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细说功率半导体三大行业特性

sanfan 行业信息 2021-11-17 10:06:58

  细说功率半导体三大行业特性

  功率半导体行业有着三个独有的行业特性,分别为:①非尺寸依赖型 工艺,专注于结构和技术改进以及材料迭代;②商业模式以IDM为主, 利于技术积累和迭代;③细分需求多样化,依赖特色工艺平台的全面 性和深度性。

  从功率半导体产业链流程来看,设计、制造工艺和封装集成均十分重 要。功率半导体以晶圆、光刻板、衬底材料等半导体材料为基础,经 过设计、制造、封装后形成细分终端产品。其中,除了设计之外,功 率半导体的制造工艺和封装工艺亦十分关键:

  ① 在制造工艺中,需要涉及外延工艺、光刻工艺、减薄、背面金属化 等制造工艺,制造工艺是影响器件性能的核心因素之一;

  ② 在封装工艺中,裸片会进行器件封装或模组封装或集成封装,裸片 若经过器件封装会形成功率分立器件,若经过模组封装会形成功率 模组。由于功率半导体工作环境极端,对可靠性和寿命等要求较高, 因此封装技术同样是影响器件性能的核心因素之一。

  最后成型的功率器件会用于各类终端,功率分立器件主要用于消费电 子、家用电器等,功率 IC 多用于电源管理芯片,适用于工业控制、网 络通信等,功率模组可承受更高压环境,则主要用于军工航天、轨道 交通等产业内的 DC/AC 逆变器、整流器、驱动控制电路方面。

功率半导体

  行业特性一:非尺寸依赖型工艺,专注结构与材料特性

  集成电路技术的发展主要分为三个技术方向:尺寸依赖的先进工艺, 非尺寸依赖的特色工艺以及先进封装工艺。 在纵向的先进工艺中,业界追求特征线宽的缩小、工作电压的降低、 开关频率的提高等。它主要追赶摩尔定律,不断实现更高密度的技术, 从 130 nm 到 3 nm 工艺,晶体管的集成度越来越高,成本大幅下降,芯 片的价格也不断下降。

  在横向的特色工艺中,强调器件特征多样化,专注于芯片如何在不同 场景下承受高电压、输出高电流,以及如何提高电路线性特征,降低 噪声。特色工艺追求的不完全是器件的缩小,而是根据不同的物理特 性,做出不同的产品,比如射频器件、模拟器件、无源器件、高压功 率半导体、传感器等。第三个方向为先进封装工艺方向,利用特种的 封装进行高密度的组装做出更高价值产品。

  功率半导体属于特色工艺产品,非尺寸依赖型,在制程方面不追求极 致的线宽,不遵守摩尔定律。数字芯片更加注重制程的升级,目前处 理器等高端数字芯片的先进制程基本在 14 nm 以下,高端产品更是达到 了 5 nm 制程,算力发展速度较快。而对于功率半导体而言,性能发展 速度较慢,制程基本稳定在 90 nm-0.35 μm 之间,其发展关键点主要包 括制造工艺、封装技术、基础材料的升级。

  发展关键点 1:制造工艺。功率半导体制造工艺的具体难点在于沟槽工 艺以及背面工艺(晶圆减薄、高剂量离子注入)等。以 IGBT 为例,自 上世纪 80 年代被推出后,每一次的性能升级都离不开表面结构及背面 工艺的进步。

  (1)沟槽工艺:目前中高端的功率器件(MOSFET和IGBT)均使用 沟槽工艺。IGBT 的表面结构发展曾历经平面栅工艺到沟槽栅工艺的演 变。第一代和第二代的 IGBT 采用平面栅工艺,由于 pbase 与扩散区形 成球面 PN 结,产生 JFET 效应,导致导通压降较大。英飞凌在第三代 IGBT 中采用沟槽栅结构,使得 P 型发射区的反型沟道垂直于硅片表面, 有效消除 JFET 效应,增加了表面沟道密度,降低了器件导通损耗。另 外,最新的 IGBT 7 对沟槽工艺进一步升级,采用 MPT(Micro Pattern Technology)结构将微沟槽栅和 FS 组合并应用低压 MOS 技术,进一步 大幅提高了沟道密度,从而实现更大的器件性能控制范围。相比于平 面栅,沟槽栅结构性能得到了显著的提升,所以对于 IGBT 器件而言, 表面结构升级也是产品高端化的必经之路。

  制备沟槽型器件工艺壁垒高,设计-制造环节须历经长期技术沉淀。沟槽栅 IGBT 的沟槽宽度仅有 1-2 μm,而沟槽深度要达到 4 μm 以上。因 此,通过酸腐蚀工艺制备沟槽时,须对沟槽的宽度和深度实现精确控 制。此外,沟槽壁亦要尽可能光滑以提升良率。同时,IGBT 沟槽底部 的倒角亦须圆润、均一以免影响器件耐压。而沟槽形貌与设备条件、 刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系,须大力协调三者之间关系才 可规模量产沟槽形貌良好的 IGBT 产品。因此,功率半导体的制造工艺 壁垒较高,需要晶圆厂与芯片设计部门长期合作,对器件的设计及制 造技术长期打磨及优化。

  (2)背面工艺:对良率、成本影响显著,减薄和背金是关键。同以 IGBT 为例,背面工艺主要包括正面贴膜、背面减薄、背面清洗、背面 P 注入、激光退火、背面 B注入、背面金属化、烘烤等。IGBT 4相较于 3 进一步减薄了背面结构,使得开关损耗进一步降低,同时最高工作结 温也从 125 ℃提升至 150 ℃,但相应的背面工艺复杂度也显著提升,主 要体现在晶圆减薄、注入及金属化等工艺中。

  在背面工艺易产生碎片。在晶圆被减薄至100-200 μm后,后续的掺杂 以及背面金属化的过程中,亦会因为工艺控制及搬运不慎带来碎片的 风险。因此,在 wafer 尺寸超过 8 寸后,背面工艺难度提升,对 IGBT 良率影响也显著放大,目前能够规模量产 12英寸 IGBT 的晶圆厂较少。 此外,使用场截止技术时,亦对背面掺杂工艺提出更高要求,须综合考量深度、浓度、分布以及与集电极的匹配等影响因素,涉及的变量 较多,优化难度大。

  发展关键点 2:封装工艺。由于功率半导体工作环境极端,对可靠性和 寿命等要求较高,因此封装工艺同样是功率半导体的主要关注点。封 装工艺主要从三种途径进行改进:①提高芯片面积与占用面积之比; ②将封装的电阻和热阻减至最小;③将寄生电阻和电感减至最小。 TOLL可以被应用于离散型功率器件封装。

  车规级 IGBT模块封装技术壁垒更高,封装质量及散热重要性突出。车 规级 IGBT 模块是功率半导体封装技术壁垒最高的产品之一。车规级封 装是保障高温运行、高功率密度、高可靠性的关键因素,不仅仅涉及 到芯片表面互连、贴片互连、端子引出、散热等关键技术工艺。

  直接液冷是目前车规 IGBT模块的主流散热方案。对于模块散热设计而 言,其结构设计难度大,需要厂商对热力学及材料体系有较为深入的 理解。早期车规 IGBT 模块采用基于铜基板的三明治结构,该设计散热 性能差且结构笨重,限制模块功率进一步提升。为提升散热能力,针翅直接水冷散热结构以及更为先进的双面散热被提出并广泛采用,目 前日本电装、日立以及英飞凌的双面散热模块已实现商业化。

  发展关键点 3:材料迭代。功率半导体还专注于材料的迭代,现有第三 代半导体材料可有效提升原有硅基材料的性能,突破原有器件性能天 花板。以 SiC、GaN 等第三代半导体材料为基础的功率半导体可在更高 频、更高压的环境下工作,性能上超过原有 Si基 IGBT 和 Si基MOSFET, 且原有的成本问题也不断得到了优化。(报告来源:未来智库)

  行业特性二:IDM模式与委外代工共存,技术迭代与产能供给齐飞

  半导体行业内主要存在 IDM与垂直分工两种经营模式。IDM模式即垂 直一体化模式,是指半导体企业除进行半导体设计外,业务范围还包 括芯片制造、封装和测试等所有环节。垂直分工模式则是将各个环节 划分开来,各家公司只专注经营一个环节,例如 Fabless 模式则仅专注 于半导体的设计和销售环节,而芯片制造和封装测试则交给 Foundry 模 式的纯代工企业。

  对于半导体产品公司而言,采用 IDM模式对企业技术、资金和市场份 额要求较高,具有典型的重资产属性。公司不仅自身需要拥有研发设 计团队,还需自建芯片制造、封装和测试生产线,在完成半导体的设 计、芯片制造、封装测试等环节后销售给下游客户。自建芯片制造和 封装测试生产线就需要巨额的资金投入,如投资建设一条 8 英寸芯片制 造产线的资金约 30 亿元人民币,因此采用 IDM 模式的企业往往除了拥 有较强的研发技术实力外,还必须拥有雄厚的资本实力。在垂直分工 经营模式下采用 Fabless 模式仅需专注于从事产业链中的芯片设计和销 售环节,能够相对有效控制投入和成本。垂直分工模式在数字逻辑集 成电路领域取得了快速的发展。

  功率行业中公司既有 IDM模式,也有垂直分工模式。国外IDM模式公 司有英飞凌、ON Semi、TI、STMicro、东芝等;国内公司 IDM 模式公司有华微电子、士兰微、华润微等。垂直分工模式中的 Fabless 包括新 洁能、斯达等;Foundry 则包括华虹半导体、世界先进、中芯国际等。

  行业特性三:细分需求多样化,依赖特色工艺平台的 全面性和深度性

  “平台化多样性”是特色工艺企业构筑竞争壁垒、打造竞争优势的核 心武器,工艺平台越强大的企业,其在技术经验、服务能力和特殊化 开发能力方面具有深厚的优势。

  功率半导体行业细分需求多样化,从大类产品平台,到不同电压、不 同面积、不同封装外形,交叉组合可形成千余种细分产品。以新洁能 的产品布局为例,公司主要分为四大产品平台:沟槽型功率 MOSFET、 超结功率 MOSFET、屏蔽栅功率 MOSFET 和 IGBT;每个平台下又根据 不同的电压、不同的结构进行分类;之后为了满足客户的要求,需要 调整芯片面积、采用多达三十余种封装外形以及进行单管、功率模块 或者智能功率模块的集成封装,因此近二十个子工艺平台叠加不同电 压系列、不同面积系列以及不同封装系列,交叉组合会得到 1000 余款 细分型号的产品。

  功率半导体产品由于根据客户定制要求所产生的的细分需求多样化, 但各细分类型需求量相对 IC产品较小,因而公司要想在行业内获得足 够的市场竞争力,对于特色化工艺平台的全面性和深度性要求极高。

  3.趋势一:电车及光伏是功率半导体需求增长主动力

  新能源汽车渗透及光伏加速建设是功率半导体市场快速增长的最主要 驱动力。 电动车:从 ICE(内燃车)到 MEV(轻度混合动力汽车),再从 MEV 到 BEV(电池电动汽车),单辆电动车内部的功率器件数量在不断增加, 再加上配套设备充电桩所含有的功率器件数量,单车驱动的功率器件 规模大幅增长。 光伏:受益于“碳中和”成为大国共识叠加发电成本下降,全球光伏 装机量亦将持续快速提升,功率半导体作为逆变器核心器件,亦将迎 来量价齐升。

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