QDSJ314 汽车功率半导体技术及产业化发展情况

NO.314汽车功率半导体化发展情况什么是IGBT所谓绝缘栅双极型晶体管），是由BJT（MOS（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。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。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与模块。一般认为个大功率大，MOSFET适合开关和小电流驱动，其实与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和驱动、损耗低等优势。MOSFET和半导体器件，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。图：IGBTvsMOSFET结构图示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。（小于20kHz（大于1000V)、小或窄负载或线路变化、高工作温度，以及超过5kw首选。而MOSFET（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。图：不同类型晶体管的性能比较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。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。 • I-«fi;!GRT@:y-*ê*.êï?=iù bTC TC+K TC+FS+Tenchb'.›.a.í.ii:akž'!ś+-•+'.-\..•.-r‹.--::•n.üi'JiürclR›'ï'‹”yî:I.\”r cNcÄgr,ï. 6'kÀz/»ØÅ&‹4wsa«

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1997FS 27 1.3 0.19 2001F5-Trench 24 1 0.cNcÄgr,ï. 6'kÀz/»ØÅ&‹4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行业，主要由无锡中科君芯承担研发工作，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、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芯片产品，芯片电流等级涵盖10A～模块，模块电压涵盖600V～1700V级涵盖10A～800A。上海陆芯电子科技聚焦于功率半导体、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，实现高阻断电压，有效减少芯片面积，达到工业级和（SOA）和短路电流安全操作区域性能最优；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（TrenchFS）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。株洲中车时代半导体有限公司作为中车时代电气股份有限公司下属全资子公司，全面负责公司半导体产业经营。从1964率半导体技术的研发与产业化，2008目前已成为国际少数同时掌握大功率晶闸管、IGCT、及SiC器件及其组件技术的IDM（集成设计制造）模式企业代表，拥有芯片—模块—装置—系统完整产业链。中车时代半导体拥有国内首条、全球第二条8英寸芯片线，全系列高可靠性产品已全面解决轨道交通核心器件受制于人的局面，基本解决了特高压输电工程关键器件国产化的问题，并正在解决我国新能源汽车核心器件自主化的问题。比亚迪是在2005年进入IGBT产业，于2009年推出首款车规级IGBT1.0技术，打破了国际厂商垄断，实现了我国在车用IGBT芯片技术上零的突破。2018年其推出的4.0命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品，且产能已达5万片，并实现了对外供应。在IGBT新进玩家中，振华科技参股20%的成都森未科技有限公司是一家由清华大学和中国科学院博士团队创立的高科技企业，公司成立于2017年，主要从事销售。公司主营产品电压等级为600V-1700V，单颗芯片电流规格5A-200A，覆盖工业控制、变频家电、电动汽车、风电伺服驱动、光伏逆变器等领域。成立于2018年11月的广东芯聚能半导体，也看重IGBT这个市场。第二阶段将面向新能源汽车和自动驾驶的汽车功率模块、半导体器件和系统产品，延伸并形成从芯片到封装、模块的产业链聚集。除了上述提到的企业，国内的装等整个产业链基本都已有布局。整体来看，中国步具备国产替代能力。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、、NEC、Ricoh、、、Sanyo、Sharp、Fujitsu、、、Matsushita、FujiElectric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。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（PulseWidthModulationIC，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