开拓新市场商机 IGBT厂转攻低电压应用

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。