站在更長的時(shí)間維度，我國半導(dǎo)體突破封鎖是一定的，可能最先在功率器件市場。

如果中國半導(dǎo)體能在哪個(gè)領(lǐng)域率先撕開封鎖線，實(shí)現(xiàn)對歐美日的超越，那這一領(lǐng)域很有可能是功率半導(dǎo)體，具體來說就是IGBT。

能為中國的IGBT產(chǎn)業(yè)送上助攻的，是中國蓬勃發(fā)展的新能源汽車和新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)。

而對于中國的新能源企業(yè)來說，在歐美日壟斷的高端功率器件領(lǐng)域，缺貨、漲價(jià)、卡脖子，時(shí)有發(fā)生，最大的市場卻得不到更好的服務(wù)。

中國的新能源產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)苦“缺芯”久已。

國產(chǎn)，該來，也必須來。

NO.1

什么是功率半導(dǎo)體呢？

與手機(jī)、電腦上使用的數(shù)字集成電路不同，功率半導(dǎo)體并不是一個(gè)大眾熟知的概念。數(shù)字集成電路主要處理的是信息，而不能直接使用220V的交流電，這時(shí)候就需要功率半導(dǎo)體來對電能進(jìn)行處理，使其適合傳感器、攝像頭等具體的終端器件使用。 具體到分類上，功率半導(dǎo)體是個(gè)寬泛的概念，主要作用是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，包括二極管、晶閘管、功率MOSFET、IGBT等。

這些功率器件與電容、電阻、電感、互感線圈等一起組成了各類電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，用以對電路中電壓、電流、頻率進(jìn)行管理。 不同的功率器件，都有自己的高效區(qū)間。場景、成本、效率共同決定了該使用什么樣的功率器件。

資料來源：Yole，中銀證券 其中，在電動(dòng)汽車中，IGBT模塊是電控的重要組成部分。 什么是IGBT呢？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫，即絕緣柵雙極型晶體管。簡單來說，IGBT可以理解為“非通即斷”的開關(guān)，它可以將直流電壓逆變成頻率可調(diào)的交流電，主要用于變頻逆變和其他逆變電路，被稱為是電力電子裝置的“CPU”。 在新能源汽車中，IGBT 模塊占是除電池之外成本第二高的元件，目前我國車用IGBT產(chǎn)品大部分都是依賴國外進(jìn)口，也就是說百億級IGBT市場基本由英飛凌、三菱、西門子等國外巨頭把控，其中單是英飛凌就占了近6成的市場份額。 但在經(jīng)過貿(mào)易戰(zhàn)的洗禮后，越來越多的下游廠商主動(dòng)開始嘗試接受國產(chǎn)IGBT，這就給了國產(chǎn)IGBT更多的試錯(cuò)機(jī)會，從而促進(jìn)了國產(chǎn)IGBT的技術(shù)迭代，讓國產(chǎn)IGBT進(jìn)入了一個(gè)良性的迭代循環(huán)的過程。IGBT的國產(chǎn)替代已經(jīng)進(jìn)入了高速增長期，越來越多的中小型客戶已經(jīng)完成了高比例的國產(chǎn)化。

NO.2

為什么是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域會率先產(chǎn)生突破呢？

與快速發(fā)展的處理器、存儲器等芯片不同，功率半導(dǎo)體是個(gè)緩慢且封閉的行業(yè)。雖然同屬于硅基芯片行業(yè)，摩爾定律在這里卻是失靈的。 集成電路強(qiáng)調(diào)的是控制，集成電路是個(gè)表面器件，制造時(shí)需在硅片的表面很薄的一層，大概幾微米的厚度上，像搭建一個(gè)城市一樣，進(jìn)行復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)。這種對制程先進(jìn)性要求較高，不斷在追求納米級的極致線寬。 數(shù)字芯片主要為CMOS工藝，沿著摩爾定律發(fā)展，追逐高端制程，產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)的是運(yùn)算速度與成本比。 而功率器件，電流從正面（或背面）進(jìn)去，從背面（或正面）出來，電流是穿透芯片的。IGBT等功率器件，本質(zhì)上是個(gè)開關(guān)，一般只需畫三條線，對線寬沒這么大的要求，再加上需要處理高電壓、大電流，微米級（注：1微米=1000納米）的線寬即可。 功率器件追求的是低損耗、高可靠性。背面工藝和減薄工藝對IGBT尤為重要，例如英飛凌目前已經(jīng)將IGBT的厚度減薄到40微米。而襯底背面工藝中的減薄極易使硅片破碎、翹曲，所以對加工工藝要求很高。 在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上，兩者也有較大差異。在集成電路領(lǐng)域，晶圓代工（Foundry）模式，已經(jīng)成了摩爾定律的核心推動(dòng)力。軍備競賽、先進(jìn)設(shè)備的發(fā)展使得晶圓加工的投資規(guī)模持續(xù)增大。 對先進(jìn)制程的追求，也誕生了臺積電這種巨無霸，一方面順應(yīng)趨勢，延續(xù)了摩爾定律；另一方面，通過分工，提高了行業(yè)的發(fā)展效率。 在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，全球功率半導(dǎo)體主要廠商大部分采用IDM模式進(jìn)行功率器件的生產(chǎn)，即芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試全流程均自主生產(chǎn)。這與集成電路的廠商主要掌握芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，將晶圓交由臺積電等代工廠生產(chǎn)有很大不同。 英飛凌靠著領(lǐng)先的減薄技術(shù)，從第三代產(chǎn)品開始，一直占據(jù)IGBT行業(yè)的鰲頭。

IGBT從80年代出現(xiàn)以來，已經(jīng)發(fā)展到了第7代產(chǎn)品。其更新?lián)Q代主要圍繞著一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝展開。不同代際之間的產(chǎn)品雖有性能上的差別，卻不像集成電路有非常明顯的區(qū)隔。目前，IGBT第四代產(chǎn)品目前仍是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。 出于對可靠性的追求，經(jīng)過時(shí)間積累的工藝know-how，是英飛凌、安森美、瑞薩、東芝等歐美日廠商的最大屏障。 在這樣一個(gè)相對緩慢的行業(yè)，中國的功率器件廠商們，如果在終端擁有豐富的應(yīng)用場景，也就是搞定客戶資源，是非常有希望追上國際巨頭們的。

NO.3

車規(guī)IGBT雙子星如何承載本土突圍之重？

比亞迪與斯達(dá)半導(dǎo)體被業(yè)界認(rèn)為本土IGBT雙子星。 在比亞迪入局IGBT之前，國內(nèi)自主研發(fā)的IGBT幾乎一片空白，基本被外資企業(yè)壟斷。 從F3DM采用的IGBT 1.0芯片，大規(guī)模配置于e6、K9等新能源車型上的IGBT 2.5芯片模塊，到去年推出的IGBT 4.0芯片，比亞迪的IGBT芯片已經(jīng)研發(fā)了超過十年，成為國內(nèi)首個(gè)貫通新能源汽車IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝、仿真測試以及整車測試等全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。 比亞迪微電子公司（比亞迪半導(dǎo)體公司前身）成立于2004年，初期主要承擔(dān)著比亞迪集團(tuán)集成電路及功率器件的開發(fā)、整合、晶圓等生產(chǎn)任務(wù)，主要經(jīng)營功率半導(dǎo)體器件、IGBT功率模塊、CMOS圖像傳感器、電源管理IC、傳感及控制IC等產(chǎn)品。其中，IGBT是比亞迪半導(dǎo)體的拳頭產(chǎn)品。 有數(shù)據(jù)顯示，2019年，英飛凌為國內(nèi)電動(dòng)乘用車市場供應(yīng)62.8萬套IGBT模塊，市占率達(dá)到58%。而比亞迪供應(yīng)了19.4萬套，市占率達(dá)到18%（按最新數(shù)據(jù)估算，其在中國車規(guī)市場的份額已達(dá)22.1%）。可以說，比亞迪緩解了我國車規(guī)級IGBT芯片市場一直被外企“卡脖子”的局面。 斯達(dá)半導(dǎo)體是國內(nèi)唯一進(jìn)入全球前十的IGBT模塊廠商。相較于比亞迪半導(dǎo)體的IGBT技術(shù)從1.0迭代到4.0（相當(dāng)于國際第五代），斯達(dá)半導(dǎo)的IGBT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第六代，基于第六代 Trench Field Stop 技術(shù)的IGBT芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片已在新能源汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。 根據(jù)公司上市時(shí)披露的數(shù)據(jù)來看，斯達(dá)半導(dǎo)體2019年生產(chǎn)的車規(guī)級IGBT模塊已經(jīng)配套了超過20家終端汽車品牌，合計(jì)配套超過16萬輛新能源汽車，此外適用于燃油車的BSG功率組件順利通過了主流汽車廠商的認(rèn)證，打開了傳統(tǒng)汽車市場。

NO.4

國內(nèi)其它企業(yè)——星星之火，足以燎原

隨著行業(yè)景氣度逐漸好轉(zhuǎn)和政策的推動(dòng)，亦有不少新進(jìn)入者搶奪市場。據(jù)分析，目前市場新入者主要有三類，一是向IGBT等高端產(chǎn)品擴(kuò)展業(yè)務(wù)的功率半導(dǎo)體企業(yè)，如揚(yáng)杰科技、華微電子等；二是出于為滿足自身需求及出于供應(yīng)鏈安全考慮向上游涉足的，如中車時(shí)代和比亞迪等；三是看好市場而進(jìn)場的新公司，如瑞能半導(dǎo)體、廣東芯聚能以及富能半導(dǎo)體等。 其中，中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績。 株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司（簡稱：中車時(shí)代半導(dǎo)體）作為中車時(shí)代電氣股份有限公司下屬全資子公司，全面負(fù)責(zé)公司半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。從1964年開始投入功率半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，2008年戰(zhàn)略并購英國丹尼克斯公司，目前已成為國際少數(shù)同時(shí)掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術(shù)的IDM（集成設(shè)計(jì)制造）模式企業(yè)代表，擁有芯片—模塊—裝置—系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈。 中車時(shí)代半導(dǎo)體擁有國內(nèi)首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線，全系列高可靠性IGBT產(chǎn)品已全面解決軌道交通核心器件受制于人的局面，基本解決了特高壓輸電工程關(guān)鍵器件國產(chǎn)化的問題，并正在解決我國新能源汽車核心器件自主化的問題。 比亞迪是打破了國際廠商壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國在車用IGBT芯片技術(shù)上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關(guān)鍵指標(biāo)上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品，且產(chǎn)能已達(dá)5萬片，并實(shí)現(xiàn)了對外供應(yīng)。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企，包括IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測試以及整車測試。好消息是，據(jù)長沙晚報(bào)近日報(bào)道，長沙比亞迪IGBT項(xiàng)目日前已正式啟動(dòng)建設(shè)，計(jì)劃建設(shè)集成電路制造生產(chǎn)線。細(xì)分來看，國內(nèi)的IGBT在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。

國內(nèi)的IGBT整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂恚〝?shù)據(jù)來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察）

NO.5

車企一步步入局，整個(gè)行業(yè)發(fā)展迅速

據(jù)報(bào)道，近日，東風(fēng)汽車集團(tuán)公司旗下的智新半導(dǎo)體有限公司年產(chǎn)30萬套功率模塊的生產(chǎn)線4月將投入量產(chǎn)。 智新半導(dǎo)體有限公司成立于2019年，注冊資本3億元，經(jīng)營范圍為汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、批發(fā)、零售。其大股東有智新科技股份有限公司，持股比例48%，和株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司，持股47%。

智新科技前身為2001年成立的東風(fēng)電動(dòng)車輛股份有限公司，作為東風(fēng)公司發(fā)展新能源汽車事業(yè)的主陣地，經(jīng)歷了“以整車為研究對象”，到“研發(fā)新能源汽車平臺和整車控制器”，再到 “發(fā)展研究新能源三電核心技術(shù)”三個(gè)主要階段。 智新半導(dǎo)體是車企與半導(dǎo)體公司在功率模塊層面深度合作的產(chǎn)物。自2018年開始，東風(fēng)為了構(gòu)建穩(wěn)定的三電供應(yīng)鏈，決定與株洲中車時(shí)代就IGBT功率模塊展開合作，自主研發(fā)車規(guī)級模塊，來替代進(jìn)口。 除了東風(fēng)和比亞迪，其它國內(nèi)車企，也正在一步步布局功率半導(dǎo)體模塊。

NO.6

車規(guī)級IGBT的技術(shù)挑戰(zhàn)？

新能源汽車對IGBT提出非常高的要求，要求其擁有更強(qiáng)大、更高效的功率處理能力，同時(shí)也要降低本身過多的電力消耗和不必要的熱量產(chǎn)生，以提高整車的性能。 目前技術(shù)方面遇到的主要難題：一是續(xù)駛里程與排放要求帶來的低損耗問題；二是輕量化帶來的高功率密度與散熱問題；三是惡劣運(yùn)行環(huán)境與極端工況所要求的的安全工作區(qū)和長期可靠性問題；四是汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)要求的低成本問題。目前車規(guī)級IGBT面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：一是芯片的設(shè)計(jì)與制造，芯片低功耗高與高可靠性、高功率容量之前較難平衡；二是芯片封裝的全流程，解決高效散熱、可靠性等并進(jìn)行性能驗(yàn)證，以確保汽車長期的可靠運(yùn)行；三是如何通過驅(qū)動(dòng)控制，保障某些特殊工況下IGBT的正常運(yùn)行。 目前IGBT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：單管模塊、2 in 1模塊、6 in 1模塊，組成一個(gè)完整的3相全波整流電路，通過靈活的電路拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)在汽車上不同的集成應(yīng)用要求。 各企業(yè)技術(shù)路線圖（1） 英飛凌2013年起，英飛凌對車規(guī)級IGBT芯片技術(shù)進(jìn)步作出了很多貢獻(xiàn)，包括IGBT3和HybridPACK 2。電壓從650V提高到750V，電流密度從150A/cm2提高到270A/cm2，功率密度約為2kw/mm2，比高鐵IGBT功率密度更高。（2） 三菱三菱在芯片和封裝環(huán)節(jié)做了大量的研發(fā)工作，其雙面散熱技術(shù)相對領(lǐng)先。（3） 中車中車自2008年進(jìn)入IGBT領(lǐng)域，經(jīng)過10年發(fā)展，目前IGBT在高鐵上的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主化，電網(wǎng)的應(yīng)用也開始批量、大規(guī)模推廣。2012年起，中車開始布局車規(guī)級IGBT的研發(fā)工作，目前已經(jīng)研發(fā)兩代車規(guī)級IGBT技術(shù)，包括第5代高性能溝槽柵和第6代精細(xì)溝槽柵IGBT芯片，電流密度達(dá)到275A/cm2，與國外先進(jìn)水平相當(dāng)，并已開始研發(fā)基于逆導(dǎo)RET技術(shù)的下一代更高電流密度芯片。

NO.7

車規(guī)級IGBT技術(shù)解決方案？

（1）高性能FRD 使用高性能FRD，可以有效減小振蕩和干擾問題，穩(wěn)定車規(guī)級IGBT的運(yùn)行。目前，中車FRD主要是基于先進(jìn)PIC結(jié)構(gòu)，通過質(zhì)子和電子輻照，對少子壽命進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了與IGBT性能上的良好匹配。另一種解決方案是使用SiC SBD來實(shí)現(xiàn)IGBT的續(xù)流控制，這種方式可以降低IGBT模塊30%的損耗，但弊端是因?yàn)镾BD反向恢復(fù)快、會對IGBT的開通造成很大電流沖擊，影響長期可靠性。因此，如果能找到性能比較好的FRD，不建議采用兩種不同頻率器件混合使用，會影響總體性能和可靠性。 （2）布局優(yōu)化與低感設(shè)計(jì) 通過布局優(yōu)化與低感設(shè)計(jì)，可以降低高頻應(yīng)用條件下EMI的影響，改善芯片均流，降低開關(guān)過程的電壓過沖，提高功率密度。 （3）絕緣結(jié)構(gòu) IGBT主要通過陶瓷襯板，來實(shí)現(xiàn)陰性和陽性的絕緣，目前使用的襯板包括AlN陶瓷襯板、Al2O3陶瓷襯板、Si3N4陶瓷襯板。出于對成本控制，多數(shù)車規(guī)級IGBT都使用Al2O3陶瓷襯板進(jìn)行封裝。但Al2O3與硅、銅熱膨脹系數(shù)相差較大，在使用過程中會此引起材料的疲勞與焊接層的退化，從而影響整個(gè)模塊的使用壽命。 （4）優(yōu)化封裝材料體系 IGBT電性能的改善已經(jīng)遇到瓶頸，可以通過改善熱設(shè)計(jì)來進(jìn)一步提高IGBT的性能與可靠性，優(yōu)化封裝材料體系，減少封裝互連界面，將熱膨脹系數(shù)的失配盡可能降低，做成一體化集成襯板，改善IGBT模塊的特性。 （5）高效散熱技術(shù) 在基板也有技術(shù)措施來改善車規(guī)級IGBT的性能：使用帶有Pin-fin結(jié)構(gòu)的直接液冷散熱，雙面水冷散熱技術(shù)，可降低20%-30%的熱阻。 （6）模塊封裝可靠性設(shè)計(jì) IGBT使用過程當(dāng)中可靠性的最大問題是焊接層，長期運(yùn)行會引起材料退化，從而引起熱阻和導(dǎo)通壓降升高。針對這一問題，目前已有新的解決方案：通過低溫?zé)y結(jié)技術(shù)，達(dá)到超高的熔點(diǎn)、優(yōu)良的熱導(dǎo)率，從而獲得較好的熱循環(huán)和功率循環(huán)能力。 銅工藝技術(shù)也能提高可靠性。高鐵模塊使用銅金屬化+銅線縫合；汽車模塊使用銅箔燒結(jié)+銅線鍵合。通過此種銅工藝技術(shù)可以將功率循環(huán)能力提高10倍。 另一個(gè)可提高可靠性的方法是雙面焊接技術(shù)。目前所有模塊的封裝，都是基于單面散熱這種模式實(shí)現(xiàn)的，而雙面焊接則使芯片直接與對襯板相連，取消引線互連，可提升50%的功率循環(huán)能力。 功率端子是IGBT通過最大電流、產(chǎn)生最大熱量的地方，端子連接質(zhì)量直接影響IGBT模塊應(yīng)用可靠性，也是IGBT主要的失效模式之一，在所有導(dǎo)致IGBT失效的影響因素中占比較高。傳統(tǒng)工藝是通過焊片來實(shí)現(xiàn)端子跟襯板的互連，新的技術(shù)主要通過金屬段子超聲焊接的方式，可以顯著降低接觸熱阻，改善散熱能力，增加電流承載能力，提高車載環(huán)境中機(jī)械震動(dòng)和沖擊的抵抗能力。 （7）封裝模式 目前車規(guī)級IGBT主要有三種封裝模式：標(biāo)準(zhǔn)封裝模式——Type 1、針翅型封裝——Type2、平面封裝——Type3。 中車汽車級IGBT模塊包括S1模塊、S2模塊、S3模塊和L1模塊，分別對標(biāo)英飛凌的HP2、DC6和HPDrive，包括全部參數(shù)與性能及外部接口尺寸，雙面散熱的模塊英飛凌還沒有大規(guī)模推廣。L1是一種平面封裝模塊，實(shí)現(xiàn)雙面散熱，目前正在做樣品驗(yàn)證。

NO.8

技術(shù)驅(qū)動(dòng)將重新構(gòu)建行業(yè)格局

總體來看，我國在IGBT領(lǐng)域已基本解決了0到1的問題，未來需要經(jīng)歷的或者說正在經(jīng)歷的是1到100的漫長過程。從技術(shù)上來說，國內(nèi)企業(yè)要追趕的路還很長。面對汽車行業(yè)百年未有之變局，技術(shù)驅(qū)動(dòng)將重新構(gòu)建行業(yè)格局，無疑是沒錯(cuò)的。

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