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进击的中国IGBT以及全球的IGBT

时间:2023-08-24   访问量:1339
中国IGBT发展的这20年,诞生了许多优秀的企业。

除了比亚迪、斯达半导和中车时代电气,还有拥有国内第一条全内资8英寸专注功率器件晶圆生产线的华润微;全球首家提供场截止型绝缘栅双极型晶体管(FS IGBT)量产技术的8英寸集成电路芯片的华虹半导体以及在全球IGBT分立器件市场份额排名第十的士兰微。
尽管中国的IGBT市场份额和业务量有所增加,但与海外龙头英飞凌在IGBT分立器件和模组市占率相比,仍有一些差距。

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中国轨道交通IGBT绝缘栅双极晶体管的发展进程绕不开一个关键灵魂人物——中国工程院院士、原中车株洲电力机车研究所有限公司(中车株洲)董事长丁荣军。

驱车沿株洲市境内湘江右岸一路行驶,不久便会看到“田心工业区”的醒目标志牌,工业区绵延十里,被誉为中国先进轨道交通装备研发和制造的“动力之都”。而丁荣军带领的中车株洲电力机车研究所正是坐落于此。
2014年5月初,中国首条、世界第二条8英寸IGBT芯片生产线在中车株洲研究所投产,彼时也是丁荣军落户株洲、投身轨道交通机车“机芯”设计的第三十年。
这三十年对于他来说是一条不断挑战的路。
作为轨道交通“机芯”技术中最为先进、效能最为突出的高端产品,IGBT长期被发达国家垄断技术。
丁荣军在接受采访时表示,他还记得第一次引进的时候,外国公司很明确地在技术转让文件上注明,传动和控制电驱动系统的IGBT技术不能转让。

“当时我看到这个很伤心,但反过来也激发了我们去努力。”
2017年,中车株洲的IGBT被用在行驶于京沪两地的复兴号上,中国高铁在这一年真正实现了自主国产化。

然而纵观历史,中国对于IGBT的探索却远远不止于此,从变频家电领域到工业级领域,从车规级到轨交级,IGBT都紧随着中国前进的脚步向前迈去。
只是相对于国外已经发展了近半个世纪的成熟技术,中国IGBT发展的道路显得艰难又曲折。

蹒跚


20世纪70年代,美国正处于油价高涨与石油紧缺的供需矛盾之下,对社会、经济发展都造成了许多影响,这背后是巨大的油耗量。
而造成油耗量巨大的原因是当时汽车、工业产品的电机效率低下。
如果把电比作是血液,那么电机/电控就好比是电动汽车的心脏。而功率半导体就是其中电能转换和控制的核心,主要用于改变电压和频率。其实当时用于控制电机转速的MOSFET已经是比较好的功率器件了,它能够以可变频率向电机组输出功率;但是由于MOSFET只能应用于低压场景中,并不足以满足高电压下对输出电压的准确调节。
1980年,美国通用电气的工程师Jayant Baliga发明了一种兼具MOSFET管和双极型晶体管(BJT)优点的复合型元器件——绝缘栅双极晶体管(IGBT),能够更好地控制感应电机的电源线频率,进而控制其转速使得功率降低,以减少油耗损失。

2.png事实上IGBT的结构与MOSFET十分接近,只是在其背面增加了N+和P+层,“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOSFET优点的同时,增加了载流能力和抗压能力。

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现在,IGBT也被称为是电力电子行业里的“CPU”, 在照明、工业、消费、交通、医疗、可再生能源、电力传输等众多领域中获得了广泛的应用。

IGBT既可以帮助空调、洗衣机实现较小的导通损耗和开关损耗,实现节能减排;又可以应用在急救除颤器上,使其从200V电源输出100KW的双向震动;还可以应用于太阳能、风能发电的逆变器里,将蓄电池的直流电逆变成交流电。


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不过,尽管通用公司最先做出这个被誉为掌控电力世界的钥匙——IGBT,但是由于通用公司内部投资形势不太乐观;再加上Baliga发明了IGBT之后,西门子、三菱、富士等厂商立刻对这种器件产生了浓厚的兴趣,开始着力研发,与通用形成了激烈的竞争。

最终在1988年,通用公司决定卖掉整个半导体业务,同时也放弃了这把“钥匙”。眼见通用退出比赛,德国西门子与日本三菱、富士一涌而上,瓜分剩余的市场份额。
20世纪末期,全球IGBT芯片产业角逐激烈,德国和日本可以说是IGBT角斗场上最为重磅的两位玩家,而当时的中国仿佛被这一场竞争隔绝在外。
1996年,西门子半导体事业部来无锡设立封测厂。1999年,西门子将半导体部门抛售,后改名为英飞凌,西门子无锡封测厂也随之更名为英飞凌科技(无锡)有限公司。
短短四年时间,英飞凌的第六代IGBT承受工作电压水平从之前的4500V提高到6500V,全球市占率超过一半,占据绝对领先地位。

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而此时,中国企业甚至连IGBT的蓝图都还没有构思。

比亚迪还在全球镍镉电池的市场上纵横;中车株洲此时在为解决轨交电气系统研发而费尽心思;江湖上也还没有斯达半导的传说。
那时没有人能想象,20年之后,IGBT的赛场上竟能出现中国企业的身影。

起步


对于国内厂商来说,生产IGBT之难主要来自于两点:

1.设计工艺难——费人;
2.制造技术难——费钱。

从原理看,IGBT就是一个简单的电路,但是其属于电力电子芯片,IGBT的设计需保证开闭合损耗、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于均衡状态,与参数调整优化十分特殊和复杂,并且IGBT对背面工艺和减薄工艺(对已完成功能的晶圆的背面基体材料进行磨削,去掉一定厚度的材料)技术的要求很高。
制造层面,IGBT可以分为IDM模式(有晶圆厂)和Fabless模式(无晶圆厂)。
通常情况下,国外的厂商发展历史较长、流动资金充足,往往会选择IDM模式,这种方式的优点在于产能、工艺都可控,而且能把核心技术掌握在自己手中。
面对这些困局,比亚迪与中车株洲在当时同时选择了以收购开辟一条新道路。
2008年,比亚迪董事长王传福宣布一则公告,直接把自己推上舆论的焦点:比亚迪以1.7亿元收购宁波中纬半导体公司。市场顿时引起一片哗然,彼时的比亚迪已经收购秦川汽车,靠着比亚迪F3成功打开了汽车市场,从电池制造商转型为全国第一汽车企业。
而宁波中纬半导体则是宁波市政府白白投了30亿的失败项目。当时文章对于比亚迪的报道无一不是质疑与不解,“比亚迪至少亏20亿”、“王传福2亿杀入销金窟”等声音不绝于耳。


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