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IGBT在國內外

電力電子網2020-05-25 11:19:48

  (一) 中國的IGBT

  1, 中國的現狀仍是進口芯片封裝為主,但大有進步

  多年前,進口IGBT芯片封裝成模塊投入國內市場,均屬一般水平。其中IGBT模塊封裝用的關鍵零部件還需進口。

  近年來,具有代表性的新聞是:中國北車集團屬下的西安永電電氣有限責任公司生產

  6500V/600A IGBT功率模塊已成功下線,使其成為全球第四個、國內第一個能夠封裝

  6500V以上電壓等級IGBT的廠家。此外,江蘇宏微的IGBT模塊已成功進入電焊機市

  場,浙江嘉興斯達的IGBT模塊正積極向國外市場推廣。目前我國IGBT(含配套的超快

  FRD)現狀是:通過自己開發和技術引進,已經解決了電壓可達6500V、電流可達幾千安

  培的IGBT功率模塊封裝(內含FRD)的批量生產技術。以上聽到的好新聞寥寥無幾,所

  以中國需要創造出自己的IGBT制造技術才能獨立生存,否則就只能生產落后的產品或

  者向外國公司支付高額的技術費用。

  2, IGBT芯片制造遠遠落后國外

  目前國內能夠制造芯片的廠商主要生產一些耐壓1700V以下(含1700V)的IGBT和超快FRD。小功率的IGBT產品,應用的范圍也比較有限,主要集中在電磁爐、變頻空調、變頻洗衣機等產品中。雖然國內IGBT行業近年來取得了重大進展,但我們必須清醒地看到,在芯片生產技術方面與國外存在巨大的差距,掌握的核心技術太少。國內IGBT廠商基本上采用的是第二代、第三代的生產工藝,而先進功率器件半導體廠商的IGBT產品都采用第五代、第六代的生產工藝了。我國自產的IGBT芯片技術還基本采用國際上1980年代末期推出的NPT-IGBT技術,其后國際上出現了更先進的產品,如溝槽柵FS-IGBT、表面載流子濃度增強IGBT等,我國還沒有開發成功或者還沒有開始開發。耐壓高于1700V的產品有待開發,耐壓低于(含)1200V的產品有待用戶考驗,改進質量才能達到市場大批量接納水平,這還需一段不短的磨合過程。

  芯片制造也有一些激動人心的新聞。天津中環半導體股份有限公司研制的6英寸FZ單

  晶材料已批量應用,在國家“02”科技重大專項的推動下,8英寸FZ單晶材料已取得重大

  突破。電磁灶用1200V NPT型IGBT已由多家企業(江蘇東光、華潤華晶、山東科達等)

  批量供貨,這標志著我國國產IGBT芯片打破了國外一統天下的局面。6英寸和8英寸

  的平面型和溝槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已研制出樣品,正進行可靠性考

  核。4500V和6500V IGBT芯片研制也在積極推進中。株洲南車時代電氣股份有限公司

  的8英寸IGBT芯片生產線也在建設中。

  3, 國內的IGBT市場

  國內廠商還不具備研發、制造管芯的能力,以及大功率IGBT的封裝能力,大部分都需

  要依賴進口。現階段,國內的IGBT市場幾乎被歐美、日本企業所壟斷,比如ST、Semikron、

  IR、Fairchild、Infineon、Fuji、Toshiba等。

  (二) 國外的IGBT

  1,從技術發展上看

  IGBT是中高功率應用的主流,從2010年世界功率半導體市場份額可以明顯看出,IGBT

  以超過50%的增長率高居功率半導體領域之首。國際上IGBT的生產高度集中于少數幾

  家大公司,他們采用互不相同的、獨有的器件結構和工藝技術。

  雖然目前硅是IGBT的主流,SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)也開始有所應用。SiC目前比較成熟的器件主要是SiC二極管,MOSFET也逐漸投向市場,但是IGBT應用還遙遙無期。GaN目前主要產品也是二極管和LED。

  2010年日本羅姆公司宣布量產SiC功率MOSFET,美國Cree公司隨后也宣布量產1200V SiC功率MOSFET。雖然SiC功率MOSFET性能較硅基IGBT更優,但高昂的價格使其在較長時期內難以取代IGBT。我們期待SiC MOSFET首先在汽車電子、工業應用等有較大應用市場而又對價格不太敏感的領域取得突破,從而進一步帶動SiC電力電子器件的發展。基于硅基襯底的GaN功率半導體器件是我看好的發展方向,但目前其主要問題是長期可靠性難以實現。SiC電力電子器件在中高功率、GaN電力電子在1200V以下的中低功率和多功能集成領域具有發展優勢。

  雖然以SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)為代表的寬禁帶電力電子技術目前還處于發展初期,但我們必須高度重視,應積極發展寬禁帶電力電子器件,否則我們將持續落后。

  由于模塊發展迅速,封裝技術的重要性正在以驚人的速度提高。封裝技術能使多種器件

  在一個模塊中使用。比如,IGBT與SJ-MOSFET組合及IGBT與SiC二極管組合等。

  2,從市場競爭上看

  大部分IGBT制造商都在整個功率電子領域展開了競爭。英飛凌、三菱電機、富士電機等大企業在絕緣電壓高達3300V的產品方面實力很強。從收益方面來看,600~900V的產品所占市場最大。

  還有價格的競爭。成本的削減通過改進設計和縮小芯片尺寸來實現。英飛凌的IGBT芯片尺寸從第1代到第5代已縮小了60~70%。最新的Field Stop Trench(場截止溝道)型器件也減小了晶圓厚度。英飛凌準備將晶圓厚度減至50~70μm,甚至40μm。而三菱電機則為在一個芯片上集成更多單元,減小了溝道尺寸。另外,IGBT廠商還將通過把現在的150mm和200mm晶圓增至300mm來削減成本。

  通常的IGBT是利用硅外延片制造的。最近,利用垂直懸浮區熔法制備的NTD(中子嬗

  變摻雜)硅晶圓越來越多地被用來制造IGBT。由于NTD硅錠的電阻率均一,因此能夠

  實現高性能高壓IGBT。切出硅晶片后不需要外延,因此能大幅削減晶圓厚度。這樣,

  一個硅錠可生產出的晶圓數量增加,從而可以削減成本。

  -- 椿樹朱英文

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