華為開始自研IGBT：正在挖人！芯片股“沸騰”
2019-11-30 12:37:01 EETOP昨日（11月29日），有媒體報道稱華為已開始自主研發(fā)IGBT器件，目前正在從某國內領先的IGBT廠商中挖人。
IGBT作為自動控制和功率變換的核心部件，對于軌道交通、航空航天、新能源、智能電網、智能家電這些朝陽產業(yè)至關重要。
據(jù)華為官網顯示，IGBT早已成為其UPS電源的核心器件。做為一種雙極晶體管復合的器件，IGBT不僅具有易于驅動，控制簡單，開關頻率高等優(yōu)點，同時又具備導通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小等技術優(yōu)勢。
但據(jù)公開消息表示，華為的研發(fā)此前并不涉及功率半導體，而其需要的IGBT產品主要從英飛凌等IGBT原廠處采購。
不過，在被美國加入 “實體清單”后，華為選擇開始研發(fā)IGBT器件。
隨著全球制造業(yè)向中國的轉移，我國功率半導體市場占世界市場的50%以上，是全球最大的IGBT市場。
但IGBT產品嚴重依賴進口，長期被英飛凌，三菱，富士電機等國外巨頭壟斷全球場。
更值得注意的是，在中高端領域的IGBT器件更是90%以上依賴進口，IGBT國產化迫在眉睫。
從2011年12月，北車西安永電成為國內第一個、世界第四個，能夠封裝6500V以上IGBT產品的企業(yè)，再到2015年10月，中車永電與上海先進半導體公司聯(lián)合開發(fā)的，國內首個具有完全知識產權的6500V高鐵機車用IGBT芯片，通過高鐵系統(tǒng)上車試驗。
事實上，中國一直試圖打破IGBT基本依賴于進口的窘境。
這些上市公司已涉足
值得一的是，10月8日，工信部網站發(fā)文稱，將持續(xù)推進工業(yè)半導體材料、芯片、器件及IGBT模塊產業(yè)發(fā)展。工信部表示，為解決工業(yè)半導體材料、芯片、器件、IGBT模塊等核心部件的關鍵性技術問題，工信部等相關部門積極支持前述幾大領域關鍵技術攻關。一是2017年工信部推出“工業(yè)強基IGBT器件一條龍應用計劃”，針對新能源汽車、智能電網、軌道交通三大領域，重點支持IGBT設計、芯片制造、模塊生產及IDM、上游材料、生產設備制造等環(huán)節(jié)，促進IGBT及相關產業(yè)發(fā)展。二是指導湖南省建立功率半導體制造業(yè)創(chuàng)新中心建設，整合產業(yè)鏈上下游資源，協(xié)同攻關工業(yè)半導體材料、芯片、器件、IGBT模塊領域關鍵共性技術。三是指導中國寬禁帶半導體及應用產業(yè)聯(lián)盟發(fā)布《中國IGBT技術與產業(yè)發(fā)展路線圖（2018-2030）》，引導我國IGBT行業(yè)技術升級，推動相關產業(yè)發(fā)展。
另外，10月17日，國電南瑞發(fā)布公告，擬與國網下屬科研單位全球能源互聯(lián)網研究院有限公司共同投資設立南瑞聯(lián)研功率半導體有限公司，國電南瑞以“IGBT模塊產業(yè)化項目”部分募資5.59億元出資，占比69.8%。
國電南端表示，IGBT是國家產業(yè)政策重點支持發(fā)展的功率半導體器件，技術難度大、研發(fā)及產線建設周期長、資金投入大,核心技術一直被國外企業(yè)壟斷，目前國內高端人才缺乏，國內僅有少量廠商開展高壓IGBT研制業(yè)務。
此外，證券時報·e公司梳理發(fā)現(xiàn)，目前上市公司中，比亞迪、臺基股份、士蘭微、中車時代電氣、揚杰科技、同方股份、中芯國際等公司均有涉足IGBT產業(yè)鏈。其中比亞迪已成為中國銷售額前三的IGBT供應商，累計申請IGBT相關專利約180件，其中授權專利約114件。
昨日受利好因素刺激，功率半導體概念股昨日逆勢上漲。截至11月29日收盤，臺基股份股價漲停，此外，捷捷微電、揚杰科技等漲逾4%，華微電子漲逾2%。
中國大陸功率半導體市場占世界市場約50%，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90％以上主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。
根據(jù)華為此前公布的2018年核心供應商目錄，英飛凌（infineon）是華為IGBT的核心供應商。公開資料顯示，英飛凌每年向華為的銷售額約為1億美元，其中主要產品為IGBT芯片。英飛凌總部位于德國，是全球功率半導體龍頭。
目前，全球 IGBT主要的供應商包括英飛凌、恩智浦、富士電機、東芝、三菱、意法半導體等歐美以及日本的企業(yè)。從電壓上分類，英飛凌占據(jù)了600-1700V 范圍中 IGBT 的頭把交椅，而恩智浦則是占據(jù)了低壓 IGBT 的市場第一，2500V以上的高壓則主要由三菱提供，中國中車受益于高鐵對大功率IGBT的需求，在 4500V 以上的產品上市場份額位列全球第五。整體來講，中國IGBT產業(yè)還很薄弱。
IHS Markit 2018年報告數(shù)據(jù)顯示，在2017年度 IGBT 模塊供應商全球市場份額排名中，英飛凌排名第一。
來源：斯達股份招股書
2019年5月，有報道稱，英飛凌曾對華為暫停供貨。不過，英飛凌澄清了該傳聞，英飛凌在電郵發(fā)送的聲明中表示：“英飛凌向華為提供的絕大多數(shù)產品不受美國出口管制法律的限制，因此將繼續(xù)發(fā)貨。”任正非也在當時的媒體專訪中辟謠稱德國芯片廠商英飛凌沒有停止供貨。
從供應鏈安全角度，華為對IGBT展開自研毫不令人意外。
國產IGBT廠商都有哪些？
近年來，我國IGBT產業(yè)化水平有了一定提升，比亞迪微電子、中車時代電氣等企業(yè)有不錯的表現(xiàn)。
根據(jù)集邦咨詢《2019中國IGBT產業(yè)發(fā)展及市場報告》，2016 年，國內IGBT市場規(guī)模達 105.4億元。2017年中國IGBT市場規(guī)模預計為 128億人民幣，2018年中國IGBT市場規(guī)模預計為153億人民幣，相較2017年同比增長19.91%。受益于新能源汽車和工業(yè)領域的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模仍將持續(xù)增長，到2025年，中國IGBT市場規(guī)模將達到522億人民幣，年復合增長率達19.11%。
國金證券研報稱，目前國內IGBT產業(yè)相對薄弱，但處在快速發(fā)展階段，已經形成了相對完整的IGBT產業(yè)鏈。未來隨著國內新能源車的放量，中國 IGBT 企業(yè)將迎來快速發(fā)展及進口替代的良好機遇，看好國內IGBT龍頭公司。
中國半導體行業(yè)協(xié)會今年5月發(fā)布了2018年中國十大半導體功率器件企業(yè)。揚杰科技、華微電子、蘇州固锝、捷捷微電這四家A股公司躋身前十強。
據(jù)媒體報道，比亞迪考慮讓IGBT業(yè)務獨立進行IPO。
什么是IGBT？
IGBT被稱為電子行業(yè)里的“CPU”，IGBT全名叫絕緣柵雙極型晶體管。單講是一個非通即斷的開關，但能承受幾十到幾百伏電壓、幾十到幾百安電流、每秒鐘開關頻率最高達幾萬次。
采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點，它的應用非常廣泛，小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網等戰(zhàn)略性產業(yè)，都會用到IGBT，被稱為電子行業(yè)里的“CPU”。
市場人士指出，IGBT誕生于20世紀80年代，進入工業(yè)應用時間較晚，雖然目前占整體功率半導體分立器件市場份額仍然不大，但它代表了未來的發(fā)展方向，市場規(guī)模增長很快。
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一個有MOS Gate的BJT晶體管。奇怪吧，它到底是MOSFET還是BJT？其實都不是又都是。不繞圈子了，他就是MOSFET和BJT的組合體。
我在前面講MOSFET和BJT的時候提到過他們的優(yōu)缺點，MOSFET主要是單一載流子(多子)導電，而BJT是兩種載流子導電，所以BJT的驅 動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu)點組合起來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又利用了BJT的雙載流子達到大電流(低導通壓降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
傳統(tǒng)的功率MOSFET
為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結構。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結構實現(xiàn)高壓、大電流。
1)高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓問題必須堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個長長的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。
2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴散的結深差來控制，所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。
所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠實現(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長，太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結構更利于管子之間的并聯(lián)結構實現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構，為了與CMOS兼容。
再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。
再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical，果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結構天生的缺點是槽太深容易電 場集中而導致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對rouding，否則很容易擊穿或者產生應力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。
還有一個經典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學習吧。他應該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。
IGBT的結構和原理
上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實本質上還是一個場效應晶體管，從結構上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個P+層，我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個新的結 構，我們如何能夠在Power MOSFET導通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎？所以自然的就在漏端引入了一個P+的injection layer (這就是名字的由來)，而從結構上漏端就多了一個P+/N-drift的PN結，不過他是正偏的，所以它不影響導通反而增加了空穴注入效應，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。
從上面結構以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個東西不是我們刻意做的，而是結構生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結構最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2<1就可以了。
另外，這樣的結構好處是提高了電流驅動能力，但壞處是當器件關斷時，溝道很快關斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入，所以整個器件的電流需要慢慢才能關閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關斷時間及工作頻率。這個可是開關器件的大忌啊，所以又引入了一個結構在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關斷的時候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復合掉提高關斷頻率，我們稱這種結構為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。
一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因為NPT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導致的三極管基區(qū)調制效應明顯)，而Vce(sat)決定了開關損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。
IGBT的未來發(fā)展
業(yè)內人士普遍認為，硅基IGBT逼近材料特性極限，技術升級迫在眉睫。
第三代半導體材料碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導體器件更理想襯底材料，綜合性能較硅材料可提升上千倍，無論是英飛凌、ST等全球功率半導體巨頭還是比亞迪微電子、中車時代電氣等國內功率廠商都重注該領域，同樣，開始向功率半導體領域進軍的華為也不例外。
未來 IGBT 將向更低的開關損耗、更高的電流密度以及更高的工作溫度發(fā)展，隨著數(shù)萬伏高壓、高于 500 ℃的高溫、高頻、大功率等需求的提出，硅基IGBT的性能已經逼近材料特性極限，因此碳化硅（SiC）基IGBT將站上歷史舞臺。
國金證券稱，未來5-10年，在600V以上的高頻高壓領域，SiC-IGBT會開始在某些特定的應用場景中滲透，如純電動車中的車載充電器以及數(shù)據(jù)中心供電單元（在車載充電器中，SiC-IGBT可以縮小充電器體積約 50%， 同時可以提升充電效率以及減少充電時間，使用期間能量效率提升5%）。預測至2022 年，SiC元器件的市場規(guī)模約10億美元，2018-2020年CAGR 為28%，而2020年之后市場規(guī)模加速增長，2020-2022年復合增長率將達到40%。
（本文綜合整理自：EETOP以往文章、集微網、證券時報、國金證券等）
關鍵詞： IGBT
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