下的損耗較大，難以滿足應(yīng)用需求�！�
以服務(wù)器電源為例，目前電源的主流頻率在200KHz—1MHz之間，比較成熟的是在800KHz以下，1MHz以上的應(yīng)用較少�？梢哉f，磁性元器件已成為整機(jī)、電源模塊在節(jié)能降耗、高功率密度和小型化道路上的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
(2)磁性元器件企業(yè)如何應(yīng)對第三代半導(dǎo)體技術(shù)挑戰(zhàn)
為了緊跟電源高頻化的發(fā)展趨勢，滿足市場迫切需求，磁性元器件企業(yè)在2024年主要從三個方向發(fā)力：一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，積極探索磁集成技術(shù);二是材料創(chuàng)新，更加專注于高頻、高飽和磁性材料及低損耗線材的研發(fā);三是技術(shù)升級，利用AI設(shè)計技術(shù)提升磁性元器件產(chǎn)品設(shè)計的效率與精度。
在這一背景下，威海東興電子有限公司作為磁性元器件行業(yè)的佼佼者，積極應(yīng)對第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，展現(xiàn)了其獨特的戰(zhàn)略眼光。
東興電子研發(fā)總工張洪偉強(qiáng)調(diào)：“隨著第三代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)磁性元器件的分離式設(shè)計已難以滿足市場需求。因此，東興電子不僅深入探索磁集成技術(shù)，還采用高度定制化的磁性材料與骨架設(shè)計，旨在最大化磁性元器件產(chǎn)品利用率并節(jié)省空間。同時，公司充分利用數(shù)模仿真技術(shù)，確保設(shè)計方案的精準(zhǔn)無誤，有效降低了后期調(diào)整成本，實現(xiàn)了磁性元器件產(chǎn)品性能與成本的雙重提升�！�
而磁集成技術(shù)，作為磁性元器件應(yīng)對第三代半導(dǎo)體發(fā)展的有效手段之一，在2024年受到了行業(yè)前所未有的關(guān)注。
02. 磁集成技術(shù)的革新與發(fā)展
磁集成技術(shù)是將多個磁性元器件集成在一個磁芯上，實現(xiàn)磁路共享和繞組共享的技術(shù)。這種技術(shù)可以減小磁性元器件的體積、重量和成本，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。2024年，眾多磁性元器件企業(yè)紛紛推出了磁集成系列產(chǎn)品，磁集成技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。
已推出磁集成設(shè)計的部分磁性元器件企業(yè)
整理自Big-Bit產(chǎn)業(yè)研究室
(1)磁性元器件磁集成產(chǎn)品方案優(yōu)勢
器件數(shù)量減少。磁集成技術(shù)通過整合多個磁性元器件，可以顯著減少所需器件的數(shù)量。以光儲逆變器為例，采用磁集成方案后，電感等磁性元器件的數(shù)量可以大幅減少。比如京磁新能源的雙交錯逆變方案中LLC電路的電感用量可從原來的6顆減少至3顆;雙路三相的逆變器中，網(wǎng)側(cè)PFC功率電路中3顆電感可集成為1顆，LLC諧振電路中電源電感用量可從8顆減少至4顆。
京磁新能源磁集成產(chǎn)品
體積縮減。磁集成產(chǎn)品在設(shè)計上更加緊湊，體積大幅減小。實驗結(jié)果表明，采用磁集成技術(shù)后，磁性元器件體積可以減少25.68%左右。如泰科斯德推出的充電樁電源磁集成產(chǎn)品，通過將諧振電感集成到變壓器上，體積減少了20%-30%。
成本下降。隨著所需器件數(shù)量和減少和體積的縮減，磁集成產(chǎn)品所需原料成本下降。以磁集成耦合電感為例，其成本一般能降低約20%。
銘普22kW車載OBC三相磁集成變壓器
(2)磁性元器件磁集成產(chǎn)品方案挑戰(zhàn)
系統(tǒng)挑戰(zhàn)：干擾問題。磁集成后，由于各磁性元器件之間的相互作用，可能會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁干擾問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。針對這一難題，京磁新能源總工程師海來布曲分享了他們的產(chǎn)品解決方案，采用全新的變壓器設(shè)計方法，將原邊和副邊分成幾層或幾道，以分散漏磁通，有效降低了電磁干擾。
器件挑戰(zhàn)：自動化問題。磁集成產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，對自動化生產(chǎn)線的適應(yīng)性和兼容性提出了更高要求。且由于磁集成產(chǎn)品往往需要高精度的組裝和檢測環(huán)節(jié)，因此起自動化生產(chǎn)線需要具備高度的靈活性、可配置性和智能化水平。
變壓器+諧振電感 圖源京泉華官網(wǎng)
散熱問題。由于結(jié)構(gòu)緊湊，磁集成產(chǎn)品的散熱成為一大挑戰(zhàn)，需要采取有效的散熱措施以確保產(chǎn)品的長期穩(wěn)定運(yùn)行。具體來說，需要企業(yè)通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，如增加散熱面積、采用導(dǎo)熱性能更好的材料等，來提高磁性元器件產(chǎn)品的散熱能力。同時，還可以引入先進(jìn)的散熱技術(shù)，如液冷散熱、熱管散熱等，以進(jìn)一步提升產(chǎn)品的散熱效果。
磁芯設(shè)計。磁集成技術(shù)對磁芯的設(shè)計提出了更高要求，需要精確計算和優(yōu)化磁芯的形狀、尺寸和材料，以滿足系統(tǒng)的性能需求。值得一提的是，以前不同磁性材料在不同頻率段有明確的應(yīng)用區(qū)隔。近年來隨著材料技術(shù)的發(fā)展，鐵氧體材料、金屬磁粉芯、非晶納米晶等材料之間的特性開始交叉，給磁性元器件企業(yè)帶來更廣泛的材料選擇。
線材選擇。磁集成產(chǎn)品的線材選擇也至關(guān)重要，需要綜合考慮電流承載能力、電阻損耗、耐熱性能等因素，以確保產(chǎn)品的性能和可靠性。同時，線材的布局和走線也需要精心設(shè)計，以避免電磁干擾和散熱問題。
普晶電子磁集成磁性元器件產(chǎn)品
未來，磁性元器件企業(yè)還需要不斷投入研發(fā)和創(chuàng)新，提高設(shè)計和制造水平。同時，也要加強(qiáng)磁性材料、線材等產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的合作和交流，共同推動磁集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
03. 芯片電感的發(fā)展與銅鐵共燒工藝
2024年，全球AI算力呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，為芯片電感市場帶來了前所未有的機(jī)遇。
(1)算力發(fā)展帶動芯片電感市場需求
據(jù)TrendForce集邦咨詢的分析報告，本年度全球服務(wù)器整機(jī)出貨量預(yù)計達(dá)到約1365.4萬臺，其中AI服務(wù)器全年出貨量更是將激增至167萬臺，年增長率高達(dá)41.5%，占比攀升至約12.1%。這一增長速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)服務(wù)器，無疑為芯片電感市場注入了強(qiáng)勁的動力。
面對這一市場藍(lán)海，鉑科新材、橫店東磁、三鈦科技、東睦科達(dá)等磁性元器件產(chǎn)業(yè)鏈上的領(lǐng)軍企業(yè)紛紛搶灘布局，加大研發(fā)投入，優(yōu)化生產(chǎn)流程，以期在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位，更好地滿足市場需求。
服務(wù)器 圖源包圖網(wǎng)
在這一背景下，芯片電感的生產(chǎn)技術(shù)成為了關(guān)鍵。其中，銅鐵共燒工藝作為芯片電感制造的核心技術(shù)之一，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
(2)銅鐵共燒工藝的優(yōu)勢
銅鐵共燒工藝是一種將銅粉和鐵磁性材料通過精密的共燒工藝緊密結(jié)合在一起的創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)不僅融合了銅材料卓越的導(dǎo)電性能，還充分發(fā)揮了鐵磁性材料出色的磁性能，從而能夠制備出高性能、高可靠性的磁性元器件。具體而言，銅鐵共燒工藝具有以下顯著的優(yōu)勢：
優(yōu)異的的散熱性能：因為芯片電感采用的合金軟磁粉芯屬于合金材質(zhì)，相較于鐵氧體的陶瓷體材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)更高，同時在工藝上采用一體壓制成型，使得導(dǎo)熱銅片緊密貼合磁芯，散熱效果更好。
降低損耗：銅鐵共燒工藝通過優(yōu)化材料組合和共燒工藝，顯著降低了芯片電感的損耗。有實驗數(shù)據(jù)表明，采用銅鐵共燒工藝的芯片電感在相同工作條件下，損耗可降低約20%-30%，這對于提高電子設(shè)備的能效具有重要意義。
推動片上集成：銅鐵共燒工藝使得電感從分立元件向片上集成邁出了關(guān)鍵一步。通過該技術(shù)，電感元件可以被直接集成到芯片上，從而大大減小了電子設(shè)備的體積和重量，提高了其集成度和可靠性。
支持小型化與高效化：隨著電子設(shè)備向小型化、高效化方向發(fā)展，銅鐵共燒工藝的應(yīng)用顯得尤為重要。該技術(shù)不僅能夠滿足高性能磁性元器件的需求，還能夠為電子設(shè)備的小型化、高效化提供有力支持。
(3)銅鐵共燒工藝的應(yīng)用前景
隨著電子制造業(yè)的蓬勃發(fā)展和對高性能磁性元器件需求的日益增長，銅鐵共燒工藝的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。從傳統(tǒng)的通信、消費(fèi)電子領(lǐng)域，到新興的AI服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等高算力應(yīng)用場景，銅鐵共燒工藝都展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢和廣闊的市場前景。
以鉑科新材為例，該公司自2020年開始入局芯片電感領(lǐng)域。據(jù)鉑科新材2024半年度報告，其針對芯片電感市場開發(fā)出適用 5 kHz~2 MHz 高頻段的金屬軟磁復(fù)合材料，并結(jié)合獨創(chuàng)的高壓成型銅鐵共燒工藝，制造出了高效、小型、高可靠的芯片電感產(chǎn)品。
圖源鉑科新材2024半年度報告
這一突破不僅為公司打開了半導(dǎo)體供電領(lǐng)域的新賽道，還使得芯片電感業(yè)務(wù)迅速成長為公司的第二條增長曲線。
04. 結(jié)語
2024年，磁性元器件行業(yè)在價格戰(zhàn)白熱化的背景下，通過技術(shù)創(chuàng)新成功找到了突破困境的道路。第三代半導(dǎo)體技術(shù)、磁集成技術(shù)和銅鐵共燒工藝的發(fā)展，不僅推動了磁性元器件行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，也為行業(yè)未來的發(fā)展指明了方向。
展望未來，隨著新能源汽車、儲能、AI等領(lǐng)域的快速發(fā)展，磁性元器件行業(yè)將迎來更加廣闊的市場空間和發(fā)展機(jī)遇。同時，行業(yè)內(nèi)的競爭也將更加激烈和復(fù)雜。為了保持競爭優(yōu)勢和持續(xù)發(fā)展，磁性元器件企業(yè)需要不斷投入研發(fā)和創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平。同時，也需要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的合作和交流，共同推動磁性元器件行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。
在技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的雙重驅(qū)動下，磁性元器件行業(yè)必將迎來更加美好的未來。 |
