半导体器件IGBT企业核心技术及研发情况解析.docx
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半导体器件IGBT企业核心技术及研发情况解析
2019年半导体器件IGBT企业核心技术及研发情况解析
一、企业的主营业务
企业主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产,并以IGBT模块形式对外实现销售。
IGBT模块的核心是IGBT芯片和快恢复二极管芯片,企业自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片是企业的核心竞争力之一。
自2005年成立以来,企业一直致力于IGBT芯片和快恢复二极管芯片的设计和工艺及IGBT模块的设计、制造和测试,企业的主营业务及主要产品均未发生过变化。
最近三年,IGBT模块的销售收入占企业销售收入总额的95%以上,是企业的主要产品。
IGBT作为一种新型电力电子器件,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,是工业控制及自动化领域的核心元器件,其作用类似于人类的心脏,能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。
因此,IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。
由于IGBT对设计及工艺要求较高,而国内缺乏IGBT相关技术人才,工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚,因此IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断,国内市场产品供应较不稳定;随着国内市场需求量逐步增大,供需矛盾愈发突显。
我国政府于《中国制造2025》中明确提出核心元器件国产化的要求,“进口替代”已是刻不容缓。
企业作为国内IGBT行业的领军企业,不仅具备先进的模块设计及制造工艺,亦拥有自主研发设计国际主流IGBT和快恢复二极管芯片的能力,全面实现了IGBT和快恢复二极管芯片及模块的国产化。
二、企业技术及研发情况
(一)企业核心技术具体情况
企业的核心技术为IGBT芯片和快恢复二极管芯片的设计、工艺和测试及IGBT模块的设计、制造和测试。
其中,IGBT芯片技术包括IGBT芯片场终止设计、IGBT芯片高压终端环设计、超薄片工艺、大功率半导体器件的串并联技术及动静态均流均压技术;快恢复二极管芯片技术包括局部和全局少子寿命控制技术的协调设计,场终止层的优化设计,高压终端区域和阳极设计相匹配的离子注入和扩散工艺以及高可靠性的钝化层淀积工艺;IGBT模块制造技术包括IGBT模块的结构设计技术、IGBT模块的生产工艺及对功率半导体器件的静态、动态电参数及热参数测试的技术等。
企业的核心技术均为自主研发创新,目前针对上述核心技术已成功申请了99项专利,其中包括28项发明。
企业主要核心技术、技术来源、创新方式、技术水平及成熟程度情况详见下表:
核心技术
技术来源
成熟程度
IGBT芯片及快恢复二极管芯片相关技术
自主研发
已实现大规模量产
大功率模块:
大功率半导体器件的串并联技术及动静态均流均压技术,基板预弯补偿技术,
多DBC并联技术
自主研发
已实现大规模量产
核心技术
技术来源
成熟程度
小功率模块:
真空氢气无气孔焊接技术,温度场分布仿真技术,无基板技术,接插件技术,
芯片表面键合技术
自主研发
已实现大规模量产
工业级中等功率模块:
IGBT模块的电磁场分布仿真及结构设计技术,金属端子外壳插接和
注塑技术
自主研发
已实现大规模量产
车用模块:
超声波焊接端子技术,金属端子注
塑技术,基板集成散热器技术
自主研发
已实现大规模量产
碳化硅模块:
银浆烧结技术、铜线键合技术
自主研发
已实现批量生产
1、IGBT芯片及快恢复二极管芯片相关技术
企业目前已经开发出平面栅NPT型1200V全系列IGBT芯片和沟槽栅场终止650V、750V、1200V及1700V全系列IGBT芯片,成功解决了包括8英寸晶圆减薄技术、背面高能离子注入技术、背面激光退火激活技术以及沟槽栅挖槽成型技术等关键工艺技术。
企业已成功研发出了适合于大功率工业级和车用级模块的快恢复二极管芯片,成功解决了局部和全局少子寿命控制技术的协调设计,场终止层的优化设计,高压终端区域和阳极设计相匹配的离子注入和扩散工艺以及高可靠性的钝化层淀积工艺等核心工艺技术。
2、大功率模块
大功率半导体器件的串并联技术及动静态均流、均压技术:
大功率的IGBT模块要并联多个芯片,需要通过设计保证所有并联的芯片在静态和动态条件下的分流均匀;对于应用于高压环境中的串联模块,需要保证静态和动态条件下模块间分压均匀。
企业已经掌握上述技术,并在生产中得到良好应用,产品可靠性和稳定性高,已经受到市场的普遍认可。
多DBC并联技术:
在大功率模块中,通常需要并联多个DBC板,企业通过优化IGBT模块中的DBC布局,最大可实现6个DBC板的并联,且能保证DBC板之间的一致性,从而提高了整个模块的可靠性,使产品适合于风力发电、光伏发电、轨道交通等大功率领域。
3、小功率模块
真空氢气无气孔焊接技术:
芯片和DBC板之间的焊接是IGBT模块生产的主要流程之一,在此过程中如何避免产生芯片和DBC板之间产生气孔是一大难点,企业通过研发和多次试验,研发出了真空氢气无气孔焊接技术,能确保芯片和DBC板之间气孔率极低。
(1)温度场分布仿真技术
通过计算机仿真技术真实的模拟IGBT模块运行时内部的温度变化及分布情况,在此基础上进行产品设计,确保产品在温度变化导致热胀冷缩的情况下仍能正常工作。
(2)无基板技术
通过使用优质的DBC板,并对模块内部的电磁场分布、温度场分布进行优化,省掉了DBC板焊接到铜基板的工艺过程,可以使DBC板直接和散热器连接,从而有效的降低模块成本。
(3)接插件技术
在模块内部的电气连接中使用压接技术,提高了功率循环和热循环能力,增加了连接的可靠性,同时降低了生产成本。
4、工业级中等功率模块
IGBT模块的电磁场分布仿真及结构设计技术:
根据应用的要求对模块内部的电磁场分布进行优化,对模块内部电路结构和外壳结构进行设计,实现了非常高的爬电和电气距离,使之能适应极为恶劣的工业环境,提高了模块的可靠性。
金属端子外壳插接和注塑技术:
使用铝线或者铝带键合连接端子和DBC,减少了端子焊接环节,提高了自动化程度,降低了生产成本。
5、车用模块
(1)超声波焊接端子技术
将金属端子直接和DBC压接在一起,不使用焊料焊接,可以提高模块的耐高温性能和高可靠性,从而满足汽车对模块的高可靠性要求。
(2)铜基板集成散热器技术
汽车用IGBT模块发热量大,所用的散热器面积大、厚度高,在加热焊接铜基板和散热器时,由于二者散热较快,加热其表层用时较长且很难保证二者结合的紧密和均匀程度。
企业通过研发克服了这一困难,实现了直接在铜基板上集成了散热器,可以实现非常低的热阻,适合中端功率的汽车领域。
6、碳化硅模块相关技术
(1)银浆烧结技术
采用银浆烧结后连接层熔点可达到900度以上,为锡焊工艺连接层熔点的4倍,适合于工作温度在200度以上的应用领域;银浆烧结层的电导、热导分别是锡焊连接层的5倍和4倍;密度和热膨胀系数两者基本相当,剪切强度为锡焊的2倍;故与传统焊接工艺相比,银浆烧结工艺优势较为明显。
从热阻和可靠性的角度考虑,因为传统锡焊的焊料层厚度一般在80微米左右,而银浆烧结层的厚度仅为15微米左右,因银浆烧结工艺具有低的连接层厚度和高的热导率,故在降低芯片热阻的同时,可提高芯片的抗功率循环能力2倍以上。
(2)铜线键合技术
铜线相较于铝线,其熔点从660C提高到1083C,可大幅度提高铝线的过流能力。
同时其热导率、电阻率以及杨氏模量均大幅优于铝线,并且其热膨胀系数从铝线的23.6降为16.5,可大幅降低芯片工作时升降温的连接层应力,提高芯片的抗功率循环能力。
从热阻和可靠性的角度考虑,因为铜的热导率远高于铝,结合芯片表面的铜金属化工艺,可大幅提高芯片的表面热容,降低芯片结温波动,提高芯片的功率循环能力,预期抗功率循环能力可提高10倍以上。
(二)企业技术储备情况
企业自2006年开始功率半导体模块的研发工作以来,完成了多个研发项目,有部分研发项目已经实现了产品的大批量生产并实现收入,同时企业又开展了下一代新型功率半导体产品的研发,为企业的持续发展打下基础。
企业目前正在实施的研发项目如下:
序号
项目名称
进展情况
拟达到的目标
1
应用于新能源汽车的新一代IGBT模块开发
项目
目前已经完成主要功能部件的开发,对样品进行了验证
2018年完成客户端小批量验证,2019年大批
量生产
2
应用于风电的高集成
度IGBT模块项目
目前已完成方案验证阶段及样品
生产
2018年完成客户验证,
2019年实现量产
3
应用于光伏、UPS及大功率变频器行业的三电平模块项目
目前已经开发出小功率、中等功率和大功率的NPC1和NPC2类型等三电平模块,有多种封装形式可以
提供三电平模块
进一步完善产品系列,
2018年底提供全系列产品
4
宽禁带半导体器件功率模块开发
目前已经开发出应用于光伏的
SiC器件模块,供客户批量使用,车用SiC模块已完成样品认证
进一步完善产品系列,
2019年完善光伏应用的SiC器件及应用于新
序号
项目名称
进展情况
拟达到的目标
能源汽车的SiC模块产
品
5
应用于变频家电的
IPM模块
已经完成样品研制,并小批量生产
根据市场开发情况择时
大批量生产
6
IGBT芯片开发项目
目前已经成功研发出平面栅NPT型1200V全系列IGBT芯片和沟槽栅场终止型650V、750V、1200V
和1700V全系列IGBT芯片
2022年前完成新一代
IGBT芯片的研发并批量生产
7
快恢复二极管芯片项目
目前已研发出标准型650V、750V、
1200V和1700V全系列快恢复二极管芯片
2021年前完成新一代高性能快恢复二极管芯
片的研发并批量生产
8
应用于燃油车微混系统的48VBSG功率组
件项目
目前已完成产品设计、设计验证及可靠性验证
2020年实现批量装车应用
(三)研发费用情况
本企业高度重视研发工作,研发投入一直保持在较高水平。
最近三年,企业各年研发费用占营业收入的比例情况如下:
单位:
万元
项目
2019年1-6月
2018年度
2017年度
2016年度
营业收入
36,644.98
67,536.77
43,798.24
30,066.38
研发费用
2,324.81
4,904.47
3,841.05
2,865.59
比例
6.34%
7.26%
8.77%
9.53%
企业实际发生的研发费用类别按照物料费用、职工薪酬、折旧摊销费、其他费用等四个明细项目进行归集,其中职工薪酬主要系企业从事研究开发活动人员的全年工资薪金,包括基本工资、奖金、津贴、补贴等;物料费用包括企业为实施研究开发项目而购买的原材料等相关支出、用于中间试验和产品试制达不到固定资产标准的模具购置费、试制产品的检验费以及用于研究开发活动的仪器设备的简单维护费等;折旧摊销费包括企业为执行研究开发活动而购置的仪器和设备以及研究开发项目在用建筑物的折旧费用;其他费用包括为研究开发活动所发生的其他费用,如差旅费、办公费、通讯费、专利申请维护费等。
最近三年企业的主要研发项目及其项目情况如下表:
序号
项目名称
进行时间
项目情况
1
应用于风力发电的
1700VIGBT芯片开
发项目
2017年至今
针对风力发电应用的大功率高可靠性要求,与风电变流器客户联合开发全系列风电用IGBT
芯片
序号
项目名称
进行时间
项目情况
2
新能源车用双面焊
接单面冷却模块
2016年至今
该项
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