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IGBT 國內(nèi)替代國外!

來源: 深圳市宏德偉創(chuàng)科技有限公司 人氣:322 發(fā)表時間:2021/07/10 10:03:37


什么是IGBT

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管) 組成的復合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導體器件,其具有自關(guān)斷的特征。


簡單講,是一個非通即斷的開關(guān),IGBT沒有放大電壓的功能,導通時可以看做導線,斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點,如驅(qū)動功率小和飽和壓降低等。


而平時我們在實際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產(chǎn)品,具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。

國內(nèi)IGBT企業(yè)崛起


IGBT是事關(guān)國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)品,如此重要的IGBT,長期以來我國卻不得不面對依賴進口的尷尬局面,市場主要被英飛凌、三菱、富士電機為首的國際巨頭壟斷。自2005年開始,大量海外IGBT人才紛紛歸國投入國產(chǎn)IGBT芯片和模塊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是以美國國際整流器公司(IR)回國人員最多。

從IR歸國主要從事芯片開發(fā)的專家有斯達半導湯藝博士、達新半導體陳智勇博士、陸芯科技張杰博士等,以上幾家公司都已成為以自產(chǎn)IGBT芯片為主的產(chǎn)品公司。另外IR歸國從事模塊開發(fā)的專家還有銀茂微電子莊偉東博士。中科院微電子所較早涉足IGBT行業(yè),主要由無錫中科君芯承擔IGBT研發(fā)工作,中科君芯的研發(fā)團隊先后有微電子所、IR、日本電裝、成電等技術(shù)團隊的加入。

斯達半導作為國內(nèi)IGBT行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè),成立于2005年,于2020年2月4日在上交所主板成功上市。公司自主研發(fā)設(shè)計的IGBT芯片和快恢復二極管芯片是公司的核心競爭力之一。據(jù)IHSMarkit報告數(shù)據(jù)顯示,在2018年度IGBT模塊供應(yīng)商全球市場份額排名中,斯達半導排名第8位,在中國企業(yè)中排名第1位,成為世界排名前十中唯一一家中國企業(yè)。其中斯達半導自主研發(fā)的第二代芯片(國際第六代芯片F(xiàn)S-Trench)已實現(xiàn)量產(chǎn),成功打破了國外企業(yè)常年對IGBT芯片的壟斷。

成立于2013年的寧波達新,主要從事IGBT、MOSFET、FRD等功率半導體芯片與器件的設(shè)計、制造和銷售。公司在8寸及6寸晶圓制造平臺成功開發(fā)600V-3300V IGBT芯片產(chǎn)品,芯片電流等級涵蓋10A~200A。采用自主IGBT芯片,達新推出了系列化的滿足工業(yè)應(yīng)用、消費電子、新能源的IGBT模塊,模塊電壓涵蓋600V~1700V,電流等級涵蓋10A ~ 800A。

上海陸芯電子科技聚焦于功率半導體(IGBT、SJMOS & SiC)的設(shè)計和應(yīng)用,包括芯片、單管和模塊。具有以下優(yōu)勢:通過優(yōu)化耐壓終端環(huán),實現(xiàn)IGBT高阻斷電壓,有效減少芯片面積,達到工業(yè)級和汽車級可靠性標準;通過控制少子壽命,優(yōu)化飽和壓降和開關(guān)速度;實現(xiàn)安全操作區(qū)(SOA)和短路電流安全操作區(qū)域SCSOA性能最優(yōu);改善IGBT有源區(qū)元胞設(shè)計可靠性,抑制IGBT的閂鎖效應(yīng);調(diào)節(jié)背面減薄、注入、退火、背金等工藝;實現(xiàn)60um~180um晶圓厚度的大規(guī)模量產(chǎn)。

南京銀茂微電子(SilverMicro)成立于2007年,專注于工業(yè)和其他應(yīng)用的功率IGBT和MOSFET模塊產(chǎn)品的設(shè)計和制造。通過采用現(xiàn)代化的設(shè)備來處理和表征高達3.3kV的電源模塊,南京銀茂微已經(jīng)建立了先進的電源模塊制造能力,還能夠執(zhí)行電源模塊鑒定測試。產(chǎn)品已廣泛用于工業(yè)逆變器,焊接機,UPS,電源和新能源應(yīng)用。

江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發(fā)的中外合資高科技企業(yè),成立于2011年底。君芯科技是國內(nèi)率先開發(fā)出溝槽柵場截止型(Trench FS)技術(shù)并真正實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)。公司推出的IGBT芯片、單管和模塊產(chǎn)品從600V至6500V,覆蓋了目前主要電壓段及電流段,已批量應(yīng)用于感應(yīng)加熱、逆變焊機、工業(yè)變頻、新能源等領(lǐng)域。君芯科技獨創(chuàng)的DCS技術(shù)將應(yīng)用于最新的汽車級IGBT芯片中。

隨著行業(yè)景氣度逐漸好轉(zhuǎn)和政策的推動,亦有不少新進入者搶奪市場。據(jù)集邦咨詢分析,目前市場新入者主要有三類,一是向IGBT等高端產(chǎn)品擴展業(yè)務(wù)的功率半導體企業(yè),如揚杰科技、華微電子等;二是出于為滿足自身需求及出于供應(yīng)鏈安全考慮向上游涉足的,如中車時代和比亞迪等;三是看好市場而進場的新公司,如瑞能半導體、廣東芯聚能以及富能半導體等。

在IGBT方面揚杰科技于2018年3月控股了一條位于宜興的6英寸晶圓線,目前該生產(chǎn)線已經(jīng)量產(chǎn)IGBT芯片,主要應(yīng)用于電磁爐等小家電領(lǐng)域。另外揚杰科技也在積極推進IGBT新模塊產(chǎn)品的研發(fā)進程,50A/75A/100A-1200V半橋規(guī)格的IGBT開發(fā)成功。此外公司也積極規(guī)劃8英寸線建設(shè),儲備8英寸線晶圓和IGBT技術(shù)人才。

老牌功率半導體器件廠商吉林華微電子于2019年4月,發(fā)布配股說明書,擬募投建設(shè) 8 英寸生產(chǎn)線項目。此次募投項目的主要產(chǎn)品技術(shù)先進,達到了英飛凌、ABB 等廠家的水平。華微電子于2001年上市,為國內(nèi)功率半導體器件領(lǐng)域首家上市公司。目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產(chǎn)品,產(chǎn)品種類基本覆蓋功率半導體器件全部范圍。公司的IGBT薄片工藝、Trench工藝、壽命控制和終端設(shè)計技術(shù)等國內(nèi)領(lǐng)先,達到國際同行業(yè)先進水平。

在IDM模式廠商中,中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績。

株洲中車時代半導體有限公司(簡稱:中車時代半導體)作為中車時代電氣股份有限公司下屬全資子公司,全面負責公司半導體產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。從1964年開始投入功率半導體技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化,2008年戰(zhàn)略并購英國丹尼克斯公司,目前已成為國際少數(shù)同時掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術(shù)的IDM(集成設(shè)計制造)模式企業(yè)代表,擁有芯片—模塊—裝置—系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈。

中車時代半導體擁有國內(nèi)首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線,全系列高可靠性IGBT產(chǎn)品已全面解決軌道交通核心器件受制于人的局面,基本解決了特高壓輸電工程關(guān)鍵器件國產(chǎn)化的問題,并正在解決我國新能源汽車核心器件自主化的問題。

比亞迪是在2005年進入IGBT產(chǎn)業(yè),于2009年推出首款車規(guī)級IGBT 1.0技術(shù),打破了國際廠商壟斷,實現(xiàn)了我國在車用IGBT芯片技術(shù)上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關(guān)鍵指標上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品,且產(chǎn)能已達5萬片,并實現(xiàn)了對外供應(yīng)。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企,包括IGBT芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等部分,還有仿真測試以及整車測試。好消息是,據(jù)長沙晚報近日報道,長沙比亞迪IGBT項目日前已正式啟動建設(shè),計劃建設(shè)集成電路制造生產(chǎn)線。

在IGBT新進玩家中,振華科技參股20%的成都森未科技有限公司是一家由清華大學和中國科學院博士團隊創(chuàng)立的高科技企業(yè),公司成立于2017年,主要從事IGBT等功率半導體芯片及產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、銷售。森未科技IGBT芯片產(chǎn)品性能已可以對標英飛凌產(chǎn)品。公司主營產(chǎn)品電壓等級為600V-1700V,單顆芯片電流規(guī)格5A-200A,覆蓋工業(yè)控制、變頻家電、電動汽車、風電伺服驅(qū)動、光伏逆變器等領(lǐng)域。

據(jù)了解,出身于恩智浦功率產(chǎn)品線的瑞能半導體,也有意進入IGBT的賽道。其實瑞能也非常有做IGBT的優(yōu)勢,首先,瑞能是所有重要白電制造商的供應(yīng)商,對市場應(yīng)用及客戶需求有深刻的理解,產(chǎn)品未來會在性價比上有優(yōu)勢;再者,瑞能也是國內(nèi)唯一家分銷網(wǎng)絡(luò)遍布全球的中國功率半導體公司;最后,瑞能有著50多年的功率器件技術(shù)積累,IGBT最講究可靠性,依托瑞能南昌國家級可靠性及失效分析實驗室,未來會形成在質(zhì)量可靠性的競爭優(yōu)勢。

成立于2018年11月的廣東芯聚能半導體,也看重了IGBT這個市場。芯聚能半導體于2019年9月20日在廣州南沙舉行了奠基儀式,項目總投資達25億元。據(jù)了解,其項目第一階段將建設(shè)用于新能源汽車的IGBT和SiC功率器件與模塊生產(chǎn)基地,同時實現(xiàn)工業(yè)級功率器件規(guī)?;a(chǎn)。第二階段將面向新能源汽車和自動駕駛的汽車功率模塊、半導體器件和系統(tǒng)產(chǎn)品,延伸并形成從芯片到封裝、模塊的產(chǎn)業(yè)鏈聚集。

除了上述提到的企業(yè),國內(nèi)的IGBT在芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看,中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。




國內(nèi)IGBT與國外的差距


先說一下IGBT的全球發(fā)展狀態(tài),從市場競爭格局來看,美國功率器件處于世界領(lǐng)先地位,擁有一批具有全球影響力的廠商,例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等廠商。歐洲擁有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半導體大廠,產(chǎn)品線齊全,無論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領(lǐng)先實力。


日本功率器件廠商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本廠商在分立功率器件方面做的較好,但在功率芯片方面,雖然廠商數(shù)量眾多,但很多廠商的核心業(yè)務(wù)并非功率芯片,


從整體市場份額來看,日本廠商落后于美國廠商。近年來,中國臺灣的功率芯片市場發(fā)展較快,擁有立锜、富鼎先進、茂達、安茂、致新和沛亨等一批廠商。臺灣廠商主要偏重于 DC/DC 領(lǐng)域,主要產(chǎn)品包括線性穩(wěn)壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC,脈寬調(diào)制集成電路)和功率MOSFET,從事前兩種 IC 產(chǎn)品開發(fā)的公司居多。


總體來看,臺灣功率廠商的發(fā)展較快,技術(shù)方面和國際領(lǐng)先廠商的差距進一步縮小,產(chǎn)品主要應(yīng)用于計算機主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設(shè)備


而中國大陸功率半導體市場占世界市場的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上,90%主要依賴進口,基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。


2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元,預計到2020年市場規(guī)??梢赃_到80億美元,年復合增長率約10%。




2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元,約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元,年復合增長率約為15%。



現(xiàn)在,國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V,電流2A-3600A,已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列,按照細分的不同,各大公司有以下特點:


(1)英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢;在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。 在大功率溝槽技術(shù)方面,英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平;


(2)西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。


國際市場供應(yīng)鏈已基本成熟,但隨著新能源等市場需求增長,市場鏈條正逐步演化。



而在國內(nèi),盡管我國擁有最大的功率半導體市場,但是目前國內(nèi)功率半導體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距,特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術(shù)均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中,IGBT技術(shù)集成度高的特點又導致了較高的市場集中度。跟國內(nèi)廠商相比,英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是:


(1)國際廠商起步早,研發(fā)投入大,形成了較高的專利壁壘。


(2)國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多,一定程度上支撐了國際廠商的技術(shù)優(yōu)勢。


所以中國功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢的局面,特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破,改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。


而技術(shù)差距從以下兩個方面也有體現(xiàn):


(1)高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上,技術(shù)壁壘較強;


(2)IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。


我國發(fā)展IGBT面對的具體問題


(1)IGBT技術(shù)與工藝

 

我國的功率半導體技術(shù)包括芯片設(shè)計、制造和模塊封裝技術(shù)目前都還處于起步階段。功率半導體芯片技術(shù)研究一般采取“設(shè)計+代工”模式,即由設(shè)計公司提出芯片設(shè)計方案,由國內(nèi)的一些集成電路公司代工生產(chǎn)。


目前國內(nèi)IGBT主要受制于晶圓生產(chǎn)的瓶頸,首先是沒有專業(yè)的代工廠進行IGBT的代工,原8寸溝槽IGBT產(chǎn)品主要在華虹代工,但是IGBT并非華虹主營業(yè)務(wù),產(chǎn)品配額極其匱乏,且價格偏高。但是隨著中芯國際紹興工廠和青島芯恩半導體的晶圓廠的落成,相信這個局面會有很大改觀。

其次,與國外廠商相比,國內(nèi)公司在大尺寸晶圓生產(chǎn)商工藝仍落后于全球龍頭,晶圓越大,單片晶圓產(chǎn)出的芯片就越多,在制造加工流程相同的條件下,單位芯片的制造成本會更低。目前,IGBT 產(chǎn)品最具競爭力的生產(chǎn)線是8英寸和12英寸,最為領(lǐng)先的廠商是英飛凌,國內(nèi)晶圓生產(chǎn)企業(yè)此前絕大部分還停留在6英寸產(chǎn)品的階段。目前國內(nèi)實現(xiàn)8英寸產(chǎn)品量產(chǎn)的有比亞迪、株洲中車時代、上海先進、華虹宏力、士蘭微,并且士蘭微12寸晶圓產(chǎn)線預計2020年底量產(chǎn)。


由于這些集成電路公司大多沒有獨立的功率器件生產(chǎn)線,只能利用現(xiàn)有的集成電路生產(chǎn)工藝完成芯片加工,所以設(shè)計生產(chǎn)的基本是一些低壓芯片。與普通IC芯片相比,大功率器件有許多特有的技術(shù)難題,如芯片的減薄工藝,背面工藝等。解決這些難題不僅需要成熟的工藝技術(shù),更需要先進的工藝設(shè)備,這些都是我國功率半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決的問題。


從80年代初到現(xiàn)在IGBT芯片體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等類型,在改善IGBT的開關(guān)性能和通態(tài)壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設(shè)計在工藝上實現(xiàn)卻有相當大的難度。尤其是薄片工藝和背面工藝。工藝上正面的絕緣鈍化,背面的減薄國內(nèi)的做的都不是很好。


薄片工藝,特定耐壓指標的IGBT器件,芯片厚度也是特定的,需要減薄到200-100um,甚至到80um,現(xiàn)在國內(nèi)可以將晶圓減薄到175um,再低就沒有能力了。比如在100~200um的量級,當硅片磨薄到如此地步后,后續(xù)的加工處理就比較困難了,特別是對于8寸以上的大硅片,極易破碎,難度更大。


背面工藝,包括了背面離子注入,退火激活,背面金屬化等工藝步驟,由于正面金屬的熔點的限制,這些背面工藝必須在低溫下進行(不超過450°C),退火激活這一步難度極大。背面注入以及退火,此工藝并不像想象的那么簡單。國外某些公司可代加工,但是他們一旦與客戶簽訂協(xié)議,就不再給中國客戶代提供加工服務(wù)。


在模塊封裝技術(shù)方面,國內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù),其中中低壓模塊封裝廠家較多,高壓模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國外公司相比,技術(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進封裝技術(shù),能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性,并初步實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。


高端工藝開發(fā)人員