【原创】我国电力电子“CPU”是如何实现大突破的?--比亚迪IGBT4.0深度揭秘!

winniewei 提交于 周五, 02/01/2019
【原创】我国电力电子“CPU”是如何实现大突破的?--比亚迪IGBT4.0深度揭秘!

作者:张国斌

编者注:2018年在半导体领域发生的一系列不寻常的事件教育了我们在半导体关键器件上一定要实现从设计到制造、封测和应用的完整闭环,我们应该对那些在关键器件研发和量产的企业多投些关注的目光,本文对比亚迪在IGBT上的突破做了全面回顾和揭示,这是比亚迪连续十年不断投入研发的成果,也是我国功率器件的大突破,比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的企业,但比亚迪做十年IGBT,也被人骂了十年,为什么?文中为你揭晓缘由。欢迎指正并转发出去。

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2002年,在中国国务院18号文件(特指2000年国务院印发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》这是开启本土C新时代的纲领性文件,不了解的可以去搜索了解)的激励下,台湾留美博士冯明宪来到宁波造芯,创办了中纬积体电路有限公司,公司董事长冯明宪曾任大茂电子董事长、亚太科技公司执行长、台湾交通大学材料所所长与台湾毫微米实验室副主任等数职,总经理兼营运长余水阳曾任上海宏力半导体执行副总经理、上海新茂总经理,虽然两人都是半导体领域经验丰富的老将,但是名气还是比不过张忠谋和曹兴诚,即便这样,宁波政府还是对中纬项目给予了极大的支持。

于是,2002年初,注册于开曼群岛的中纬积体电路有限公司在宁波保税区的中纬电路工厂正式动工,公司于2003年年底开始量产,之后公司先后累计投资2.49亿美元,但该公司引进的却是台积电淘汰的6寸半导体生产线,这倒也不奇怪,当时长三角地区有大量台积电或者欧美公司的二手晶圆设备,因为从2000年到2003年是中国一个造芯小高潮,据统计到2003年上半年长三角地区芯片制造业新增投资在25亿美元以上,芯片代工企业增加到11家,已建和在建的生产线共有18条,其中10条为8寸生产线,占全国的70%以上。

但当时中国的IC设计公司只有463家(2018年暴增到1698家),2003年中国IC设计业产值总产值仅有44.9亿元(约5.42亿美元),只有11家公司营收过亿元,可以想象,当时的本土IC设计公司不仅数量少,而且规模也不大,自身发展还处于婴幼儿时期,一下上马那么多晶圆厂,根本就是粥多僧少,所以很多晶圆厂开建之初就面临产能严重吃不饱的局面。

因此,宁波中纬号称年产6英寸芯片24万片的目标自建成到破产业没有实现过!其效益最好时的月产量也仅为一万多片!这相差也太大!

另外,由于建厂时多以进口设备充资,实际货币出资很少,虽合法律规定,但造成出资结构先天缺陷,导致流动资金不足,加之生产线老化(宁波中纬的机台设备来自台积电80年代的设备,一般半导体设备使用寿命为15年左右,超过年限维护风险很大,成本高(每小时约100~150美元服务费),备件也存在难题。)导致宁波中纬的产能一直无法有效扩大,在此期间,又发生了部分台湾高管套取公司资产事件,进一步加剧了公司经营困境。

终于到了2008年下半年,宁波中纬资不抵债宣布破产。2008年9月,宁波中纬正式将相关资产包括工业房地产及电子设备、机器设备、运输设备和专有技术项目转让等打包拍卖,由于其设备严重老旧,其他晶圆厂对其毫无兴趣,因此第一次拍卖以流标收场。(以上部分内容来自21世纪经济报道)

在一个月后的第二次拍卖中,当时跟半导体没交集的比亚迪闪亮登场了!最终比亚迪股份以1.71亿人民币的价格拍得宁波中纬厂房、设备等资产。宁波中纬项目累计投资近2.5亿美元约合RMB15亿元,比亚迪只以不到2亿元拿到,这本是一比好买卖,但业界却是骂声一片,质疑比亚迪造芯的能力及运营能力,导致其股票大跌。

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比亚迪公司董事长兼总裁王传福

但是,正是有了宁波中纬,比亚迪才开始了真正的半导体垂直整合之路,因为国内IBGT的瓶颈就是制造和封装,可以说,有了中纬这个家底才有了2018年12月比亚迪发布的IGBT4.0!才有了本土IGBT的大突破!但从收购之初到后来近10年间,中纬项目一直被某些分析人士和媒体诟病,但在这十年当中,比亚迪一直在默默地做垂直整合,要实现中国人自己造IGBT的梦想!看看下图这是专家签发的比亚迪IGBT芯片的鉴定书!时间是2009年!这是中国人自己造的第一代IGBT!

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比亚迪IGBT成果鉴定书

很多人认为王传福在豪赌,其实现在回头看看,人家那是在战略布局!只是很多人没有看清楚,同样的例子还有面板王京东方,十几年累计投资面板3000多亿却被人骂了十几年,但京东方现在一举在小尺寸面板和AMOLED突破后大家又对它敬佩有加。所以,有眼光的战略是要被经常挨骂的,否则,随便什么人都能看懂,那还是战略吗?

这是当时媒体的一些报道

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有了宁波中纬,比亚达电动汽车梦想终于可以一飞冲天了,因为电动汽车的核心部件终于可以不用被卡脖子了!这个核心部件就是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写,中文名称为绝缘栅双极型晶体管), IGBT号称电动汽车的"CPU"!因为IGBT约占汽车电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。

IGBT就是一个高速开关,在汽车发动机和电池中间,通过调节开关速度可以实现对汽车电机的转速控制下图黄色部分就是使用IGBT的部分。我们都知道,电动汽车逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供动力,而IGBT功率模块正是电动汽车逆变器的核心功率器件。

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电动车电控原理图

实际上,不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。不仅是新能源车,直流充电桩和机车(高铁)的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。电力机车一般需要 500 个IGBT 模块,动车组需要超过100个IGBT模块,一节地铁需要50-80个 IGBT 模块电动车为例,Model X使用132个IGBT管,由英飞凌提供,其中后电机为96个,前电机为36个,每个单管的价格大约4-5美元,合计大约650美元。

2016年全球电动车销量大约200万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元!IGBT是电动车里除电池外最昂贵的部件。

说它是核心一点不过分!

而目前的现状是国内90%以上IGBT器件主要被英飞凌、ABB、三菱等欧美及日本企业把持,其中,英飞凌主打电动汽车,而三菱的IGBT主要用在高铁上。

去年我们半导体领域一个热门词汇是卡脖子,说IGBT被卡脖子一点都不过分,一个生动例子是由于IGBT的产量有限,2018年很多IGBT大涨价,某个笔者认识的青年才俊囤货IGBT模块,轻松年入数百万!

闲话少扯,再回到IGBT的挑战上,有人回说,我们国家能把嫦娥四号送到月球背面,造个IGBT真那么难吗?

是的,真难,其实IGBT就是一高压大电流高速开关,它的原理很简单,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

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IGBT结构图

一些需要高开关频率的场景也适合使用IGBT,IGBT的特点是能提供高的动态性能、转换效率,同时具有低的可听到的噪音。它也适用于谐振模式的转换/逆变电路。IGBT并不是一个新器件,上世纪80年代IGBT在通用电气工作的B•贾扬•巴利加(B. Jayant Baliga)——曾经的IEEE荣誉勋章获得者发明这款风靡全球的半导体功率器件,通用公司当时是要提高电机的驱动效率,他们没想到这个款产品几十年后在电动汽车、高铁、太阳能领域大放异彩。

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IGBT的的应用场景

在我们日常使用的电子产品中,很多都是在弱电下工作,就是低电压低电流状态,例如手机、平板电脑、MP3播放器等,其工作电压可以低到1V左右 ,电流低至毫安级别,这类电子设备也需要高速开关例如很多逻辑判断都是需要晶体管导通或者关断的,不过MOSFET虽然开关频率高但不能工作在高压大电流状态,在高电压领域就需要IGBT了。IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。

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三种开关器件的比较

这就是比亚迪的IGBT模块

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比亚迪IGBT模块

其实IGBT芯片并不大,这个模块很大部分是树脂外盖,用于安全保护、散热,如果将这个模块打开,大家可以看到的是这个,芯片只是很少一部分。

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IGBT模块内部结构

IGBT的挑战主要是制造和封测,在制造工艺方面,IGBT的制程正面和标准BCD的LDMOS没差,只是背面挑战很大,主要难题主是:

1、IGBT背面工艺、减薄工艺技术要求高。一般来说,特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到200-100μm;对于要求较高的产品,甚至需要减薄到80μm。当硅片厚度减到 200-100μm 的量级,硅片就极易破碎和翘曲,给整个加工流程带来较大困难。目前国内普遍可以将晶圆减薄到175μm,2018年12月份比亚迪公布能将晶圆减薄到 120μm。英飞凌制造的IGBT芯片最低可心减薄到40um。

2、背面工艺,包括背面离子注入,退火激活,背面金属化等工艺步骤,由于正面金属的熔点的限制,背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C),其中退火激活这一步难度极大。

3、IGBT封装的主要目的在于散热,而散热的关键是材料。自第六代技术以后,各大厂商开始重视IGBT的封装技术研究。在IGBT封装材料方面,日本在全球遥遥领先,德国和美国处于跟随态势,我国的材料科学则相对落后。车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,逆变器内温度最高可达 120°C,同时还要考虑强振动条件,车轨级的IGBT要求远在工业级之上。

4、国内设备配套困难。国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套。其中有些设备国内没有,或技术水平达不到。如:德国的真空焊接机,能把芯片焊接空洞率控制在低1%,而国产设备空洞率高达20%到50%。国外设备出口还有限制,例如薄片加工设备,日本产的表面喷砂设备等,并不对中国出口。IGBT生产过程要求高标准的空气净化系统,世界一流的高纯水处理系统。这些都给IGBT制造带来了非常大的难度,国内起步晚,经验不足,想制造出合格的产品非常不易。

5、IGBT的制造必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术。并且需要具备高自动化、专业化和规模化程度大功率IGBT制造设备。往往一个IGBT项目投资额需高达数十亿元人民币,这只是投资额,在后续的市场中仍需面对国际厂商的竞争压力。以上部分内容来自《科技最前沿》微信号郭震文章《IGBT国家之痛,技术与国外差距大》。

另外,在IGBT制造过程中,还有个学习曲线问题,IGBT需要更多的经验去积累才能达到一个好的良率,这个积累过程是没法从别人那里学到的,只有靠自己的去摸索。

一个完整的IGBT模块开发过程是这样的

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完整IGBT模块开发过程

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前面说了,比亚迪12月发布的是第四代IGBT了,这个代数是比亚迪内部的称呼,和国际IGBT技术相比是怎样的呢?我们知道IGBT的发展总趋势就是降低损耗降低成本,沿着这个方向从栅极机构、工艺、材料进行改进,国际上目前分出六代产品,各代产品参数如下:

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各代IGBT对比

而比亚迪第四代IGBT相当于国际第五代(F5),在比亚迪发布会上,比亚迪第六事业部兼太阳能事业部总经理陈刚通过数据对比了比亚迪第四代IBGT和竞品的性能。

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可以看到此次推出的比亚迪IGBT4.0,在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品,例如:

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1. 电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

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2. 同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时,受到的损耗降低,使得整车电耗显著降低。以比亚迪全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,仅此一项技术,就成功将百公里电耗降低约3%。

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3. 温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时,能有更高的可靠性和更长的使用寿命。此前,比亚迪电动车就以其优异的性能与稳定的可靠性,完成了从新疆吐鲁番的高温,到北欧的极寒、再到西藏高原的高海拔等全球最严苛自然环境的测试,并在全球300多个市场成功经历了各种气候、路况、驾驶习惯的考验,得到广泛认可。

这个视频介绍了比亚迪的IGBT

这么优秀的性能让很多人惊讶,所以这个消息发布以后,很多人竟然不相信是比亚迪自己造的IGBT,看看下面的留言:

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活动现场

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比亚迪IGBT4.0晶圆

读者留言,除了震惊就是不相信

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在活动现场,中国半导体行业协会IC设计分会副理事长周生明指出:“比亚迪依靠自身强大的研发实力、人才的聚集、产业链的配套,在汽车功率半导体领域有了非常核心的突破,这个突破不是今天想,明天投入就能实现的,是积累了十多年的技术、人才和产业链才能实现的。”

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让人震惊的还不止这些,在发布会上,我们了解到比亚迪已投入巨资布局性能更加优异的第三代半导体材料碳化硅,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。

因为当下的IGBT也将逼近硅材料的性能极限。寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料,已成为学界和业界的普遍共识,国外功率器件厂商纷纷布局碳化硅,比亚迪当然也不落后,陈刚透露比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

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第三代半导体材料SiC

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比亚迪SiC晶圆

相比普通硅功率器件,碳化硅器件的工作频率更高,也能够耐受更高的环境温度,相对于硅器件,碳化硅器件在降低导通电阻和减小开关损耗等方面具有优势。比如,由二极管和开关管组成的逆变电路中,仅将二极管材料由硅换成碳化硅,逆变器的电能损失就可以降低15~30%左右,如果开关管材料也换成SiC,则电能损失可降低一半以上。因此在高压功率市场,碳化硅器件简直是IGBT的完美替代者。与普通硅相比,采用碳化硅的元器件有如下特性:

1、高压特性--碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍、碳化硅肖特基管耐压可达2400V、碳化硅场效应管耐压可达数万伏,且通态电阻并不很大。

2、高频特性--硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围,同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

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3、高温特性((最高可达1600℃))--在硅材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。

利用碳化硅制作的电力电子器件具备三个能使电力转换器实现小型化的特性:更高的开关速度、更低的损耗和更高的工作温度,这将有利于比亚迪进一步提升电动车领域的优势,

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比亚迪在发布现场展示IGBT研发历程

在功率半导体等核心技术的加持下,比亚迪在过去的三年位居全球电动车销量第一,并助推我国电动车行业高速发展——正是在这三年,我国电动车产销量持续领跑全球、保有量全球占比达到50%,展望未来,陈刚表示比亚迪已经在规划投资宁波中纬二期工厂,进一步扩大产能,按照规划,明年可以满足50万辆电动车的IGBT需求。

十多年前,比亚迪打破国际巨头对IGBT的技术垄断,助力我国电动车的快速发展;现在,比亚迪推出了全新的车规级IGBT4.0,为我国汽车产业的换道超车,提供强大的“中国芯”。未来,伴随着比亚迪SiC的推出与大规模应用,我国汽车产业的“再向上”将获得新的助推力。

加油,比亚迪!

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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