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华为开始自研IGBT:正在挖人!芯片股“沸腾”

2019-11-30 12:37:01 来源:EETOP

昨日(11月29日),有媒体报道称华为已开始自主研发IGBT器件,目前正在从某国内领先的IGBT厂商中挖人。

IGBT作为自动控制和功率变换的核心部件,对于轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业至关重要。

据华为官网显示,IGBT早已成为其UPS电源的核心器件。做为一种双极晶体管复合的器件,IGBT不仅具有易于驱动,控制简单,开关频率高等优点,同时又具备导通电压低,通态电流大,损耗小等技术优势。

但据公开消息表示,华为的研发此前并不涉及功率半导体,而其需要的IGBT产品主要从英飞凌等IGBT原厂处采购。

不过,在被美国加入 “实体清单”后,华为选择开始研发IGBT器件。

随着全球制造业向中国的转移,我国功率半导体市场占世界市场的50%以上,是全球最大的IGBT市场。

但IGBT产品严重依赖进口,长期被英飞凌,三菱,富士电机等国外巨头垄断全球场。

更值得注意的是,在中高端领域的IGBT器件更是90%以上依赖进口,IGBT国产化迫在眉睫。

从2011年12月,北车西安永电成为国内第一个、世界第四个,能够封装6500V以上IGBT产品的企业,再到2015年10月,中车永电与上海先进半导体公司联合开发的,国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片,通过高铁系统上车试验。

事实上,中国一直试图打破IGBT基本依赖于进口的窘境。

这些上市公司已涉足

值得一的是,10月8日,工信部网站发文称,将持续推进工业半导体材料、芯片、器件及IGBT模块产业发展。工信部表示,为解决工业半导体材料、芯片、器件、IGBT模块等核心部件的关键性技术问题,工信部等相关部门积极支持前述几大领域关键技术攻关。一是2017年工信部推出“工业强基IGBT器件一条龙应用计划”,针对新能源汽车、智能电网、轨道交通三大领域,重点支持IGBT设计、芯片制造、模块生产及IDM、上游材料、生产设备制造等环节,促进IGBT及相关产业发展。二是指导湖南省建立功率半导体制造业创新中心建设,整合产业链上下游资源,协同攻关工业半导体材料、芯片、器件、IGBT模块领域关键共性技术。三是指导中国宽禁带半导体及应用产业联盟发布《中国IGBT技术与产业发展路线图(2018-2030)》,引导我国IGBT行业技术升级,推动相关产业发展。

另外,10月17日,国电南瑞发布公告,拟与国网下属科研单位全球能源互联网研究院有限公司共同投资设立南瑞联研功率半导体有限公司,国电南瑞以“IGBT模块产业化项目”部分募资5.59亿元出资,占比69.8%。

国电南端表示,IGBT是国家产业政策重点支持发展的功率半导体器件,技术难度大、研发及产线建设周期长、资金投入大,核心技术一直被国外企业垄断,目前国内高端人才缺乏,国内仅有少量厂商开展高压IGBT研制业务。

此外,证券时报·e公司梳理发现,目前上市公司中,比亚迪、台基股份、士兰微、中车时代电气、扬杰科技、同方股份、中芯国际等公司均有涉足IGBT产业链。其中比亚迪已成为中国销售额前三的IGBT供应商,累计申请IGBT相关专利约180件,其中授权专利约114件。

昨日受利好因素刺激,功率半导体概念股昨日逆势上涨。截至11月29日收盘,台基股份股价涨停,此外,捷捷微电、扬杰科技等涨逾4%,华微电子涨逾2%。

IGBT依赖进口,华为自研保障供应链安全

中国大陆功率半导体市场占世界市场约50%,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%以上主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。

根据华为此前公布的2018年核心供应商目录,英飞凌(infineon)是华为IGBT的核心供应商。公开资料显示,英飞凌每年向华为的销售额约为1亿美元,其中主要产品为IGBT芯片。英飞凌总部位于德国,是全球功率半导体龙头。

目前,全球 IGBT主要的供应商包括英飞凌、恩智浦、富士电机、东芝、三菱、意法半导体等欧美以及日本的企业。从电压上分类,英飞凌占据了600-1700V 范围中 IGBT 的头把交椅,而恩智浦则是占据了低压 IGBT 的市场第一,2500V以上的高压则主要由三菱提供,中国中车受益于高铁对大功率IGBT的需求,在 4500V 以上的产品上市场份额位列全球第五。整体来讲,中国IGBT产业还很薄弱。

IHS Markit 2018年报告数据显示,在2017年度 IGBT 模块供应商全球市场份额排名中,英飞凌排名第一。

来源:斯达股份招股书

2019年5月,有报道称,英飞凌曾对华为暂停供货。不过,英飞凌澄清了该传闻,英飞凌在电邮发送的声明中表示:“英飞凌向华为提供的绝大多数产品不受美国出口管制法律的限制,因此将继续发货。”任正非也在当时的媒体专访中辟谣称德国芯片厂商英飞凌没有停止供货。

从供应链安全角度,华为对IGBT展开自研毫不令人意外。

国产IGBT厂商都有哪些?

近年来,我国IGBT产业化水平有了一定提升,比亚迪微电子、中车时代电气等企业有不错的表现。

根据集邦咨询《2019中国IGBT产业发展及市场报告》,2016 年,国内IGBT市场规模达 105.4亿元。2017年中国IGBT市场规模预计为 128亿人民币,2018年中国IGBT市场规模预计为153亿人民币,相较2017年同比增长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市场规模仍将持续增长,到2025年,中国IGBT市场规模将达到522亿人民币,年复合增长率达19.11%。

国金证券研报称,目前国内IGBT产业相对薄弱,但处在快速发展阶段,已经形成了相对完整的IGBT产业链。未来随着国内新能源车的放量,中国 IGBT 企业将迎来快速发展及进口替代的良好机遇,看好国内IGBT龙头公司。

中国半导体行业协会今年5月发布了2018年中国十大半导体功率器件企业。扬杰科技、华微电子、苏州固锝、捷捷微电这四家A股公司跻身前十强。

据媒体报道,比亚迪考虑让IGBT业务独立进行IPO。

IGBT科普:从PowerMOS到IGBT

什么是IGBT?

IGBT被称为电子行业里的“CPU”,IGBT全名叫绝缘栅双极型晶体管。单讲是一个非通即断的开关,但能承受几十到几百伏电压、几十到几百安电流、每秒钟开关频率最高达几万次。

采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,它的应用非常广泛,小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业,都会用到IGBT,被称为电子行业里的“CPU”。

市场人士指出,IGBT诞生于20世纪80年代,进入工业应用时间较晚,虽然目前占整体功率半导体分立器件市场份额仍然不大,但它代表了未来的发展方向,市场规模增长很快。

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。奇怪吧,它到底是MOSFET还是BJT?其实都不是又都是。不绕圈子了,他就是MOSFET和BJT的组合体。

我在前面讲MOSFET和BJT的时候提到过他们的优缺点,MOSFET主要是单一载流子(多子)导电,而BJT是两种载流子导电,所以BJT的驱 动电流会比MOSFET大,但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的,没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的,兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗),又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求,广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

传统的功率MOSFET

为了等一下便于理解IGBT,我还是先讲下Power MOSFET的结构。所谓功率MOS就是要承受大功率,换言之也就是高电压、大电流。我们结合一般的低压MOSFET来讲解如何改变结构实现高压、大电流。

1)高电压:一般的MOSFET如果Drain的高电压,很容易导致器件击穿,而一般击穿通道就是器件的另外三端(S/G/B),所以要解决高压问题必须堵死这三端。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的距离(Field-Plate),而Bulk端的PN结击穿只能靠降低PN结两边的浓度,而最讨厌的是到Source端,它则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压,使得电压都降在漂移区上就可以了。

2) 大电流:一般的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定,而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来控制,所以只要process稳定就可以做的很小,而且不受光刻精度的限制。而器件的电流取决于W/L,所以如果要获得大电流,只需要提高W就可以了。

所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。虽然这样的器件能够实现大功率要求,可是它依然有它固有的缺点,由于它的源、栅、漏三端都在表面,所以漏极与源极需要拉的很长,太浪费芯片面积。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则复杂性增加而且需要隔离。所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS),把漏极统一放到Wafer背面去了,这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面减薄来控制,而且这样的结构更利于管子之间的并联结构实现大功率化。但是在BCD的工艺中还是的利用LDMOS结构,为了与CMOS兼容。

再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧,最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金属蒸发制作出来的(如下图),他就是传说中的Planar VDMOS,它和传统的LDMOS比挑战在于背面工艺。但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容,所以它还是有生命力的。但是这种结构的缺点在于它沟道是横在表面的,面积利用率还是不够高。

再后来为了克服Planar DMOS带来的缺点,所以发展了VMOS和UMOS结构。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽,把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的 vertical,果然是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC制造总是在不断trade-off),这样的结构天生的缺点是槽太深容易电 场集中而导致击穿,而且工艺难度和成本都很高,且槽的底部必须绝对rouding,否则很容易击穿或者产生应力的晶格缺陷。但是它的优点是晶饱数量比原来多很多,所以可以实现更多的晶体管并联,比较适合低电压大电流的application。

还有一个经典的东西叫做CoolMOS,大家自己google学习吧。他应该算是Power MOS撑电压最高的了,可以到1000V。

IGBT的结构和原理

上面介绍了Power MOSFET,而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管,从结构上看和Power MOSFET非常接近,就在背面的漏电极增加了一个P+层,我们称之为Injection Layer (名字的由来等下说).。在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它还是传统的MOSFET,它依然是单一载流子(多子)导电,所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结 构,我们如何能够在Power MOSFET导通的时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗?所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection layer (这就是名字的由来),而从结构上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结,不过他是正偏的,所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应,所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电。所以原来的source就变成了Emitter,而Drain就变成了Collector了。

从上面结构以及右边的等效电路图看出,它有两个等效的BJT背靠背链接起来的,它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管),这个东西不是我们刻意做的,而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(ic-garden.cn/?)就说了,这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs,只要满足α1+α2<1就可以了。

另外,这样的结构好处是提高了电流驱动能力,但坏处是当器件关断时,沟道很快关断没有了多子电流,可是Collector (Drain)端这边还继续有少子空穴注入,所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current),影响了器件的关断时间及工作频率。这个可是开关器件的大忌啊,所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层,这一层的作用就是让器件在关断的时候,从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率,我们称这种结构为PT-IGBT (Punch Through型),而原来没有带N+buffer的则为NPT-IGBT。

一般情况下,NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高,主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少),而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入较多而导致的三极管基区调制效应明显),而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss),所以如果需要同样的Vce(sat),则NPT必须要增加drift厚度,所以Ron就增大了。

IGBT的未来发展

业内人士普遍认为,硅基IGBT逼近材料特性极限,技术升级迫在眉睫。

第三代半导体材料碳化硅是制造高温、高频、大功率半导体器件更理想衬底材料,综合性能较硅材料可提升上千倍,无论是英飞凌、ST等全球功率半导体巨头还是比亚迪微电子、中车时代电气等国内功率厂商都重注该领域,同样,开始向功率半导体领域进军的华为也不例外。

未来 IGBT 将向更低的开关损耗、更高的电流密度以及更高的工作温度发展,随着数万伏高压、高于 500 ℃的高温、高频、大功率等需求的提出,硅基IGBT的性能已经逼近材料特性极限,因此碳化硅(SiC)基IGBT将站上历史舞台。

国金证券称,未来5-10年,在600V以上的高频高压领域,SiC-IGBT会开始在某些特定的应用场景中渗透,如纯电动车中的车载充电器以及数据中心供电单元(在车载充电器中,SiC-IGBT可以缩小充电器体积约 50%, 同时可以提升充电效率以及减少充电时间,使用期间能量效率提升5%)。预测至2022 年,SiC元器件的市场规模约10亿美元,2018-2020年CAGR 为28%,而2020年之后市场规模加速增长,2020-2022年复合增长率将达到40%。

(本文综合整理自:EETOP以往文章、集微网、证券时报、国金证券等)

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