IGBT厂商开拓新市场，低电压应用成为目标 - 全文

　　IGBT业者正积极抢进600伏特以下的低电压应用。全球经济不稳定，加上主要应用市场竞争日益激烈，使得IGBT产业近来成长趋缓。为开创成长新契机，IGBT业者遂致力研发适合低电压应用领域的新技术与产品方案，甚至朝向12寸晶圆制造发展。

　　

　　Yole Developpement电力电子部门分析师Alexandre Avron

　　受到全球政府降低再生能源及运输支出的影响，绝缘闸双极电晶体（IGBT）元件及模组制造商纷纷陷入艰困处境。据Yole Developpement统计，大多IGBT制造商、封装公司和相关的被动元件制造厂在2012年出现衰退（图1），因而促使相关业者改变IGBT晶圆、封装等生产策略，期将产业带回先前快速的成长轨道上。

　　拓展低电压市场　IGBT厂生产策略转变

　　现阶段，几乎所有 IGBT制造商都在600伏特（V）以上相关电力电子应用市场竞争，范围由太阳能逆变器（Inverter）到马达驱动器。现有主要业者如位于德国的英飞凌（Infineon）、日本东京的三菱电机（Mitsubishi Electric），以及具备可提供阻挡高达3，300伏特电压元件优势的富士电机（Fuji Electric）。这些业者同时也跨足1，700伏特以下中电压应用领域；此一市场，可谓业界竞争最激烈的应用领域，因为几乎所有电力电子元件造商，皆可提供1，700伏特以下应用的IGBT元件。不过，若以营收计算，600～900伏特的产品才是市场产值最大的贡献来源。

　　

　　Yole Developpement电力电子部门分析师Brice Le Gouic

　　随着主流市场竞争日益严峻，有些公司开始想进入超越传统范围下缘的新领域，积极往200～600伏特低电压区间移转，以达到更大量的应用，如白色家电产品和相机闪光灯。然而，超级接面高效能金属氧化物半导体场效电晶体（Super Junction MOSFET）已应用于此电压区间，意味着IGBT产品要进入市场将有一些挑战，且制造商也将面临极大的价格竞争压力。

　　如果IGBT业者锁定普通的低电压商品应用，成本必然成为重要的驱动力，不过，产品持续降价后，尽管整体市场规模成长，但也意味着利润率更低。能够在此电压区间竞争，部分是因为IGBT制造商在元件世代发展中所做的改善，他们在每个新世代都改进其设计、缩小晶片尺寸，因而省下成本（图2）。举例来说，英飞凌第五代IGBT 产品的尺寸已比第一代减少60～70%，其藉由现今的场截止沟槽式（Field Stop Trench）元件，使晶圆厚度可降到50～70微米（μm），甚至下探40微米。同时，三菱也持续缩减产品沟槽尺寸，以在同一晶片中放入更多电晶体，进而能微缩晶片体积。

　　

　　图1　2006～2020年功率元件市场产值预测；其中，2009年与2012年皆因全球经济因素出现衰退。

　　未来，制造商还会运用其他电力电子电晶体的低成本制造策略，加强IGBT在一般应用的竞争力。举例来说，为让IGBT顺利转向低电压应用领域，制造商正移向较大晶圆直径的平台，其中，英飞凌即积极移往12寸生产，跳脱现在大多IGBT都在6寸和8寸晶圆上制造的模式，寻求更好的量产经济效益。尽管目前尚不确定在12寸晶圆上制造IGBT的商用产品问世时程，但相关厂商确实已开始投入MOSFET制造，亟欲切入低电压市场。

　　支援12寸平台　柴氏晶圆方案崛起

　　由于IGBT在电力电子市场是很安全、成熟的技术，因此改善成本遂成为厂商最重要的考量，当然，每个新世代元件的目标都是减少损失及改进效能，只要合乎工程师的预期，就能持续获得选用。

　　

　　图2　IGBT技术演进蓝图

　　在一般电力电子系统成本方面，业界均可接受IGBT技术创新，因为可减少尺寸或重量，或是能改善系统的效率或可靠性。因此，包括油电混合车（HEV）、电压很高的应用如电网电力供应，以及低电压消费应用方面，终端用户皆愿意负担创新的代价。

　　目前IGBT业者已开始运用柴氏法（Czochralski Method）将传统磊晶附着于由晶体切成的矽晶圆上，而另一种浮动区中子质化（NTD）晶圆做法，则在核子反应器中以磷做为矽的掺入杂质，更广泛的用于 IGBT生产。由于NTD晶柱带着遍布晶圆的同质电阻率回来，因此可取得电压更高、效能更好的IGBT；此外，一旦切割后就不需要磊晶，可显著减少晶圆的厚度，当晶圆变薄就可在每一晶柱做出更多晶圆，因而降低成本。

　　事实上，浮动区NTD晶圆只用在符合其效能优势的应用上，且目前没有转至直径12寸晶圆的趋势，因为反应器都不接受8寸以上的晶柱。相形之下，可使用12寸平台的柴氏长晶法对低电压、大量的应用颇为可行，因此大部分业者想以柴氏法加上磊晶做低电压产品，浮动区晶圆则用于高电压应用。

　　大陆晶圆厂来势汹汹　传统IGBT厂加码封装研发

　　由于成本如此重要，中国大陆新兴的半导体制造商对IGBT产业的冲击将愈来愈明显。其中，位于北京的火车制造商中国南车购并英国林肯Dynex Semiconductor后取得IGBT专业技术，该公司亦已和深圳车厂比亚迪合作，宣称已能做出二极体（Diodes），并将于2013年第三季推出自行研发的IGBT。

　　尽管英飞凌、三菱电机、富士电机和其他历史悠久的制造商在自家工厂进行所有IGBT技术、制造及研发，并以持续性的技术创新在市场上存活下来，但是，中国大陆业者却尝试以较低价位的产品进入市场，而非试着做出最佳的元件，将为整个市场竞争带来新的变化。目前计划发展 IGBT制程的中国大陆晶圆厂包括江苏的华润上华，以及上海的中芯国际、宏力半导体和华宏NEC。

　　随着中国大陆晶圆代工厂做出来的元件商品化后，囊括IGBT从上到下自行生产的制造商将承受更大的市场竞争压力。尤其是传统的欧美及日本IGBT大厂要跟随这个趋势颇困难，他们的存亡大多要看在晶片层面的创新程度，因此，目前除晶圆技术外，亦正致力投入研发模组层次的新封装方案。

　　事实上，封装技术的重要性正在IGBT产业快速攀升。着眼于许多电力电子元件厂商逐渐从TO-220及TO-247转向更小的表面黏着封装，如DPAK及D2PAK，IGBT业者也正研拟导入这种小型封装，进一步改善模组、系统的成本及体积等问题。

　　无庸置疑，IGBT封装创新的增加已是近来最出人意料的发展之一。现阶段，部分新技术已落实到模组开发上，厂商可在同一个模组使用几种类型的元件，例如 IGBT及超级接面高效能场效电晶体，或IGBT及碳化矽（SiC）二极体，藉以优化产品。这些元件在固晶铜箔基板、固晶和打线层面均导入创新方案，故能承受各种温度变化的考验，并支援不同频率。

　　随着封装技术快速演进，未来IGBT业者还会继续用带式接合（Ribbon Bonding）吗？若是这样，仍会用铝做为基板材料还是转而使用铜，或运用新的铜柱方案，这些均是后续IGBT产业发展面临的问题。

　　2013年IGBT市场回温可期

　　综上所述，在IGBT晶圆、封装技术及低电压应用领域迭有突破之下，今年市场可望逐渐恢复成长力道。在2011年，包括风力涡轮发电机、再生能源市场成长放缓，影响IGBT需求，而且相关元件和模组均有库存，交货期又长，因而也连带冲击2012年的IGBT市场。不过，这一波市场不景气应不致扩大影响到 2013年IGBT的市场规模，因目前全球经济情况已较为乐观。

　　据Yole Developpement统计，2011年IGBT分离式元件及模组总销售额为35亿美元，但未来几年产值成长可能有波动，将呈现锯齿状的变化。如果全球景气回升并持稳的话，2013年可望有些复苏，2014年将小幅放缓，2015年成长则将趋于稳定。

　　IGBT市场还能再次增长吗？

　　各国政府都将削减可再生能源及交通等领域的支出，因此IGBT器件和模块的制造商面临着一场考验。

　　大部分IGBT制造商都在整个功率电子领域展开了竞争。英飞凌、三菱电机、富士电机等大企业在绝缘电压高达3300V的产品方面实力很强。从收益方面来看，600～900V的产品所占市场最大。

　　几家企业还瞄准了白色家电及相机闪光灯等销量大的用途，还准备涉足低压（200～600V）市场。这些都是面向普通消费者的用途，因此IGBT厂商的苦恼除了与超结MOSFET（SJ-MOSFET）的竞争以外，还有价格压力。但是，市场整体将实现增长。

　 　成本的削减可通过改进设计和缩小芯片尺寸来实现。英飞凌的IGBT芯片尺寸从第1代到第5代已缩小了60～70％。最新的Field Stop Trench（场截止沟道）型器件也减小了晶圆厚度。英飞凌准备将晶圆厚度减至50～70μm，甚至40μm。而三菱电机则为在一个芯片上集成更多单元， 减小了沟道尺寸。另外，IGBT厂商还将通过把现在的150mm和200mm晶圆增至300mm来削减成本。

　　技术人员选择IGBT并不 一定是为了确保性能，而是因为IGBT能够满足他们的期待。在以减小尺寸、减轻重量以及提高系统效率和可靠性为目的、高成本被认为具有合理性的情况下，革 新型IGBT就会被采用。比如高档混合动力车等。另外，IGBT还会被用于输电网供电等高压用途以及低压消费类电子产品。另一方面，基本配置的纯电动汽车 会使用中国厂商生产的质量达到平均水平的模块。

　　通常的IGBT是利用硅外延片制造的，硅外延片是利用Czochralski法生长出晶 体、将其切片制成硅晶圆、再在硅晶圆上生长出外延层制成的。最近，利用垂直悬浮区熔法制备的NTD（中子嬗变掺杂）硅晶圆越来越多地被用来制造IGBT。 NTD是利用核反应使单晶硅中的Si30嬗变成磷原子而实现在硅中掺杂磷的方法。由于NTD硅锭的电阻率均一，因此能够实现高性能高压IGBT。切出硅晶 片后不需要外延，因此能大幅削减晶圆厚度。这样，一个硅锭可生产出的晶圆数量增加，从而可以削减成本。现在，NTD晶圆只在能够大幅提高性能时采用，因为 其价格还很高。由于还没有可处理大于200mm硅锭的反应堆，因此没有出现过渡到300mm晶圆的趋势。

　　由此可以看出，削减成本越来越 重要，因此中国很快会给IGBT领域带来影响。株洲南车时代电气股份有限公司通过收购丹尼克斯半导体公司 （Dynex Semiconductor）获得了IGBT相关技术。比亚迪已具备制造二极管的能力，将于2013年第三季度之前开始制造自主开发的IGBT。在中国其 他地区，IGBT将以闻所未闻的制造模式开始生产，也就是高质量制造出基础器件，然后委托代工企业生产的模式。发展蓝图中包含了IGBT工艺的中国代工企 业有华润上华、中芯国际、宏力半导体及华虹NEC等公司。这将给自行制造IGBT的厂商带来一定压力，他们能否生存下去主要取决于芯片级别的技术革新和模 块级别的封装技术。

　　由于模块发展迅速，封装技术的重要性正在以惊人的速度提高。因为封装技术能使多种器件在一个模块中使用。比 如，IGBT与SJ- MOSFET组合及IGBT与SiC二极管组合等。这些器件的耐温和支持频率不同，因此在芯片键合后的Cu基板阶段、冷却阶段及芯片安装阶段需要技术革 新。另外，在布线阶段也需要技术革新。存在的课题包括，要继续使用引线键合吗？如果是的话，是使用铝线还是铜线？是采用带式焊接（Ribbon Bonding）还是铜凸点？

　　这些领域的技术进步将使IGBT再次走上增长之路。由于风力发电涡轮机、可再生能源及铁路领域在2011 年表现低迷，IGBT市场在 2012年出现了减速。之所以在一年后才表现出影响，是因为这些器件和模块有库存而且这些器件的生产周期长。各种IGBT器件和IGBT模块的销售额在 2011年为35亿美元，未来的增长趋势将出现不规则变化。预计2013年将有一定程度的复苏，2014年稍稍减速，待经济复苏并稳定后，从2015年开 始将稳定增长。