IGBT 国内与国外厂商,可替代的有哪些?

电子工程世界 2021-01-25
什么是IGBT
所谓IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极结型晶体三极管) 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,其具有自关断的特征。


简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。


而平时我们在实际中使用的IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。


国内IGBT企业崛起

IGBT是事关国家经济发展的基础性产品,如此重要的IGBT,长期以来我国却不得不面对依赖进口的尴尬局面,市场主要被英飞凌、三菱、富士电机为首的国际巨头垄断。自2005年开始,大量海外IGBT人才纷纷归国投入国产IGBT芯片和模块产业的发展,尤其是以美国国际整流器公司(IR)回国人员最多。


从IR归国主要从事芯片开发的专家有斯达半导汤艺博士、达新半导体陈智勇博士、陆芯科技张杰博士等,以上几家公司都已成为以自产IGBT芯片为主的产品公司。另外IR归国从事模块开发的专家还有银茂微电子庄伟东博士。中科院微电子所较早涉足IGBT行业,主要由无锡中科君芯承担IGBT研发工作,中科君芯的研发团队先后有微电子所、IR、日本电装、成电等技术团队的加入。

斯达半导作为国内IGBT行业的领军企业,成立于2005年,于2020年2月4日在上交所主板成功上市。公司自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片是公司的核心竞争力之一。据IHSMarkit报告数据显示,在2018年度IGBT模块供应商全球市场份额排名中,斯达半导排名第8位,在中国企业中排名第1位,成为世界排名前十中唯一一家中国企业。其中斯达半导自主研发的第二代芯片(国际第六代芯片FS-Trench)已实现量产,成功打破了国外企业常年对IGBT芯片的垄断。

成立于2013年的宁波达新,主要从事IGBT、MOSFET、FRD等功率半导体芯片与器件的设计、制造和销售。公司在8寸及6寸晶圆制造平台成功开发600V-3300V IGBT芯片产品,芯片电流等级涵盖10A~200A。采用自主IGBT芯片,达新推出了系列化的满足工业应用、消费电子、新能源的IGBT模块,模块电压涵盖600V~1700V,电流等级涵盖10A ~ 800A。

上海陆芯电子科技聚焦于功率半导体(IGBT、SJMOS & SiC)的设计和应用,包括芯片、单管和模块。具有以下优势:通过优化耐压终端环,实现IGBT高阻断电压,有效减少芯片面积,达到工业级和汽车级可靠性标准;通过控制少子寿命,优化饱和压降和开关速度;实现安全操作区(SOA)和短路电流安全操作区域SCSOA性能最优;改善IGBT有源区元胞设计可靠性,抑制IGBT的闩锁效应;调节背面减薄、注入、退火、背金等工艺;实现60um~180um晶圆厚度的大规模量产。

南京银茂微电子(SilverMicro)成立于2007年,专注于工业和其他应用的功率IGBT和MOSFET模块产品的设计和制造。通过采用现代化的设备来处理和表征高达3.3kV的电源模块,南京银茂微已经建立了先进的电源模块制造能力,还能够执行电源模块鉴定测试。产品已广泛用于工业逆变器,焊接机,UPS,电源和新能源应用。

江苏中科君芯科技有限公司是一家专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合资高科技企业,成立于2011年底。君芯科技是国内率先开发出沟槽栅场截止型(Trench FS)技术并真正实现量产的企业。公司推出的IGBT芯片、单管和模块产品从600V至6500V,覆盖了目前主要电压段及电流段,已批量应用于感应加热、逆变焊机、工业变频、新能源等领域。君芯科技独创的DCS技术将应用于最新的汽车级IGBT芯片中。

随着行业景气度逐渐好转和政策的推动,亦有不少新进入者抢夺市场。据集邦咨询分析,目前市场新入者主要有三类,一是向IGBT等高端产品扩展业务的功率半导体企业,如扬杰科技、华微电子等;二是出于为满足自身需求及出于供应链安全考虑向上游涉足的,如中车时代和比亚迪等;三是看好市场而进场的新公司,如瑞能半导体、广东芯聚能以及富能半导体等。

在IGBT方面扬杰科技于2018年3月控股了一条位于宜兴的6英寸晶圆线,目前该生产线已经量产IGBT芯片,主要应用于电磁炉等小家电领域。另外扬杰科技也在积极推进IGBT新模块产品的研发进程,50A/75A/100A-1200V半桥规格的IGBT开发成功。此外公司也积极规划8英寸线建设,储备8英寸线晶圆和IGBT技术人才。

老牌功率半导体器件厂商吉林华微电子于2019年4月,发布配股说明书,拟募投建设 8 英寸生产线项目。此次募投项目的主要产品技术先进,达到了英飞凌、ABB 等厂家的水平。华微电子于2001年上市,为国内功率半导体器件领域首家上市公司。目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等为营销主线的系列产品,产品种类基本覆盖功率半导体器件全部范围。公司的IGBT薄片工艺、Trench工艺、寿命控制和终端设计技术等国内领先,达到国际同行业先进水平。

在IDM模式厂商中,中国中车和比亚迪分别依靠高铁和新能源汽车取得了一定的成绩。

株洲中车时代半导体有限公司(简称:中车时代半导体)作为中车时代电气股份有限公司下属全资子公司,全面负责公司半导体产业经营。从1964年开始投入功率半导体技术的研发与产业化,2008年战略并购英国丹尼克斯公司,目前已成为国际少数同时掌握大功率晶闸管、IGCT、IGBT及SiC器件及其组件技术的IDM(集成设计制造)模式企业代表,拥有芯片—模块—装置—系统完整产业链。

中车时代半导体拥有国内首条、全球第二条8英寸IGBT芯片线,全系列高可靠性IGBT产品已全面解决轨道交通核心器件受制于人的局面,基本解决了特高压输电工程关键器件国产化的问题,并正在解决我国新能源汽车核心器件自主化的问题。

比亚迪是在2005年进入IGBT产业,于2009年推出首款车规级IGBT 1.0技术,打破了国际厂商垄断,实现了我国在车用IGBT芯片技术上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0产品在电流输出、综合损耗及温度循环寿命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品,且产能已达5万片,并实现了对外供应。公司也是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企,包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分,还有仿真测试以及整车测试。好消息是,据长沙晚报近日报道,长沙比亚迪IGBT项目日前已正式启动建设,计划建设集成电路制造生产线。

在IGBT新进玩家中,振华科技参股20%的成都森未科技有限公司是一家由清华大学和中国科学院博士团队创立的高科技企业,公司成立于2017年,主要从事IGBT等功率半导体芯片及产品的设计、开发、销售。森未科技IGBT芯片产品性能已可以对标英飞凌产品。公司主营产品电压等级为600V-1700V,单颗芯片电流规格5A-200A,覆盖工业控制、变频家电、电动汽车、风电伺服驱动、光伏逆变器等领域。

据了解,出身于恩智浦功率产品线的瑞能半导体,也有意进入IGBT的赛道。其实瑞能也非常有做IGBT的优势,首先,瑞能是所有重要白电制造商的供应商,对市场应用及客户需求有深刻的理解,产品未来会在性价比上有优势;再者,瑞能也是国内唯一家分销网络遍布全球的中国功率半导体公司;最后,瑞能有着50多年的功率器件技术积累,IGBT最讲究可靠性,依托瑞能南昌国家级可靠性及失效分析实验室,未来会形成在质量可靠性的竞争优势。

成立于2018年11月的广东芯聚能半导体,也看重了IGBT这个市场。芯聚能半导体于2019年9月20日在广州南沙举行了奠基仪式,项目总投资达25亿元。据了解,其项目第一阶段将建设用于新能源汽车的IGBT和SiC功率器件与模块生产基地,同时实现工业级功率器件规模化生产。第二阶段将面向新能源汽车和自动驾驶的汽车功率模块、半导体器件和系统产品,延伸并形成从芯片到封装、模块的产业链聚集。

除了上述提到的企业,国内的IGBT在芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局。整体来看,中国IGBT产业链正逐步具备国产替代能力。


国内IGBT与国外的差距

先说一下IGBT的全球发展状态,从市场竞争格局来看,美国功率器件处于世界领先地位,拥有一批具有全球影响力的厂商,例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂,产品线齐全,无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。

日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好,但在功率芯片方面,虽然厂商数量众多,但很多厂商的核心业务并非功率芯片,

从整体市场份额来看,日本厂商落后于美国厂商。近年来,中国台湾的功率芯片市场发展较快,拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。台湾厂商主要偏重于 DC/DC 领域,主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC,脉宽调制集成电路)和功率MOSFET,从事前两种 IC 产品开发的公司居多。

总体来看,台湾功率厂商的发展较快,技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小,产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备

而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。

2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元,预计到2020年市场规模可以达到80亿美元,年复合增长率约10%。


2014年国内IGBT销售额是88.7亿元,约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元,年复合增长率约为15%。


现在,国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V,电流2A-3600A,已形成完善的IGBT产品系列,按照细分的不同,各大公司有以下特点:

(1)英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势;在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面,英飞凌与三菱公司处于国际领先水平;

(2)西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。

国际市场供应链已基本成熟,但随着新能源等市场需求增长,市场链条正逐步演化。


而在国内,尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距,特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中,IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。跟国内厂商相比,英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是:

(1)国际厂商起步早,研发投入大,形成了较高的专利壁垒。

(2)国外高端制造业水平比国内要高很多,一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。

所以中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面,特别是要在产业链上游层面取得突破,改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

而技术差距从以下两个方面也有体现:

(1)高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上,技术壁垒较强;

(2)IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

我国发展IGBT面对的具体问题

(1)IGBT技术与工艺
 
我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技术研究一般采取“设计+代工”模式,即由设计公司提出芯片设计方案,由国内的一些集成电路公司代工生产。

目前国内IGBT主要受制于晶圆生产的瓶颈,首先是没有专业的代工厂进行IGBT的代工,原8寸沟槽IGBT产品主要在华虹代工,但是IGBT并非华虹主营业务,产品配额极其匮乏,且价格偏高。但是随着中芯国际绍兴工厂和青岛芯恩半导体的晶圆厂的落成,相信这个局面会有很大改观。

其次,与国外厂商相比,国内公司在大尺寸晶圆生产商工艺仍落后于全球龙头,晶圆越大,单片晶圆产出的芯片就越多,在制造加工流程相同的条件下,单位芯片的制造成本会更低。目前,IGBT 产品最具竞争力的生产线是8英寸和12英寸,最为领先的厂商是英飞凌,国内晶圆生产企业此前绝大部分还停留在6英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有比亚迪、株洲中车时代、上海先进、华虹宏力、士兰微,并且士兰微12寸晶圆产线预计2020年底量产。

由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线,只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工,所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通IC芯片相比,大功率器件有许多特有的技术难题,如芯片的减薄工艺,背面工艺等。解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术,更需要先进的工艺设备,这些都是我国功率半导体产业发展过程中急需解决的问题。

从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型,在改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。尤其是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化,背面的减薄国内的做的都不是很好。

薄片工艺,特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度也是特定的,需要减薄到200-100um,甚至到80um,现在国内可以将晶圆减薄到175um,再低就没有能力了。比如在100~200um的量级,当硅片磨薄到如此地步后,后续的加工处理就比较困难了,特别是对于8寸以上的大硅片,极易破碎,难度更大。

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,由于正面金属的熔点的限制,这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C),退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火,此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工,但是他们一旦与客户签订协议,就不再给中国客户代提供加工服务。

在模块封装技术方面,国内基本掌握了传统的焊接式封装技术,其中中低压模块封装厂家较多,高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比,技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术,能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性,并初步实现了商业应用。

高端工艺开发人员非常缺乏,现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程,而要引进一个团队难度太大。国外IGBT制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买IGBT设计和制造技术,还牵涉到好多专利方面的东西。
 
(2)IGBT工艺生产设备
 
国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套。其中有的国内没有,或技术水平达不到。如:德国的真空焊接机,能把芯片焊接空洞率控制在低于1%,而国产设备空洞率高达20%到50%。外国设备未必会卖给中国,例如薄片加工设备。

又如:日本产的表面喷砂设备,日本政府不准出口。好的进口设备价格十分昂贵,便宜设备又不适用。例如:自动化测试设备是必不可少的,但价贵。如用手工测试代替,就会增加人为因素,测试数据误差大。IGBT生产过程对环境要求十分苛刻。要求高标准的空气净化系统,世界一流的高纯水处理系统。

要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。投资额往往需高达数十亿元人民币。

小结:

由于 IGBT 行业存在技术门槛较高、人才匮乏、市场开拓难度大、资金投入较大等困难,国内企业在产业化的进程中一直进展缓慢,随着全球制造业向中国的转移,我国功率半导体市场占世界市场的 50%以上,是全球最大的 IGBT 市场,但 IGBT 产品严重依赖进口,在中高端领域更是 90%以上的 IGBT 器件依赖进口,IGBT 国产化需求已是刻不容缓。

来源:ittbank

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