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功率变流装置中的“真核”——IGBT 功率半导体系列(一)
 投资部          2019-02-18

广义来说,功率半导体分为功率分立器件(或模块)和功率IC。功率半导体在半导体产业中的位置如下图所示。

 

 

功率半导体有两大作用:电源开关和电源转换。

电源开关的原理是用小电流控制大电流,其中小电流部分的PMIC和Driver IC为功率IC,而大电流部分的开关如MOSFET、IGBT等属于功率分立器件或模块。

电源转换是指充电用电过程中交流电、直流电的相互转换。在小功率设备中,比如智能手机中的升压器、降压器、稳压器可集成在PMIC或做成单独功率IC;而在大功率设备中,比如电动汽车中的整流器、逆变器等一般则是由功率分立器件组成的功率模块。

不同功率半导体的作用表示见下图:

 

功率半导体市场规模及预测如下:

 

根据咨询机构Yole Development的数据,2018年全球功率半导体市场规模约302亿美元,其中分立器件/模组/功率IC规模分别为99、40和163亿美元,对应占比32.7%、13.3%和54.0%,从2016年到2022年,分立器件/模组/功率IC市场规模复合增速分别为3.4%、7.0%、3.1%,其中模组的增速最快。

本文接下来将介绍功率分立器件行业概况以及其中重要器件之一的IGBT。

 


 1. 功率分立器件行业概况

1.1 器件分类

功率分立器件按照是否能通过外界条件控制器件的开通和关断的分类标准可分为:

1. 不可控功率器件(普通功率二极管),可实现整流,单向导通;

2. 半控型功率器件(晶闸管等),只能触发导通,不能触发关断;

3. 全控型功率器件(MOSFET、IGBT等),可触发导通,也可以触发关断。


功率分立器件分类示意图:

 

在功率分立器件+模组整体市场中,MOSFET市场份额占比最大,2018年规模达到54.2 亿美元,占比39%。MOSFET高频特性好,但耐压能力不如IGBT,常用于开关电源、镇流器、高频感应加热/逆变焊机、通信电源等中低压/高频领域。

功率二极管市场规模45.9亿美元,占比33%。功率二极管结构相对简单,又细分为整流二极管、快恢复FRD、肖特基结SBD等,规模比例分别约20%、40%、40%,常用于整流、反接保护、DC/DC或AC/DC转换器、逆变器等。

IGBT对应市场规模为37.5亿美金,占比为27%,虽然开关频率稍慢,但在可承受大电压大电流使用,优势明显,适合焊机,逆变器,变频器,轨道交通/风电等高压大功率主流应用。

功率分立器件和模组中各分类器件市场规模情况:


 

1.2 下游应用

功率半导体不仅应用于电力系统,而且也广泛应用于一般工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统,同时还应用于照明、家用电器、个人电脑、消费电子等领域。

按照不同功率及使用频率来区分下游应用场景见下图:


 

功率器件在汽车与工业方面应用为主,各应用场景市场规模占比及增速预计见下图:

 

 

1.3 竞争格局

从整体功率器件市场来看,前五大厂商市场规模合计占比43%,其中中低压产品竞争格局相对于高压产品更加分散。细分来看,二极管行业前五大厂商份额合计约30%,整体格局较分散,低压MOSFET前五大占比为57%,IGBT前五大占比67%,高压MOSFET前五大占比81%,IGBT和高压MOSFET的竞争格局趋向更加集中。涉及到第三代化合物半导体方向上,集中度为最高,例如SiC与GaN功率器件前五大占比合计达到90%。市场占比数据反映了中低压产品竞争壁垒相对更低,虽然面临价格压力,但新进厂商相对更易进入。对于国内厂商来说,从二极管、低压MOSFET逐渐向高压MOSFET、IGBT 等领域替代似乎更符合规律,但也容易陷入激烈竞争。按照2022 年的行业预测,届时二极管与低压MOSFET两者合计将达到约96 亿美金市场规模,市场的扩大也有利于国内新进厂商从中受益。

各功率器件产品的行业集中度和行业规模见下图:

 

 

1.4 生产方式

目前全球功率器件厂商以IDM模式为主,纯代工/纯设计模式相对较少,材料以硅基为主。我们此前的研究中也有提到过,在下游市场空间相对较小的情况下,半导体生产呈现以IDM为主的模式,此处所指的市场规模大或小只是相对而言。在规模更大的市场,更加比拼规模经济和追求“摩尔定律”,因此也更容易出现代工盛行的局面。随着下游行业的市场规模不断扩大,生产模式是完全有可能从IDM逐渐转向代工+fabless模式的,这一现象在射频前端领域如功率放大器(PA)市场上已经开始有所体现。

国际功率器件大厂如英飞凌,安森美、意法半导体、瑞萨、罗姆、三菱等均是IDM模式。功率器件设计厂商在中国台湾占比较高,如富鼎、尼克松、大中、杰力等。大陆同样也是以华微电子、扬杰科技、士兰微等功率器件IDM厂商,以及华虹、华润微、立昂微电子等代工厂为主,纯设计企业较少。对于功率器件来说,晶圆的工艺制造能力仍然是核心要素,后文中会详细介绍。

全球主要功率器件厂商模式代表以及功率分立器件与逻辑芯片的生产要求对比见下图:

 

 

功率分立器件的产品要求和市场规模决定了IDM仍然为当前主流发展模式,主要原因包括:

1. 与 CPU/GPU、存储器等数字芯片追求低功耗高运算速度相比,功率器件更看重可靠性,一致性与耐功率特性,因此功率器件的核心能力之一是制造工艺把控,目前行业内主流的功率器件制造能力和管理经验都掌握在IDM厂手中,代工厂要赶超仍需要一些时间,例如国内代工企业里目前仅有华虹的工艺较为成熟; 

2. 功率器件产品生命周期可达数年甚至数十年,迭代较慢,而数字芯片迭代快速,仅1-2年左右就面临升级换代;因此,功率半导体的研发并未追求“摩尔定律”,相反,数字电路芯片追求最先进的工艺节点与特征尺寸的快速缩小。功率器件中所需要的耐大功率和大电流等特性反而需要大线宽,因此对于先进制程的需求并不迫切,生命周期的漫长也决定了更换的频次和用量无法与数字电子的快速更新相提并论,因此过去整体市场迭代的规模不像数字电路那么迅速; 

3. 考虑到经济性,功率器件主要集中在 4-8 寸线,以成熟制程为主(亚微米/微米级),而数字芯片主要在 8-12 寸线,以先进制程为主(数十/十几纳米为主);功率器件产线建设成本低于数字芯片,技术追赶难度与投资门槛相对数字芯片较低,功率器件产品的毛利相对数字芯片也更低,因此如果同为代工环节,功率器件代工的盈利能力会天然受限,厂商也就更倾向于为更高毛利的产品进行代工生产 

4. 从价值链各环节占比看,对于功率器件而言,晶圆制造与组装环节价值量占比较高,是攫取利润的重要环节。功率器件可主要分为前道制造,后道封装,及应用环节,前后道占据成本大头;而数字芯片还多了IP授权/设计/软件等非硬件生产的成本环节,与生产环节价值相当。价值链分配决定了逻辑芯片中的代工与 fabless分工均能获得丰厚的毛利,赚取硬件制造与非硬件环节利润;而功率器件厂商多是IDM模式,实现对上游晶圆制造,与中下游封装模组环节一起把控,提升利润水平;反之对于功率分立器件fabless厂来说,所能获取的毛利是比较有限的,综合竞争力相比IDM明显不足。 

 

1.5 主要厂商的财务情况 

2017年功率半导体公司财务情况对比:

 

 

从上表可以看出,主流厂商以IDM为主,且IDM厂商无论从体量还是盈利质量都远超设计公司,这也证明了此前的论述中,设计端的产值贡献较为有限,价值主要集中在生产部分。另外,对于代工厂来说,功率器件的产值和盈利能力在各方面都受到逻辑IC的挤压,大厂缺乏代工动力,也侧面造就了IDM把控市场格局以及获取了大部分利润空间的局面。 

各器件生产成本对比以及价值链对比:

 

 

 

2. IGBT

2.1 IGBT原理介绍

IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator,绝缘栅双极型晶体管)是由BTJ(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,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低通导压降两个方面的优点,驱动功率小而饱和压低。

作为一种大功率电力电子器件,IGBT是电控系统的核心部件,被称作电力电子装置的“CPU”。广泛应用于600V以上的变流系统,如交流电机、变频器、开关电源、牵引系统等领域。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,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

IGBT的作用本质是开关,非通即断,可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小,从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用,可以应用于逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

从结构来看,IGBT相当于比MOSFET多一层P+注入区,通过背面P层的空穴注入能够降低器件的导通电阻。从产品来看,IGBT一般用在高压功率产品上,电压范围一般600V-6500V;MOSFET应用电压相对较低,从十几伏到1000V。

 

 

IGBT最常见的应用形式是模块,而不是单管。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。

 

 

模块的主要特征包括:

 ü多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上;

 ü空心塑壳封装,与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂,以及其他可能的软性绝缘材料;

 ü同一个制造商、同一技术系列的产品,IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT 单管基本相同。


模块的主要优势包括以下:

 ü多个IGBT芯片并联,IGBT的电流规格更大;

 ü多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,可以减少外部电路连接的复杂性;

 ü多个IGBT芯片处于同一个金属基板上,等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板,工作更可靠;

 ü一个模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选,其参数一致性比市售分立元件要好;

 ü模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比,电路布局更好,引线电感更小。


需要注意的是,单管的价格远低于模块,但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和一些低速电动车外,绝大部分都是使用模块。

模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品,模块的最高电压等级一般会比IGBT 单管高1-2个等级,如果单管产品的最高电压规格为1700V,则模块有2500V、3300V 乃至更高电压规格的产品。

 

 2.2 IGBT下游应用

IGBT 应用领域极其广泛,小到家电、数码产品,大到轨道交通、航空航天,以及清洁发电、新能源汽车、智能电网等战略性新兴产业都会用到 IGBT。

按电压分布来看IGBT各应用领域见下图:

 

 

600V以下的低压区域,IGBT主要用于消费电子领域,例如数码相机闪光灯、小家电设备如电磁炉中。

600V至1700V之间的中低压领域,IGBT广泛运用于新能源汽车和家电中。IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心元件,电机驱动系统的核心元件,包括车载空调控制系统和充电桩中也需要用到IGBT。家用电器领域的IGBT被集成于IPM中,作为变频器的关键部件,在变频、节能上发挥重要作用。而太阳能逆变器则需要 600/650V 和 1200V 低损耗的 IGBT。

1700V以上的高电压领域,IGBT运用于轨道交通、清洁发电、智能电网等领域。动车组常用的 IGBT 模块为 3300V 和 6500V,轨道交通所使用的 IGBT 电压在 1700V-6500V 之间,智能电网使用的 IGBT 通常为 3300V。

 

 2.3 IGBT市场规模及竞争格局

根据Yole预测,2022年全球IGBT市场将超过50亿美元,其中新能源车被认为将成为IGBT市场最重要的增长动力,主要原因在于新能源车动力系统电动化带来对于IGBT的巨大需求。2022年预计汽车IGBT市场占比整体市场将达到近40%,2016至22年预期CARG为15.7%。除了新能源汽车外,另一个主要驱动力是电机IGBT,预测电机IGBT市场16-22年CAGR为4.6%。

2016至2022年IGBT市场规模预测:

 

 

IGBT行业集中度很高,行业前十大厂商规模占比达到了86.6%,前五大厂商占比达67.5%。目前,全球IGBT主要的供应商包括英飞凌、安森美、富士电机、东芝、三菱、意法半导体等,以欧洲及日本企业为主。

2017年IGBT市场格局图:

 

 

IGBT市场格局按电压分类图:

 

 

上图中可以看出:

 ü400V及以下的低压段,安森美半导体和英飞凌分别占据一二位;

 ü600V-1700V中低压段,英飞凌占据头把交椅,安森美列第二;

 ü2500V-3300V高压段,日系厂商三菱和富士电机分列一二位;

 ü4500V及以上的更高压段,三菱和ABB列前两位,中国中车受益于高铁对大功率IGBT的需求市场份额位列全球第五。

 从总体市场格局来看,IGBT市场基本被欧洲和日本大厂所统治,尤其英飞凌和三菱,在几乎全电压段都位列前三位次,国内厂商还有很大的进步空间。

 

2.4 我国IGBT发展

根据Yole调研统计,IGBT分立器件中国市场占全球43%,IGBT模组占全球33%,中国已经是全球最大的IGBT市场,但其中90%仍然依赖于进口,存在很大的国产替代空间。

目前中国初步形成了IGBT产业链,以嘉兴斯达半导体、中车时代电气、比亚迪电子为首的模组厂正在快速发展。比亚迪2018年12月底发布了IGBT4.0技术,同时比亚迪正在投入第三代半导体材料SiC研发。

我国大功率 IGBT在轨交领域的率先实现了自主研发生产和进口替代,这一替代的实现首先来自海外收购。2008年株洲中车时代电气并购英国丹尼克斯公司,从而引进了6英寸 IGBT的生产技术,此后在6英寸的基础上进行研发升级,在 2014 年6月成功在国内建造出第一条8英寸IGBT芯片生产基地,并实现了平面栅到沟槽栅的技术升级,这是国内首条、世界上第二条8英寸 IGBT专业芯片生产线;同年11月,我国自主设计生产的8英寸IGBT芯片的模块在云南昆明地铁成功运行。由此,我国打破了国外高端 IGBT技术垄断,形成 IGBT“芯片—模块—系统应用”完整产业链。

在新能源车、智能电网领域的进口替代紧随其后。2014年 3月上海先进半导体与比亚迪开始紧密的合作,在1200V平台上开发出2个产品,通过了全套汽车级可靠性标准测试并开始装车试用;2015年8月,上海先进通过了比亚迪专家组的审核,正式进入比亚迪新能源车用 IGBT 的供应链。2015年10月,上海先进与比亚迪举行“建设战略产业联盟合作协议”签约仪式,进一步推动新能源车用芯片国产化进程。2015 年 12 月,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。

国内IGBT产业链主要公司见下图:

 

 

2.5 IGBT发展趋势

20世纪80年代至今,IGBT芯片经历了6代升级,从平面穿通型(PT)、到沟槽型电场——截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从 600V提高到 6500V 以上。第7代 IGBT 由三菱电机在2012年推出,IGBT 更新一代的 SiC 技术也已经在日本普及,三菱、Fuji、Rohm等都有能力制造出 SiC元件。

 

 

纵观IGBT的发展趋势,始终朝着1.降低损耗,2.降低生产成本的方向进行。总功耗= 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon)。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。

IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主,中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接,压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展,芯片的最高工作结温与功率密度不断提高, IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连两方面改进。模块技术发展趋势:1.无焊接、无引线键合及无衬板/基板封装技术,2.内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件,不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

IGBT的应用场景以汽车、工业为主,对于安全性和可靠性的要求,IGBT的寿命通常较长,产品迭代速率不追求摩尔定律,总体迭代周期相较消费电子长很多。

由于硅基IGBT逼近材料特性极限,技术升级迫在眉睫,随着数万伏高压、高于500度的高温、高频、大功率等需求的提出,SiC基IGBT将站上历史舞台。目前SiC的限制主要体现在1.价格,2.电磁干扰上,在此类基础材料的研发上,日本企业领先优势明显。

 

2.6 IGBT的工艺难点

IGBT的关键有两点,一是散热,二是背板工艺。

IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS没区别,区别在背面,背面工艺有几点,首先是减薄,大约需要减薄6-8毫米,减得太多容易碎片,减得太少没有效果。接下来是离子注入,注入一层薄磷做缓冲层,第四代需要两次注入磷,本来硅片就很薄了,两次注入很容易碎片。

然后是清洗,接下来金属化,在背面蒸镀一层钛或银,最后是Alloy,因为硅片太薄,很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。

这些工艺不仅需要长期摸索,同时还需要针对工艺开发生产设备,只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。

自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到IGBT的封装上,也就是散热。

车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,逆变器内温度最高可达大20度,同时还要考虑强振动条件,车规级的IGBT远在工业级之上。


如何解决散热?

ü第一点,就是提高 IGBT模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力, IGBT模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程,提高了载流密度;

ü第二点,新的焊接工艺,传统焊料为锡铅合金, 成本低廉、工艺简单, 但存在环境污染问题, 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点(220℃)。

解决该问题的新技术主要有:低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比,银烧结技术的导热性、耐热性更好,具有更高的可靠性。瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层,熔点比传统焊料高,机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。

ü第三点,改进DBC和模块底板,降低散热热阻,提高热可靠性,减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷,热导率更高,与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。

此外,新型的散热结构,如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构, 能够显著降低模块的整体热阻,提高散热效率。

ü第四点,就是扩大模块与散热底板间的连接面积,如端子压接技术。


散热的关键是材料,而材料科学是一个国家基础科学的体现,中国在这方面非常落后,日本则遥遥领先,不仅在德国之上,还在美国之上。

IGBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角,鉴于它的重要性,丰田决定完全自主生产,实际丰田SiC的研究自上世纪80年代就开始了,足足领先全球30年。

SiC能将新能源车的效率再提高10%,这是新能源车提高效率最有效的技术。丰田汽车就表示:“SiC具有与汽油发动机同等的重要性。”

 

 

 


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