IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。作为目前功率电子器件技术最先进的产品,IGBT已全面取代了传统的PowerMOSFET,广泛应用于电力电子行业,是电力电子行业的“CPU”。
目前,国外IGBT技术与产品不断更新换代,中国仍不具备大批量自主生产IGBT的能力。在实施《中国制造》国家战略的过程中,明确表示国产IGBT将担当重任。国产IGBT厂商如何发力突破瓶颈?正在崛起的新能源市场是不是新的契机?《华强电子》邀请行业人士一起探讨中国IGBT发展之道。
国产IGBT萌芽新能源汽车是“优渥土壤”
IGBT是能源转换与传输的核心器件,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点。目前,传统IGBT市场已经被欧美、日本国际巨头占据,而新能源汽车的出现,对国产IGBT的崛起具有特殊的意义。
有数据显示,年全球电动车销量达到万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约消耗美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。其中,混合动力和PHEV大约77万辆,每辆车需要大约美元的IGBT,纯电动车大约万辆,平均每辆车使用美元的IGBT,而大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过美元。
杭州士兰微电子股份有限公司器件产品线总经理张科锋
杭州士兰微电子股份有限公司(以下简称“士兰微电子”)器件产品线总经理张科锋认为,新能源汽车的出现和快速发展,给了国内相关企业与国际车企同台竞争的机会,而且因为中国的特别支持,在某些政策和资源方面,国内车企更具竞争优势,新的政策规定年起本地品牌的新能源汽车出货比重需达到两位数,且要求逐年增长,这就给国产IGBT创造了非常好的机遇。
华虹集团旗下上海华虹宏力半导体制造有限公司(以下简称“华虹宏力”)集成一部研发总监杨继业同样认为,新能源汽车既是节能环保的迫切需求,也是我国汽车产业转型升级的一个突破口。IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,将随之迎来绝佳的发展机遇。第三方调研机构数据显示,纯电动汽车(EV)半导体元器件用量达到美元,相较传统汽车半导体用量的美元增加了%,其中大部分新增用量是功率器件。
上海华虹宏力半导体制造有限公司集成一部研发总监杨继业
据杨继业介绍,在发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》中提出,至年,我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车年生产能力将达万辆,等效为8英寸IGBT晶圆年需求万片。受惠于新能源汽车及其配套设施发展,预计到年,中国IGBT销售额将达近亿元。可见,新能源汽车带给国产IGBT的发展机遇不言而喻。不过,目前国产IGBT产业链的搭建还不够完善,与国际巨头的技术差距仍较大。
杨继业告诉记者,我国功率半导体与国外IDM厂商相比在设备投入上还有待加强,在器件设计、工艺技术方面仍有差距,供应链也不够完善。究其原因,一是作为后进者,国内IGBT缺乏时间考验来建立品牌效应;二是IGBT国产化的进程开始得相对较晚,而且当时,市场应用前景还不太明朗,终端应用方案商对于推动IGBT技术国产化的意愿并不强,一直以来就只有少数几家国外老牌的专业IGBT厂商占据着这一市场。从制造水平来看,华虹宏力场截止型IGBT(FieldStop,FSIGBT)技术参数可比肩国际领先企业,但想要全面提升国产IGBT实力,还需要上下游产业链企业的全面参与和共同努力。
“国内IGBT在设备、材料、芯片设计和晶圆制造上与国际大厂仍有一定的差距,国产IGBT芯片的主要工艺设备、衬底片都还要从国外采购,特别是在大功率模块封装方面,在产品的功率密度、散热性能、长期可靠性以及模块设计创新方面,技术差距仍然较大。不过,在后道封测环节,因国内封测厂有给国际大厂代工的经验,后道技术差距正逐渐缩小。”有受访人表示。
记者获悉,IGBT产品最具竞争力的生产线是8英寸和12英寸,目前国际最为领先的是英飞凌,已在12英寸生产线量产IGBT产品;目前国内8寸线实现IGBT产品量产的是株洲中车和上海华虹宏力,而士兰微电子在刚刚建成的8英寸生产线上投资上亿元,购买了IGBT产品工艺专业研发的高能离子注入设备,激光退火设备和薄片Taiko设备,预计在未来的3-5年内,会大力发展和提高IGBT产品的设计和工艺研发水平。
年12月18日,杭州士兰微电子与厦门半导体投资集团签署投资合作协议,拟在厦门市海沧区建设两条以MEMS、功率器件为主要产品的12英寸集成电路制造生产线,预计在2-3年内建成投产,这将促进IGBT产品工艺和技术的不断提升。
除了技术差距,IGBT核心专利和高端人才也几乎被英飞凌、三菱等国际厂商绝对垄断。张科锋表示,IGBT产品的高端工艺研发和高端产品设计人员非常少,国内已量产的芯片厂家,其技术研发人员都是通过多年的试验摸索、不断学习总结成长起来的。要改善高端人才缺乏的现状有两点:一是从高校和IGBT的企业出发,多投入和培养相关人才,要能经得住磨练;还有一条捷径,是利用高薪或利好政策引进国际巨头的高端技术人才,或引进和收购他们的企业团队。对于技术专利,一方面要依托自身的工艺生产设备,根据应用实践的要求,有一些工艺和设计技术的创新;另一方面是购买国外IGBT设计和制造技术的专利,但这个很难且费用昂贵。
在记者看来,国产IGBT发展起步晚、终端推动乏力、人才缺乏以及品牌效应淡薄等共同导致了国内与国际厂商的差距。不过近几年,随着利好政策的推动和新能源汽车、高铁、风力发电等新兴应用市场的崛起,国产IGBT即将得到快速发展的“春天”已经到来。
中高压IGBT小有突破国产化替代初步开启
业界人士均晓,IGBT的应用领域非常广泛,按照电压规格大致分为三个级别,一是V以下,如数码相机、汽车点火器等;二是V到V,如白色家电、新能源汽车、太阳能逆变器等;三是V-V或以上,用于智能电网、轨道交通、风力发电等。目前,我国在不同的级别均有一些突破,国产化替代逐步开启。
据记者了解,目前国内IGBT有芯片生产制造能力且已实际量产突破的主要有:(1)株洲中车,其-V的IGBT芯片和模块产品,主要用于高铁动力;(2)上海华虹宏力和上海先进半导体,其1V的IGBT产品,主要用于变频器和工业控制;(3)无锡华润上华,其1VIGBT产品,主要用于电磁炉市场;(4)杭州士兰微电子,其V的IGBT单管产品,主要用于电焊机、工业缝纫机、跑步机市场,单月销售量3KK,在目前国产VIGBT产品的销售量占比居前;有不少业内标杆企业都有在用士兰微的IPM产品,是国内鲜有的全部采用自主IGBT芯片开发,且在变频空调、风扇风机、工业伺服上都实现量产的IPM功率模块企业,同类规模国内最大。在白电市场,士兰微电子目前是唯一一家全部芯片自己生产的功率模块厂商。同时,士兰微1V的IGBT模块产品,也已在电焊机,感应加热和变频器市场开始批量销售。
华虹宏力杨继业也表示,目前国内有中车时代电气、比亚迪、华虹宏力、士兰微等厂商在开发IGBT技术,电压涵盖了V-V。其中,华虹宏力V-1VTrenchFSIGBT技术已经稳定量产且性能达到国际主流水平,V以上产品也已经陆续通过了技术评价工作,进入小批量试用阶段。针对V到V的消费类市场和初步工业类市场,国产IGBT已通过大量IGBT器件的稳定应用逐步建立了品牌效应,有能力实现国产化替代,如格力、美的、九阳等主流家电产品中都有华虹宏力的IGBT模块。而针对汽车级IGBT产业,国内企业也已经取得了一定成绩,华虹宏力也正全力研发新能源车用IGBT技术。
相比其它的应用领域,新能源汽车对IGBT的技术指标提出了较高的要求。株洲中车时代电气股份有限公司副总师刘国友表示,IGBT在电动汽车中的应用工况非常复杂,高温、高湿、高振动对IGBT是一个比较大的考验,装配体积和成本的要求都非常严格,同时寿命要求也比较高。“汽车级IGBT的要求比普通工业级IGBT的要求高很多。FRD震荡大是很多IGBT模块里面共有的特性,如何降低FRD震荡,如何解决封装时的低热阻、高散热问题等,都是很大的挑战。除此,功能的集成除了温度跟低热传感器的芯片设计有关,还包括本身的功能集成,这些都是拦在我们面前的绊脚石。”他说。
杨继业同样认为,车用半导体对可靠性都有着极高的要求,期望寿命在20年以上。应用于汽车的IGBT要满足上万次甚至百万次的功率循环要求,还需在不同的环境和气候下正常工作。若要保证车用IGBT模块的性能和可靠性需求,还要配合先进的封装结构和技术。具体而言主要有以下几点要求:(1)开关损耗需降低,使马达变得更小型、更轻巧,同时还需要在15-20KHz的频率范围(传统为5-10KHz)工作。(2)减小寄生电感、电阻和热阻,传统打线可改善为烧结组合;(3)汽车作业温度最低可达-40度,因此IGBT和二极管的BV需耐至更低温度;(4)降低成本,重量及尺寸大小。
除了要解决车用IGBT高可靠性问题之外,减薄工艺、背面工艺是大功率器件特有的技术难题,这同样是国内IGBT制造厂商的发展瓶颈。杨继业认为,由于薄片(60-um)与普通产品(um)相比的硅片形变(翘曲)非常严重,一开始只有极少数国外的设备厂商才能提供能够实现薄片加工的专用设备。面对此现实情况,华虹宏力开始梳理、研究薄片背面加工的突破口,利用现有正面加工设备的框架,自行设计一系列软硬件改造,最终实现了利用在原有正面厚片离子注入设备上进行背面薄片离子注入的功能。
据记者了解,在02专项的支持下,华虹宏力陆续引入了Taiko减薄,实现了Wafer减薄能力从um到60um的飞跃,成功配置了一整套IGBT超薄片背面工艺/测试生产线。目前,华虹宏力拥有国内最全最先进的全套IGBT背面制程加工能力。其代工生产的-1VFSIGBT,无论是导通压降、关断损耗还是工作安全区、可靠性等均达到了国际领先水平,打破了国外大厂的垄断。
张科锋也表示:“IGBT与MOS产品的正面工艺差别不大,主要差异是IGBT产品的背面工艺,包括了背面离子注入、退火激活、背面金属化等工艺步骤。在IGBT芯片进行背面工艺前,首先要减薄(薄片工艺),一般耐压越低,减薄的厚度越小,对于1V的产品,正常芯片减薄厚度是-um左右,而对于V产品,芯片厚度要减薄到60-80um,相当于人的头发丝直径。芯片越薄,加工过程中就越容易碎片,制造的难度也就越大。国内IGBT芯片厂家年以前批量生产的基本都是1V及以上的耐压产品,最主要的原因在于减薄设备投资太昂贵,不配套专业的减薄设备就无法生产。士兰微-V的产品,在6英寸生产线上,可将芯片减薄到70um左右,是目前国内-V产品系列实现量产且销售量最大的产品,同时针对8英寸生产线,士兰微采购了专业的薄片Taiko设备,可以实现8英寸芯片几十um的薄片加工能力。”
由上述可见,国内企业IGBT产品技术在不断实现突破,车用IGBT的国产化替代趋势正在来临。张科锋强调,新能源汽车电机驱动控制器核心单元,是以IGBT为核心构建的PIM(功率集成模块)产品,目前主流市场多采用英飞凌、赛米控(semikron)、日本三菱、富士电机、安森美(收购仙童)和ABB等国际半导体厂商产品,但目前也有众多的国内车企开始尝试和验证本土半导体厂商的PIM产品,虽然距离批量生产还有一段路要走,但这极大的促进了国内IGBT工艺和性能品质的不断提升。
刘国友表示:“汽车IGBT技术的发展趋势在于,一方面基于我们现有的技术进一步降低性能宽度,降低制造损耗,在协调方面提高一个比例。同时,我们正在研发逆导型的IGBT产品,以进一步提高整个功率密度。在功能集成这一块,我们正努力把温度传感器和电流传感器功能集成,实现对整个芯片级的管理,同时也在紧凑地集成水冷流道的散热结构。在铜工艺这块,我们正在改进IGBT的金属化和铜线键合。目前,在汽车级应用我们已经开发了IGBT模块,芯片材料采用的就是铜金属,端子采用超声键合,烧结技术采用的是低温铜烧结工艺,底板散热也实现了一体化,我们还开发了GaN、SiC器件。”
记者获悉,株洲中车IGBT目前有三大平台产品,第一个是标准封装技术,第二个是针翅型标准封装,第三个是紧凑型平面封装。基于这三个平台,株洲中车对整个产品进行了细化地分类,以满足不同应用工况的汽车IGBT模块。M1模块目前已经在一线的电动大巴上面进行了大量的应用;L1模块是双面冷却双面焊接,整个损耗比较小,包括开发损耗和低热阻;株洲中车还开发了高密度的集成IPU,具有高功率密度、高可靠性、低成本,整个功率密度可以达到27.3,已经达到了较高的行业水平。
总而言之,在IGBT关键技术和工艺上国内厂商仍面临不小的挑战,特别是在减薄工艺、背面工艺等大功率器件技术难题上,仍要经受巨大的设备投入和技术成熟度考验。不过,在政策利好和新能源汽车市场的促进下,国产IGBT的春天已经到来了,在消费类市场和初步工业类市场逐步形成了对国际巨头的替代,在新能源汽车市场也已开始布局,这是一个向好的趋势。
IDM模式主导成常态国产IGBT正从“民用”向“车用”渗透
目前,IDM模式是IGBT生产制造的主流趋势,也是最具竞争力的发展模式。日本的三菱、富士电机以及欧美的英飞凌、安森美(收购仙童)等都是IDM的发展模式。
记者了解到,从IGBT产品工艺来说,这种高压高功率的产品,要在应用层面把性价比做到最佳,一定是要依靠自有的生产工艺设备,有一些特别的设计和制造工艺,而Fabless企业,很难从芯片代工厂得到充足的资源来做多次的调试和优化工艺。
IGBT是举国之力发展的技术,那么国产IGBT会首先在哪个环节有突破性的进展?张科锋认为,目前,政府对半导体产业的支持力度非常大,在未来的3-5年内,国内IGBT产品设计和工艺制造能力会得到大力提高。另外,随着家电、工业控制、新能源汽车和轨道交通等应用行业对国产IGBT使用比例的不断提高,将推进国内的IGBT封测厂家从生产规模上不断壮大,从封测技术水平上不断提升。
华虹宏力杨继业认为,在政策上,国家意志正推动半导体产业的崛起。作为轨道交通、绿色能源中关键的功率半导体器件,IGBT得益于政策支持将获得快速发展。目前,国产IGBT技术已经完成了一定的技术积累及市场耕耘工作,首先会在民用消费类及初步工业类市场有突破性的发展,然后进入到新能源汽车领域,毕竟,中国是最大的新能源汽车市场,国内厂商拥有得天独厚的优势。
正如杨继业所言,国内IGBT厂商优势独具。根据《节能与新能源汽车产业发展规划(-年)》,到年,我国纯电动车和插电式混合动力汽车生产能力要达到万辆,累计销量超过万辆。《电动汽车充电基础设施建设发展规划》提出,到年我国充电桩要达到万个,充电站达到1.2万座。IGBT模块作为HEV/EV、充电桩的核心部件,存在巨大的市场空间。
目前,中国占据全球50%的IGBT市场规模,但90%的IGBT产品都要依赖进口,预计未来这个数据将发生怎样的变化?张科锋表示在国产IGBT芯片制造企业中看好株洲中车、华虹宏力和士兰微电子。
“株洲中车,因为其自身在轨道交通的巨大优势,毕竟会推进其IGBT产品工艺制造能力的提升和产品技术的升级;华虹宏力是目前国内主要的IGBT芯片代工企业,其8英寸生产线的IGBT工艺水平国内领先,其已开工建造12英寸生产线,势必在IGBT芯片代工业务上保持巨大优势;士兰微电子,作为国内领先的设计与制造一体的IDM企业,其IGBT产品完全拥有自有知识产权,在IGBT产品的设计能力、工艺技术水平、生产制造能力和国内应用数量上的占比都已处于国内领先位置,随着8英寸线的投产和12英寸生产线的建设,在IGBT产品的发展道路上必会大有可为。”张科锋说。
据记者了解,士兰微将继续加大IGBT产品方面的投入,一方面在8英寸和12英寸芯片生产线上,不断提升IGBT产品的工艺和设计水平,提升产品的品质和性能,同时也会在IGBT产品的模块封测业务上保持投入和发展,力争持续保持IGBT产品的业内领先优势。对于IGBT的封测企业,比亚迪、嘉兴斯达等有一定崛起的实力。其中深圳BYD在新能源车用IGBT产品方面与上海先进合作,依托自有的新能源车生产能力,在汽车级IGBT模块上会快速增长;嘉兴斯达在IGBT模块产品的封测业务上处于国内领头羊地位,同时其大力拓展新能源车用IGBT模块产品的生产规模,并在上海建设新的封测厂,继续保持国内的领先地位。
综观整个竞争格局,国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、赛米控、安森美、日立、富士、东芝、IXYS和APT等公司,其IGBT技术成熟,涵盖了电压等级V-V,电流等级2A-3A的全部产品,形成了完善的IGBT产品系列。其中,赛米控、仙童等企业在V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在V-V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势,3V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断,它们代表着IGBT的国际最高水平。
相对而言,目前国内厂商IGBT的市占率不足1%,国内市场需求的IGBT等高端电力电子器件90%左右需要进口,但不可否认的是,中国占据着全球功率半导体的主要市场。相比国外厂商,国内厂商在服务响应客户需求、降低成本等方面具有很强的竞争优势,加上国家政策的支持和新兴应用市场的拉动,国产IGBT对国际IGBT品牌的替代已是大势所趋。相信未来在华虹宏力、士兰微电子及株洲中车等领先厂商的引领下,国产IGBT将完全实现自主生产并真正走向国际竞争!
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