汽车功率器件市场狼烟再起

摘要：  各国政府都将削减可再生能源及交通等领域的支出，因此IGBT器件和模块的制造商面临着一场考验。

关键字：  能源，单晶硅，芯片，传感器

在汽车电子市场不能不谈到全球顶尖汽车电子芯片厂商——英飞凌，产品线涵盖传感器，微处理器和执行器。英飞凌功率器件全球市场份额连续11年第一。全球每部新车里超过1/2的负载由英飞凌汽车功率器件推动。英飞凌是全球最大的IGBT模块供应商。全球出产的新车中，50%采用英飞凌32位单片机。

据权威机构Strategic Analytics 报告，2012年英飞凌汽车电子在亚太地区以538M美元的销售额(市场份额9.4%)稳居亚太市场占有率第一。除掉车载信息娱乐系统市场，英飞凌市场占有率为12.2%，排名第二第三的厂家市场份额分别为10.8%和9.2%。

然而，您对整个汽车电子主要器件及市场真的了解并把握最新机会了吗?

2010-2020全球HEV/EV市场需求趋势

汽车改变功率器件技术及市场

变化激烈的替代能源市场让过去一直十分稳定的功率电子业务领域产生了动荡。混合动力车(HEV)与纯电动汽车(EV)的巨大潜在市场规模或许也会为该领域带来进一步的变化，原因是HEV及EV需要能够处理更大功率和更高热量的技术。其潜在市场规模吸引力了拥有各种业务模式的新进企业，因此将会出现更多的新技术，成本估计也会降低。

功率模块的封装市场规模目前约为8亿美元，今后还会稳步增长。目前功率器件市场的规模为29亿美元，预计今后5年内会增长至42亿美元。高功率半导体此前一直是以4～6%的年增长率稳定增长的市场，但是，2012年的销售额降到了原来的20～25%。其原因包括，中国的风力发电与电气化列车方面的需求急剧缩小、世界各国的光伏发电政府鼓励政策停止以及经济低迷导致工厂投资减少等。高功率半导体销售额下滑是由多种偶然的不利因素造成的，因此今后还会重新回到年增长率4～6%的稳步增长轨道。

由于HEV和EV用产品在该市场所占的比例还会增加，今后该市场或许会发生巨大变化。HEV及EV用功率模块的销售额将在2020年之前达到25亿美元，占到市场的约一半，该用途的出货量将首次与消费类产品用途平分秋色。对于现有的半导体供应商和组装企业而言，面向汽车用途的业务也许会变得更具吸引力。

HEV及EV市场将对功率电子器件提出新的技术要求，例如扩大工作温度范围和循环范围、缩小尺寸、提高冷却能力。从事汽车、功率器件及材料业务的大型企业已开始进行巨额投资，但这种器件如何封装以及由谁来封装都不明朗。

关键在于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件。目前，主要厂商基本都是自己单独进行模块封装和组装作业，或者利用数量很少的模块组装商中的某一家。最大的模块供应商——赛米控(Semikron)和丹佛斯(Danfoss)也进行了巨额开发投资，专业性很高的组装作业基本都在欧洲进行。

受光伏发电和风力能源泡沫影响，亚洲出现了很多新进企业，其中就包括中国的无厂和轻厂功率器件厂商。这些厂商利用新出现的为数众多的芯片代工企业及模块组装商来生产自己的产品，目前正在探寻新市场。

功率半导体部门的关键问题是导致剥离的原因——热循环和热膨胀的不匹配。这些问题激发了比引线键合更为出色的管芯焊接技术、用来安装管芯的新材料、直接键合铜基板的相关研究。

在替代铝线键合方面，铜线键合应该是最有力的候选技术。该技术已经在通过细线化降低电阻、提高导热性并延长产品寿命的领域中获得充分认可。但实际上，以高成品率大量生产细线和小焊盘极为困难，原因是可防止铜污染的管芯金属化很难实现。

铝带键合技术目前已被量产线采用。尽管这种技术可通过大焊盘延长热循环寿命，但对改善电阻和导热性没有明显效果，而且成本很高。另一个接近实用水平的候选技术是采用银粒子的烧结技术，该技术可用于铜聚酰亚胺箔或铝键合带中，有望在保持电阻和导热性能的同时，大幅延长产品寿命。

另外，为了实现更加出色的耐热循环特性，管芯焊接时使用的传统型焊锡正逐渐被高温代替品取代。使用铜和锡的共晶焊锡已被英飞凌用于生产。很薄的锡层和铜层重叠在一起，受热后锡层熔化并扩散至铜层中，这样便可形成熔点很高的合金。

赛米控目前正在推进使用超细银粉膏的烧结技术。这种技术可大幅延长热循环寿命，但需要采用可均匀保持热量和压力的工艺，既费时又麻烦。而使用纳米银粒子的烧结技术需要的温度和压力较低，能够缩短加工时间，但存在的问题是银粒子会在高温下移动，而且原料成本高。

要在基板水平实现更出色的热性能，方法之一是将直接键合铜基板中使用的陶瓷材料由Al2O3或者Si3N4换成AlN(氮化铝)，但这种方法会导致成本进一步增加。更有效的方法是，去掉陶瓷基板，将铜箔直接覆合在散热片上，增加直接冷却面积。

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IGBT市场还能再次增长吗?

各国政府都将削减可再生能源及交通等领域的支出，因此IGBT器件和模块的制造商面临着一场考验。

大部分IGBT制造商都在整个功率电子领域展开了竞争。英飞凌、三菱电机、富士电机等大企业在绝缘电压高达3300V的产品方面实力很强。从收益方面来看，600～900V的产品所占市场最大。

几家企业还瞄准了白色家电及相机闪光灯等销量大的用途，还准备涉足低压(200～600V)市场。这些都是面向普通消费者的用途，因此IGBT厂商的苦恼除了与超结MOSFET(SJ-MOSFET)的竞争以外，还有价格压力。但是，市场整体将实现增长。

成本的削减可通过改进设计和缩小芯片尺寸来实现。英飞凌的IGBT芯片尺寸从第1代到第5代已缩小了60～70%。最新的Field Stop Trench(场截止沟道)型器件也减小了晶圆厚度。英飞凌准备将晶圆厚度减至50～70μm，甚至40μm。而三菱电机则为在一个芯片上集成更多单元，减小了沟道尺寸。另外，IGBT厂商还将通过把现在的150mm和200mm晶圆增至300mm来削减成本。[!--empirenews.page--]

2006-2020全球功率器件市场总体走势趋势一览

技术人员选择IGBT并不一定是为了确保性能，而是因为IGBT能够满足他们的期待。在以减小尺寸、减轻重量以及提高系统效率和可靠性为目的、高成本被认为具有合理性的情况下，革新型IGBT就会被采用。比如高档混合动力车等。另外，IGBT还会被用于输电网供电等高压用途以及低压消费类电子产品。另一方面，基本配置的纯电动汽车会使用中国厂商生产的质量达到平均水平的模块。

通常的IGBT是利用硅外延片制造的，硅外延片是利用Czochralski法生长出晶体、将其切片制成硅晶圆、再在硅晶圆上生长出外延层制成的。最近，利用垂直悬浮区熔法制备的NTD(中子嬗变掺杂)硅晶圆越来越多地被用来制造IGBT。NTD是利用核反应使单晶硅中的Si30嬗变成磷原子而实现在硅中掺杂磷的方法。由于NTD硅锭的电阻率均一，因此能够实现高性能高压IGBT。切出硅晶片后不需要外延，因此能大幅削减晶圆厚度。这样，一个硅锭可生产出的晶圆数量增加，从而可以削减成本。现在，NTD晶圆只在能够大幅提高性能时采用，因为其价格还很高。由于还没有可处理大于200mm硅锭的反应堆，因此没有出现过渡到300mm晶圆的趋势。

由此可以看出，削减成本越来越重要，因此中国很快会给IGBT领域带来影响。株洲南车时代电气股份有限公司通过收购丹尼克斯半导体公司 (Dynex Semiconductor)获得了IGBT相关技术。比亚迪已具备制造二极管的能力，将于2013年第三季度之前开始制造自主开发的IGBT。在中国其他地区，IGBT将以闻所未闻的制造模式开始生产，也就是高质量制造出基础器件，然后委托代工企业生产的模式。发展蓝图中包含了IGBT工艺的中国代工企业有华润上华、中芯国际、宏力半导体及华虹NEC等公司。这将给自行制造IGBT的厂商带来一定压力，他们能否生存下去主要取决于芯片级别的技术革新和模块级别的封装技术。

由于模块发展迅速，封装技术的重要性正在以惊人的速度提高。因为封装技术能使多种器件在一个模块中使用。比如，IGBT与SJ- MOSFET组合及IGBT与SiC二极管组合等。这些器件的耐温和支持频率不同，因此在芯片键合后的Cu基板阶段、冷却阶段及芯片安装阶段需要技术革新。另外，在布线阶段也需要技术革新。存在的课题包括，要继续使用引线键合吗?如果是的话，是使用铝线还是铜线?是采用带式焊接(Ribbon Bonding)还是铜凸点?

这些领域的技术进步将使IGBT再次走上增长之路。由于风力发电涡轮机、可再生能源及铁路领域在2011年表现低迷，IGBT市场在 2012年出现了减速。之所以在一年后才表现出影响，是因为这些器件和模块有库存而且这些器件的生产周期长。各种IGBT器件和IGBT模块的销售额在 2011年为35亿美元，未来的增长趋势将出现不规则变化。预计2013年将有一定程度的复苏，2014年稍稍减速，待经济复苏并稳定后，从2015年开始将稳定增长。