IGBT廠商開拓新市場，低電壓應(yīng)用成為目標 - 全文

　　IGBT業(yè)者正積極搶進600伏特以下的低電壓應(yīng)用。全球經(jīng)濟不穩(wěn)定，加上主要應(yīng)用市場競爭日益激烈，使得IGBT產(chǎn)業(yè)近來成長趨緩。為開創(chuàng)成長新契機，IGBT業(yè)者遂致力研發(fā)適合低電壓應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)與產(chǎn)品方案，甚至朝向12寸晶圓制造發(fā)展。

　　Yole Developpement電力電子部門分析師Alexandre Avron

　　受到全球政府降低再生能源及運輸支出的影響，絕緣閘雙極電晶體（IGBT）元件及模組制造商紛紛陷入艱困處境。據(jù)Yole Developpement統(tǒng)計，大多IGBT制造商、封裝公司和相關(guān)的被動元件制造廠在2012年出現(xiàn)衰退（圖1），因而促使相關(guān)業(yè)者改變IGBT晶圓、封裝等生產(chǎn)策略，期將產(chǎn)業(yè)帶回先前快速的成長軌道上。

　　拓展低電壓市場　IGBT廠生產(chǎn)策略轉(zhuǎn)變

　　現(xiàn)階段，幾乎所有 IGBT制造商都在600伏特（V）以上相關(guān)電力電子應(yīng)用市場競爭，范圍由太陽能逆變器（Inverter）到馬達驅(qū)動器?，F(xiàn)有主要業(yè)者如位于德國的英飛凌（Infineon）、日本東京的三菱電機（Mitsubishi Electric），以及具備可提供阻擋高達3，300伏特電壓元件優(yōu)勢的富士電機（Fuji Electric）。這些業(yè)者同時也跨足1，700伏特以下中電壓應(yīng)用領(lǐng)域；此一市場，可謂業(yè)界競爭最激烈的應(yīng)用領(lǐng)域，因為幾乎所有電力電子元件造商，皆可提供1，700伏特以下應(yīng)用的IGBT元件。不過，若以營收計算，600～900伏特的產(chǎn)品才是市場產(chǎn)值最大的貢獻來源。

　　Yole Developpement電力電子部門分析師Brice Le Gouic

　　隨著主流市場競爭日益嚴峻，有些公司開始想進入超越傳統(tǒng)范圍下緣的新領(lǐng)域，積極往200～600伏特低電壓區(qū)間移轉(zhuǎn)，以達到更大量的應(yīng)用，如白色家電產(chǎn)品和相機閃光燈。然而，超級接面高效能金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（Super Junction MOSFET）已應(yīng)用于此電壓區(qū)間，意味著IGBT產(chǎn)品要進入市場將有一些挑戰(zhàn)，且制造商也將面臨極大的價格競爭壓力。

　　如果IGBT業(yè)者鎖定普通的低電壓商品應(yīng)用，成本必然成為重要的驅(qū)動力，不過，產(chǎn)品持續(xù)降價后，盡管整體市場規(guī)模成長，但也意味著利潤率更低。能夠在此電壓區(qū)間競爭，部分是因為IGBT制造商在元件世代發(fā)展中所做的改善，他們在每個新世代都改進其設(shè)計、縮小晶片尺寸，因而省下成本（圖2）。舉例來說，英飛凌第五代IGBT 產(chǎn)品的尺寸已比第一代減少60～70%，其藉由現(xiàn)今的場截止溝槽式（Field Stop Trench）元件，使晶圓厚度可降到50～70微米（μm），甚至下探40微米。同時，三菱也持續(xù)縮減產(chǎn)品溝槽尺寸，以在同一晶片中放入更多電晶體，進而能微縮晶片體積。

　　圖1　2006～2020年功率元件市場產(chǎn)值預(yù)測；其中，2009年與2012年皆因全球經(jīng)濟因素出現(xiàn)衰退。

　　未來，制造商還會運用其他電力電子電晶體的低成本制造策略，加強IGBT在一般應(yīng)用的競爭力。舉例來說，為讓IGBT順利轉(zhuǎn)向低電壓應(yīng)用領(lǐng)域，制造商正移向較大晶圓直徑的平臺，其中，英飛凌即積極移往12寸生產(chǎn)，跳脫現(xiàn)在大多IGBT都在6寸和8寸晶圓上制造的模式，尋求更好的量產(chǎn)經(jīng)濟效益。盡管目前尚不確定在12寸晶圓上制造IGBT的商用產(chǎn)品問世時程，但相關(guān)廠商確實已開始投入MOSFET制造，亟欲切入低電壓市場。

　　支援12寸平臺　柴氏晶圓方案崛起

　　由于IGBT在電力電子市場是很安全、成熟的技術(shù)，因此改善成本遂成為廠商最重要的考量，當(dāng)然，每個新世代元件的目標都是減少損失及改進效能，只要合乎工程師的預(yù)期，就能持續(xù)獲得選用。

　　圖2　IGBT技術(shù)演進藍圖

　　在一般電力電子系統(tǒng)成本方面，業(yè)界均可接受IGBT技術(shù)創(chuàng)新，因為可減少尺寸或重量，或是能改善系統(tǒng)的效率或可靠性。因此，包括油電混合車（HEV）、電壓很高的應(yīng)用如電網(wǎng)電力供應(yīng)，以及低電壓消費應(yīng)用方面，終端用戶皆愿意負擔(dān)創(chuàng)新的代價。

　　目前IGBT業(yè)者已開始運用柴氏法（Czochralski Method）將傳統(tǒng)磊晶附著于由晶體切成的矽晶圓上，而另一種浮動區(qū)中子質(zhì)化（NTD）晶圓做法，則在核子反應(yīng)器中以磷做為矽的摻入雜質(zhì)，更廣泛的用于 IGBT生產(chǎn)。由于NTD晶柱帶著遍布晶圓的同質(zhì)電阻率回來，因此可取得電壓更高、效能更好的IGBT；此外，一旦切割后就不需要磊晶，可顯著減少晶圓的厚度，當(dāng)晶圓變薄就可在每一晶柱做出更多晶圓，因而降低成本。

　　事實上，浮動區(qū)NTD晶圓只用在符合其效能優(yōu)勢的應(yīng)用上，且目前沒有轉(zhuǎn)至直徑12寸晶圓的趨勢，因為反應(yīng)器都不接受8寸以上的晶柱。相形之下，可使用12寸平臺的柴氏長晶法對低電壓、大量的應(yīng)用頗為可行，因此大部分業(yè)者想以柴氏法加上磊晶做低電壓產(chǎn)品，浮動區(qū)晶圓則用于高電壓應(yīng)用。

　　大陸晶圓廠來勢洶洶　傳統(tǒng)IGBT廠加碼封裝研發(fā)

　　由于成本如此重要，中國大陸新興的半導(dǎo)體制造商對IGBT產(chǎn)業(yè)的沖擊將愈來愈明顯。其中，位于北京的火車制造商中國南車購并英國林肯Dynex Semiconductor后取得IGBT專業(yè)技術(shù)，該公司亦已和深圳車廠比亞迪合作，宣稱已能做出二極體（Diodes），并將于2013年第三季推出自行研發(fā)的IGBT。

　　盡管英飛凌、三菱電機、富士電機和其他歷史悠久的制造商在自家工廠進行所有IGBT技術(shù)、制造及研發(fā)，并以持續(xù)性的技術(shù)創(chuàng)新在市場上存活下來，但是，中國大陸業(yè)者卻嘗試以較低價位的產(chǎn)品進入市場，而非試著做出最佳的元件，將為整個市場競爭帶來新的變化。目前計劃發(fā)展 IGBT制程的中國大陸晶圓廠包括江蘇的華潤上華，以及上海的中芯國際、宏力半導(dǎo)體和華宏NEC。

　　隨著中國大陸晶圓代工廠做出來的元件商品化后，囊括IGBT從上到下自行生產(chǎn)的制造商將承受更大的市場競爭壓力。尤其是傳統(tǒng)的歐美及日本IGBT大廠要跟隨這個趨勢頗困難，他們的存亡大多要看在晶片層面的創(chuàng)新程度，因此，目前除晶圓技術(shù)外，亦正致力投入研發(fā)模組層次的新封裝方案。

　　事實上，封裝技術(shù)的重要性正在IGBT產(chǎn)業(yè)快速攀升。著眼于許多電力電子元件廠商逐漸從TO-220及TO-247轉(zhuǎn)向更小的表面黏著封裝，如DPAK及D2PAK，IGBT業(yè)者也正研擬導(dǎo)入這種小型封裝，進一步改善模組、系統(tǒng)的成本及體積等問題。

　　無庸置疑，IGBT封裝創(chuàng)新的增加已是近來最出人意料的發(fā)展之一?，F(xiàn)階段，部分新技術(shù)已落實到模組開發(fā)上，廠商可在同一個模組使用幾種類型的元件，例如 IGBT及超級接面高效能場效電晶體，或IGBT及碳化矽（SiC）二極體，藉以優(yōu)化產(chǎn)品。這些元件在固晶銅箔基板、固晶和打線層面均導(dǎo)入創(chuàng)新方案，故能承受各種溫度變化的考驗，并支援不同頻率。

　　隨著封裝技術(shù)快速演進，未來IGBT業(yè)者還會繼續(xù)用帶式接合（Ribbon Bonding）嗎？若是這樣，仍會用鋁做為基板材料還是轉(zhuǎn)而使用銅，或運用新的銅柱方案，這些均是后續(xù)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題。

　　2013年IGBT市場回溫可期

　　綜上所述，在IGBT晶圓、封裝技術(shù)及低電壓應(yīng)用領(lǐng)域迭有突破之下，今年市場可望逐漸恢復(fù)成長力道。在2011年，包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機、再生能源市場成長放緩，影響IGBT需求，而且相關(guān)元件和模組均有庫存，交貨期又長，因而也連帶沖擊2012年的IGBT市場。不過，這一波市場不景氣應(yīng)不致擴大影響到 2013年IGBT的市場規(guī)模，因目前全球經(jīng)濟情況已較為樂觀。

　　據(jù)Yole Developpement統(tǒng)計，2011年IGBT分離式元件及模組總銷售額為35億美元，但未來幾年產(chǎn)值成長可能有波動，將呈現(xiàn)鋸齒狀的變化。如果全球景氣回升并持穩(wěn)的話，2013年可望有些復(fù)蘇，2014年將小幅放緩，2015年成長則將趨于穩(wěn)定。

　　IGBT市場還能再次增長嗎？

　　各國政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，因此IGBT器件和模塊的制造商面臨著一場考驗。

　　大部分IGBT制造商都在整個功率電子領(lǐng)域展開了競爭。英飛凌、三菱電機、富士電機等大企業(yè)在絕緣電壓高達3300V的產(chǎn)品方面實力很強。從收益方面來看，600～900V的產(chǎn)品所占市場最大。

　　幾家企業(yè)還瞄準了白色家電及相機閃光燈等銷量大的用途，還準備涉足低壓（200～600V）市場。這些都是面向普通消費者的用途，因此IGBT廠商的苦惱除了與超結(jié)MOSFET（SJ-MOSFET）的競爭以外，還有價格壓力。但是，市場整體將實現(xiàn)增長。

　 　成本的削減可通過改進設(shè)計和縮小芯片尺寸來實現(xiàn)。英飛凌的IGBT芯片尺寸從第1代到第5代已縮小了60～70％。最新的Field Stop Trench（場截止溝道）型器件也減小了晶圓厚度。英飛凌準備將晶圓厚度減至50～70μm，甚至40μm。而三菱電機則為在一個芯片上集成更多單元， 減小了溝道尺寸。另外，IGBT廠商還將通過把現(xiàn)在的150mm和200mm晶圓增至300mm來削減成本。

　　技術(shù)人員選擇IGBT并不 一定是為了確保性能，而是因為IGBT能夠滿足他們的期待。在以減小尺寸、減輕重量以及提高系統(tǒng)效率和可靠性為目的、高成本被認為具有合理性的情況下，革 新型IGBT就會被采用。比如高檔混合動力車等。另外，IGBT還會被用于輸電網(wǎng)供電等高壓用途以及低壓消費類電子產(chǎn)品。另一方面，基本配置的純電動汽車 會使用中國廠商生產(chǎn)的質(zhì)量達到平均水平的模塊。

　　通常的IGBT是利用硅外延片制造的，硅外延片是利用Czochralski法生長出晶 體、將其切片制成硅晶圓、再在硅晶圓上生長出外延層制成的。最近，利用垂直懸浮區(qū)熔法制備的NTD（中子嬗變摻雜）硅晶圓越來越多地被用來制造IGBT。 NTD是利用核反應(yīng)使單晶硅中的Si30嬗變成磷原子而實現(xiàn)在硅中摻雜磷的方法。由于NTD硅錠的電阻率均一，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高性能高壓IGBT。切出硅晶 片后不需要外延，因此能大幅削減晶圓厚度。這樣，一個硅錠可生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量增加，從而可以削減成本?，F(xiàn)在，NTD晶圓只在能夠大幅提高性能時采用，因為 其價格還很高。由于還沒有可處理大于200mm硅錠的反應(yīng)堆，因此沒有出現(xiàn)過渡到300mm晶圓的趨勢。

　　由此可以看出，削減成本越來越 重要，因此中國很快會給IGBT領(lǐng)域帶來影響。株洲南車時代電氣股份有限公司通過收購丹尼克斯半導(dǎo)體公司 （Dynex Semiconductor）獲得了IGBT相關(guān)技術(shù)。比亞迪已具備制造二極管的能力，將于2013年第三季度之前開始制造自主開發(fā)的IGBT。在中國其 他地區(qū)，IGBT將以聞所未聞的制造模式開始生產(chǎn)，也就是高質(zhì)量制造出基礎(chǔ)器件，然后委托代工企業(yè)生產(chǎn)的模式。發(fā)展藍圖中包含了IGBT工藝的中國代工企 業(yè)有華潤上華、中芯國際、宏力半導(dǎo)體及華虹NEC等公司。這將給自行制造IGBT的廠商帶來一定壓力，他們能否生存下去主要取決于芯片級別的技術(shù)革新和模 塊級別的封裝技術(shù)。

　　由于模塊發(fā)展迅速，封裝技術(shù)的重要性正在以驚人的速度提高。因為封裝技術(shù)能使多種器件在一個模塊中使用。比 如，IGBT與SJ- MOSFET組合及IGBT與SiC二極管組合等。這些器件的耐溫和支持頻率不同，因此在芯片鍵合后的Cu基板階段、冷卻階段及芯片安裝階段需要技術(shù)革 新。另外，在布線階段也需要技術(shù)革新。存在的課題包括，要繼續(xù)使用引線鍵合嗎？如果是的話，是使用鋁線還是銅線？是采用帶式焊接（Ribbon Bonding）還是銅凸點？

　　這些領(lǐng)域的技術(shù)進步將使IGBT再次走上增長之路。由于風(fēng)力發(fā)電渦輪機、可再生能源及鐵路領(lǐng)域在2011 年表現(xiàn)低迷，IGBT市場在 2012年出現(xiàn)了減速。之所以在一年后才表現(xiàn)出影響，是因為這些器件和模塊有庫存而且這些器件的生產(chǎn)周期長。各種IGBT器件和IGBT模塊的銷售額在 2011年為35億美元，未來的增長趨勢將出現(xiàn)不規(guī)則變化。預(yù)計2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開 始將穩(wěn)定增長。

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