半導體熱電技術(shù) | 半導體制冷需求增加

根據(jù)MarketsandMarkets數(shù)據(jù)顯示，全球半導體熱電器件市場規(guī)模，預計將從2021年的5.93億美元增長至2026年的8.72億美元，復合增長率為8.0%。根據(jù)Global Info Research數(shù)據(jù)顯示，預計2030年全球半導體制冷片產(chǎn)值達到10.87億美元，2024-2030年期間年復合增長率CAGR為7.8%。

2022年，中國半導體制冷片（TEC）市場規(guī)模為11.39億元。其中電子電器領域需求規(guī)模為3.73億元；通信領域規(guī)模為1.75億元；醫(yī)療領域規(guī)模為1.24億元；汽車領域規(guī)模為0.86億元；工業(yè)領域規(guī)模為2.69億元；航天軍工及其他領域規(guī)模為1.12億元。

隨著消費需求持續(xù)升級，以及5G、電動車等領域的蓬勃發(fā)展，熱電器件、熱電系統(tǒng)、熱電整機等的市場需求存在較大的增長空間。

01 壁壘高筑，技術(shù)持續(xù)突破

半導體熱電技術(shù)主要包括半導體熱電制冷技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)兩個應用方向，分別利用半導體材料的帕爾貼效應（Peltier effect）和塞貝克效應（Seebeck effect），實現(xiàn)了電能和熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，是一種環(huán)保型制冷技術(shù)和綠色能源技術(shù)。

1834年，法國人J.A.CPeltier發(fā)現(xiàn)，兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間會產(chǎn)生溫差，這就是帕爾帖效應，帕爾帖效應可以視為塞貝克效應（溫差使兩種金屬的結(jié)合處產(chǎn)生電勢）的反效應。通常將塞貝克效應稱為熱電第一效應，帕爾帖效應稱作熱電第二效應，湯姆遜效應（存在溫度梯度的均勻?qū)w中通有電流時，導體中除了產(chǎn)生和電阻有關(guān)的焦耳熱以外，還要吸收或放出熱量）則稱作熱電第三效應。

半導體制冷片的工作原理是基于帕爾帖效應。當電子從低能量的P型材料流向高能量的N型材料時，電子會從低能級向高能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要吸熱，從而在這個節(jié)點處形成冷面（制冷片的冷面）；相反當電子從高能量的N型材料流向低能量的P型材料時，電子會從高能級向低能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要放熱，從而在這個節(jié)點處形成熱面（制冷片的熱面）。

目前，普遍商業(yè)化的半導體制冷片以碲化鉍基為主（碲化鉍為基材，做不同的摻雜形成P級和N級），帕爾帖效應更明顯，相應的制冷效率更高。

半導體制冷片是一種沒有運動部件的器件，其是由PN型熱電材料組成的電路（一般為串聯(lián)電路），但因為所使用的材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以在溫度變化時，器件會產(chǎn)生內(nèi)應力；特別是在溫度變化速率（如需要冷熱循環(huán)）很大時，產(chǎn)生的內(nèi)應力會很大，這時就需要選擇高可靠性器件。

半導體熱電技術(shù)解決方案及應用產(chǎn)品的開發(fā)，依賴于材料制備、器件制備、系統(tǒng)集成這三大底層技術(shù)的綜合運用、共同突破，并通過合理的熱管理方案予以應用。

目前，行業(yè)公認的衡量半導體制冷器件性能和功效的主要指標包括反映器件集成度水平的外形尺寸和晶粒對數(shù)、反映器件制冷性能水平的最大溫差（ΔTmax，℃）和最大制冷量（Qcmax，W）。除了上述指標外，可靠性標準也是衡量半導體熱電器件技術(shù)水平的重要指標。

半導體制冷行業(yè)的產(chǎn)品解決方案準入壁壘高，綜合性能的提高有賴于包括技術(shù)壁壘、規(guī)模壁壘、認證壁壘、客戶壁壘等突破。

技術(shù)壁壘如熱電材料性能優(yōu)值系數(shù) ZT的提高、熱電器件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化、熱電系統(tǒng)綜合熱阻的降低等因素。

理想的熱電材料應具有較大的塞貝克系數(shù)、高的電導率和低的熱導率，但這些特性往往彼此關(guān)聯(lián)、相互耦合，因此要獲得較高的熱電優(yōu)值ZT (ZT=S2σT/k)需要從多方面進行綜合考慮，合理優(yōu)化。

目前，Bi2Te3是室溫下最佳的熱電材料之一。P型Bi2Te3已經(jīng)取得較大進展，溫度420 K時其ZT值能夠達到1.96，在320~500 K范圍內(nèi)也能達到1.77的平均值，N型Bi2Te3的ZT值也可以達到1.2左右。

提高電導率可通過元素摻雜、晶界散射和內(nèi)部缺陷的調(diào)節(jié)來獲得；塞貝克系數(shù)的提升可通過材料的能帶簡并、能帶收斂，以及引入納米結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)的電子能量過濾；此外，利用點缺陷、納米尺度顆粒彌散或微結(jié)構(gòu)及塑性位錯等方法來有效降低晶格熱導率。

規(guī)模效應明顯，熱電器件的生產(chǎn)需要達到一定規(guī)模后，才能使自動化設備投入的經(jīng)濟效益超過人力投入，從而提高生產(chǎn)工藝水平，降低生產(chǎn)成本，形成規(guī)模優(yōu)勢。

認證周期長，對于熱電系統(tǒng)和熱電整機應用產(chǎn)品來說，各國在質(zhì)量、環(huán)保、能效等新供應商進入周期長。

開拓新客戶需要時間，在半導體熱電產(chǎn)業(yè)中，熱電器件和熱電系統(tǒng)應用范圍較廣，各應用領域中客戶都需要與供應商經(jīng)過長期溝通合作和技術(shù)迭代，才能符合其使用需求；熱電整機應用產(chǎn)品往往需要供應商與客戶經(jīng)過聯(lián)合開發(fā)、供貨、售后等長期磨合后，才能成為其合格供應商，一旦確定后通常不會輕易變更。

此外，新的應用領域和客戶群體不斷出現(xiàn)，只有掌握了核心技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，能夠提供完整技術(shù)解決方案的企業(yè)才能不斷發(fā)掘潛在客戶，實現(xiàn)產(chǎn)品的順利升級迭代，保證客戶的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

02 需求升級，替代空間廣闊

半導體制冷技術(shù)集中于小空間精確制冷，其具有體小量輕、快速制冷、精確控溫、靜音、便攜等特點，并憑借不可替代的靈活性、多樣性、可靠性等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應用于消費電子、光通信、醫(yī)療器械、家用電器、汽車、航空航天、激光器、紅外熱像儀等諸多領域。

醫(yī)療領域，半導體制冷主要應用于PCR分析儀、生化分析儀、醫(yī)用儲藏室、便攜式胰島素盒、放射治療儀、心血管醫(yī)學影像、磁共振成像、CT掃描、PET掃描、護理檢測，以及光子嫩膚、激光脫毛、眼部按摩儀等醫(yī)美激光等設備的局部冷卻、精確控溫。

通訊領域，除了用于光模塊溫控外，TEC技術(shù)還用于5G通訊基站機柜、光纖放大器、光通道監(jiān)視器、社區(qū)公共電視天線系統(tǒng)、泵浦激光器、波長鎖定器、雪崩光電二極管等產(chǎn)品的溫控。

消費電子領域典型應用是有限的空間內(nèi)制冷或通過制冷、制熱實現(xiàn)精確控溫，如手機散熱背夾、恒溫酒柜、電子冰箱、冷熱型飲水機、冰淇淋機、電子空調(diào)、啤酒機、除濕機、雪茄養(yǎng)護箱、母乳冷藏包、化妝品箱、恒溫床墊和水離子吹風機等。

汽車領域主要有動力電池、控制系統(tǒng)、HUD、大屏顯示系統(tǒng)、傳感器、激光雷達、座椅空調(diào)、車載冰箱、車載恒溫杯架等應用場景。

此外，在工業(yè)領域，可用于紅外熱像儀、冷源展示儀、煙氣冷卻、CCD 圖像傳感器、激光器、露點測定儀和工業(yè)制冷服等產(chǎn)品的精準控溫；在航空航天領域，可用于探測器和傳感器的溫度控制、激光系統(tǒng)冷卻、飛行服溫度調(diào)節(jié)、航空軸承用高低溫測試箱、設備外殼冷卻等。

應用案例：醫(yī)療激光器

醫(yī)療激光器對許多醫(yī)療應用很有價值，但在運行時確實會產(chǎn)生大量廢熱，熱量可以從5W到超出150W不等，會影響激光器的峰值性能。為獲得最佳性能，激光器需要穩(wěn)定的工作溫度為 20 ± 0.5°C，而室溫環(huán)境可能會產(chǎn)生波動。制造商同時面臨溫度穩(wěn)定性、限制噪聲、空間限制和降低功耗等熱管理設計挑戰(zhàn)。

熱電制冷器在醫(yī)療激光器中應用示意圖。圖源：萊爾德

單級熱電制冷器可實現(xiàn)高達 70°C的溫差，并能夠以高達150W的功率傳遞熱量。而如果需要增大熱泵容量，熱電制冷器的模塊化設計可以使用多個熱電制冷器，這稱為熱電制冷器陣列。以萊爾德UltraTEC UTX 系列熱電制冷器為例，熱泵能力高達299瓦，可實現(xiàn)72°C 的最大溫差，并能將溫度精確控制在 ±0.01°C 以內(nèi)。

冠晶科技SP系列大功率TEC產(chǎn)品，制冷功率在 106~299 W之間。

熱電制冷器組件是一種制冷和加熱系統(tǒng)，利用集成溫度控制的熱電制冷器，通過空氣、液體或傳導方法傳遞熱量。熱電制冷器能夠散掉周圍環(huán)境產(chǎn)生的被動熱負荷，以穩(wěn)定醫(yī)用激光器系統(tǒng)中使用的敏感組件溫度。

熱電制冷器組件采用無移動部件的固態(tài)結(jié)構(gòu)，可在低功率、低熱負荷和無噪音的情況下可靠運行，只需占用很小的空間。由于熱電制冷器組件可以安裝在任何應用環(huán)境下，因此具有極高的集成靈活性。例如，萊爾德Tunnel、PowerCool 和 SuperCool X等系列專為滿足醫(yī)療激光應用中的制冷要求而設計。

萊爾德SuperCool X 系列功率范圍為 115 至 407 W，可提供空氣到空氣、直接到空氣和液體到空氣版本。

應用案例：光模塊散熱

AI驅(qū)動光模塊產(chǎn)品不斷迭代升級，400G/800G 光模塊有望在未來引領市場份額，預計2025年后將進入 800G 時代。

2019年光模塊市場 Micro TEC需求量約為 7000萬枚，隨著 AI算力興起，預計 2024年光模塊市場對 Micro TEC 的需求量將增加至 3.3 億枚。根據(jù)中研普華研究院，25G 光模塊的 Micro TEC 價值量為 20-60 元/個，200G-400G 光模塊的 Micro TEC 價值量為 200-400 元/個。保守假設 2024 年單個 Micro TEC 的價值量為 20 元，預計 2024年光模塊所需 Micro TEC的市場規(guī)模約為 66億人民幣。

散熱需求變成剛需：隨著光模塊速率和集成度不斷提高，微小面積內(nèi)的功耗急劇上升，局部熱流密度大幅增加，對光模塊的散熱提出更高要求。以直調(diào)光模塊為例，400G 光模塊的高速信號速率是100G 光模塊的 2倍，功耗約 3倍，對散熱提出了更高的要求。TEC 技術(shù)可通過電流精準實現(xiàn)優(yōu)于 0.01℃的溫控穩(wěn)定性，這將成為未來的散熱解決方案。

行業(yè)壁壘高：高速率光模塊的穩(wěn)定性依靠 Micro TEC 利用碲化鉍材料控溫維持，材料加工與封裝難度較大，成材率低，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)難以滿足應用要求，存在技術(shù)壁壘，突破需要時間和技術(shù)積累。

國產(chǎn)空間大：目前全球 TEC市場由日、美、歐等企業(yè)主導，其中Ferrotec 占全球熱電半導體制冷器市場份額的三分之一以上。Micro TEC 面積和晶粒數(shù)量的增加使光模塊廠商對 Micro TEC 的可靠性要求進一步提升，目前進口高速率光模塊價格昂貴，國產(chǎn)替代在國產(chǎn)化背景下潛力可期。

TEC光模塊應用。來源：萊爾德

近年來我國光模塊供應鏈及產(chǎn)品國產(chǎn)替代進程加速，進口金額由 2017年的超 10億美元下降到 2021年的 8.77億美元，減少18.84%。隨著國產(chǎn)光模塊廠商崛起，供應鏈國產(chǎn)化進程加速，有望為 TEC帶來更大國產(chǎn)替代機遇。

據(jù) Lightcounting統(tǒng)計，2022年入圍全球 Top10的國產(chǎn)廠商為中際旭創(chuàng)（第二）、光迅科技（第八）、新易盛（第七）和華工正源（第十），前四大國內(nèi)光模塊廠商占據(jù)全球的 26%市場份額。目前國內(nèi)廠商加速400G/800G 光模塊布局，光迅科技、中際旭創(chuàng)、新易盛、劍橋科技已量產(chǎn) 800G 模塊產(chǎn)品，其它廠商也在加快研發(fā)進度。

03 群雄逐鹿，新企動力強勁

半導體制冷壁壘高，海外以通信、醫(yī)療、汽車和工業(yè)領域應用為主，國內(nèi)則以消費電子為主。按照細分應用領域不同，半導體熱電器件及熱電系統(tǒng)市場呈現(xiàn)出不同的競爭格局，目前應用于通信、汽車、航空航天等領域的高性能半導體熱電器件及熱電系統(tǒng)市場，主要掌握在日本、美國和俄羅斯等外資企業(yè)或其在國內(nèi)設立的子公司手中，代表性企業(yè)主要有Ferrotec、Komatsu、KYOCERA、Laird Thermal Systems、RMT、II-VI Incorporated、Phononic、KJLP、Kryotherm Industries、Coherent、Z-MAX、Thermion、CUI、Crystal、Merit Technology、EVERREDtronics、TE Technology、Gentherm等。

國內(nèi)大部分企業(yè)由于起步較晚，還處于技術(shù)提升階段。但在消費電子領域，由于該領域?qū)犭娖骷蜔犭娤到y(tǒng)的性能和可靠性要求相對較低，市場主要被我國內(nèi)資企業(yè)依靠成本和性價比優(yōu)勢所占據(jù)。例如恒溫酒柜、電子冰箱、冷熱型飲水機、啤酒機、恒溫床墊等，通信和汽車領域是未來重點拓展的方向。代表性企業(yè)主要有富信科技、富連京、北冰洋實業(yè)、江西納米克、冠晶科技、鴻昌電子、萬谷半導體、熱電新能源、賽格瑞、鵬南科技、香河東方電子、一冷科技、澳凌制冷、鉍盛半導體、見炬科技、冷芯、中電科18所、博敏電子、武漢新賽爾、先導熱電（Ferrotec子公司）等。

熱電整機應用處于成長階段，海外以品牌為主，國內(nèi)以 ODM模式為主。熱電整機應用產(chǎn)品市場主要參與者為我國內(nèi)資企業(yè)及國外品牌廠商在國內(nèi)設立的生產(chǎn)企業(yè)。其中，在外銷市場我國內(nèi)資企業(yè)主要通過 ODM模式為國外品牌廠商代工生產(chǎn)，而在內(nèi)銷市場則主要采用 ODM和自主品牌經(jīng)營相結(jié)合的模式。

熱電整機應用的各類新型技術(shù)解決方案亦層出不窮，行業(yè)內(nèi)尚未形成具有壟斷效應或具有顯著品牌優(yōu)勢的企業(yè)。未來，隨著熱電整機應用產(chǎn)品功能需求的日漸提升，以及歐美發(fā)達國家對熱電整機應用產(chǎn)品的能效、環(huán)保標準要求越來越高，具有較強研發(fā)能力的熱電整機應用制造企業(yè)將在市場競爭中取得優(yōu)勢，市場集中度將逐漸提升。

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