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中国IGBT真的逆袭了吗?|半导体行业观察

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中国IGBT真的逆袭了吗?|半导体行业观察

中国IGBT真的逆袭了吗?|半导体行业观察

 

 

编者按:近日,CCTV2做了中国芯生存状态系列报道,主要谈了中国IGBT的进展,本来这事一件好事,但是有一些好事者认为中国IGBT已经赶美欧,超日了,这种盲目的乐观对于中国集成电路的建设,不是一件好事,我们不妨来看一下中国IGBT的真实状况。

我们先从什么是IGBT说起。

一说起IGBT,半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛,都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样,是国家「02专项」的重点扶持项目,这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品,已经全面取代了传统的Power MOSFET,其应用非常广泛,小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业,被称为电力电子行业里的「CPU」,长期以来,该产品(包括晶片)还是被垄断在少数IDM手上(FairChild 、Infineon、TOSHIBA),位居「十二五」期间国家16个重大技术突破专项中的第二位(简称「02专项」)

从功能上来说,IGBT就是一个电路开关,用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。(相对而言,手机、电脑电路板上跑的电电压低,以传输信号为主,都属于弱电。)可以认为就是一个晶体管,电压电流超大而已。

家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT不用机械按钮,它是由计算机控制的。具体点说,IGBT的简化模型有3个接口,有两个(集电极、发射极)接在强电电路上,还有一个接收控制电信号,叫作门极。给门极一个高电平信号,开关(集电极与发射极之间)就通了;再给低电平信号,开关就断了。给门极的信号是数字信号(即只有高和低两种状态),电压很低,属于弱电,只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连。实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器,擅长处理数字信号,比较小巧。

这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种。作为其中的一员,IGBT的特点是,在它这个电流电压等级下,它支持的开关速度是最高的,一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上,但是GTO开关速度低,损耗大,现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围才使用;IGCT本质上也是GTO,不过结构做了优化,开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间;大功率MOSFET快是快,但不能支持这么大的电压电流,否则会烧掉。

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。

现在IGBT技术发展到什么水平了

IGBT (绝缘栅双极型晶体管)发明于 80 年代初,多家公司几乎同时并独立地发明了这种器件,刚开始各公司对其称谓也不同。GE 公司刚开始称其为 IGR(Insulated-Gate Rectifer),其论文于 1982 年 12 月 14 日在 IEDM(国际电子器件会议)上发表。RCA 公司称其为 COMFET(Conductivity-Modulated FET)并在同一天得到美国专利局的专利批准,接着向 IEDM 提交了正式论文。

Motorola 公司也独立发明了该器件,称为 GEMFET(Gain-Enhanced MOSFET)。加州伯克利分校发明了类似器件,称为 BMT(Bipolar MOS Transistor)及 IBT(Insulated-Base Transistor)。GE 公司后来将他们的发明从整流器改称 IGT(Insulated-Gate Transistor)。德国西门子称其为 IGBT,由于西门子的 IGBT 发展迅猛,研究生产的 IGBT 性能优良,所以人们认同了 IGBT 的称谓。

至今,IGBT经历了六代技术的发展演变,面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变:器件纵向结构,栅极结构以及硅片的加工工艺。

多年以来,IGBT技术改进的追求的目标是:

1, 减小通态压降。达到增加电流密度、降低通态功率损耗的目的。

2, 降低开关时间,特别是关断时间。达到提高应用时使用频率、降低开关损耗的目的。

3, 组成IGBT的大量“原胞”在工作时是并联运行,要求每个原胞在工作温度允许范围内 温度变化时保持压降一致,达到均流目的。否则会造成IGBT器件因个别原胞过流损坏而损坏。

4,提高断态耐压水平,以满足应用需要。

具体到每一代的产品发展上。

第一代、第二代早期产品曾采用过“辐照”手段,但却有增加通态压降(会增加通态功耗)的反作用危险。第一代与第二代由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”,造成各IGBT原胞通态压降不一致,不利于并联运行,因此当时的IGBT电流做不大。此问题在第四代产品中采用了“透明集电区技术”,产生正温度系数效果后基本解决了。

第二代产品采用“电场中止技术”,增加一个“缓冲层”,这样可以用较薄的晶片实现相同的耐压(击穿电压)。因为晶片越薄,,饱和压降越小,导通功耗越低。此技术往往在耐压较高的IGBT上运用效果明显。耐压较低的如几百伏的IGBT产品,晶片本来就薄,再减薄到如100到150微米的话,加工过程极容易损坏晶片。

第三代产品是把前两代平面绝缘栅设计改为沟槽栅结构,即在晶片表面栅极位置垂直刻槽深入晶片制成绝缘栅。栅极面积加大但占用晶片位置减小,增加了栅极密度。工作时增强了电流导通能力,降低了导通压降。

第四代非穿通型IGBT(NPT)产品不再采用“外延”技术,代之以“硼离子注入”方法生成集电极,这就是所谓的“透明集电区技术”。

第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构,并以新的面貌出现。尤其是承受工作电压水平从第四代的3300V提高到6500V,这是一个极大的飞跃。

上述几项改进技术已经在各国产品中普遍采用,只是侧重面有所不同。除此以外,有报道介绍了一些其它技术措施如:内透明集电极、砷掺杂缓冲层、基板薄膜化、软穿通技术等。

全球IGBT的市场发展现状

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。但是全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制。德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一,其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一,IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居第二。

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。

据调研机构IHS于2016年公布的报告,英飞凌以24.5%的份额高居榜首,日本三菱电机则以24.4%的份额屈居第二,另一日系大厂富士电机则以12.2%的占有率排行第三。

严重依赖进口,中国IGBT厂商差距明显

根据每日经济新闻报道,在高压大功率IGBT芯片方面,由于对IGBT芯片可靠性要求非常高,此前,我国还没有一个厂家能够实现6500V IGBT芯片本土产业化,为此,国内企业每年需花费数亿元从国外采购IGBT产品。

他们进一步指出,由于国外采购周期长达数月甚至一年以上,严重制约了我国轨道交通装备的自主创新和民族品牌创立,大大降低了国内动车、机车装备在国际市场的竞争力。因此发展国内的IGBT产业迫在眉睫。、

而从技术上上看,中国IGBT和国外的差距主要体现在以下几个方面。

(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。

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。

国产厂商在快马加鞭求突破

为了实现自主可控,国产厂商正在开始推进IGBT的国产化,政府也在推动。针对我国当前功率半导体产业发展状况以及2016-2020年电力电子产业发展重点,中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》(以下简称《蓝皮书》)。

《蓝皮书》指出,电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动。

现在国内已经有一些国产厂商也已经有了很大的突破,日前报道的中车就是其中的代表。

据报道,“长株潭城际铁路”,是湖南的第一条城际铁路,也是中国第一款时速160公里的城际动车组。这列车上的牵引电机,采用了最新一代技术,与普通高铁动车相比,加速能力更强,可以像地铁一样快起快停,而为列车提供强劲动力的,是中国自主研发的一个核心部件,人称“高铁中国芯”。

今天,中车的IGBT生产线,每年能制造12万支芯片。全世界,这样的生产线只有两条。

中车时代IGBT制造中心副主任罗海辉表示:我们现在所看到的这些芯片,他是分布在一个八英寸的这个上面,每一个指甲盖大小的一个小方块,就是一个芯片,你别看他面积很小啊,一个这样的芯片可以处理的能量,相当于100台电炉发出来的热量。

同样是芯片家族的成员,和处理信息或存储数据的芯片不同,IGBT的主要工作是控制和传输电能,指甲盖大小的芯片组成的IGBT可以处理6500W以上的超高电压,IGBT芯片工作时可以在短短1秒的时间内,实现10万次电流开关动作,从而驱动高铁飞速行驶。

3年前,当时核心的制造技术仅掌握在美国和德国等少数几个国家手中,价格完全由卖方说了算,一片IGBT的价格折合人民币一万五千块钱,而且只卖成品,这样的技术是用多少钱都无法买到的。

2008年,中国的第一条高铁京津城际铁路开通,随后又开通了更多的高铁线路,对IGBT的需求成倍增加,一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片,光这个芯片的成本就高达将近两百万元,每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块,采购资金超过12亿元人民币。

2014年6月,经过6年的不懈努力,由我国自主研制具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线,预示着高铁拥有了第一颗“中国心”,第一片8英寸晶圆被中国科技馆永久收藏。不光如此,中车还在全球最大的轨道交通装备智能工厂,用智能线制造出了IGBT牵引变流器,各项指标完全合格,生产时间比原来缩短了70%。

不仅是高铁上用,我们的电网也要用到IGBT,据统计,中国在未来几年将成长为千亿级IGBT市场,极具吸引力,而这时国产IGBT芯片的成功量产意味着将从少数几家外国公司手中,抢走一块蛋糕。可这蛋糕要想吃到嘴里,比突破技术还要难。

国产IGBT刚刚投产,吴煜东的团队已经准备好以低于市场30%的价格优势推出,与对手在国际舞台上角力。然而,产品价格刚刚公布,竞争对手就迅速降价,联合起来降价70%,吴煜东绝对没有想到,刚刚迈出第一步,就遭遇了惨烈的价格战!没等着他们反应过来,外国厂商又第二招撒手锏,推出第二代产品。这意味着我们刚刚学会走,人家已经跑起来了。

在这样的残酷背景下,中车时代的工程师没日没夜地工作,经常工作到晚上一两点钟。在历经9年零6个月,3000多个日日夜夜的奋战后,“中国芯”在技术上终于追平了对手,用不到10年的时间走完了国际巨头们30年的路,打破了发达国家一家独大的垄断局面。

2015年,由我国自主研发的IGBT变流器首次出口海外市场,夺得了印度100辆机车的订单。

短短3年时间,国产IGBT在功率器件的市场占有率从零一下攀升至60%,并且以每年200%的销售业绩增长,统一后的高铁标准动车组将全部采用IGBT“中国芯”。

除了取得重大突破的中车外,国内还有其他正在IGBT上深耕的国产厂商。例如深圳比亚迪、杭州士兰微、吉林华微、中航微电子、中环股份等;模组厂商西安永电、西安爱帕克、威海新佳、江苏宏微、嘉兴斯达、南京银茂、深圳比亚迪等;芯片设计厂商中科君芯、西安芯派、宁波达新、无锡同方微、无锡新洁能、山东科达等;芯片制造厂商华虹宏力、上海先进、深圳方正微、中芯国际、华润上华等。

近几年国内IGBT技术发展也比较快,国外厂商垄断状况逐渐被打破,已取得一定的突破。主要亮点有:

中车集团的株洲时代电气已建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线,具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力,芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖。

中车集团的西安永电电气有限责任公司生产的6500V/600A IGBT功率模块已成功下线,使其成为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。

上海北车永电电子科技有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验,实现产品化应用,技术达到世界先进水平,标志着国内机车用高压、大电流6500V IGBT芯片设计、芯片工艺研发制造技术的重大突破,特别是攻克了6500V IGBT关断安全工作区,短路工作区等关键技术瓶颈。

华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。

深圳比亚迪微电子有限公司、国家电网与上海先进半导体制造股份有限公司建立战略产业联盟,将具有自主知识产权的IGBT核心关键技术和半导体芯片制造技术进行“强强联合”,共同打造IGBT国产化产业链。2015年8月,上海先进半导体正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT的供应链。

2015年底,中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合作,并宣布未来共同打造自主新能源汽车品牌。这被业界视为高铁技术与汽车行业的一次深度“联姻”,有望推动IGBT等汽车半导体产业的国产化进程。

国内IGBT行业近几年的发展大事记:

(1)2011年12月,北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。

(2)2013年9月,中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300V IGBT芯片;

(3)2014年6月,中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用;

(4)2015年3月,天津中环自主研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用,8英寸FZ单晶材料也已经取得重大突破;

(5)2015年8月,上海先进与比亚迪、 国家电网建立战略产业联盟,正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT供应链;

(6)2015年10月,中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验;

(7)2015年底,中车株洲时代与北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT和电机驱动系统等业务的合作;

(8)2016年5月,华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。

可以看到,受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施,IGBT市场将引来爆发点。

综上所述,中国IGBT取得了重大突破是值得庆贺的事情,但是还需要持续努力。

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