开拓新市场商机 IGBT厂转攻低电压应用

2013-05-06 13:13:56来源: 新电子
    IGBT业者正积极抢进600伏特以下的低电压应用。全球经济不稳定,加上主要应用市场竞争日益激烈,使得IGBT产业近来成长趋缓。为开创成长新契机,IGBT业者遂致力研发适合低电压应用领域的新技术与产品方案,甚至朝向12寸晶圆制造发展。


Yole Developpement电力电子部门分析师Alexandre Avron
受到全球政府降低再生能源及运输支出的影响,绝缘闸双极电晶体(IGBT)元件及模组制造商纷纷陷入艰困处境。据Yole Developpement统计,大多IGBT制造商、封装公司和相关的被动元件制造厂在2012年出现衰退(图1),因而促使相关业者改变IGBT晶圆、封装等生产策略,期将产业带回先前快速的成长轨道上。

拓展低电压市场 IGBT厂生产策略转变

现阶段,几乎所有IGBT制造商都在600伏特(V)以上相关电力电子应用市场竞争,范围由太阳能逆变器(Inverter)到马达驱动器。现有主要业者如位于德国的英飞凌(Infineon)、日本东京的三菱电机(Mitsubishi Electric),以及具备可提供阻挡高达3,300伏特电压元件优势的富士电机(Fuji Electric)。这些业者同时也跨足1,700伏特以下中电压应用领域;此一市场,可谓业界竞争最激烈的应用领域,因为几乎所有电力电子元件造商,皆可提供1,700伏特以下应用的IGBT元件。不过,若以营收计算,600~900伏特的产品才是市场产值最大的贡献来源。


Yole Developpement电力电子部门分析师Brice Le Gouic
随着主流市场竞争日益严峻,有些公司开始想进入超越传统范围下缘的新领域,积极往200~600伏特低电压区间移转,以达到更大量的应用,如白色家电产品和相机闪光灯。然而,超级接面高效能金属氧化物半导体场效电晶体(Super Junction MOSFET)已应用于此电压区间,意味着IGBT产品要进入市场将有一些挑战,且制造商也将面临极大的价格竞争压力。

如果IGBT业者锁定普通的低电压商品应用,成本必然成为重要的驱动力,不过,产品持续降价后,尽管整体市场规模成长,但也意味着利润率更低。能够在此电压区间竞争,部分是因为IGBT制造商在元件世代发展中所做的改善,他们在每个新世代都改进其设计、缩小晶片尺寸,因而省下成本(图2)。举例来说,英飞凌第五代IGBT产品的尺寸已比第一代减少60~70%,其藉由现今的场截止沟槽式(Field Stop Trench)元件,使晶圆厚度可降到50~70微米(μm),甚至下探40微米。同时,三菱也持续缩减产品沟槽尺寸,以在同一晶片中放入更多电晶体,进而能微缩晶片体积。


图1 2006~2020年功率元件市场产值预测;其中,2009年与2012年皆因全球经济因素出现衰退。
未来,制造商还会运用其他电力电子电晶体的低成本制造策略,加强IGBT在一般应用的竞争力。举例来说,为让IGBT顺利转向低电压应用领域,制造商正移向较大晶圆直径的平台,其中,英飞凌即积极移往12寸生产,跳脱现在大多IGBT都在6寸和8寸晶圆上制造的模式,寻求更好的量产经济效益。尽管目前尚不确定在12寸晶圆上制造IGBT的商用产品问世时程,但相关厂商确实已开始投入MOSFET制造,亟欲切入低电压市场。

支援12寸平台 柴氏晶圆方案崛起

由于IGBT在电力电子市场是很安全、成熟的技术,因此改善成本遂成为厂商最重要的考量,当然,每个新世代元件的目标都是减少损失及改进效能,只要合乎工程师的预期,就能持续获得选用。


图2 IGBT技术演进蓝图
在一般电力电子系统成本方面,业界均可接受IGBT技术创新,因为可减少尺寸或重量,或是能改善系统的效率或可靠性。因此,包括油电混合车(HEV)、电压很高的应用如电网电力供应,以及低电压消费应用方面,终端用户皆愿意负担创新的代价。

目前IGBT业者已开始运用柴氏法(Czochralski Method)将传统磊晶附着于由晶体切成的矽晶圆上,而另一种浮动区中子质化(NTD)晶圆做法,则在核子反应器中以磷做为矽的掺入杂质,更广泛的用于IGBT生产。由于NTD晶柱带着遍布晶圆的同质电阻率回来,因此可取得电压更高、效能更好的IGBT;此外,一旦切割后就不需要磊晶,可显著减少晶圆的厚度,当晶圆变薄就可在每一晶柱做出更多晶圆,因而降低成本。

事实上,浮动区NTD晶圆只用在符合其效能优势的应用上,且目前没有转至直径12寸晶圆的趋势,因为反应器都不接受8寸以上的晶柱。相形之下,可使用12寸平台的柴氏长晶法对低电压、大量的应用颇为可行,因此大部分业者想以柴氏法加上磊晶做低电压产品,浮动区晶圆则用于高电压应用。
大陆晶圆厂来势汹汹 传统IGBT厂加码封装研发

由于成本如此重要,中国大陆新兴的半导体制造商对IGBT产业的冲击将愈来愈明显。其中,位于北京的火车制造商中国南车购并英国林肯Dynex Semiconductor后取得IGBT专业技术,该公司亦已和深圳车厂比亚迪合作,宣称已能做出二极体(Diodes),并将于2013年第三季推出自行研发的IGBT。

尽管英飞凌、三菱电机、富士电机和其他历史悠久的制造商在自家工厂进行所有IGBT技术、制造及研发,并以持续性的技术创新在市场上存活下来,但是,中国大陆业者却尝试以较低价位的产品进入市场,而非试着做出最佳的元件,将为整个市场竞争带来新的变化。目前计划发展IGBT制程的中国大陆晶圆厂包括江苏的华润上华,以及上海的中芯国际、宏力半导体和华宏NEC。

随着中国大陆晶圆代工厂做出来的元件商品化后,囊括IGBT从上到下自行生产的制造商将承受更大的市场竞争压力。尤其是传统的欧美及日本IGBT大厂要跟随这个趋势颇困难,他们的存亡大多要看在晶片层面的创新程度,因此,目前除晶圆技术外,亦正致力投入研发模组层次的新封装方案。

事实上,封装技术的重要性正在IGBT产业快速攀升。着眼于许多电力电子元件厂商逐渐从TO-220及TO-247转向更小的表面黏着封装,如DPAK及D2PAK,IGBT业者也正研拟导入这种小型封装,进一步改善模组、系统的成本及体积等问题。

无庸置疑,IGBT封装创新的增加已是近来最出人意料的发展之一。现阶段,部分新技术已落实到模组开发上,厂商可在同一个模组使用几种类型的元件,例如IGBT及超级接面高效能场效电晶体,或IGBT及碳化矽(SiC)二极体,藉以优化产品。这些元件在固晶铜箔基板、固晶和打线层面均导入创新方案,故能承受各种温度变化的考验,并支援不同频率。

随着封装技术快速演进,未来IGBT业者还会继续用带式接合(Ribbon Bonding)吗?若是这样,仍会用铝做为基板材料还是转而使用铜,或运用新的铜柱方案,这些均是后续IGBT产业发展面临的问题。

2013年IGBT市场回温可期

综上所述,在IGBT晶圆、封装技术及低电压应用领域迭有突破之下,今年市场可望逐渐恢复成长力道。在2011年,包括风力涡轮发电机、再生能源市场成长放缓,影响IGBT需求,而且相关元件和模组均有库存,交货期又长,因而也连带冲击2012年的IGBT市场。不过,这一波市场不景气应不致扩大影响到2013年IGBT的市场规模,因目前全球经济情况已较为乐观。

据Yole Developpement统计,2011年IGBT分离式元件及模组总销售额为35亿美元,但未来几年产值成长可能有波动,将呈现锯齿状的变化。如果全球景气回升并持稳的话,2013年可望有些复苏,2014年将小幅放缓,2015年成长则将趋于稳定。


关键字:新市场  IGBT

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0506/article_21745.html
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