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国产IGBT产业化突破在即 预计到2018年市场规模将达到60亿美元

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供稿:中国工控网 2016/9/6 11:40:04

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  引言:经过这些年国家对功率器件研发持续的投入和市场的培育,我们在IGBT研发方面已经积累了许多宝贵的经验,受高铁、新能源等领域的投资规模提振,具有自主知识产权、本土化的IGBT产业链也在不断完善,IGBT产业化的脚步离我们越来越近了!

  绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率mosFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型半导体器件,它集两者的优点于一体,具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点,成为目前最有应用前景的电力半导体器件。在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中,IGBT作为自动控制和功率变换的核心部件,是必不可少的功率器件“核芯”。

  电力电子行业里的“CPU”

  

 

  IGBT(绝缘栅双极晶体管)并不是一个新产品,日本东芝1985年就开始了抗闩锁效应的IGBT商业化生产,美国IR公司在 1988年推出了系列化的IGBT产品。由于它的开关速度快,且没有传输效率损失,立刻就引起了业界的青睐。

  近30年的发展,IGBT产品已经进入第六代、第七代,电压也从起初的上百伏做到了几千伏。可是这个既“简单”又“古老”的器件进入我们的眼球,还源于近些年我国高速铁路的发展。忽然间,我们发现可以造得了庞大的机车,却做不了这个小小的器件。特别是用于轨道交通的高压大功率IGBT,我们必须忍受10个月或更长的订货周期,去向欧洲公司订货。

  这是什么东西,太不可思议了!我们的半导体产业发展了30多年,集成度从微米级发展到了纳米级,晶圆尺寸从3英寸做到了12英寸,可还是不得不回头重新审视这个小小的分立器件。

  其实,我们国家并不是不重视IGBT的开发,2006年出台的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》就明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术是未来5-15年15个领域发展的重要技术之一。“十一五”和“十二五”期间,国家也组织实施了众多的IGBT研发和产业化项目,和28nm/16nm集成电路制造一样,IGBT也被列为国家“02专项”的重点扶持项目。

  一说起IGBT,半导体制造的人都以为不就是一个分立器件嘛,很有些瞧不上眼。然而它是目前功率电子器件里技术最先进的产品,其应用非常广泛,小到电磁炉、大到飞机船舶、轨道交通、新能源汽车、智能电网等战略性产业,被称为电力电子行业里的“CPU”。

  长期以来,该产品一直被欧美及日本几家公司(IDM)垄断,包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。这些公司不仅牢牢控制着市场,还在技术上拥有着大量的专利。与国外厂商相比,我国功率半导体器件在器件设计,工艺和生产制造技术方面都有较大差距。

  海归创业:出师不利身先卒

  

 

  构成本土IGBT市场需求的主体主要为智能电网、高铁(轨道交通)、电机和家电这四大领域。中国在智能电网与高铁建设领域拥有国际领先技术,但在其“核芯”IGBT的国产化方面却很落后。

  中国家电企业具备了一定的国际竞争力,但在家电节能的“核芯”部件IGBT却要依赖进口。庞大的市场基础与需求方对 IGBT国产化的迫切需求共同推动了中国本土IGBT 的国产化进程。

  借助政府支持的强大东风,我们曾经有过一轮对IGBT的“冲击”,这一轮的特点是企业(主要是民企)出钱、国家资助、海归出技术。号称“小IR”的一大批在IR(国际整流器公司)工作过的博士和研发人员回国,在各地组建了众多以IGBT为专攻的创业公司。

  但几年下来这场“冲击”战可以用“悲壮”两个字来形容,除了个别一开始就兼做模块的公司仍在苦苦支撑外, 都陷入了一场发起人与投资人的不信任怪圈,最后这些海归都落了个不得不离开的尴尬局面。“凤凰”未展屏、“科达”被转行,高科技竟不如做镜框、造桥的赚钱。在当时被行业传为“佳话”。(注:无锡凤凰和山东科达是当时两家有代表性的民营海归IGBT企业,投资的企业分别是镜框和路桥企业。)

  高铁IGBT的新龙头:南北车

  

 

  南车北车现已合并为中国中车,但在IGBT的研发方面却各有特色。北车在IGBT模块封装上与ABB技术合作,建设了一条世界一流的高功率模块生产线,成为国内第一个能够封装6500V大功率模块及解决方案的提供商。为了研发自主“芯”收购了一家以海归为背景的公司,并在不长时间内取得突破,研发出3300V/50A的IGBT芯片,推出了装有自主“芯”的IGBT封装模块。

  南车则在一开始就齐头并进,海外收购拥有50年功率器件研发历史的Dynex公司建立自己的IGBT芯片设计中心,总投资14亿元建设国内首条八英寸IGBT芯片生产线,除芯片生产线外,还建设9条满足不同行业用的IGBT模块生产线,这些产线开足马力可年产12万片8英寸IGBT芯片和100万只IGBT模块。

  产品电压等级从600伏到6500伏,足以满足轨道交通以及电动汽车、风力发电、太阳能发电、智能电网、高压变频、工业传动等多个行业需求,成为了中国首个大功率IGBT产业化基地。

  这一波南北车的“声东击西”,可不可以看做是对IGBT的第二波战役呢?这次战役与海归们的“创业”有很大的不同,他们是“集团式”作战,具有国家意志。因为就其南北车的实力,与那些海归创业公司不可同日而语。

  打游击打不赢,集团作战能不能赢?两家车企采用了不同的作战策略,一家收购了英国设计企业Dynex,自己建立芯片模块生产线,全产业链介入;一家收购国内名不见经传的创业公司,联合曾长期给英飞凌代工的ASMC“借船出海”。

  相同的是,两家都有巨大的应用市场牵引,都是国内机车行业的领军企业,这种潜在的对高压高功率半导体器件的需求,是两家相继追逐竞相进入IGBT领域的主要推动力。这种以市场应用带动芯片研发的模式,也许能够引领IGBT芯片实现真正产业化。可以说,未来的IGBT新龙头企业非南北车莫属。

  新能源汽车IGBT:比亚迪与上海先进结盟

  

 

  比亚迪在2008年以1.71亿元资金收购宁波中纬六英寸生产线,拟在打造其汽车电子功率半导体的产业链,在当时被看做是一场豪赌,现在看来这场豪赌更像是王传福专攻汽车电子交的入场费。

  在这条线上先后流片600V、1200V IGBT芯片成功后,比亚迪转手去和上海先进(ASMC)建立战略联盟,联手去占领IGBT的高端阵地。正如比亚迪微电子总经理陈刚表示,“与上海先进的携手不仅是企业发展需要,更是对推动IGBT国产化的担当。”

  随着比亚迪超过特斯拉成为全球最大的新能源汽车制造商,其对IGBT的需求日益增加。从整体市场来看,我国也已成为IGBT最大的消费国,目前年需求量超过75亿元,并以每年30%以上的速度增长。但是,国内尚未形成成熟的产业链和生产规模,广泛应用的大功率IGBT器件一半以上依赖进口,在采购价格和交货周期上都受制于外国公司,这也许是比亚迪进军IGBT市场的最大原因。

  上海先进在和比亚迪合作后的短短一年的时间里,就在1200V平台上开发成功了2个产品。这2个产品都已正式进入了比亚迪的供应链。经过二十多年来引进和消化国外先进技术的磨练,上海先进在IGBT、汽车电子、MEMS等特定半导体制造工艺领域已经处于国内领先地位。

  同时,上海先进是国内首家获得欧洲汽车电子VDA6.3(A级)资质的公司,也是国内最大的汽车电子芯片制造商和生产IGBT芯片最多的公司,至今已累计生产IGBT芯片70多万片。

  IGBT产业化突破在即

  根据市场调研机构Yole的报告显示,全球IGBT市场规模在未来几年时间将继续保持稳定的增长势头,市场规模至2018年将达到60亿美元的数值。 在产品分布上,虽然600~900V的IGBT是目前市场上的主流产品,但伴随着轨道交通、再生能源、工业控制等行业市场在近几年内的高速成长,对更高电压应用的IGBT产品(1200V~6500V)提出了强烈的需求。

  在市场驱动下,国内外公司纷纷加大对IGBT产业的投入。国外研发IGBT器件的公司其IGBT技术成熟,有大规模商品化生产的经验,形成了完善的IGBT产品系列。其中,西门康、仙童等企业在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技术的最高水平。

  我国受高铁、新能源等领域的投资规模提振,具有自主知识产权、本土化的IGBT产业链也在不断完善,最近不时有IGBT芯片(从600V到6500V)研发成功的好消息传来。

  可以说,我们已经走过了IGBT研发最困难的阶段, IGBT产业化面临最后的突破。是成功还是功亏一篑,考验的是我们的耐心。我们应该清醒地意识到,IGBT芯片设计制造技术、IGBT模块封装设计制造技术、IGBT模块可靠性与失效分析技术、IGBT测试技术等IGBT产业核心技术仍掌握在那几家发达国家企业手中。我们必须迎头刚上,必须有耐心一步一个脚印去追赶而不是超越,好大喜功、急功近利都是IGBT产业化的大敌。

  我们有理由相信,IGBT的产业化到了一个关键发展期。经过这些年国家对功率器件研发持续的投入和市场的培育,我们在IGBT研发方面已经积累了许多宝贵的经验, IGBT的产业链越来越健全,已经朝IGBT产业化迈出了坚实的一步,IGBT产业化的脚步离我们越来越近了!

  春华秋实,种子已经播下,企盼IGBT真正收获的季节。

 


审核编辑(郑益文)
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新闻来源: 中国电力电子产业网

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