轉(zhuǎn)自：熱設(shè)計(jì)

根據(jù)MarketsandMarkets數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體熱電器件市場(chǎng)規(guī)模，預(yù)計(jì)將從2021年的5.93億美元增長至2026年的8.72億美元，復(fù)合增長率為8.0%。 

根據(jù)Global Info Research數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2030年全球半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)值達(dá)到10.87億美元，2024-2030年期間年復(fù)合增長率CAGR為7.8%。

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

隨著消費(fèi)需求持續(xù)升級(jí)，以及5G、電動(dòng)車等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，熱電器件、熱電系統(tǒng)、熱電整機(jī)等的市場(chǎng)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(dǎo)體熱電技術(shù)主要包括半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)兩個(gè)應(yīng)用方向，分別利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)（Peltier effect）和塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect），實(shí)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.C Peltier發(fā)現(xiàn)，兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間會(huì)產(chǎn)生溫差，這就是帕爾帖效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)可以視為塞貝克效應(yīng)（溫差使兩種金屬的結(jié)合處產(chǎn)生電勢(shì)）的反效應(yīng)。通常將塞貝克效應(yīng)稱為熱電第一效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)稱作熱電第二效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)（存在溫度梯度的均勻?qū)w中通有電流時(shí)，導(dǎo)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(yīng)。

半導(dǎo)體制冷片的工作原理是基于帕爾帖效應(yīng)。當(dāng)電子從低能量的P型材料流向高能量的N型材料時(shí)，電子會(huì)從低能級(jí)向高能級(jí)跳躍，這時(shí)表現(xiàn)為電子需要吸熱，從而在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處形成冷面（制冷片的冷面）；相反當(dāng)電子從高能量的N型材料流向低能量的P型材料時(shí)，電子會(huì)從高能級(jí)向低能級(jí)跳躍，這時(shí)表現(xiàn)為電子需要放熱，從而在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處形成熱面（制冷片的熱面）。 

目前，普遍商業(yè)化的半導(dǎo)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(jí)和N級(jí)），帕爾帖效應(yīng)更明顯，相應(yīng)的制冷效率更高。

半導(dǎo)體制冷片是一種沒有運(yùn)動(dòng)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?yàn)樗褂玫牟牧系臒崤蛎浵禂?shù)不同，所以在溫度變化時(shí)，器件會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；特別是在溫度變化速率（如需要冷熱循環(huán)）很大時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)很大，這時(shí)就需要選擇高可靠性器件。

半導(dǎo)體熱電技術(shù)解決方案及應(yīng)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(yùn)用、共同突破，并通過合理的熱管理方案予以應(yīng)用。 

目前，行業(yè)公認(rèn)的衡量半導(dǎo)體制冷器件性能和功效的主要指標(biāo)包括反映器件集成度水平的外形尺寸和晶粒對(duì)數(shù)、反映器件制冷性能水平的最大溫差（ΔT_max，℃）和最大制冷量（Qc_max，W）。除了上述指標(biāo)外，可靠性標(biāo)準(zhǔn)也是衡量半導(dǎo)體熱電器件技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

半導(dǎo)體制冷行業(yè)的產(chǎn)品解決方案準(zhǔn)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(rèn)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(shè)計(jì)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(yīng)具有較大的塞貝克系數(shù)、高的電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)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(jìn)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(jìn)展，溫度420 K時(shí)其ZT值能夠達(dá)到1.96，在320~500 K范圍內(nèi)也能達(dá)到1.77的平均值，N型Bi₂Te₃的ZT值也可以達(dá)到1.2左右。 

提高電導(dǎo)率可通過元素?fù)诫s、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(diǎn)缺陷、納米尺度顆粒彌散或微結(jié)構(gòu)及塑性位錯(cuò)等方法來有效降低晶格熱導(dǎo)率。

規(guī)模效應(yīng)明顯，熱電器件的生產(chǎn)需要達(dá)到一定規(guī)模后，才能使自動(dòng)化設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)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(shì)。 

認(rèn)證周期長，對(duì)于熱電系統(tǒng)和熱電整機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品來說，各國在質(zhì)量、環(huán)保、能效等新供應(yīng)商進(jìn)入周期長。

開拓新客戶需要時(shí)間，在半導(dǎo)體熱電產(chǎn)業(yè)中，熱電器件和熱電系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，各應(yīng)用領(lǐng)域中客戶都需要與供應(yīng)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(jī)應(yīng)用產(chǎn)品往往需要供應(yīng)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(yīng)商，一旦確定后通常不會(huì)輕易變更。

此外，新的應(yīng)用領(lǐng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的順利升級(jí)迭代，保證客戶的持續(xù)性和穩(wěn)定性。 

02 需求升級(jí)，替代空間廣闊

半導(dǎo)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(diǎn)，并憑借不可替代的靈活性、多樣性、可靠性等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)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(lǐng)域。

醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體制冷主要應(yīng)用于PCR分析儀、生化分析儀、醫(yī)用儲(chǔ)藏室、便攜式胰島素盒、放射治療儀、心血管醫(yī)學(xué)影像、磁共振成像、CT掃描、PET掃描、護(hù)理檢測(cè)，以及光子嫩膚、激光脫毛、眼部按摩儀等醫(yī)美激光等設(shè)備的局部冷卻、精確控溫。

通訊領(lǐng)域，除了用于光模塊溫控外，TEC技術(shù)還用于5G通訊基站機(jī)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(fèi)電子領(lǐng)域典型應(yīng)用是有限的空間內(nèi)制冷或通過制冷、制熱實(shí)現(xiàn)精確控溫，如手機(jī)散熱背夾、恒溫酒柜、電子冰箱、冷熱型飲水機(jī)、冰淇淋機(jī)、電子空調(diào)、啤酒機(jī)、除濕機(jī)、雪茄養(yǎng)護(hù)箱、母乳冷藏包、化妝品箱、恒溫床墊和水離子吹風(fēng)機(jī)等。 

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

此外，在工業(yè)領(lǐng)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(diǎn)測(cè)定儀和工業(yè)制冷服等產(chǎn)品的精準(zhǔn)控溫；在航空航天領(lǐng)域，可用于探測(cè)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(cè)試箱、設(shè)備外殼冷卻等。 

應(yīng)用案例：醫(yī)療激光器 

醫(yī)療激光器對(duì)許多醫(yī)療應(yīng)用很有價(jià)值，但在運(yùn)行時(shí)確實(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢熱，熱量可以從5W到超出150W不等，會(huì)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(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。制造商同時(shí)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

 熱電制冷器在醫(yī)療激光器中應(yīng)用示意圖。圖源：萊爾德

單級(jí)熱電制冷器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70°C的溫差，并能夠以高達(dá)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(shè)計(jì)可以使用多個(gè)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(dá)299瓦，可實(shí)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(dǎo)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(dòng)熱負(fù)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(dòng)部件的固態(tài)結(jié)構(gòu)，可在低功率、低熱負(fù)荷和無噪音的情況下可靠運(yùn)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(yīng)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(yīng)用中的制冷要求而設(shè)計(jì)。

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(yīng)用案例：光模塊散熱

AI驅(qū)動(dòng)光模塊產(chǎn)品不斷迭代升級(jí)，400G/800G 光模塊有望在未來引領(lǐng)市場(chǎng)份額，預(yù)計(jì)2025年后將進(jìn)入 800G 時(shí)代。 

2019年光模塊市場(chǎng) Micro TEC需求量約為 7000萬枚，隨著 AI算力興起，預(yù)計(jì) 2024年光模塊市場(chǎng)對(duì) 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(jià)值量為 20-60 元/個(gè)，200G-400G 光模塊的 Micro TEC 價(jià)值量為 200-400 元/個(gè)。保守假設(shè) 2024 年單個(gè) Micro TEC 的價(jià)值量為 20 元，預(yù)計(jì) 2024年光模塊所需 Micro TEC的市場(chǎng)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(duì)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(hào)速率是100G 光模塊的 2倍，功耗約 3倍，對(duì)散熱提出了更高的要求。TEC 技術(shù)可通過電流精準(zhǔn)實(shí)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(yīng)用要求，存在技術(shù)壁壘，突破需要時(shí)間和技術(shù)積累。

國產(chǎn)空間大：目前全球 TEC市場(chǎng)由日、美、歐等企業(yè)主導(dǎo)，其中Ferrotec 占全球熱電半導(dǎo)體制冷器市場(chǎng)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(duì) Micro TEC 的可靠性要求進(jìn)一步提升，目前進(jìn)口高速率光模塊價(jià)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(yīng)用。來源：萊爾德

近年來我國光模塊供應(yīng)鏈及產(chǎn)品國產(chǎn)替代進(jìn)程加速，進(jìn)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(yīng)鏈國產(chǎn)化進(jìn)程加速，有望為 TEC帶來更大國產(chǎn)替代機(jī)遇。

據(jù) Lightcounting統(tǒng)計(jì)，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(chǎng)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(jìn)度。

03 群雄逐鹿，新企動(dòng)力強(qiáng)勁 

半導(dǎo)體制冷壁壘高，海外以通信、醫(yī)療、汽車和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用為主，國內(nèi)則以消費(fèi)電子為主。按照細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域不同，半導(dǎo)體熱電器件及熱電系統(tǒng)市場(chǎng)呈現(xiàn)出不同的競爭格局，目前應(yīng)用于通信、汽車、航空航天等領(lǐng)域的高性能半導(dǎo)體熱電器件及熱電系統(tǒng)市場(chǎng)，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(shè)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(fèi)電子領(lǐng)域，由于該領(lǐng)域?qū)犭娖骷蜔犭娤到y(tǒng)的性能和可靠性要求相對(duì)較低，市場(chǎng)主要被我國內(nèi)資企業(yè)依靠成本和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)所占據(jù)。例如恒溫酒柜、電子冰箱、冷熱型飲水機(jī)、啤酒機(jī)、恒溫床墊等，通信和汽車領(lǐng)域是未來重點(diǎn)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(shí)業(yè)、江西納米克、冠晶科技、鴻昌電子、萬谷半導(dǎo)體、熱電新能源、賽格瑞、鵬南科技、香河?xùn)|方電子、一冷科技、澳凌制冷、鉍盛半導(dǎo)體、見炬科技、冷芯、中電科18所、博敏電子、武漢新賽爾、先導(dǎo)熱電（Ferrotec子公司）等。

熱電整機(jī)應(yīng)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(jī)應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)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(shè)立的生產(chǎn)企業(yè)。其中，在外銷市場(chǎng)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(chǎng)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(jī)應(yīng)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(yīng)或具有顯著品牌優(yōu)勢(shì)的企業(yè)。未來，隨著熱電整機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品功能需求的日漸提升，以及歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)熱電整機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的能效、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，具有較強(qiáng)研發(fā)能力的熱電整機(jī)應(yīng)用制造企業(yè)將在市場(chǎng)競爭中取得優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)集中度將逐漸提升。

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