汽车功率半导体产业化发展情况

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。 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。 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，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。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。 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。 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。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。 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。 EV和充电桩将成为IGBT和MOSFET最大单一产业链市场。 EV中的电机控制系统、引擎控制系统、车身控制系统均需使用大量的半导体功率器件，它的普及为汽车功率半导体市场打开了增长的窗口。 充电桩中决定充电效率和能量转化的关键元件是IGBT和MOSFET。 在各类半导体功率器件中，未来增长最强劲的产品将是MOSFET与IGBT模块。一般认为IGBT个大功率大，MOSFET适合开关和小电流驱动，其实IGBT与MOSFET有9大异同点。 IGBT与MOSFET的分类与异同点 IGBT全称是绝缘栅极型功率管，是由双极型三极管（BJT)和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。 MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件，具有开关速度快、易于驱动、损耗低等优势。MOSFET和IGBT均为集成在单片硅上的固态半导体器件，且都属于电压控制器件。 另外，IGBT和MOSFET在栅极和其他端子之间都有绝缘，两种器件全部具有较高的输入阻抗。 在应用中，IGBT和MOSFET都可以用作静态电子开关。 在结构上，MOSFET和IGBT看起来非常相似，实则不同。 IGBT由发射极、集电极和栅极端子组成，而MOSFET由源极、漏极和栅极端子组成。 IGBT的结构中有PN结，MOSFET没有任何PN结。 IGBT与MOSFET有9大异同点： 在低电流区，MOSFET的导通电压低于IGBT，这也是它的优势。 不过，在大电流区IGBT的正向电压特性优于MOSFET。 此外，由于MOSFET的正向特性对温度具有很强的正向依赖性，因此，IGBT的高温特性更好，导通电压比MOSFET低。 IGBT适用于中到极高电流的传导和控制，而MOSFET适用于低到中等电流的传导和控制。 IGBT不适合高频应用，它能在千Hz频率下运行良好。 MOSFET特别适合非常高频的应用，它可以在兆Hz频率下运行良好。 IGBT的开关速度比较低，MOSFET开关速度非常高。 IGBT可以承受非常高的电压以及大功率，MOSFET仅适用于低至中压应用。 IGBT具有较大的关断时间，MOSFET的关断时间较小。 IGBT可以处理任何瞬态电压和电流，但当发生瞬态电压时，MOSFET的运行会受到干扰。 MOSFET器件成本低，价格便宜，而IGBT至今仍属于较高成本器件。IGBT适合高功率交流应用，MOSFET适合低功率直流应用。 上述这些差别在应用上MOSFET和IGBT各有侧重点。通常MOSFET的额定电压约为600V，而IGBT的额定电压能够达到1400V。从额定电压角度看，IGBT主要用于更高电压的应用。 从工作频率角度看，IGBT通常在低于20kHz的开关频率下使用，此时它们比单极性MOSFET具有更高的开关损耗。 对于低频（小于20kHz)、高压（大于1000V)、小或窄负载或线路变化、高工作温度，以及超过5kw的额定输出功率应用，IGBT是首选。而MOSFET更适合低电压（小于250V)、大占空比和高频（大于200KHz)的应用。 MOSFET特别适合高频开关应用 作为电源开关，选择的MOSFET应该具有极低的导通电阻、低输入电容（即Miller电容)以及极高的栅极击穿电压，这个数值甚至高到足以处理电感产生的任何峰值电压。另外，漏极和源极之间的寄生电感也是越低越好，因为低寄生电感可将开关过程中的电压峰值降至最低。 MOSFET的优点决定了它非常适合高频且开关速度要求高的应用。在开关电源（SMPS)中，MOSFET的寄生参数至关重要，它决定了转换时间、导通电阻、振铃（开关时超调)和背栅击穿等性能，这些都与SMPS的效率密切相关。 对于门驱动器或者逆变器应用，通常需要选择低输入电容（利于快速切换)以及较高驱动能力的MOSFET。 IGBT适合高压大电流应用 与MOSFET相比，IGBT开关速度较慢，关断时间较长，不适合高频应用。 IGBT的主要优势是能够处理和传导中至超高电压和大电流，拥有非常高的栅极绝缘特性，且在电流传导过程中产生非常低的正向压降，哪怕浪涌电压出现时，IGBT的运行也不会受到干扰。 在实际应用中，逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的，对IGBT的要求各不相同。 综合来看，下面这些参数在IGBT的选择中是至关重要的。 一是额定电压，在开关工作的条件下，IGBT的额定电压通常要高于直流母线电压的两倍。二是额定电流，由于负载电气启动或加速时，电流过载，要求在1分钟的时间内IGBT能够承受1.5倍的过流。三是开关速度。四是栅极电压，IGBT的工作状态与正向栅极电压有很大关系，电压越高，开关损耗越小，正向压降也更小。 IGBT和MOSFET是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。MOSFET工作频率达到了兆Hz级，IGBT在大功率化和高频化之间找到了市场突破点。 在不间断电源（UPS)、工业逆变器、功率控制、电机驱动、脉宽调制（PWM)、开关电源（SMPS)等开关应用中，MOSFET和IGBT因其具有的优越特性，在性能上明显优于其他开关器件。 其中，MOSFET主要用于较低的电压和功率系统，而IGBT更适合较高的电压和功率应用。 IGBT是新能源汽车高压系统的核心器件，其最核心应用为主驱逆变，此外还包括车载充电器（OBC)、电池管理系统、车载空调控制系统、转向等高压辅助系统。 在直流和交流充电桩中，IGBT也有着广泛应用。 在新能源汽车中，MOSFET主要在汽车低压电器中使用，比如电动座椅调节、电池电路保护、雨刷器的直流电机、LED照明系统等。 在国产化进程中华润微、士兰微、新洁能、捷捷微电的MOSFET，以及比亚迪微电子、斯达半导体、士兰微的IGBT进入与国际10大原厂混战的阶段，具备局部优势。 关注原理、关注参数、关注应用，是元器件选型三要素。 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。 斯达半导体作为国内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。 宁波达新成立于2013年，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。 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。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。 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