摘要：  各國(guó)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(chǎng)考驗(yàn)。

關(guān)鍵字：  能源，單晶硅，芯片，傳感器

在汽車(chē)電子市場(chǎng)不能不談到全球頂尖汽車(chē)電子芯片廠商——英飛凌，產(chǎn)品線涵蓋傳感器，微處理器和執(zhí)行器。英飛凌功率器件全球市場(chǎng)份額連續(xù)11年第一。全球每部新車(chē)?yán)锍^(guò)1/2的負(fù)載由英飛凌汽車(chē)功率器件推動(dòng)。英飛凌是全球最大的IGBT模塊供應(yīng)商。全球出產(chǎn)的新車(chē)中，50%采用英飛凌32位單片機(jī)。

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)Strategic Analytics 報(bào)告，2012年英飛凌汽車(chē)電子在亞太地區(qū)以538M美元的銷售額(市場(chǎng)份額9.4%)穩(wěn)居亞太市場(chǎng)占有率第一。除掉車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)市場(chǎng)，英飛凌市場(chǎng)占有率為12.2%，排名第二第三的廠家市場(chǎng)份額分別為10.8%和9.2%。

然而，您對(duì)整個(gè)汽車(chē)電子主要器件及市場(chǎng)真的了解并把握最新機(jī)會(huì)了嗎?

2010-2020全球HEV/EV市場(chǎng)需求趨勢(shì)

汽車(chē)改變功率器件技術(shù)及市場(chǎng)

變化激烈的替代能源市場(chǎng)讓過(guò)去一直十分穩(wěn)定的功率電子業(yè)務(wù)領(lǐng)域產(chǎn)生了動(dòng)蕩。混合動(dòng)力車(chē)(HEV)與純電動(dòng)汽車(chē)(EV)的巨大潛在市場(chǎng)規(guī)?；蛟S也會(huì)為該領(lǐng)域帶來(lái)進(jìn)一步的變化，原因是HEV及EV需要能夠處理更大功率和更高熱量的技術(shù)。其潛在市場(chǎng)規(guī)模吸引力了擁有各種業(yè)務(wù)模式的新進(jìn)企業(yè)，因此將會(huì)出現(xiàn)更多的新技術(shù)，成本估計(jì)也會(huì)降低。

功率模塊的封裝市場(chǎng)規(guī)模目前約為8億美元，今后還會(huì)穩(wěn)步增長(zhǎng)。目前功率器件市場(chǎng)的規(guī)模為29億美元，預(yù)計(jì)今后5年內(nèi)會(huì)增長(zhǎng)至42億美元。高功率半導(dǎo)體此前一直是以4～6%的年增長(zhǎng)率穩(wěn)定增長(zhǎng)的市場(chǎng)，但是，2012年的銷售額降到了原來(lái)的20～25%。其原因包括，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電與電氣化列車(chē)方面的需求急劇縮小、世界各國(guó)的光伏發(fā)電政府鼓勵(lì)政策停止以及經(jīng)濟(jì)低迷導(dǎo)致工廠投資減少等。高功率半導(dǎo)體銷售額下滑是由多種偶然的不利因素造成的，因此今后還會(huì)重新回到年增長(zhǎng)率4～6%的穩(wěn)步增長(zhǎng)軌道。

由于HEV和EV用產(chǎn)品在該市場(chǎng)所占的比例還會(huì)增加，今后該市場(chǎng)或許會(huì)發(fā)生巨大變化。HEV及EV用功率模塊的銷售額將在2020年之前達(dá)到25億美元，占到市場(chǎng)的約一半，該用途的出貨量將首次與消費(fèi)類產(chǎn)品用途平分秋色。對(duì)于現(xiàn)有的半導(dǎo)體供應(yīng)商和組裝企業(yè)而言，面向汽車(chē)用途的業(yè)務(wù)也許會(huì)變得更具吸引力。

HEV及EV市場(chǎng)將對(duì)功率電子器件提出新的技術(shù)要求，例如擴(kuò)大工作溫度范圍和循環(huán)范圍、縮小尺寸、提高冷卻能力。從事汽車(chē)、功率器件及材料業(yè)務(wù)的大型企業(yè)已開(kāi)始進(jìn)行巨額投資，但這種器件如何封裝以及由誰(shuí)來(lái)封裝都不明朗。

關(guān)鍵在于IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)器件。目前，主要廠商基本都是自己?jiǎn)为?dú)進(jìn)行模塊封裝和組裝作業(yè)，或者利用數(shù)量很少的模塊組裝商中的某一家。最大的模塊供應(yīng)商——賽米控(Semikron)和丹佛斯(Danfoss)也進(jìn)行了巨額開(kāi)發(fā)投資，專業(yè)性很高的組裝作業(yè)基本都在歐洲進(jìn)行。

受光伏發(fā)電和風(fēng)力能源泡沫影響，亞洲出現(xiàn)了很多新進(jìn)企業(yè)，其中就包括中國(guó)的無(wú)廠和輕廠功率器件廠商。這些廠商利用新出現(xiàn)的為數(shù)眾多的芯片代工企業(yè)及模塊組裝商來(lái)生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，目前正在探尋新市場(chǎng)。

功率半導(dǎo)體部門(mén)的關(guān)鍵問(wèn)題是導(dǎo)致剝離的原因——熱循環(huán)和熱膨脹的不匹配。這些問(wèn)題激發(fā)了比引線鍵合更為出色的管芯焊接技術(shù)、用來(lái)安裝管芯的新材料、直接鍵合銅基板的相關(guān)研究。

在替代鋁線鍵合方面，銅線鍵合應(yīng)該是最有力的候選技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)在通過(guò)細(xì)線化降低電阻、提高導(dǎo)熱性并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的領(lǐng)域中獲得充分認(rèn)可。但實(shí)際上，以高成品率大量生產(chǎn)細(xì)線和小焊盤(pán)極為困難，原因是可防止銅污染的管芯金屬化很難實(shí)現(xiàn)。

鋁帶鍵合技術(shù)目前已被量產(chǎn)線采用。盡管這種技術(shù)可通過(guò)大焊盤(pán)延長(zhǎng)熱循環(huán)壽命，但對(duì)改善電阻和導(dǎo)熱性沒(méi)有明顯效果，而且成本很高。另一個(gè)接近實(shí)用水平的候選技術(shù)是采用銀粒子的燒結(jié)技術(shù)，該技術(shù)可用于銅聚酰亞胺箔或鋁鍵合帶中，有望在保持電阻和導(dǎo)熱性能的同時(shí)，大幅延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

另外，為了實(shí)現(xiàn)更加出色的耐熱循環(huán)特性，管芯焊接時(shí)使用的傳統(tǒng)型焊錫正逐漸被高溫代替品取代。使用銅和錫的共晶焊錫已被英飛凌用于生產(chǎn)。很薄的錫層和銅層重疊在一起，受熱后錫層熔化并擴(kuò)散至銅層中，這樣便可形成熔點(diǎn)很高的合金。

賽米控目前正在推進(jìn)使用超細(xì)銀粉膏的燒結(jié)技術(shù)。這種技術(shù)可大幅延長(zhǎng)熱循環(huán)壽命，但需要采用可均勻保持熱量和壓力的工藝，既費(fèi)時(shí)又麻煩。而使用納米銀粒子的燒結(jié)技術(shù)需要的溫度和壓力較低，能夠縮短加工時(shí)間，但存在的問(wèn)題是銀粒子會(huì)在高溫下移動(dòng)，而且原料成本高。

要在基板水平實(shí)現(xiàn)更出色的熱性能，方法之一是將直接鍵合銅基板中使用的陶瓷材料由Al2O3或者Si3N4換成AlN(氮化鋁)，但這種方法會(huì)導(dǎo)致成本進(jìn)一步增加。更有效的方法是，去掉陶瓷基板，將銅箔直接覆合在散熱片上，增加直接冷卻面積。

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IGBT市場(chǎng)還能再次增長(zhǎng)嗎?

各國(guó)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(chǎng)考驗(yàn)。

大部分IGBT制造商都在整個(gè)功率電子領(lǐng)域展開(kāi)了競(jìng)爭(zhēng)。英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等大企業(yè)在絕緣電壓高達(dá)3300V的產(chǎn)品方面實(shí)力很強(qiáng)。從收益方面來(lái)看，600～900V的產(chǎn)品所占市場(chǎng)最大。

幾家企業(yè)還瞄準(zhǔn)了白色家電及相機(jī)閃光燈等銷量大的用途，還準(zhǔn)備涉足低壓(200～600V)市場(chǎng)。這些都是面向普通消費(fèi)者的用途，因此IGBT廠商的苦惱除了與超結(jié)MOSFET(SJ-MOSFET)的競(jìng)爭(zhēng)以外，還有價(jià)格壓力。但是，市場(chǎng)整體將實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。

成本的削減可通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和縮小芯片尺寸來(lái)實(shí)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(chǎng)截止溝道)型器件也減小了晶圓厚度。英飛凌準(zhǔn)備將晶圓厚度減至50～70μm，甚至40μm。而三菱電機(jī)則為在一個(gè)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(guò)把現(xiàn)在的150mm和200mm晶圓增至300mm來(lái)削減成本。[!--empirenews.page--]

2006-2020全球功率器件市場(chǎng)總體走勢(shì)趨勢(shì)一覽

技術(shù)人員選擇IGBT并不一定是為了確保性能，而是因?yàn)镮GBT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(rèn)為具有合理性的情況下，革新型IGBT就會(huì)被采用。比如高檔混合動(dòng)力車(chē)等。另外，IGBT還會(huì)被用于輸電網(wǎng)供電等高壓用途以及低壓消費(fèi)類電子產(chǎn)品。另一方面，基本配置的純電動(dòng)汽車(chē)會(huì)使用中國(guó)廠商生產(chǎn)的質(zhì)量達(dá)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(zhǎng)出晶體、將其切片制成硅晶圓、再在硅晶圓上生長(zhǎng)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(lái)越多地被用來(lái)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(shí)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(gè)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(shí)采用，因?yàn)槠鋬r(jià)格還很高。由于還沒(méi)有可處理大于200mm硅錠的反應(yīng)堆，因此沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)渡到300mm晶圓的趨勢(shì)。

由此可以看出，削減成本越來(lái)越重要，因此中國(guó)很快會(huì)給IGBT領(lǐng)域帶來(lái)影響。株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司通過(guò)收購(gòu)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(kāi)始制造自主開(kāi)發(fā)的IGBT。在中國(guó)其他地區(qū)，IGBT將以聞所未聞的制造模式開(kāi)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(lán)圖中包含了IGBT工藝的中國(guó)代工企業(yè)有華潤(rùn)上華、中芯國(guó)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(lái)一定壓力，他們能否生存下去主要取決于芯片級(jí)別的技術(shù)革新和模塊級(jí)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?yàn)榉庋b技術(shù)能使多種器件在一個(gè)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(diǎn)?

這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步將使IGBT再次走上增長(zhǎng)之路。由于風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)、可再生能源及鐵路領(lǐng)域在2011年表現(xiàn)低迷，IGBT市場(chǎng)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?yàn)檫@些器件和模塊有庫(kù)存而且這些器件的生產(chǎn)周期長(zhǎng)。各種IGBT器件和IGBT模塊的銷售額在 2011年為35億美元，未來(lái)的增長(zhǎng)趨勢(shì)將出現(xiàn)不規(guī)則變化。預(yù)計(jì)2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開(kāi)始將穩(wěn)定增長(zhǎng)。