新能源 汽车 的成本构成中，除了动力电池外，电控系统以 15~20%的成本占比位列第二。在电控系统成本中，IGBT成本占比高达 40%，是电控系统中最重要的构成器件，主要作用是进行交流电和直流电的转换、电压高低的转换。
功能上，IGBT 主要应用于电池管理系统、电动控制系统、空调控制系统和充电系统。对于混合动力 汽车 ，与低压系统相独立的高压系统也需要用到 IGBT。在新能源 汽车 领域，IGBT 作为电控系统和直流充电桩的核心器件，直接影响电动车功率的释放速度、 汽车 加速能力和最高时速等，重要性不言而喻。
由于 IGBT 具有更好的耐高压特性，当前在 650V 以上应用场景被广泛使用。相比硅基 MOSFET，IGBT 优点是导通压降小，耐高压，传输功率可以达到 5000W。IGBT 下游应用主要依据工作电压高低划分，车规级 IGBT 电压多位于 650~1200V 区间场景。
本篇文章就来对本土车规级 IGBT 的发展现状、行业格局与未来趋势进行分析，在现状中认清差距，在趋势中窥见转机。
本土产业现状
近两年，随着新能源 汽车 的快速发展，IGBT 也迎来了爆发。据集邦咨询《2019 中国 IGBT 产业发展及市场报告》显示，2018 年中国 IGBT 市场规模约为 153 亿元，同比增长 19.91%。受益于新能源 汽车 和工业领域的需求大幅增加，中国 IGBT 市场规模将持续增长，到 2025 年，中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿元，年复合增长率近 20%。
我国是车规级 IGBT 的主要市场之一，约占全球市场份额超过 30%，但中高端 IGBT 主流器件市场基本被欧美、日本企业垄断，比如英飞凌、富士电机、三菱等外资企业，我国 IGBT 产品对外依赖度近 95%，呈现寡头垄断的竞争格局。
国内研发车规级 IGBT 的企业较少，或与其研发、生产的高难度有关。
在比亚迪入局 IGBT 之前，国内自主研发的 IGBT 几乎一片空白，基本被外资企业垄断。
图源 | mydrives.com
比亚迪微电子公司（比亚迪半导体公司前身）成立于 2004 年，初期主要承担着比亚迪集团集成电路及功率器件的开发、整合、晶圆等生产任务，主要经营功率半导体器件、IGBT 功率模块、CMOS 图像传感器、电源管理 IC、传感及控制 IC 等产品。其中，IGBT 是比亚迪半导体的拳头产品。
从 F3DM 采用的 IGBT 1.0 芯片，大规模配置于 e6、K9 等新能源车型上的 IGBT 2.5 芯片模块，到去年推出的 IGBT 4.0 芯片，比亚迪的 IGBT 芯片已经研发了超过十年，成为国内首个贯通新能源 汽车 IGBT 芯片设计、晶圆制造、模块封装、仿真测试以及整车测试等全产业链企业。
近日，比亚迪 IGBT 项目在长沙正式动工。据悉，该项目总投资 10 亿元，将建成年产 25 万片 8 英寸新能源 汽车 电子芯片生产线，投产后可满足年装车 50 万辆新能源 汽车 的产能需求，预计年度营业收入可达 8 亿元，实现利润约 4000 万元。
比亚迪电控、IGBT 模块等零部件背靠集团新能源 汽车 的发展，成为市场中亮眼的存在。比亚迪已经成为国内新能源 汽车 市场中装机量最多的电控供应商，IGBT 部分也成为国内新能源 汽车 电控用功率模块装机量数一数二的供应商。
有数据显示，2019 年，英飞凌为国内电动乘用车市场供应 62.8 万套 IGBT 模块，市占率达到 58%。而比亚迪供应了 19.4 万套，市占率达到 18%（按最新数据估算，其在中国车规市场的份额已达 22.1%）。可以说，比亚迪缓解了我国车规级 IGBT 芯片市场一直被外企“卡脖子”的局面。
2019 年，比亚迪 IGBT 自供比率约 70%，尽管比亚迪打破了国际巨头的垄断，但其对外供应量仅 4 万多套，可以看出比亚迪还是相当保守的。因此，4 月 14 日比亚迪宣布通过整合公司半导体业务、成立了独立的“比亚迪半导体有限公司”，扩大 IGBT 业务量，下一步的规划是让 IGBT 的外供比例争取超过 50%。
小结： 目前比亚迪在国内新能源 汽车 用 IGBT 市场的份额只有 20%左右，市场绝大部分仍掌握在英飞凌、三菱等外资企业手里，比亚迪占据的市场份额并不算高。放眼全球 IGBT 市场，比亚迪所占据的市场份额更是不足 2%，差距巨大。
比亚迪的孤单，不仅体现在 IGBT 技术实力和市场份额上的种种差距，更在于关键零部件领域自主品牌弱势的行业积淀和产业生态现状。
由此来看，比亚迪和国内 IGBT 企业们的追赶之路并不好走。但纵使路漫漫其修远兮，还望上下而求索
国际巨头压力之外，比亚迪还面临着来自本土竞争对手——斯达半导体带来的挑战。
根据 IHS Markit 2018 年报告，斯达半导体是国内唯一进入全球前十的 IGBT 模块厂商。相较于比亚迪半导体的 IGBT 技术从 1.0 迭代到 4.0（相当于国际第五代），斯达半导的 IGBT 技术已经发展到了第六代，基于第六代 Trench Field Stop 技术的 IGBT 芯片及配套的快恢复二极管芯片已在新能源 汽车 行业实现应用。
根据今年公司上市时披露的数据来看，斯达半导体 2019 年生产的车规级 IGBT 模块已经配套了超过 20 家终端 汽车 品牌，合计配套超过 16 万辆新能源 汽车 ，此外适用于燃油车的 BSG 功率组件顺利通过了主流 汽车 厂商的认证，打开了传统 汽车 市场。其中，斯达半导的子公司 StarPower Europe AG 使用自主芯片的 IGBT 模块在欧洲市场已被包括新能源 汽车 行业在内的客户接受并批量采购，步伐迈入全球化。
小结： 斯达半导体与比亚迪相比：比亚迪 IGBT 业务有着自身新能源 汽车 产业做背书，使其产品研发和应用落地获益，此为优势；
然而，“水能载舟，亦能覆舟”，或许也正是由于比亚迪本身有整车业务，进而难以让其他车企真正放下心中的芥蒂，使用比亚迪的 IGBT 产品。此为劣势。
相信斯达半导体的崛起对于比亚迪和本土 IGBT 产业来讲不是坏事。毕竟，“一枝独秀不是春，百花齐放春满园”。
此外，国内还有中车、士兰微、扬杰 科技 、宏微 科技 等企业在进行车规级 IGBT 的研发和生产。随着国家的高度重视和大力扶持，国内在 IGBT 研发方面确实已经取得了长足的进步，本土 IGBT 产业链已经初步形成。
但基于国内产业现状，再加上 IGBT 本身设计门槛高、制造技术难、投资大，国内相关人才又较为缺乏，在设计、测试以及封装等核心技术方面还积累不够，导致国内半导体企业在 IGBT 市场一直处于弱势地位。
整体来看，国内功率半导体分立器件产业的产品结构仍以中低端为主，在高端产品方面目前国际厂商仍占据着绝对优势地位，供需一直存在较大缺口，技术差距短期内或较难追平。
IGBT 市场格局：外企垄断之下，本土产业痛点何在？
自 1985 年前后美国 GE 成功试制工业样品以来，IGBT 经过 30 多年的发展，如今已发展到第 7 代技术。第 7 代由三菱电机在 2012 年推出，富士电机则从 2015 年就开始对外提供 IGBT 模块第七代产品的样品。而比亚迪 2018 年 12 月才发布 IGBT 4.0 技术（也就是国际上第五代技术），其中的差距不言而喻。
根据 IHS 统计，2018 年仅英飞凌、三菱、富士电机、安森美、ABB 五大厂商在 IGBT 领域占据的市场份额接近 70%，其中排在第一位的英飞凌市场份额高达 34.5%。目前国内 IGBT 产品的研发与国际大厂相比还存在很大差距，核心技术均掌握在外资企业手中，IGBT 技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。
国内 IGBT 技术(芯片设计、晶圆制造、模块封装)目前尚处于起步阶段。本土企业在研发与制造工艺上与世界先进水平差距较大。而且，IGBT 是关键设备上的核心部件，供应切换具有非常高的风险，这也制约了我国 IGBT 技术的发展和产品的应用。
形成上述局面的原因可以概括为以下几个方面。
国内 IGBT 产业化起步较晚且基础薄弱，例如比亚迪、斯达半导体 2005 年才开始成立 IGBT 团队，而英飞凌 1999 年就从西门子拆分出来，且之前就已经有了很深的技术积累，技术差距短期内很难追平。
再加上 IGBT 本身设计门槛高、制造技术难、投资大、国内相关人才较为缺乏，在设计、制造、测试以及封装等核心技术方面还积累不够，导致国内半导体企业在 IGBT 市场一直处于弱势地位。
目前国内 IGBT 行业虽然逐渐具备了一定的产业链协同能力，但国内 IGBT 技术在芯片设计、晶圆制造、模块封装等环节目前均处于起步阶段。
晶圆制造方面，国内 IGBT 主要受制于晶圆生产的瓶颈，首先是没有专业的代工厂进行 IGBT 的代工，原 8 寸沟槽 IGBT 产品主要在华虹代工，但是 IGBT 并非华虹主营业务，产品配额极其匮乏，且价格偏高；
其次，与国外厂商相比，国内公司在大尺寸晶圆生产上工艺仍落后于全球龙头。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。目前，IGBT 产品最具竞争力的生产线是 8 英寸和 12 英寸，国内晶圆生产企业此前大部分还停留在 6 英寸产品的阶段。仅有比亚迪、中车、士兰微等几家国内企业实现 8 英寸产品量产。
同时，由于国内集成电路公司没有独立的功率器件生产线，只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工，所以设计生产的基本是一些低压芯片。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。
可以看出，IGBT 是一个对产线工艺依赖性极强的公司，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，这意味着设计公司不能跳出代工厂的支持独立存在。所以，IGBT 企业走向大而强的最好的路线就是 IDM 模式。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。
在模块封装技术方面，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 20℃，同时还要考虑强振动条件。国内目前仅掌握了传统的焊接式封装技术，与国外公司相比，技术上的差距依然存在。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。
自第六代技术以后，各大厂商开始将精力转移到 IGBT 封装上。在 IGBT 封装材料方面，日本在全球遥遥领先，德国和美国处于跟随态势，我国的材料科学则相对落后。
IGBT 产业每道制作工艺都有专用设备配套，国内 IGBT 工艺设备购买、配套较为困难。比如德国的真空焊接机、薄片加工设备、表面喷砂设备、自动化测试设备等，其中有的国内没有，或技术水平达不到。
图源 | SEMI
因此就会面临好的进口设备价格十分昂贵，便宜设备又不适用的问题。此外，还面临国外设备由于出口限制或技术保密等因素未必会卖给中国的困境。
可见，要成功设计、制造 IGBT 必须要有产品设计、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、专业化和规模化的产业生态。
高端工艺开发人员非常缺乏，现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握 IGBT 制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握 IGBT 制造的全流程，而要引进一个团队难度太大。国外 IGBT 制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买 IGBT 设计和制造技术，还牵涉到好多专利方面的东西。
由于 IGBT 产品的寿命、稳定性直接影响电动车安全性，其性能也直接决定了续航里程等电动车性能，因此全球电动车 IGBT 市场此前一直被英飞凌等海外巨头垄断。
车企切换至国内供应商，需要对其产品稳定性、性价比、量产经验与装车量、公司整体研发与资金实力等进行综合评估。因此 IGBT 在国产替代过程中面临的较大市场难度。
小结： 不难看到，从市场占比、产业链协同，到专利壁垒、人才技术，再到市场及下游客户的认可度，本土 IGBT 产业存在着全方位差距。
尽管近年来国内众多厂商纷纷开始加入 IGBT 产品布局，市场规模呈加速增长趋势。但国内 IGBT 市场产量依然较低，市场份额被国外巨头瓜分蚕食。
面对当前产业现状与困局，本土 IGBT 产业亟待突破。
如何突破？
图源 | CGTN
弘大芯源董事长章威纵表示，“从过去 50 年硅基半导体发展之初，到目前国外第三代半导体发展领先的实际情况不难看出，没有先进的晶圆代工厂和制程工艺技术，技术就很难生根。这也是中国硅基及 IGBT 严重依赖进口，落后国外的一大原因。”
去年，中芯国际以 1.13 亿美元的对价，将所持有的 LFoundry 70%股权转让给专注于 IGBT、FRD 等新型电力电子芯片的研发企业——江苏中科君芯。可见，国内 IGBT 企业在工艺制程方面逐渐在发力追赶。
IGBT 产品当前最具竞争力的生产线是 8 英寸和 12 英寸，最为领先的厂商是英飞凌，已经在 12 英寸生产线量产 IGBT 产品。国内公司大尺寸晶圆工艺和良率均落后于行业龙头，导致芯片分摊成本较高。
目前，伴随国内企业 8 寸晶圆产线先后投产，良率逐步提升，国产 IGBT 有望较此前采购英飞凌等巨头晶圆价格大幅下降。
工信部印发的《 汽车 产业中长期发展规划》提出，到 2020 年我国新能源 汽车 产量达到 200 万辆，2025 年达到 700 万辆。IGBT 模块占电动 汽车 成本将近 10%，占充电桩成本约 20%。
集邦咨询预测，到 2025 年，中国新能源 汽车 所用 IGBT 市场规模将达到 210 亿人民币，充电桩所用 IGBT 的市场规模将达到 100 亿人民币。可以预见，新能源 汽车 市场将成为助推 IGBT 市场增长的主要力量，国内 IGBT 厂商要抓住这一发展契机，争取扩大市场份额。
小结： 在新的市场需求与本土产业链协同发展的趋势下，国内 IGBT 行业逐渐在缩小差距。
对于本土企业应该如何发力追赶，新能源及未来 汽车 技术路线独立研究者曹广平向笔者指出，“本土 IGBT 产业应汇集优质人才、企业、科研机构、资金等，向华为一样发力。这样的发力，一定不要限于报项目、批项目、验项目，而是要紧紧抓住权利的配套监管，不放松，不腐败，不乱来。”
也许吧。产、学、研共同发力是产业发展和进步的基础，良好的制度和行业规则是产业进一步追赶的保障。
写在最后
总体来看，我国在 IGBT 领域已经解决了从 0 到 1 的问题，未来需要经历的是从 1 到 N 的漫长过程。
新基建及战略新兴行业鼓励政策等机遇，看似是助力行业前进的大风口，大机遇。但实际上，也正如曹广平所言，“我们最缺乏的是不去迎合机遇，而是政府、行业、企业等能够踏踏实实长期真正做事情的耐心和决心。”
毕竟，政策只是一时的，机遇和风口总会过去。剩下的，只有日复一日的耐心与“不破楼兰终不还”的决心，才能有不被受制于人的可能与下一次面对挑战时再来一次的勇气。
文章参考
《比亚迪的 IGBT 真的很牛？》， 汽车 公社—王小西；
《IGBT 国内替代国外》，智能网联 汽车 ；
《IGBT 市场巨头林立 比亚迪半导体突围不易》，盖世 汽车 资讯；
《电动车核心技术 IGBT，国产替代可期》，中信证券；
“新能源及未来 汽车 技术路线独立研究者 曹广平”部分观点。
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随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
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