新星诞生
1948年4月28日,伴随着一声啼叫,小巴利加在印度马德拉斯降生,32年后,小巴利长成了老巴利,老巴利当时在美国GE任职,他将已有的BJT和MOSFET“叠”在了一块,然后他就发明了IGBT。
脱胎于BJT和MOSFET的IGBT继承了“父母”的优良基因,取其精华取其糟粕,同时拥有BJT和MOSFET的优点,特别是在电流频率转换和设备节能减排方面IBGT具有巨大的优势。
IGBT虽集众之所长,但在仅几年后便遇“挫折”。1988年,因GE半导体部门在业内并非“数一数二”,IGBT相关技术随同GE半导体部门被出卖。
但是金子不管在什么地方,总会发光,它需要的——是时间。
蛰伏成长
一方面,GE出卖半导体业务的之后的这段时间里,世界经历巨变。
1988年6月,美国气象学家詹姆士·韩森于1988年6月在参众两院的听证会上提出了全球变暖的概念,节能减排开始进入全人类的视野,成为全人类共同的议题。2015年12月12日195个国家在巴黎签订《巴黎协定》,以法律的形式团结在一起共同对抗日益严重的气候变暖问题。2020年9月22日,中国在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出中国将于2030年前碳达峰,2060年碳中和,新能源相关成为资本关注行业。
在人类认识到气候问题危及生存后,使用绿色能源替代传统能源成为亟待实现的问题。在产能端,光伏发电和风能发电成为现阶段替代传统石化能源发电的可行方案;在用能端,使用电动车替代燃油车、使用变频电器代替全频电器,都能有效减少碳排放。
而以上涉及几个行业都与电相关,电流分为直流和交流,在以上的三个行业中,都需要把电流在直流和交流间进行转化(并顺带对交流电频率做调整),这个过程中,一个不可或缺的元器件便是IGBT。
另一方面,GE出卖半导体业务的之后的这段时间里,IGBT技术经历巨变。
IGBT经历了从原始的第一代到2018年出现的第七代的“历练”。技术上从平面穿通型进化到第七代的精细沟槽栅场截止型;体型上从第一代的面积100线宽5进化成第七代的面积20线宽0.3;速度上从第一代的关断时间0.5进化到第七代的关断时间0.12;功耗上从第一代的100进化成第七代的25;耐压上从第一代的600进化到第七代的7000。
社会需要,本身实力够强悍,至此,IGBT成为功率半导体领域当之无愧的弄潮儿。
新能源发电需要用到IGBT模块、电动汽车需要用到IGBT模块、工业控制需要用到IGBT模块,IGBT的市场拥有广阔的想象空间,据有关机构估计,到2025年,全球IGBT市场规模将达到435亿元。
巨大的市场引起多路豪杰追逐,这其中包括英飞凌、赛米控等德国企业(市占率约45%),三菱、富士等日本企业(市占率约30%),安森美、IXYS等美国企业(市占率约10%)。
2019年,英飞凌(德国)以28.68%的市占率成为IGBT领域的一超,三菱(日本)、富士(日本)、安森美(美国)、赛米控(德国)分别以15.12%、9.68%、7.06%、5.52%的市占率占为IGBT领域的多强,整个IGBT领域是为德日美的天下。
同其他半导体领域相同,中国在IGBT领域的的市场份额长期以来也并无起色——直到他们的出现。
中国在半导体领域长期缺少竞争力,IGBT方面,许多需要用到IGBT的场景如曾经的高铁IGBT模块、工业控制中的IGBT模块等都需要以高昂的价格从国外进口,甚至有时即使高价也无法购买到性能符合要求的产品。面对中国常年缺芯的局面,中国有三方力量发起突围。
1963年,沈华出生于中国浙江嘉兴海宁,他是一个天才少年,14岁那年(中国1977年恢复高考)便考取了湖南大学机械系,往后又留学耶鲁、麻省,是个不择不扣的学霸。毕业后的沈华先后在西门子微电子部门(后来的英飞凌)、Xilinx做芯片相关研发工作。
2003-2005年期间,沈华关注到了中国半导体行业艰难的现状,在IGBT领域,外商处于绝对的垄断地位,中国则一片空白。对此,学历优秀、工作顺利、待遇优渥的沈华选择在2005年4月2日,签署《外商独资经营嘉兴斯达半导体有限公司章程》,成立斯达半导,成为在半导体领域一穷二白的中国大地上的IGBT领域开路人。2011 年,斯达半导成功独立地研发出IGBT第四代 NPT 型芯片;2015年,第六代 FS-Trench 芯片研发成功,打破了国外跨国企业长期以来对 IGBT 芯片的垄断;2020年2月4日,斯达半导在上海证券交易所敲响钟声,成为中国IGBT领域第一股。
1961年,丁荣军出生在中国江苏宜兴的一个偏远山村,本科从西南交通大学电力机车专业毕业后他来到了中国南车集团株洲电力机车研究所。丁荣军是一个典型的踏实刻苦的工程人,在株洲所担任工程师期间他工作在科研攻关的第一线,不外出的时候总会有他在办公司学习的深夜的身影。
刚开始时中车的所有IGBT模块都是需要进口的,为此每年都要占用巨额开销,中车一直在寻找突破的机会,2008年机会出现了。2008年,金融危机使丹尼克斯(一家掌握IGBT关键技术的英国大功率半导体企业)股价重挫、资金困窘,面临破产,对此刚上市的中车株洲决定以大约一亿元人民币的价格收购了丹尼克斯,成功获取IGBT领域入场券。2014年5月,世界第二条8英寸IGBT芯片生产线在丁荣军的带领下成功建成投产投产。2021年,时代电气登陆上海证券交易所开启了新的征程。
1966年,王传福出生在中国安徽芜湖,不幸的是王的父母在他小的时候就离开了他,但王传福自强不息,考上了中南工业大学冶金物理专业,在硕士从北京有色金属研究院毕业后留院301室工作。
但王传福自小就有一股敢闯敢拼的精神,1995年,王传福辞职在深圳创办了比亚迪公司,2002年比亚迪港股上市,2007年比亚迪电子独立分拆港股上市,2020年比亚迪半导体从比亚迪拆分,开启了王传福第三个IPO的征程。
虽然在全球的IGBT竞争中,中国企业并没有德国英飞凌、日本三菱那般耀眼,但需要看到的是,斯达半导已经进入IGBT领域的前十,时代电气进入动车用IGBT前五,亚迪半导进入汽车用IGBT前五,中国的IGBT企业正在快速崛起,成为IGBT具竞争力的一股新势力!
制约中国半导体产业发展的因素之一是中国半导体产业链不够完善。例如在计算芯片领域,由于制程光刻胶主要是日本企业生产、制程光刻机主要由受美国影响的荷兰企业ASML企业生产,中国计算芯片即使能够设计出制程的芯片却也因为设备精度不足无法产业化生产,制程光刻机也因此成为人所周知的亟待解决的卡脖子技术之一。
幸运的是在IGBT模块在尺寸上虽然也存在小型化趋势,但高功率的运用场景并不要求其制程到达纳米级别,因而至少在IGBT领域,中国企业没有了制程光刻机的紧箍制约,使得中国企业问鼎IGBT行业的视野更加清晰。
当然,现阶段中国的IGBT企业尚处在做出和做大中间的阶段。中国企业IGBT问鼎之路还漫漫其修远,但中国半导体人要有问鼎的自信,因为我们有广的市场、多的理工科毕业生、勤奋的一线半导体人。
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