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国产IGBT的“芯路”

日期:2020-06-17    来源:建约车评  作者:陆三金

国际充换电网

2020
06/17
10:35
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关键词: 新能源汽车 比亚迪半导体 华为

6月15日,比亚迪发布公告,比亚迪半导体将引入SK、小米、招银等多家战投合计8亿元投资。

在此之前的5月底,红杉、中金等14位投资者,已经向比亚迪半导体注入19亿元的投资。

与此同时,美国正在将一系列禁令砸向另一家中国公司,这家公司正在被全方位地封锁。

这两家公司同在一座城市,并且都在努力突破桎梏,打造“中国芯”。

站在更长的时间维度,突破封锁是一定的。

甚至超越也是可能的。

如果中国半导体能在哪个领域能率先实现对欧美日的超越,那这一领域很有可能是功率半导体,具体来说就是IGBT。

能为中国的IGBT产业送上助攻的,是中国蓬勃发展的新能源汽车和新能源发电产业。

而对于中国的新能源企业来说,在欧美日垄断的高端功率器件领域,缺货、涨价、卡脖子,时有发生。最大的市场却得不到更好的服务。

中国的新能源产业,已经苦“英飞凌们”久已。

国产,该来,也必须来。

“虽然我们成立只有15年,量产才10年,但是我们的车规级IGBT已经属于世界先进水平。和英飞凌这些在IGBT领域干了30年的公司相比,差距已经不大。”比亚迪半导体产品总监杨钦耀在接受记者采访时表示。

汽车级IGBT是功率半导体皇冠上的明珠,中国人在这个领域只有比亚迪一枝独秀。

2018年,全球半导体市场规模达4688亿美元,其中功率半导体市场717亿美元,占比约为15%。

与数字集成电路被广泛关注不同,功率半导体并不是被大众熟知的概念。

以手机、电脑等产品为例,CPU、存储、MEMS等大众熟知的半导体负责感知、运算、执行等功能,主要处理的是信息。

而上述的各种信息半导体不能直接使用220V的交流电,这时候就需要功率半导体来对电能进行处理,使其适合传感器、摄像头等具体的终端器件使用。

有一个很形象的比喻是,功率半导体像一名“厨师”。

在发电领域,功率半导体将发电设备发出的电压、频率杂乱不一的粗电,统一加工成电压、频率统一的工频电。

在用电设备上,功率半导体将工频电“烹饪”成适合设备中每个器件使用的电流,可能是交流电、直流电的转换,也可能是降低、提高电压等。

图片来源:中金公司研究部

具体到实际应用上,功率半导体是个宽泛的概念。要实现电能转换,需要借助一些基本的功率器件,例如二极管、晶闸管、功率MOSFET、IGBT等。

这些功率器件与电容、电阻、电感、互感线圈等一起组成了各类电能转换设备,用以对电路中电压、电流、频率进行管理。

随着电气化、高功率场景的推进,功率器件的应用范围越来越广。

图片来源:半导体行业观察,西部证券

近20年来,各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格,功率MOSFET和IGBT逐渐成为主流。

不同的功率器件,都有自己的高效区间。

MOSFET,中文名为金属-氧化物半导体场效应晶体管,被广泛应用在数字电路和模拟电路上。

在功率领域,MOSFET本质上是一个开关,其开关速度很高,高频特性好,工作频率可以达几十kHz到上千kHz,能够在高电流状态下工作,但耐电压特性差。

这里要着重强调一下,MOSFET随着电压上升电阻变大,传导损耗很高,只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

例如,消费电子、小家电、电动自行车等对功率要求不高的产品上,主要采用MOSFET。

而IGBT可以算是MOSFET的副产品,IGBT能够很好地结合BJT(双极型三极管)处理高电流的能力和功率MOSFET的易用性。相比起MOSFET,IGBT还能阻隔极高电压,同时以极低损耗来通过高电流。

图片来源:中信建投证券研究发展部

在大电压、大电流,中频(中等的开关速度)的领域,是IGBT(电压范围为650V-6500V,电流范围为1A-3600A)的完美应用区间。

图片来源:东北证券

小到电磁炉,大到高铁、地铁中用到的牵引变流器,IGBT都是最核心的器件之一。

在低压条件下,IGBT相对于功率MOSFET,在电性能和价格上都没有优势。所以,基本上没有低压IGBT应用,并不是造不出来,而是没有性价比。而在600V以上,IGBT的优势明显,电压越高,优势越明显。

来源:Power Electronics Technology,中泰证券研究所

IGBT与功率MOSFET,在某些电压和频率场景上有一定的相互替代关系,特别是第三代半导体材料制作的MOSFET与硅基IGBT之间的竞争。

场景、成本、效率共同决定了该使用什么样的功率器件。

资料来源:Yole,中银证券

在实际应用中,IGBT可分为单管、模块和智能功率模块IPM三类产品。

图片来源:西部证券根据斯达半导、三菱电机官网整理

IGBT芯片经过多芯片并联、衬板加装、基板加装、外壳加装等封装工艺后,形成IGBT模块。在电动汽车中,IGBT模块是电控的重要组成部分。

与快速发展的处理器、存储器等芯片不同,功率半导体是个缓慢且封闭的行业。虽然同属于硅基芯片行业,摩尔定律在这里却是失灵的。

首先,这两种类型的器件在结构上就有非常大的差异。

集成电路强调的是控制,集成电路是个表面器件,制造时需在硅片的表面很薄的一层,大概几微米的厚度上,像搭建一个城市一样,进行复杂的线路设计。这种对制程先进性要求较高,不断在追求纳米级的极致线宽。

数字芯片主要为CMOS工艺,沿着摩尔定律发展,追逐高端制程,产品强调的是运算速度与成本比。

而功率器件,电流从正面(或背面)进去,从背面(或正面)出来,电流是穿透芯片的。

IGBT等功率器件,本质上是个开关,一般只需画三条线,对线宽没这么大的要求,再加上需要处理高电压、大电流,微米级(注:1微米=1000纳米)的线宽即可。

功率器件追求的是低损耗、高可靠性。背面工艺和减薄工艺对IGBT尤为重要,例如英飞凌目前已经将IGBT的厚度减薄到40微米。而衬底背面工艺中的减薄极易使硅片破碎、翘曲,所以对加工工艺要求很高。

在产业结构上,两者也有较大差异。

在集成电路领域,晶圆代工(Foundry)模式,已经成了摩尔定律的核心推动力。军备竞赛、先进设备的发展使得晶圆加工的投资规模持续增大。

对先进制程的追求,也诞生了台积电这种巨无霸,一方面顺应趋势,延续了摩尔定律;另一方面,通过分工,提高了行业的发展效率。

注:台积电和Intel在工艺制程上的演进过程对比  来源:华金证券研究所整理

在功率半导体领域,由于功率半导体需要不同的CMOS半导体材料和工艺,需要专门的晶圆厂。

全球功率半导体主要厂商大部分采用IDM模式进行功率器件的生产,即芯片设计、晶圆制造、封装测试全流程均自主生产。这与集成电路的厂商主要掌握芯片设计环节,将晶圆交由台积电等代工厂生产有很大不同。

英飞凌靠着领先的减薄技术,从第三代产品开始,一直占据IGBT行业的鳌头。

IGBT从80年代出现以来,已经发展到了第7代产品。其更新换代主要围绕着一些结构设计和加工工艺展开。不同代际之间的产品虽有性能上的差别,却不像集成电路有非常明显的区隔。目前,IGBT第四代产品目前仍是应用最广泛的技术。

出于对可靠性的追求,经过时间积累的工艺know-how,是英飞凌、安森美、瑞萨、东芝等欧美日厂商的最大屏障。

基本半导体技术营销总监魏炜在与记者的一次交流中,打趣地说道,“他们(欧美日巨头)趟了很多的坑,但他们不会告诉你,差距在这里。”

在这样一个相对缓慢的行业,中国的功率器件厂商们,如果在终端拥有丰富的应用场景,也就是搞定客户资源,是非常有希望追上国际巨头们的。

以电动汽车为主的新能源产业为IGBT行业送来了助攻。

在全球范围内,IGBT最大的下游市场是工控、新能源汽车和新能源发电行业。而具体到中国,2018年最大的下游市场已经是新能源汽车。

2018年中国IGBT各细分市场份额

在传统汽车上,功率半导体仅限于空调系统以及汽车的各种控制和执行器。

车辆由于车载电子部件的工作电压和功率低,总体功率不超过十几kW,只需MOSFET即可实现电压、电流控制。

在混动车时代,多出了电机、电池等部件,车辆各部件运行电压和总体功率明显提升,IGBT开始应用于汽车之上。

在纯电动车时代,电压、功率大幅提升,IGBT已经成为标配。

图片来源:比亚迪

在电动汽车上,由于动力电池所输出的是直流电,需要借助DC-AC(直流-交流)逆变器,将电池的直流转换成交流供给动力电机。

这是IGBT在电动车中的最大应用场景,例如特斯拉在Model S中为主逆变器配置了84颗IGBT。

图片来源:东北证券根据英飞凌官网以及公开资料整理

据Strategy Analytics统计,在传统汽车的功率半导体成本约在70美元左右,而纯电动车中功率半导体成本达到380美元。IGBT是其中最大的增量。

中信证券根据英飞凌财报、IHS、比亚迪财报、斯达半导招股书测算

在新能源发电行业,IGBT是风机变流器和光伏逆变器的重要部件。新能源电发出来的不稳定能源,需要借助IGBT等功率半导体进行转换后才能并网。据了解,新能源电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。

再加上高铁、特高压等,这些高要求、大规模的应用场景,最大的市场都在中国。

随着新能源产业的发展,特别是汽车作为最大的消费品开始全面电动化,中国的功率半导体厂商们赶上了电气化的最大一波浪潮。

据智研咨询统计,2018年我国IGBT芯片需求量为7989万个,同比增长将近20%;国产数量为1115万个,国产化率为13.96%。

IGBT的市场需求、国产化率都在稳步提升。

尽管在新能源汽车等高端IGBT领域差距还非常大,但在某些工业领域,功率器件的国产化比例已经超过50%。

可以说,“农村包围城市”,从工业、家电等领域向汽车等高端领域发展,是中国功率半导体厂商的必由之路。

中国的功率半导体企业们,普遍起步较晚,刚开始只能从低端二极管和低压MOSFET等产品开始做起。由于不掌握设备和材料等核心环节,只能在价格上进行厮杀,生存处境较为艰难。

目前,国内的电动汽车厂,为了培养二供,纷纷开始接受国产IGBT的送样。

对于IGBT厂商来说,在这样一个验证周期特别长的行业,只有终端客户的大门对其敞开,获得了试错机会,才有可能走的更远。

外资企业们还在把守着汽车市场。

据盖世汽车统计,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58%。中国厂商中,仅有比亚迪自产了19.4万套,市占率为18%,其他国产厂商的份额几乎可以忽略。

汽车行业出于安全性的考量,对零部件的一致性和合格率有非常高的要求。

相对于国内厂商主攻的工控领域,汽车行业对IGBT等功率器件的要求更高:

首先是,室内外的差距,不同于工业产品主要在室内运行,汽车产品要面对从-40度到40度的环境温度,条件更恶劣。

汽车产品带有震动和冲击的特性,也对IGBT产品提出了更高要求。

在安全问题上,汽车的动力系统是绝对不允许出现问题的,对可靠性要求非常高,失效率要非常低。

由于电动车的续航里程非常关键,IGBT的功率损耗和发热等指标,也非常关键。

最后,汽车产品一般需要20年的寿命,这对电力电子产品也是极大的考验。

在长期可靠性方面,企业需要拿数据说话,这些都需要时间的积累。

基本半导体技术营销总监魏炜在交流中表示,

对于汽车使用的IGBT来说,功率循环次数,是个比较难克服的参数。

IGBT芯片封装之后,穿过电流的时候铝线(绑定线)会出现热胀冷缩,而微弱膨胀产生的应力,会传达到铝线和IGBT表面的焊点上。这样焊点会出现疲劳,出现松脱,进而影响其他电性能。最终,导致热量传递不出去,温度提升直接导致IGBT模块烧坏。

另外,在汽车领域,成本优势也非常重要。

英飞凌等龙头厂商晶圆制造以8英寸、12英寸产线为主,相对比国内的6英寸、8英寸产线,单位芯片的制造成本更低。

在对外依赖程度高达90%的IGBT领域,中国厂商姗姗来迟,但也开始出现在排行榜上。2018年,斯达半导以2.2%的市场份额,在全球IGBT模块市场排名第8。

追求长寿命、高可靠性的功率半导体产业,背后的逻辑是以十年为计的长期投入。

2008年,株洲中车时代收购英国丹尼克斯半导体75%的股权,成为我国第一家掌握IGBT芯片技术研发、模块测试的厂商。

2009年9月,比亚迪IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定。

如今,呼啸着川流在中国大地上的“复兴号”搭载着中车自产的国产IGBT。

比亚迪的70万辆新能源车上搭载着自家工厂出产的IGBT芯片。

2019年底,媒体报道,华为开始招兵买马,试图杀入IGBT领域。华为先后投资了杰华特、山东天岳先进材料,都是为了在功率半导体领域谋篇布局。

2020年初,斯达半导、华润微登陆A股。斯达半导的23个涨停板和华润微的“绿鞋机制”第一股,引发了关注。

6月9日,SEMI发布的报告显示,2021年将会是全球晶圆厂设备支出的关键一年,增长率将高达24%。其中,功率半导体相关的设备投资2021年将大幅增长67%,远高于行业平均水平。

新一轮的投资热潮正在开启。

10年以后的2030年,L4级别的自动驾驶将会变得普及,而在背后为其提供驾驭电流能力的,将是一股股中国力量。

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