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一篇文章看懂国内外IGBT产业链

2016年12月09日 物联应用 ⁄ 阅读 1,054 次
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IGBT功率器件简介

功率半导体器件(Power Electronic Device)又称为电力电子器件和功率电子器件,是用于电能变换和电能控制电路中的大功率电子器件。功率半导体大致可分为功率分立器件(Power Discrete)及功率集成电路(Power IC)两大类。其中功率分立器件包含金属氧化物半导体场效应晶体管(Power MOSFET)、双极型功率晶体管(Bipolar Power Transistor)及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

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功率半导体分立器件分类,来源:SITRI整理

IGBT,绝缘栅双极型晶体管,是在金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和双极晶体管(Bipolar)基础上发展起来的一种新型复合功率器件,具有MOS输入、双极输出功能。IGBT集Bipolar器件通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。

IGBT芯片在结构上是由数万个元胞(重复单元)组成,工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞结构如下所示,可将其分成体结构、正面MOS结构及背面集电极区结构三部分。

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IGBT元胞单元结构

IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,具有高频率、高电压、大电流,易于开关等优良性能,被业界誉为功率变流装置的“CPU”,广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。

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IGBT按电压分布应用领域,来源:SITRI整理

功率半导体占到新能源汽车中半导体用量的50%,而IGBT是用于新能源汽车的主要功率半导体。新能源汽车动力总成系统电气化,使每辆汽车半导体元器件用量大幅提升。市调机构Yole表示,2015年是功率电子器件市场的辛苦年,包括电源IC、电源模块与离散组件营收总计下滑3%,由前一年的152亿美元来到157亿美元;主要原因是IGBT模块的平均销售价格(ASP)下滑。

电动车与混合动力车辆预期到2021年都会是IGBT模块的主要应用市场;而届时整体IGBT市场可望达到12亿美元的规模。各国政府政策有可能会在未来的EHV发展扮演重要角色,特别是关于可再生能源与电气化车辆的政策,并因此对功率电子器件市场带来影响。

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2021年纯电动和混合动力汽车将占据大部分IGBT市场,来源:Yole

IGBT器件发展史

从上世纪80年代至今,IGBT经历了六代技术的发展演变,这个过程是很艰苦的,面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。

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IGBT从第一代到第六代的演变发展进程,来源:SITRI整理

回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变:

(1)器件纵向结构:非穿通型(NPT)结构→拥有缓冲层的穿通型(PT)结构→场终止型(FS)、软穿通型(SPT)结构

(2)栅极结构:平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构

(3)硅片的加工工艺:外延生长技术→区熔硅单晶

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IGBT技术发展历史,来源:SITRI整理

IGBT器件全球主要公司

大多数IGBT厂商都涉足该领域有数十年之久。国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等,其IGBT技术成熟,已实现了大规模商品化生产,IGBT产品电压规格涵盖600V-6500V,电流规格涵盖2A-3600A,形成了完善的IGBT产品系列。其中,西门康、仙童(被安森美收购)等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在1700V-6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势,3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断,它们代表着国际IGBT技术最高水平。

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IGBT国外主要厂商,SITRI整理

国内在功率半导体上还处于起步阶段,以下列举的是国内IGBT产业链上下游的概况。我国的IGBT厂商主要包含IDM厂商株洲中车时代电气、深圳比亚迪、杭州士兰微、吉林华微、中航微电子、中环股份等;模组厂商西安永电、西安爱帕克、威海新佳、江苏宏微、嘉兴斯达、南京银茂、深圳比亚迪等;芯片设计厂商中科君芯、西安芯派、宁波达新、无锡同方微、无锡新洁能、山东科达等;芯片制造厂商华虹宏力、上海先进、深圳方正微、中芯国际、华润上华等。1-8

国内IGBT产业链主要公司及主要产品,来源:SITRI整理

在电压结构中,仍然以600-1200V IGBT产品所占比重最大,占整个市场绝大部分市场份额。600V以下的产品主要应用在消费电子领域中,1200V以上的IGBT产品应用在高铁、动车、汽车电子及电力设备中。

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