为什么是功率半导体领域会率先产生突破呢？

站在更长的时间维度，我国半导体突破封锁是一定的，可能最先在功率器件市场。

如果中国半导体能在哪个领域率先撕开封锁线，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“缺芯”久已。

国产，该来，也必须来。

NO.1

什么是功率半导体呢？

与手机、电脑上使用的数字集成电路不同，功率半导体并不是一个大众熟知的概念。数字集成电路主要处理的是信息，而不能直接使用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。 具体到分类上，功率半导体是个宽泛的概念，主要作用是实现电能转换，包括二极管、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。 不同的功率器件，都有自己的高效区间。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 其中，在电动汽车中，IGBT模块是电控的重要组成部分。 什么是IGBT呢？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，即绝缘栅双极型晶体管。简单来说，IGBT可以理解为“非通即断”的开关，它可以将直流电压逆变成频率可调的交流电，主要用于变频逆变和其他逆变电路，被称为是电力电子装置的“CPU”。 在新能源汽车中，IGBT 模块占是除电池之外成本第二高的元件，目前我国车用IGBT产品大部分都是依赖国外进口，也就是说百亿级IGBT市场基本由英飞凌、三菱、西门子等国外巨头把控，其中单是英飞凌就占了近6成的市场份额。 但在经过贸易战的洗礼后，越来越多的下游厂商主动开始尝试接受国产IGBT，这就给了国产IGBT更多的试错机会，从而促进了国产IGBT的技术迭代，让国产IGBT进入了一个良性的迭代循环的过程。IGBT的国产替代已经进入了高速增长期，越来越多的中小型客户已经完成了高比例的国产化。

NO.2

为什么是功率半导体领域会率先产生突破呢？

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。 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。 在功率半导体领域，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。 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。

NO.3

车规IGBT双子星如何承载本土突围之重？

比亚迪与斯达半导体被业界认为本土IGBT双子星。 在比亚迪入局IGBT之前，国内自主研发的IGBT几乎一片空白，基本被外资企业垄断。 从F3DM采用的IGBT 1.0芯片，大规模配置于e6、K9等新能源车型上的IGBT 2.5芯片模块，到去年推出的IGBT 4.0芯片，比亚迪的IGBT芯片已经研发了超过十年，成为国内首个贯通新能源汽车IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装、仿真测试以及整车测试等全产业链企业。 比亚迪微电子公司（比亚迪半导体公司前身）成立于2004年，初期主要承担着比亚迪集团集成电路及功率器件的开发、整合、晶圆等生产任务，主要经营功率半导体器件、IGBT功率模块、CMOS图像传感器、电源管理IC、传感及控制IC等产品。其中，IGBT是比亚迪半导体的拳头产品。 有数据显示，2019年，英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块，市占率达到58%。而比亚迪供应了19.4万套，市占率达到18%（按最新数据估算，其在中国车规市场的份额已达22.1%）。可以说，比亚迪缓解了我国车规级IGBT芯片市场一直被外企“卡脖子”的局面。 斯达半导体是国内唯一进入全球前十的IGBT模块厂商。相较于比亚迪半导体的IGBT技术从1.0迭代到4.0（相当于国际第五代），斯达半导的IGBT技术已经发展到了第六代，基于第六代 Trench Field Stop 技术的IGBT芯片及配套的快恢复二极管芯片已在新能源汽车行业实现应用。 根据公司上市时披露的数据来看，斯达半导体2019年生产的车规级IGBT模块已经配套了超过20家终端汽车品牌，合计配套超过16万辆新能源汽车，此外适用于燃油车的BSG功率组件顺利通过了主流汽车厂商的认证，打开了传统汽车市场。

NO.4

国内其它企业——星星之火，足以燎原

随着行业景气度逐渐好转和政策的推动，亦有不少新进入者抢夺市场。据分析，目前市场新入者主要有三类，一是向IGBT等高端产品扩展业务的功率半导体企业，如扬杰科技、华微电子等；二是出于为满足自身需求及出于供应链安全考虑向上游涉足的，如中车时代和比亚迪等；三是看好市场而进场的新公司，如瑞能半导体、广东芯聚能以及富能半导体等。 其中，中国中车和比亚迪分别依靠高铁和新能源汽车取得了一定的成绩。 株洲中车时代半导体有限公司（简称：中车时代半导体）作为中车时代电气股份有限公司下属全资子公司，全面负责公司半导体产业经营。从1964年开始投入功率半导体技术的研发与产业化，2008年战略并购英国丹尼克斯公司，目前已成为国际少数同时掌握大功率晶闸管、IGCT、IGBT及SiC器件及其组件技术的IDM（集成设计制造）模式企业代表，拥有芯片—模块—装置—系统完整产业链。 中车时代半导体拥有国内首条、全球第二条8英寸IGBT芯片线，全系列高可靠性IGBT产品已全面解决轨道交通核心器件受制于人的局面，基本解决了特高压输电工程关键器件国产化的问题，并正在解决我国新能源汽车核心器件自主化的问题。 比亚迪是打破了国际厂商垄断，实现了我国在车用IGBT芯片技术上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0产品在电流输出、综合损耗及温度循环寿命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品，且产能已达5万片，并实现了对外供应。公司也是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企，包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分，还有仿真测试以及整车测试。好消息是，据长沙晚报近日报道，长沙比亚迪IGBT项目日前已正式启动建设，计划建设集成电路制造生产线。细分来看，国内的IGBT在芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局。整体来看，中国IGBT产业链正逐步具备国产替代能力。

国内的IGBT整个产业链梳理（数据来源：半导体行业观察）

NO.5

车企一步步入局，整个行业发展迅速

据报道，近日，东风汽车集团公司旗下的智新半导体有限公司年产30万套功率模块的生产线4月将投入量产。 智新半导体有限公司成立于2019年，注册资本3亿元，经营范围为汽车半导体产品及相关设备的研发、生产、批发、零售。其大股东有智新科技股份有限公司，持股比例48%，和株洲中车时代半导体有限公司，持股47%。

智新科技前身为2001年成立的东风电动车辆股份有限公司，作为东风公司发展新能源汽车事业的主阵地，经历了“以整车为研究对象”，到“研发新能源汽车平台和整车控制器”，再到 “发展研究新能源三电核心技术”三个主要阶段。 智新半导体是车企与半导体公司在功率模块层面深度合作的产物。自2018年开始，东风为了构建稳定的三电供应链，决定与株洲中车时代就IGBT功率模块展开合作，自主研发车规级模块，来替代进口。 除了东风和比亚迪，其它国内车企，也正在一步步布局功率半导体模块。

NO.6

车规级IGBT的技术挑战？

新能源汽车对IGBT提出非常高的要求，要求其拥有更强大、更高效的功率处理能力，同时也要降低本身过多的电力消耗和不必要的热量产生，以提高整车的性能。 目前技术方面遇到的主要难题：一是续驶里程与排放要求带来的低损耗问题；二是轻量化带来的高功率密度与散热问题；三是恶劣运行环境与极端工况所要求的的安全工作区和长期可靠性问题；四是汽车产业生态要求的低成本问题。目前车规级IGBT面临的技术挑战：一是芯片的设计与制造，芯片低功耗高与高可靠性、高功率容量之前较难平衡；二是芯片封装的全流程，解决高效散热、可靠性等并进行性能验证，以确保汽车长期的可靠运行；三是如何通过驱动控制，保障某些特殊工况下IGBT的正常运行。 目前IGBT的拓扑结构有三种：单管模块、2 in 1模块、6 in 1模块，组成一个完整的3相全波整流电路，通过灵活的电路拓扑可以实现在汽车上不同的集成应用要求。 各企业技术路线图（1） 英飞凌2013年起，英飞凌对车规级IGBT芯片技术进步作出了很多贡献，包括IGBT3和HybridPACK 2。电压从650V提高到750V，电流密度从150A/cm2提高到270A/cm2，功率密度约为2kw/mm2，比高铁IGBT功率密度更高。（2） 三菱三菱在芯片和封装环节做了大量的研发工作，其双面散热技术相对领先。（3） 中车中车自2008年进入IGBT领域，经过10年发展，目前IGBT在高铁上的应用已经实现了自主化，电网的应用也开始批量、大规模推广。2012年起，中车开始布局车规级IGBT的研发工作，目前已经研发两代车规级IGBT技术，包括第5代高性能沟槽栅和第6代精细沟槽栅IGBT芯片，电流密度达到275A/cm2，与国外先进水平相当，并已开始研发基于逆导RET技术的下一代更高电流密度芯片。

NO.7

车规级IGBT技术解决方案？

（1）高性能FRD 使用高性能FRD，可以有效减小振荡和干扰问题，稳定车规级IGBT的运行。目前，中车FRD主要是基于先进PIC结构，通过质子和电子辐照，对少子寿命进行控制，实现了与IGBT性能上的良好匹配。另一种解决方案是使用SiC SBD来实现IGBT的续流控制，这种方式可以降低IGBT模块30%的损耗，但弊端是因为SBD反向恢复快、会对IGBT的开通造成很大电流冲击，影响长期可靠性。因此，如果能找到性能比较好的FRD，不建议采用两种不同频率器件混合使用，会影响总体性能和可靠性。 （2）布局优化与低感设计 通过布局优化与低感设计，可以降低高频应用条件下EMI的影响，改善芯片均流，降低开关过程的电压过冲，提高功率密度。 （3）绝缘结构 IGBT主要通过陶瓷衬板，来实现阴性和阳性的绝缘，目前使用的衬板包括AlN陶瓷衬板、Al2O3陶瓷衬板、Si3N4陶瓷衬板。出于对成本控制，多数车规级IGBT都使用Al2O3陶瓷衬板进行封装。但Al2O3与硅、铜热膨胀系数相差较大，在使用过程中会此引起材料的疲劳与焊接层的退化，从而影响整个模块的使用寿命。 （4）优化封装材料体系 IGBT电性能的改善已经遇到瓶颈，可以通过改善热设计来进一步提高IGBT的性能与可靠性，优化封装材料体系，减少封装互连界面，将热膨胀系数的失配尽可能降低，做成一体化集成衬板，改善IGBT模块的特性。 （5）高效散热技术 在基板也有技术措施来改善车规级IGBT的性能：使用带有Pin-fin结构的直接液冷散热，双面水冷散热技术，可降低20%-30%的热阻。 （6）模块封装可靠性设计 IGBT使用过程当中可靠性的最大问题是焊接层，长期运行会引起材料退化，从而引起热阻和导通压降升高。针对这一问题，目前已有新的解决方案：通过低温烧银结技术，达到超高的熔点、优良的热导率，从而获得较好的热循环和功率循环能力。 铜工艺技术也能提高可靠性。高铁模块使用铜金属化+铜线缝合；汽车模块使用铜箔烧结+铜线键合。通过此种铜工艺技术可以将功率循环能力提高10倍。 另一个可提高可靠性的方法是双面焊接技术。目前所有模块的封装，都是基于单面散热这种模式实现的，而双面焊接则使芯片直接与对衬板相连，取消引线互连，可提升50%的功率循环能力。 功率端子是IGBT通过最大电流、产生最大热量的地方，端子连接质量直接影响IGBT模块应用可靠性，也是IGBT主要的失效模式之一，在所有导致IGBT失效的影响因素中占比较高。传统工艺是通过焊片来实现端子跟衬板的互连，新的技术主要通过金属段子超声焊接的方式，可以显著降低接触热阻，改善散热能力，增加电流承载能力，提高车载环境中机械震动和冲击的抵抗能力。 （7）封装模式 目前车规级IGBT主要有三种封装模式：标准封装模式——Type 1、针翅型封装——Type2、平面封装——Type3。 中车汽车级IGBT模块包括S1模块、S2模块、S3模块和L1模块，分别对标英飞凌的HP2、DC6和HPDrive，包括全部参数与性能及外部接口尺寸，双面散热的模块英飞凌还没有大规模推广。L1是一种平面封装模块，实现双面散热，目前正在做样品验证。

NO.8

技术驱动将重新构建行业格局

总体来看，我国在IGBT领域已基本解决了0到1的问题，未来需要经历的或者说正在经历的是1到100的漫长过程。从技术上来说，国内企业要追赶的路还很长。面对汽车行业百年未有之变局，技术驱动将重新构建行业格局，无疑是没错的。

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