低碳开启功率半导体的春天——IGBT“模块”深度分析.docx

转载低碳开启功率半导体的春天IGBT“模块”深度分析(2010-05-31 11:27:24) 转载原文标签： 转载原文地址：低碳开启功率半导体的春天IGBT“模块”深度分析作者：笑笑开颜一、引言与手机支付、物联网的炒作火爆相比，功率半导体的概念显得十分羞涩，虽然国金连出两份推介报告，但市场的认同度仍然较低。不过，随着相关个股的骚动，IGBT这样一个陌生的专业名词已经被投资者逐渐关注。随着对“IGBT”从陌生、了解到深入分析，我们发现，由于产业政策的滞后和相关基础的薄弱，IGBT等新型功率半导体应用的爆炸性前景与IGBT国产化的惨淡现状形成了极为鲜明的对比。可以说，目前国内企业，特别是上市公司，在IGBT核心技术产品方面依然是空白的，炒“IGBT”仅仅是在炒预期，IGBT的国产化存在着诸多不确定性。二、前景低碳时代的热门词少不了“新能源”、“高铁”、“电动汽车”、“智能电网”，而这些产业或产品无一例外地依赖于功率半导体的应用，IGBT在目前阶段成为它们不可或缺的功率核“芯”。1.风力发电风力涡轮发电机如要获得稳定的电能并网发电，必须依靠相应的变频、逆变系统，这些都需要能够自关断电流的IGBT器件才可能实现。目前兆瓦级风电逆变器用大功率IGBT的供应商主要有英飞凌、富士电气、三菱等，而主要的风电逆变器供应商如艾默生、ABB、西门子和阿尔斯通都选用了英飞凌的方案。随着我国大力推广风电产业，处于上游之上游的IGBT无疑不只是分一杯羹而已。2.太阳能发电随着绿色电力运动势头不减，太阳能的应用即光伏发电、太阳能电池等方兴未艾。为了有效地满足这些产品的需求，电源设计师正通过最少数量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太阳能源转换成所需的交流或者直流电压。因此太阳能逆变器就需要控制、驱动器和输出功率器件的正确组合。要达到这个目标，IGBT是作为功率开关的必然之选。3.高铁及轨道交通轨道车辆中广泛采用IGBT模块构成牵引变流器以及辅助电源系统的恒压恒频(CVCF)逆变器。国外的地铁或轻轨车辆辅助系统都采用方案多样的IGBT器件。德国针对机车牵引需开发适用于750 V电网的1.7 kV IGBT和用于1500 V电网的3.3 kV IGBT模块，简化了牵引逆变器主电路的结构。日本的700系电动车组的三点式主变流器采用大功率平板型IGBT(2500V/1800 A)，整流器和逆变器的每个桥臂可用1个IGBT元件，从而使IGBT组件在得到简化的同时，功率单元总体结构也变得紧凑。我国引进法国Alstom公司的200 kmh动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6 500 V600 A的IGBT器件，辅助变流器采用开关频率为1 950 Hz的PWM技术，由3台双IGBT和相关反并联二极管组成，每台双IGBT组成三相中的一相；上海轨道交通3号线车辆是其辅助系统由电压等级为330 V的IGBT构成2点式逆变器直接逆变；广州地铁1号线车辆上的辅助系统采用IGBT双重直-直变换器带高频变压器实现电气隔离；深圳地铁一期采用6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用于制动斩波器的IGBT模块完成牵引逆变功能：天津滨海动车组主电路采用IGBT电压型三相直一交逆变器，辅助电源的逆变器采用IGBT元件的逆变器，开关容量为3 300 V800 A。4.电动汽车电动汽车最关键的瓶颈是电机驱动控制和充放电，这些更离不开由IGBT组成的逆变桥。北京理工大学、天津大学、中科院等机构都在研究电动车的样车、仿真车时都采用了英飞凌(Infenion)HybridPACK 的IGBT功率模块，适用于最大电池电压为450V且功率高达20kW的轻度混合动力汽车。这种模块以英飞凌(Infenion)领先的IGBT沟槽栅场截止技术为基础,可实现较低的开关损耗.HybridPACK 1经过专门设计,长期工作结温为150,采用六管三相桥结构,额定值高达400A/600V。5.智能电网广义上讲，风电、光伏发电等都是智能电网电源侧的重要组成部分。在电网部分的高压直流输电、FACTS柔性输电技术，负荷侧的电机变频控制、智能家电产品、LED照明驱动等方面也对IGBT等功率半导体形成了大量的需求。三、现状目前IGBT主流厂家：为德国Infineon（英飞凌），瑞士ABB，美国飞兆（Fairchild），日本三菱、FUJI等。欧美品牌的产品主要用在电力电子和通讯行业，而日本的品牌主要用于电磁炉、变频空调、冰箱、洗衣机等家电类居多。近几年英飞凌的IGBT单管也在家电类产品中占有一席之地，而三菱的IGBT模块在也开始大量应用于军工、电力电子等行业。IGBT的产业化在我国还属空白。无论技术、设备还是人才，我国都处于全方位的落后状态。虽然国家在“八五”和“九五”期间分别立项支持了IGBT的研发和产业化，但是由于各种客观原因，这些攻关的成果只是做出了技术样品，而没能把技术样品变为工程产品并且实现产业化生产。很长时间以来，在半导体行业中有相当一部分人认为我们国家已掌握了0.15微米、8英寸的集成电路技术，IGBT的0.5微米、6英寸的技术应没有太大难度。事实上它们的差别在于：集成电路的技术难点在于拓扑结构及版图设计，其生产工艺较为规范化和标准化，只要版图设计好了，在一条常规的线宽合适的IC流水线上流片应不会有太大的问题；而IGBT正好相反，其设计技术相对而言不太复杂，但由于其大电流、高电压、高频和高可靠的要求，加工工艺十分特殊和复杂。目前，全国还没有一条较完备的IC工艺线可以从头到尾完成IGBT的生产。另外，对于不同电压等级和频率范围的IGBT，其主要工艺也有较大差异，从而增加了IGBT生产的特殊性和复杂性。我国的IGBT器件之所以没能最终实现产业化还有一个重要原因是缺少产业化的技术经验和人才。随着近几年来海归派回国创业，这一状况在某种程度上得到了改善。此外，国内高校和研究机构的兴趣大多转移到SiC和GaN宽禁带半导体器件及电源管理芯片方向，目前国内只有两三家高校及院所还在进行与IGBT器件相关的研发，并且主要限于计算机仿真研究。这就导致了我国在IGBT设计和研发方面的人才奇缺。IC的电热学特点是电流小、电压低、对散热没有太高要求，因此，IC的工艺特点是浅结、薄膜和片厚。而IGBT正好相反，其特点是电流大、电压高和频率高，因此对散热的要求非常高，这样，就必然导致IGBT的工艺特点是结深、膜厚和片薄。另外，应用系统对IGBT器件的可靠性要求也很高。IGBT作为一种主流器件，在国际上已经发展到了商业化的第五代，而我国只有少数企业从事中小功率IGBT的封装，而且尚未形成规模化生产。我国在IGBT芯片的产业化以及大功率IGBT封装领域的技术更是一片空白。因此，探索更加积极、有效的模式，促成电子器件企业的技术融合、取长补短，实现IGBT的产业化，才能尽快填补我国基础工业中先进电力电子器件的空白值得关注的是，不少海龟利用民间资本已经试水IGBT的国产化，主要代表有嘉兴斯达半导体的沈华、南京银茂微的庄伟东、无锡凤凰的屈志军、东营科达的陈智勇等。但绝大多数尚处于实验室阶段或为人代工封测，真正意义的国产IGBT产业才刚刚起步，海龟们更多的体会是创业的艰辛而非创新的喜悦。国外公司在IGBT的产业化技术方面对我国还是实行严密的封锁政策。这就严重制约了IGBT器件在我国的产业化发展。四、政策微电子技术是对信号的处理和转换，可以提高人们的工作效率和生活质量；而电力电子是对电能的控制和变换，可以提高用电效率和改善用电质量，也是工业化和信息化融合的关键技术。集成电路和电力半导体器件在国民经济发展中地位同样重要，两者相辅相成。然而，同样重要的技术并没有得到同样的重视，国家在2000年出台了18号文件，重点支持集成电路和软件技术的发展，没有将新型电力半导体器件列入其中。国家十一五重大专项中，新型电力半导体器件又未能进入支持目录。针对IGBT产业，必须运用系统工程打造产业化体系。在设计领域，应重点利用海归技术人员所掌握的国际先进技术和国内部分高校和研究所的前期经验；在芯片制造领域，应充分利用国内已有的IC和分立器件生产线，补充必要的生产设备；在封装领域，应重点发展单管大尺寸封装(TO-220以上)、标准功率模块、智能化功率模块和用户定制功率模块；在测试领域，应发展新型器件的动静态特性测试、可靠性试验及失效分析手段；在原材料领域，应重点发展高阻外延单晶、区熔单晶和磁场直拉单晶；在设备领域，应重点发展大面积减薄、微细刻蚀、大束流离子注入等设备；针对应用特性，应重点研究器件和电路接口方面的技术问题，如驱动和保护电路的设计等；针对人才培养，短期可以从国外引进一批有着丰富实践经验的高层次技术人才，长期则需要在国内高校培养新型电力半导体器件的设计和制造人才。根据我国IGBT产业化的特点和需要，在产业化的进程中要给予相关政策支持，如zf采购、财政补贴、税收优惠、关税保护、国产化率考核、国产装备的风险补偿、大型节能减排项目示范工程等。不仅要对器件的研发给予重点支持，而且应在系统应用的源头利用政策的杠杆来辅助，才会使国内的器件制造从弱势成长为强势。此外，我们还应制定IGBT产业化各环节和全程目标，设置和控制关键点，建立对产业化全程的反馈和优化控制流程。要把我国IGBT产业化与节能减排规划、新能源发展规划、装备制造、电子信息及其他产业调整振兴规划衔接，加强IGBT产业化的配套设施建设。为了改变这一现状，中国zf也出台了一系列政策对该产业进行扶持。在2009年出台的电子信息产业调整和振兴规划中，明确提出了“加快电子元器件产品升级”，“充分发挥整机需求的导向作用，围绕国内整机配套调整元器件产品结构”，提高新型电力电子器件、高频频率器件等产品的研发生产能力，“初步形成完整配套、相互支撑的电子元器件产业体系”。根据国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)，科技部在“十一五”国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件及重大装备研制”中，将“新型电力电子器件及电力电子集成技术”列为该重点项目的第一项课题。令人欣喜的是国家发改委于2010年3月19日下发红头文件：国家发展改革委办公厅关于组织实施2010年新型电力电子器件产业化专项的通知，其专项重点明确了以IGBT为代表的芯片和器件的设计开发及产业化、功率模块产业化等。这充分体现了上层对目前功率半导体国产化的瓶颈和困局已有比较深刻的认识和危机意识。五、标的无论是智能电网还是物联网、手机支付，股市投资者的触角都比现实中普通公民要敏锐的多。当大多数股民已经对物联网津津乐道时，现实生活中的物联网还很少有人领会。IGBT概念同样如此。前文分析已经阐明，目前中国IGBT的产业化还是空白，核心技术及主流市场被国外厂商垄断，IGBT的国产化存在不确定性。但正因为如此，找寻国内上市公司涉足IGBT的蛛丝马迹才更有yh性。延续高铁国产化的突变思路，IGBT的国产化道路也不能从头做起。注重引进和自主研发并重才是正道。在这方面，南车时代电气（03898）和比亚迪电子（00285）都已作出了榜样，华润微电子（00597）更是有了大的突破。根据公开信息和相关资料（非实地调研，坛友注意风险，也请大家补充），本人选出并跟踪如下A股标的：华微电子（600360）老牌功率半导体生产基地，2007年初胡总亲临视察，2010年3月国家发改委进行了战略性调研。地处东北吉林，受惠东北振兴规划以及朝鲜开放罗津港的契机。与美国飞兆（快捷）有紧密的合作。拥有3英寸、4英寸、5英寸与6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线。无论从人才资源的利用、国内行业的契合、初期烧钱的承受力方面，华微无疑具有明显的优势。未来功率半导体潜在的龙头老大。长电科技（600584）手机支付概念已经吸引了众多的资金，半导体微电子的旗舰，地处江苏江阴，与微电子异常繁荣的无锡紧密相连，技术跟踪及创新有明显优势。不过如前所述，功率半导体还是有其独特性，长电在集成技术方面的优势能否在功率半导体延续还是未知。不过确实是一家很好的公司，值得重点关注。中环股份（002129）天津中环半导体是功率半导体的新军，主营半导体材料及半导体集成器件，在传统功率半导体行业（如可控硅SCR）占有一席之地。目前应该也是出于发展的阵痛期，前几日大股东否决了债券融资