功率半导体:国产替代稳步前行

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-10-15 09:11

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 转载自公众号 基业常青经济研究院 」,谢谢。


功率半导体器件又称电力电子器件,是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件,主要用于变频、整流、变压、功率缩放、功率调节等场景。功率半导体具有不同功率和频率类型,以适应不同的应用需求,已广泛应用于消费电子、通讯、汽车、轨道交通、发电配电、工业控制等领域,是电气化产品的核心零部件。

经过一百多年的发展,功率半导体的种类不断丰富,SiC 及 GaN 等宽禁带半导体(第三代功率半导体)是未来的发展方向。 从 1904 年电子管问世以来,功率半导体经历了水银整流器时代、晶闸管时代、晶闸管及 MOSFET 时代、Si-IGBT 时代,并逐渐进入了宽禁带半导体时代。自 2001 年以来,SiC二极管、SiC-BJT、SiC-MOSFET 及 GaN-HEMT 等宽禁带的第三代半导体产品相继开发成功并量产。第三代半导体功率产品的主要特点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高,可广泛用于通讯、汽车、航空航天等高功率领域,前景广阔。

随着功率半导体技术的发展,产品种类不断丰富的同时也逐渐体系化,按照不同的分类标准,可分为多种产品类别 。按开通及关断是否受器件端控制,功率半导体可分为不可控型、半可控型和全可控型三类;按驱动类型,功率半导体可分为电流、电压和光驱动三类;按是否集成电路分类,功率半导体可以分为分立器件、功率模组和功率 IC。不同种类的产品具有不同的性能参数,对应不同的应用场景和领域。

/ / 1.1 汽车行业是功率半导体的最大应用领域


汽车行业是功率半导体的最大应用领域,国内市场份额达27%。功率半导体产品功率范围从 500W 以下到 1KW 以上均有覆盖,开关频率最高达 10万 Hz 以上,产品应用分布于电网、风能、轨道交通、家电、汽车、太阳能、工业等众多领域。2019 年,汽车行业是国内功率半导体应用最多的领域,市场占比达 27%,其次是消费电子,市场份额达到 23%。

功率半导体是汽车电力系统的核心部件,广泛应用于汽车的各个系统。 功率半导体的主要功能为直流转交流(逆变)、交流转直流(整流)、变频、变相等,与电能转换有关的系统都离不开功率半导体的参与,在汽车的动力、车身、底盘、网络、安全和娱乐等系统均有分布。随着电动化、智能化、网联化的不断推进,汽车中与电力相关的设备将不断增加,与之相应的功率半导体产品的用量也将持续上涨。

/ / 1.2 政策支持推动国产替代,电动化拉动需求增长

1.2.1 政策法规推动功率半导体国产化进程

国家大力支持高端汽车功率半导体行业,通过政策法规加快国产替代。 为保证国内汽车功率半导体供应链的安全,实现关键部件的自主可控,推动高端汽车功率半导体市场国产替代,近年来国家在汽车功率半导体及相关领域陆续出台了一系列政策法规,鼓励新一代汽车功率半导体产品研发、制造及测试,支持加大对汽车功率半导体重点项目的投入。

1.2.2 功率半导体是汽车电动化的刚需,单车价值量不断提升

能源结构优化势在必行,化石燃料的消耗量将逐渐减少,国内交通的电气化程度将不断提升。 据国家发改委《中国可再生能源展望 2019》预测,化石能源消耗量占比将从 2020 年的 86%降低至 2050 年的 35%,其中,原油消耗量占比将从 2020 年的 20%下降至 2050 年的 7%,而清洁能源将是未来的主流能源。与化石燃料消耗量递减相对的是国内交通电气化程度将不断提高,自 2018 年到 2035 年,电气化程度将从 2%至少提升至 12%,2050 年的电气化程度将超过 30%。
作为交通电气化的重要组成部分,汽车电动化是未来发展趋势,与电动化密切相关的功率半导体的需求将大幅提升。 英飞凌数据显示,纯电动汽车半导体价值为 750 美元,相对于燃油车的 447 美元,半导体整体价值量提升了 68%。同时,传统燃油车中功率半导体价值量占整车半导体价值量的 21%,而纯电动车中功率半导体价值量占整车半导体价值量的比例高达 55%,增幅达到 34%。
电动汽车的驱动系统对电能转换要求高,功率半导体是不可或缺的组成部分 电动汽车电力电源系统较为复杂,动力系统运行时需要频繁进行电压和电流的转换,加之电动汽车对电能管理需求更加精细化,需要大量的DC-DC、DC-AC 逆变器、变压器、换流器等功率半导体器件。如驱动系统需要逆变器 DC-AC,用来将电池包中 12V 的直流电转换为 220V 的交流电以驱动电机。
IGBT 在电动汽车中的需求量较大,约占整车总成本的 6%~10%。 相关数据显示,电机驱动系统成本占电动汽车整车成本的 15%-20%,其中,IGBT占电机驱动系统成本的 40%-50%,即约占整车总成本的 6%-10%左右。以特斯拉为例,其三相交流异步电机共使用了 96 个 IGBT,而单个 IGBT 的价格在 4~5 美元,单车仅电机用 IGBT 的价值就达到 384~480 美元。

/ / 1.3 受益于电动化进程的推进,国内汽车功率半导体市场需求持续上涨

随着国内混动汽车和纯电动车渗透率的不断提升,对汽车功率半导体的需求旺盛,2025 年市场规模将达 250 亿元。 参照《汽车半导体系列报告(一):国产替代优化存量市场,电动化与智能化拉动增量需求》中的测算方法,传统汽车的功率半导体市场规模维持在 85 亿元左右;混动汽车销量较小,预计2025 年将突破 10 亿元;纯电动车销量快速增长,预计 2025 年市场规模将达155 亿元,占汽车功率半导体的比例高达 62%。随着电动化进程的深入,国内汽车功率半导体市场规模将持续扩大。

MOSFET 和 IGBT 市场需求旺盛,技术突破助力国产替代



功率半导体种类繁多,汽车中用量最大的功率半导体器件是 IGBT、MOSFET 和功率 IC 等。 汽车功率半导体主要分布在动力、车身、驱动等核心系统,涉及到引擎控制、车灯控制、电机控制、变速箱控制、制动控制、转型控制等功能。功率 IC 主要为包括 IGBT/MOSFET 的模组,可以看出 IGBT和 MOSFET 分立器件是汽车半导体的关键,鉴于此,下文主要对 IGBT 和MOSFET 进行重点论述。



依据上下游关系,功率半导体的产业链可分为三个部分:
(1)上游主要为半导体材料及半导体设备厂商;
(2)中游主要为功率器件的设计、生产、封装、测试等加工制造过程,最终得到功率分立器件、功率 IC 和功率模组三类产品。
(3)下游主要为消费电子、工业控制、通讯设备、航空航天、汽车电子、光伏风电等应用领域。

/ / 2.1 电动化助推 MOSFET 市场需求快速增长,第三代半导体产品渗透率稳步提升

2.1.1 功率半导体是汽车电动化的刚需,单车价值量不断提升

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),全称金属-氧化物半导体场效应晶体管,由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离,所以又叫绝缘栅场效应管,一般也简称为 MOS 管,是一种重要的功率半导体产品。基于工作载流子的不同极性,MOSFET 通常分为 N 型与 P 型两种类型,即NMOSFET 与 PMOSFET,也简称为 NMOS、PMOS 等。
MOSFET 通常由源极(S)、栅极(G)和漏极(D)组成,而 VGS 为源极与栅极之间的电压。以 N 沟道增强型 MOSFET 为例,当 VGS 增加时,将吸引更多的 P 衬底表面层电子;当 VGS 达到某一数值时,电子在栅极附近的 P 衬底表面形成连接两个 N+区的 N 型薄层,即 N 型沟道;VGS 越大,吸引到 P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。
基于载流子种类和掺杂方式的不同,MOSFET 形成了多种类型结构,其中,N 沟道增强型 MOSFET 是应用最广泛的结构。依据载流子种类的不同,可将 MOSFET 分为 P 沟道和 N 沟道两种类型;依据掺杂方式的不同,可分为增强型和耗尽型;结合载流子种类和掺杂方式,MOSFET 主要分为 P 沟道增强型、P 沟道耗尽型、N 沟道增强型、N 沟道耗尽型等四个大类。由于高频率低功耗是 MOSFET 的发展方向,故高功率的 N 沟道和低成本的增强型MOSFET 是行业主流结构。

2.1.2 第三代半导体基 MOSFET 将抢占高压场景市场份额

MOSFET 在汽车上的应用广泛,电动汽车进一步拉动市场需求。 在传统燃油车上,MOSFET 主要应用于汽车车门控制、电动助力转向装置、冷却风扇、风挡雨刮、电动后备箱、前照灯、水泵、踏板等系统;在电动汽车上,除了传统的应用外,又将应用范围扩展到车载充电、电池管理、主驱动、DC-DC、高压负载等系统。可见,电动化增加了汽车市场对 MOSFET 的需求,随着电动化的不断深入,MOSFET 行业有望开启新一轮的快速增长。

硅基 MOSFET 耐压性较低的缺点,限定其主要应用于 DC/DC、低电压电机驱动、OBC 等低压高频模块。 目前,硅基 MOSFET 的电动化应用主要有:启停技术汽车中,功率在 1.5-10kW(平均 3.5kW)的启动/停止模块;轻混电动车、强混电动车、插电式混合动力汽车、纯电动车中,功率在 1.5-30kW(平均 2.25kW)的 DC-DC 模块;轻混电动车中,功率在 5-20kW(平均 15kW)的主电机驱动模块;插电式混合动力汽车、纯电动车中,功率在 3-6kW 的 OBC(充电+逆变)模块。
以第三代半导体为基材的 MOSFET 克服了硅基 MOSFET 耐压性差、损耗大的缺点,将抢占高压场景的应用市场。 车规级产品属于高端产品,特别是用于主驱电机等高电压系统的产品,产品要求更高。目前汽车高电压系统应用的功率器件主要是 IGBT,但是 IGBT 的开关频率相对 MOSFET 较低,第三代半导体基 MOSFET 兼具硅基 MOSFET 的高频性和 IGBT 的耐高压优点。随着 SiC、GaN 等第三代半导体基 MOSFET 的成熟及量产,GaN 及 SiC将渗透部分 Super Junction MOSFET、Trench MOSFET、IGBT 市场,SiC 或GaN-MOSFET 将占据更大的高压汽车功率半导体市场。

2.1.3 新能源汽车 MOSFET 市场需求增长较快,国内厂商亟待突破

2022 年全球汽车 MOSFET 市场规模将突破百亿元,其中,新能源汽车市场增长迅速。资料显示,2022 年全球汽车 MOSFET 市场规模将达 116 亿元,年复合增长率为 5%;根据 Yole 预测,2024 年全球新能源汽车 MOSFET 模块市场规模将从 2018 年的 0.5 亿美元增长到 2.41 亿美元,年复合增长率为 30%,表现出强劲的增长性。随着各国电动化战略的推进,新能源汽车市场的MOSFET 将迎来井喷式增长。
国外头部厂商占据全球 MOSFET 市场 81.2%的份额,国内厂商的市场份额较小。 2019 年全球 MOSFET 市场占有率前三位的厂商分别是英飞凌(24.6%)、安森美(12.8%)、意法半导体(9.5%),CR3 达 46.9%;其中,国内厂商安世半导体(闻泰科技收购)排名第九(占 4.1%市场份额),华润微市占率进入前十(占 3.0%市场份额)。由此可见,国内厂商必须提高自身的技术实力,提升市场竞争力。(详情请参考《汽车半导体系列报告(一):国产替代优化存量市场,电动化与智能化拉动增量需求》)
/ / 2.2 高压场景凸显 IGBT 性能优势,本土企业实现突破

2.2.1 小型化和低功耗是 IGBT 技术的发展方向

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),全称绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)复合而成的全控型电压驱动功率半导体,兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。主要应用于直流电压为 600V 及以上的高压变流系统,如交流电机、电源管理、照明电路、牵引传动、驱动系统等领域。
IGBT 是通过 VGS 形成的电场效应来控制开关的耐高压电子元器件。IGBT 和 MOSFET 结构十分接近,近似为 MOSFET 背面增加 N+和 P+层(“+” 意味着更高的自由电子或者空穴密度),从而增加了载流能力和抗压能力。当 VGS 增加时,吸引更多漂移区表面层电子,电子在栅极附近的 P 层表面形成连接 N+和 N 区的 N 型薄层,IGBT 处于导通状态,相反则处于关闭状态。
IGBT 技术已迭代至第五代,技术进步主要围绕小型化及低损耗。 自 20世纪八十年代起,IGBT 已先后经历了 PT、NPT、FS、Trench-FS、MPT 等五代技术。近年来,IGBT 产品种类不断丰富的同时,通过 FS、微沟道等技术,IGBT 产品体积逐步缩小,重量不断减少;与此同时,随着 TC、FS、沟槽栅、微沟道等技术的逐步应用,相同电压下 IGBT 器件的损耗逐步降低,可有效满足目前电动汽车及高压电网使用需求。

2.2.2 IGBT 多用于高压场景,决定能量释放速度和转化效率

IGBT 主要分布于汽车电力管理、驱动及控制等高压高功率系统。IGBT主要分为 IGBT 分立器件和 IGBT 模块两种形式,分立器件及模块耐压大部分在 600V 以上。由于其良好的耐压性能,IGBT 主要用于汽车中需要承受较高电压和功率的系统(平均功率均高于 15kW,大部分用于 25kW 以上)。IGBT主要分布于汽车主驱动、高压负载、车载充电、转向助力等系统中,承担交直流电的转换、高低压电的转换等功能。

不同动力的汽车中,应用 IGBT 的系统不同。主要应用系统有:强混电动车、插电式混合动力车、纯电动车中,功率在 20kW-150kW(平均 70kW)的发电机系统、功率在 20kW-40kW(平均 30kW)的主电机驱动系统;轻混电动车中,功率在 5-20kW(平均 15kW)的主电机驱动系统;插电式混合动力车、纯电动车中,功率在 10-40kW(平均 25kW)的 OBC(充电+逆变)系统等。
IGBT 的性能是决定整车能量释放速度和转化效率的关键因素。 BJT 具有饱和压降低、载流密度大的优势,但其驱动电流较大;MOSFET 的驱动功率很小、开关速度快,但其具有饱和压降大、载流密度小的缺点。IGBT 是由BJT 和 MOS 复合而成,这也使其兼具两者驱动功率小、饱和压降低的优点。IGBT 的主要作用是交流直流转换、高低压转换,可以使电机瞬间爆发巨大能量和瞬间减少输出,还可以根据用电需求对电机进行变频调速,提高能量转化效率,是电机驱动系统最核心的元件。

2.2.3 国内车规级 IGBT 市场快速增长,本土企业发展势头良好

国内汽车 IGBT 市场规模快速扩张,且扩张速度连续多年远高于汽车总销量增速。Trendforce 数据显示,到 2025 年,国内汽车 IGBT 的市场规模将从 2018 年的 48 亿元快速增长至 310 亿元,年复合增长率高达 30.54%;市场快速增长的背后反映的是国内电动化程度不断加深的现状,电动化也是 IGBT市场增长的主要驱动力。与此同时,汽车 IGBT 市场增速连续 5 年超过汽车总销量增速,超额增速最高达到 23.81%;IGBT 市场增速远高于汽车总销量增速主要是由于单车 IGBT 价值量提升造成的,增速差距越大,说明单车的电气化程度越高。
国外 IGBT 产业成熟、产品体系完整,国外头部厂商占据全球 IGBT 市场 78.6%以上的份额。由于国外起步较早,国外厂商技术积累深厚、产品体系丰富、产品应用广泛,全面领先国内厂商。Omdia 数据显示,2019 年全球IGBT 市场占有率前十的厂商中有九家是国外厂商,且国外厂商市占率超过78.6%;国内厂商只有斯达半导进入前十,而占比仅为 2.5%。2019 年国内新能源汽车 IGBT 模块市场占有率前十的国内厂商有比亚迪、斯达半导、中车时代三家,且三家企业的市占率达到 37.7%,发展势头良好。(详情请参考《汽车半导体系列报告(一):国产替代优化存量市场,电动化与智能化拉动增量需求》)

材料、设计、封装、运营模式协同发展,提升汽车功率器件厂商竞争力


/ / 3.1 材料端:基材 SiC 化是方向,晶圆大尺寸化是趋势



3.1.1 SiC 将成为汽车功率半导体的重要基材

SiC 基材产品具有明显的性能优势,相关产品已应用于量产车型中。SiC作为第三代半导体材料,在击穿场强、禁带宽度、电子饱和速度、熔点及热导率方面都有较大优势,同时,可实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作。相比于 Si-MOSFET,SiC-MOSFET 电压隔离区厚度仅为其 1/10,漂移区阻值降低至原来的 1/300。目前,特斯拉 Model 3 车型已全部使用SiC-MOSFET 产品,2020 年上市的比亚迪汉也采用了相关的 SiC 产品。随着制造成本的下降,未来将有更多车型装配 SiC 功率器件产品,市场渗透率持续提升。

全球车规级 SiC 功率器件产业成熟度较低,整个行业处于大规模放量前期。目前,国内外均未出现高成熟度的车规级 SiC 功率器件产品,意法半导体和科锐的车规级产品成熟度相对较高(应用于汽车领域成功率在 90%以上),其中,意法半导体的相关产品已成功应用于特斯拉车型上。在技术层面,相关厂商主要采用 DMOS 和 UMOS 两种工艺。在市场层面,由于目前SiC 器件价格为传统器件的 3~5 倍,甚至达到 10 倍,行业整体放量仍需时间。

车规级 SiC 功率器件将逐渐替代部分 IGBT,并成为电动车及充电设施的关键功率器件,汽车产业将成为 SiC 功率器件的主要应用领域之一。 相对于 IGBT,SiC-MOSFET 有以下优点:可处理大功率电流且开关速度更高;功率模块需要集成的其它元器件更少,可有效降低整体模块成本;SiC-MOSFET关断时不会引起尾电流,开关损耗较小。Yole 预测,2024 年全球 SiC 市场规模将达到 19.3 亿美元,年复合增长率达 29%,其中,汽车行业的应用将占 49%的份额。

随着电动化进程的不断深入,汽车领域对 SiC 功率器件的需求不断扩大,2025 年全球市场需求量达 17.78 亿美元。 Yole 预测,2025 年全球电动汽车用SiC 功率器件(包括主逆变器、OBC、DC/DC)的市场规模达 15.53 亿美元,年复合增长率为 38%;充电桩用 SiC 功率器件的市场规模达 2.25 亿美元,年复合增长率为 90%。电动化浪潮将持续推高市场对 SiC 功率器件的需求。


3.1.2 8 英寸晶圆是功率器件的主力,部分厂商布局 12 英寸

全球 8 英寸晶圆产能增长趋缓,12 英寸晶圆产能增长迅速。从 2017 年到2022 年,全球 8 英寸晶圆每月的产能增长率为 11%,但 2020 年之后 8 英寸晶圆厂数量已呈下降趋势。尽管 MEMS 芯片、功率半导体、逻辑芯片等市场需求依然强烈,但 8 英寸晶圆所需设备市场供给有限,限制了产能释放。在 12英寸晶圆方面,全球晶圆厂的数量将从 2019 年的 123 家快速增长至 2024 年的 161 家;与此同时,每月产能也将增加约 180 万片,到 2024 年,每月总产能将突破 700 万片,增长率高达 33%。

中高端功率器件主要采用 8 英寸晶圆,部分高端产品开始使用 12 英寸晶圆。 数据显示,MOSFET 及分立器件用 8 英寸晶圆份额已占 8 英寸晶圆全部产能的 40%,是 8 英寸晶圆最重要的应用领域之一。目前,晶闸管(TVS、TSS、可编程过压保护集成电路等)和二极管(高阻断电压二极管、低压降二极管、整流桥等)主要使用 4 英寸生产线;高端肖特基二极管和高压 MOSFET主要使用 6 英寸生产线;IGBT、沟槽 MOSFET 和超结 MOSFET 等多使用 8英寸生产线;少部分高端 IGBT 已开始使用 12 英寸生产线。
半导体产品多采用 8 英寸晶圆进行生产,行业产能紧缺挤占汽车半导体产能份额,短期难以缓解的现状倒逼汽车半导体产业优胜劣汰加剧。 通常情况下,新建晶圆厂的建设周期至少需要 2 年,乐观估计目前的紧缺行情至少将延续至明年初;若需求持续上升,紧缺行情将持续更长时间。在芯片长期紧缺的背景下,众多技术及资源实力较弱的中小型芯片设计企业将面临缺乏代工产能的困境,大部分芯片设计公司将面临兼并重组的风险。同时,芯片生产成本的提高,将淘汰生产管理粗放、制造技术落后的部分厂商,优质厂商优势凸显。

/ / 3.2 设计端:小型化设计是功率器件的发展方向

功率半导体设计公司的工作内容包括从结构版图到生产工艺、封装测试等的全流程设计。传统芯片设计公司的主要工作内容是单纯的结构版图设计,不涉及后端生产、封测等工艺层面的内容;而功率半导体设计公司的设计内容包括从器件版图设计到制造设计、封装设计和测试设计,即既包括器件结构版图的设计,又包括生产工艺及流片方案、质量控制、封装工艺及控制规范、测试方案及规范等全流程的设计。全流程的设计正是功率半导体设计公司与传统芯片设计公司的最大区别,对设计人才能力的要求更加全面。


具有全流程设计实战经验的人才是功率器件厂商的核心竞争力。 功率半导体的研发涉及微电子、材料学、物理学、机械、热力学等学科,对相关人才的多学科融合能力要求高;由于功率半导体的整体性能与产品设计、生产、封测等环节均有密切关系,这就要求研发设计人员不仅具有较强的设计能力,还要对生产和封测等工艺有全方位的理解和掌握;同时,不同应用场景的产品在性能参数等方面存在较大差异,供应商需要具备定制化开发的能力,需要具有丰富的实战经验。由于核心技术长期被欧美等国际巨头垄断,目前国内在该领域内,既懂设计又懂工艺,且实战经验丰富的高素质人才短缺。

功率器件的仿真优化是功率器件设计的重要难点之一。 由于功率器件产品对电流、电压、频率、抗冲击能力、导通损耗等参数有较高的要求,而参数的设计需要经过大量的仿真和优化;功率器件的材料物理特性是功率器件性能的根本条件,稳定的材料属性及材料之间的影响是分析器件作用效果的前提,因此,功率器件设计人员需要具备足够的材料基础知识及生产工艺基础,并结合实验测试数据,针对性地将特定材料参数赋值到相对应的器件物理模型中,才能展开真实可靠的仿真计算。


小型化是功率半导体未来的发展趋势。 为提高功率器件单位效率、提升电子产品相关性能、降低生产成本,功率器件小型化是必然趋势。功率器件小型化可通过多种方式实现,主要包括通过简化单元结构来减少芯片面积及降低芯片厚度,以缩小器件的整体体积;提高芯片可靠工作的温度范围,从而通过减少冷却来减小功率模块系统体积;提高芯片集成度,以压缩功率模块体积,进而降低汽车生产系统成本。
优化设计是实现功率器件小型化的必由之路。 功率器件通过选择新材料方案,提高功率器件频率及耐压能力,减少周边电路的体积,降低功率器件重量;设计更优异的电路结构,实现高密度立体化器件排布设计,可以进一步缩短电荷运动路径,降低电芯阻抗,缩小功率器件体积,节省系统成本;优化功率器件封装设计及冷却方案设计,用气冷替代水冷来提高功率器件散热效率,缩小功率器件封装体积,实现系统小型化。
3.3 封装端:车规级封装技术围绕标准化和小型化发展

依据封装材料和连接方式不同,可将半导体封装分为多种类型,其中,塑料及贴装式封装为主流封装技术。对于半导体的封装方式,按封装材料不同,可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种,其中,汽车电子主要采用塑料封装;按连接方式不同,主要分为通孔式和贴装式,汽车电子的适用环境相对较为恶劣,通孔式及贴装式均有使用,但主流技术是贴装式。
目前,全球主流半导体封装技术处于面积阵列封装阶段的成熟期,并向堆叠式封装阶段发展。 自 20 世纪 80 年代以来,半导体封装技术经历了插孔原件、表面贴装、面积阵列封装、堆叠式封装等四个阶段。现阶段,第三代的面积阵列封装技术发展较为成熟,与此同时,部分厂商正向第四代的堆叠封装技术迈进并已实现小批量出货。
汽车电子的多样性决定了封装要求的多样性,车规级功率器件通过多种封装形式来满足市场需求。 汽车半导体分布范围广泛,包括信息娱乐和远程信息、摄像头模块、车身电子、安全系统、电气化系统和 MEMS 及传感器等六大板块。根据工作环境及应用需求的不同,汽车电子封装技术需要保持高可靠性和可扩展性,目前是一种非标准化的封装。其中,车规级功率器件及功率模组可以选用 DPAK、HSON、SOP、LFPAK、CSP、PQFN、PSMC、SOD、TOLL、TO 等多种封装类型。
以 Amkor 车规级功率器件及模块封装服务为例,可分为中压、高压及先进小型封装三种:(1)中压封装类型:DPAK、HSON、PQFN、TSON 等;(2)高压封装类型:D2PAK、LFPAK、TO 等;(3)小型化封装类型:CSP、PSMC、SOP、SOD、TOLL 等。
功率器件对热流量密度、耐高温、耐高压、抗干扰等性能有较高要求,相比于 IC 芯片,封装难度更大。相对于逻辑 IC,功率半导体器件的热流量密度高出 1-2 个数量级,对封装的要求更高。功率器件的工作温度较高、工作电压较大、开关频率干扰较高的特点进一步提升了封装难度。基于对自身特性、工作环境、市场需求等方面的考虑,功率器件在封装技术上需实现以下目标:
(1)高可靠性。需要在高温高压的条件下有长时间的稳定使用寿命。
(2)高效率。需要将功率元器件整合封装为应用较广、集成度较高的功率模块,同时需保持高电导率以降低寄生电阻、寄生电容、寄生电感等性能。
(3)低成本。需要保持较低的封装成本来降低客户终端系统成本,以提高市场竞争力。
相对于 Si 基半导体器件,SiC 等宽禁带半导体器件对高温、高压、高频率等方面的要求更高,未来宽禁带半导体的封装难度将进一步加大。
车规级产品对生命周期、损耗、散热效率等性能的要求更高,提升了车规级功率器件的封装难度。 汽车电子是长生命周期产品,通常需要保证在 10年甚至以上的时间里保持稳定、安全运行。高质量的车规级功率器件封装需要实现低导通电阻、低电感、高电流密度、优异的抗电磁干扰性、最大程度扩大源极和漏极的连接面积、消除产生损耗接口、降低器件贴片高度、提高散热效率等性能;同时,还需要使用无铅电镀和无卤素模塑化合物等绿色、耐高温的先进材料。
汽车功率半导体封装技术将沿标准化、小型化的方向发展。 目前,半导体封装行业相对分散,各厂商在界面材料、模具化合物及键合方式等方面存在很大差异,非标准化降低了封装效率的同时也增加了成本,随着材料及工艺的演进,汽车功率半导体封装将走向标准化;基于对耐高温、低热膨胀系数及高热导系数材料的突破,将过滤器、控制器及传感器等组件进行更高水平的集成封装成为可能。标准化和集成化有利于成本的降低和体积的减小,这对于成本控制极严、空间利用率极高的汽车行业是一大利好。


3.4 模式端:IDM 模式更适合汽车功率半导体产业

半导体厂商的经营模式主要有四种,即 IDM、Fabless、Foundry、Fablite。IDM 模式是集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身,有助于充分发掘技术潜力;Fabless 模式只负责芯片的电路设计与销售,将生产、测试、封装等环节外包,资产较轻,运营费用较低,初始投资规模小,适合初创公司;Foundry 模式只负责制造、封装或测试的其中一个环节,不负责芯片设计,不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等风险造成的损失。Fablite 模式介于 IDM 和 Fabless 之间,属于轻晶圆厂模式,迫于工艺更新换代和维护成本的压力,众多 IDM 厂商已纷纷转向该模式。
IDM 运营模式有利于提高车规级产品的整体性能。 设计、制造、封装、选材等环节均对功率模块的性能有较大影响,除了设计过程外,封装及制造过程中也需要平衡体积、功耗、热管理、耐压、抗冲击等多个指标,且功率器件后道加工价值量占比达 35%以上,远高于普通数字逻辑芯片的 10%。对于对系统整体性能要求极高的车规级产品而言,通过选材、设计及生产工艺等全流程的协同,更有利于提高产品的性能、降低开发成本,进而提升企业的产品竞争力,因此,IDM 模式更有利于车规级产品的开发,且极具优势。

国外功率半导体厂商大多采用 IDM 模式,且有向 Fablite 模式转型的趋势。 由于国外半导体产业发展较为成熟,且功率半导体多采用成熟制程及工艺,为了保持市场竞争优势,国外功率半导体厂商大多采用 IDM 运营模式。但由于 IDM 模式投入巨大,为了缓解成本压力,部分国外厂商已开始转型到Fablite 这种轻晶圆厂模式,将部分产能外包。国内功率半导体产业起步较晚,相关企业的规模相对较小,大部分仍只有芯片设计业务,采用 Fabless 这种低低成本的运营模式。

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半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-10-15 09:11

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