AI行业跟踪报告之十二：光模块TEC：高端数通光模块温控核心器件，龙头富信科技成长空间广阔

一、Micro TEC是5G电信和200G/400G/800G数通光通信光器件精准温控的最优解决方案 TEC（Thermo Electric Cooler）半导体致冷器是一种固态制冷技术，原理是热电材料的帕尔贴效应：当两种不同导体构成回路时，若给回路一个直流电，则回路中的一个节点放热，另一个节点制冷；电流方向反向，则热流方向也反向。单个热电材料晶粒的制冷能力有限，TEC一般有几对到十几对晶粒组合。配合热敏电阻，以及控制电路，TEC既可以制冷又可以制热，实现优于0.1℃的温度控制。 图表1：TEC半导体制冷器工作原理 图表2：TEC半导体制冷器 TEC是高端光模块制冷的核心器件。 1、稳定LD工作波长：DFB激光器波长-温度漂移系数约为0.1nm/℃，在光模块的使用温度范围内，DFB的波长漂移范围达7nm (0~70℃商业温度)，这一范围超过很多波分复用系统的波长间隔，会引起通道间串扰。所以对于DWDM、 LAN-WDM、MWDM这类通道间隔比较小的WDM系统，无论使用何种激光器芯片，均需使用TEC控温维持输出稳定的波长。 2、保证器件芯片性能的发挥：某些光器件只有在稳定的温度下，才能体现出最优性能。例如EML芯片，其DFB部分温度漂移系数为0.1nm/℃，其EA部分的温度漂移系数为0.5nm/℃，两者存在严重的不匹配。若不用TEC控温，高温下EML芯片的光功率会严重下降，调制特性大打折扣，所以EML芯片一般需要控温；又例如SOA芯片，温度变化会引起增益谱的变化，还会引起热噪声的起伏，一般也必须使用TEC控温； 3、大功率器件的散热：某些大功率器件，仅凭高热导率材料的被动散热方式很难满足散热需求，必须使用TEC这种主动散热方式，才能有比较好的散热效果。 二、Micro TEC市场空间广阔，富信科技是国内该领域的龙头企业 Micro TEC是被喻为5G和高端数通光通信光器件精准温控的最优解决方案。AI驱动高端数据中心和5G驱动电信网络新型基础设施建设，意味着信号发射器需求持续上升，由于数通和电信在传输过程中对温度的稳定有极严苛的标准，这就需要超微型制冷器件的加持。Micro TEC（超微型制冷器件）业界没有统一的界定，参考部分日本TEC制造企业的定义：一般是指晶粒尺寸小于 0.35mm，高度小于0.4mm，TEC整体尺寸不大于3mm*3mm的TEC。此产品采用高性能的热电材料，高可靠性的材料制备技术，先进的制造工艺制作而成，具有体积小的特点，可满足在极小空间且苛刻环境条件下长期可靠工作。此外，超微型制冷器件与传统的压缩机比对具有体积小、无噪音、无污染、可靠性高等优势。 目前Micro TEC主要是面向光通讯，如光模块、数据中心、激光发射器、光接收器等光器件的精确温度控制。同时还应用于激光雷达芯片的控温、手机CPU的控温、气体检测，特别是在5G和高端数通领域，Micro TEC是被喻为5G和高端数通光通信光器件精准温控的最优解决方案。 在光模块领域，10G以下的低速光模块可以不用，对于使用WDM波分复用的高速光模块，尤其是目前的200G、400G和800G光模块，microTEC是必须要使用的，否则无法解决波长稳定性的问题。 根据富信科技资料，TEC在发射光器件中的用量将从2020年的3000万枚增长到2026年的7000万枚左右。 TEC市场空间广阔。由于400G/800G光模块集成程度和组装密度高，对光模块散热提出了更高的要求。因此，采用TEC半导体热电制冷技术对光模块进行精准的主动控温，保持其工作在温度稳定的环境下，是目前最主要的确保光模块有效工作、延长使用寿命的技术解决方案。2023年100G~800G数通光模块出货量约2200万只，光模块TEC需求有望量价齐升。MicroTEC价格与器件尺寸和晶粒数量有关，速率越高，价格越贵，50G光模块的TEC金额约30元（单个光模块使用2片TEC，单个TEC价格为15元，同下）、100G约100元（6-8片/15元）、800G约300-400元（6-8片/40元），按单只光模块用8片TEC和均价15-20元计算，2023年全球数通光模块TEC市场空间约26~35亿元。 竞争格局：目前日美市占率95%。行业龙头企业是日本大和、小松；美国marlow、phononic。根据产业链调研，大和全球份额约为60%，小松约为20%，美国企业份额近年来有所提升，估计美国相关企业合计份额15%左右。目前国内优秀的供应商包括：佛山富信科技（国内做的最早，技术最成熟的，是国内目前唯一量产microTEC的供应商）、见炬科技（2020年成立）、冷芯半导体（2021年成立）。 富信科技在技术领域不断迭代升级，在Mircro-TEC芯片的研发与制成方面已取得重大突破。 三、Micro TEC壁垒高企，日美企业是行业龙头 Micro-TEC芯片壁垒：Micro-TEC芯片的两大关键核心技术：具有高热电转换效率的高强度热电材料制造技术和Micro-TEC芯片的高精度封装技术。 难点一：高热电转换效率、高强度热电材料制造技术 目前商业应用于TEC的主要是碲化铋基热电材料，我国规模以上制造企业大概有10家左右，采用的工艺皆为60年代发展起来的区域熔炼工艺，生产的产品（晶棒）从头到尾轴向方向非常不均匀，径向方向均匀性也比较差，晶棒与晶棒之间的性能也存在较大差距，这主要是区熔时温度场的不均匀、头尾杂质不同和取向不同所致。更重要的是由于碲化铋热电材料的本征层状结构特征，粗大晶粒非常容易沿c面解理，导致材料的加工强度非常弱，切片时很难切割0.5mm以下的晶片，成材率非常低，尤其是在进一步切割元件时，成材率更低，无法生产0.5mm以下的元件。 为了实现满足Micro-TEC芯片的显微结构特征，目前日本、俄罗斯等企业皆采用了变径挤压技术，通过塑性变形诱导再结晶，提高晶粒的择优取向，同时通过细化晶粒提高材料的强度，具有择优取向的超细晶n型碲化铋热电材料可以满足Micro-TEC芯片对材料高强度和高热电转换效率的要求。 图表3：Micro-TEC芯片超细晶n型碲化铋热电材料显微结构 难点二：Micro-TEC芯片的高精度、高可靠性的封装技术 制造Micro-TEC芯片另一个关键核心技术是微型芯片的封装技术。由于Micro-TEC芯片封装的元件尺寸一般小于0.3*0.3*0.4mm，p/n元件的集成度较高，如何将p型和n型元件高精度高效率的摆放在陶瓷板对应的焊盘上是一个巨大的挑战。 首先要具备高精度丝印技术，在Micro-TEC芯片中，焊盘（导流条）与元件尺寸基本一致，如截面为0.3*0.3mm2的元件，对应的焊盘的宽也只有 0.3mm，这需要印刷的锡膏直径小于0.3mm，且焊盘的间距只有0.1mm，所以对高精度印锡装备提出了较高的要求。 其次是元件高精度贴装技术，由于焊盘尺寸与元件尺寸一致，对贴装的精度提出了较高要求，其贴装精度至少要达到10μm。目前普通的贴片机和固晶机并不能满足其高精度和高速率的要求，进口贴装机能达到较高的精度，但采购成本达到几百万元每台，且速度只有几千颗每小时，无法满足其高效率的要求 （Micro-TEC芯片里面的元件数量从8对到100对不等）。若要与SMT配合，还需要对p/n型元件进行编带，目前国内还没有满足该尺寸要求的编带机，只能依靠进口，且价格较高。 最后是合模技术和回流焊接技术，芯片特有的三明治双面焊接结构，焊盘上对应的元件在焊接过程中不能出现任何倒粒、偏移等问题，由于芯片内部是由多对p/n元件串联组成，任何一个元件问题都会导致整个芯片的不良，对焊接可靠性要求严格，高精度设备投入成本较高。同时，由于Micro-TEC是双面焊接，所以必须要有上下陶瓷基板合模的动作，同样要求达到10μm的精度，这对基板及其导电电路的精准性提出了较高的要求，对贴装设备要求也较高。 Micro-TEC芯片属于光芯片的控温核心部件，对Micro-TEC芯片的可靠性要求极为严苛。根据光器件在Telcordia GR-468和美军标MIL-STD-883的可靠性标准，Micro-TEC必须满足温度循环、高低温储存、湿热存储、高温带电老化、抗振动等可靠性验证。所以，Micro-TEC芯片的封装对技术和资金都提出了较高的要求，这是我国没有完全掌握Micro-TEC芯片高精度封装和实现量产的主要原因。 四、光模块TEC和光模块行业投资建议 投资建议： 光模块TEC行业建议关注：富信科技等。 光模块行业投资建议：AIGC应用加速落地催化超算数据中心和智算数据中心的建设，推动数据中心内部的数据传输和数据中心间互联，基于AI服务器对于大带宽、低功耗、低时延的数据连接需求，我们预计云巨头厂商将持续加大高速率光模块的采购量。建议关注：（1）光模块：中际旭创、新易盛、剑桥科技、光迅科技、华工科技；（2）光芯片：源杰科技；（3）光引擎：天孚通信。 4.1、富信科技：中国光模块TEC领导企业 富信科技主要业务为半导体热电器件及以其为核心的热电系统、热电整机应用产品的研发、设计、制造与销售业务。公司自成立以来始终以“推广半导体热电技术，为客户提供优质的产品和应用解决方案”为使命，具备全产业链技术解决方案及核心器件的独立研发制造和综合运用能力。其中，公司在消费电子领域应用市场已经深耕近二十年，依托多年来积累的研发经验和技术沉淀，积极拓展了半导体热电技术在通信、汽车、医疗实验、工业等新兴领域的终端应用市场。 图表4：富信科技TEC 根据应用领域和客户需求的不同，公司提供半导体热电器件、半导体热电系统、以半导体热电制冷技术解决方案为核心的热电整机应用产品、以及半导体热电器件的核心材料覆铜板。公司的半导体热电器件业务：根据热电转换的应用方向不同，公司生产的半导体热电器件包括半导体热电制冷器件和温差发电器件，其中半导体热电制冷器件占销量和销售金额的绝大部分。 富信超微型热电制冷器件（Micro TEC）是公司专门针对光通信领域苛刻使用条件研发而成的产品，采用高性能热电材料及先进的自动化生产工艺制作，具有高精度微型化、高转换效率和高可靠性等特点，主要应用于对光器件及光模块的精准温度控制。 公司研制的应用于5G网络中光模块温控的高性能微型热电制冷器件，其可靠性已达到光电子器件通用可靠性保证要求（GR-468-CORE）和美国国防部发布的微电子器件试验方法标准（MIL-STD-883）两项国际先进测试标准的要求。 公司于2022年已经实现了用于5G网络中光模块温控的高性能微型热电制冷器件批量生产，为确保光模块有效工作、延长使用寿命提供技术解决方案。 风险提示：商业化进展不及机遇期，技术突破不及预期。 图表5：光模块及TEC重点上市公司盈利预测与估值