贝茵凯:深耕高端领域,第七代IGBT芯片突破国产化技术壁垒

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IGBT(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)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,被誉为是电力电子行业的“CPU”。该高效能半导体器件广泛应用于变频器、逆变器、电动汽车、高铁、可再生能源和工业电力控制系统等对电力转换效率和可靠性要求较高的领域。

随着储能技术、新能源汽车、风力发电以及光伏能源等领域迅猛发展,市场对于IGBT的需求正日益增长。根据集微咨询的分析报告,预计在未来数年中,风光储领域的IGBT市场增长速度将超过汽车行业,其市场份额有望在2025年达到9.7%。此外,QY研究数据显示,2023年全球IGBT功率模块市场规模大约为67亿美元,预计到2029年将增长至145亿美元,预测未来几年的复合年均增长率约为13.6%。

由于半导体功率器件技术门槛较高,加之国外企业在核心技术上的领先地位,全球IGBT市场目前呈现出由国外头部企业主导的垄断格局,英飞凌、富士电机、三菱电机、安森美、东芝以及意法半导体等企业占据主要份额。

从国内市场来看,中国是全球最大的IGBT需求市场,其需求量占全球总量超过40%,并且这一比例有望继续增长。

不过,我国的IGBT产业起步较晚,目前市场主要被国外企业所垄断,国产IGBT的整体自给率仍然较低,未来进口替代的潜力巨大。近年来,在国产替代大势所趋下,国内厂商在产业化水平上已取得一定进步。且随着行业的快速发展和市场需求的不断上升,国内厂商正在加速提升自身的工艺技术水平,力求缩小与国际巨头的差距。在这一进程中,北京贝茵凯微电子有限公司(简称“贝茵凯”)作为国内厂商的佼佼者,致力于推动国产IGBT技术的突破与创新。

成功量产第七代IGBT,突破国产化领域壁垒

贝茵凯成立于2022年5月,专注于高精尖制程功率芯片的研发与应用,在不到2年的时间里已研发并批量生产出独具特色的全系列第七代IGBT芯片,成功突破国产化领域的技术壁垒,并率先掌握先进制程功率器件技术。

从上世纪90年代至今,IGBT已经历经多次技术迭代,目前市场上应用最广泛的是第四代工艺产品,而技术最领先是第七代,即微沟槽栅技术(MPT),通过增加有源栅极密度,增加单位芯片面积上的导电沟道,降低静态损耗,使IGBT向着小型化、高功率、高可靠性发展。

贝茵凯CEO何林及团队表示,贝茵凯早在创立之初,就以全球顶尖企业为标的,将目标锚定在应用条件更苛刻、研发制造难度更大的高端功率芯片领域,全力以赴打造第七代大功率IGBT芯片。

贝茵凯研发团队师承于中国功率半导体领域泰斗级人物亢宝卫,并曾承担国家《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,在功率半导体领域深耕多年,拥有丰富的研发技术与产业资源。

经过不懈的努力,贝茵凯的研发成果终于得到了回报。投片后历时4个月终获首次流片成功,这标志着贝茵凯在高端功率芯片研发领域迈出重要的一步。

“2023年7月27日上午8点49分——贝茵凯第一片七代IGBT芯片下线。这对于贝茵凯,甚至对于中国功率芯片行业而言,都是值得记住的重要时刻。”贝茵凯CEO何林说道。

2023年8月,贝茵凯“第七代大功率IGBT产品12英寸晶圆”成功下线,采用全自研技术,优化和改进了传统IGBT制备工艺,对结构进行创新与调整;以车规级芯片标准开发工业芯片,相比按照传统工艺开发的芯片而言,可靠性提升30%以上,并可适配各种恶劣工作场景。此外,第七代IGBT采用业界领先的1.6um Pitch微沟槽IGBT工艺制程,精度达50nm,可实现更高电流密度、更低综合损耗等,提升产品的整体性能;还采用超薄片工艺(<70um),可实现最高175℃的工作结温,进一步拓宽应用范围。

技术驱动,用产品证明

贝茵凯的第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片,有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题,具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势,适用频率范围也得以拓宽,最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz,达到国际领先水平。

贝茵凯第七代IGBT产品包含750V、1000V、1200V、1700V等电压等级系列,满足电动汽车、通用变频、储能系统等多领域应用需求。所有第七代IGBT都具备改进的温湿度鲁棒性,从而大幅度提高了恶劣环境条件下IGBT器件的可靠性。

目前,该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证,并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。

贝茵凯CEO何林称,“我们是一家技术驱动型企业,只会用技术和产品说话。”

何林对国内IGBT芯片企业的现状进行了分析。据其推测,中国大约有400家IGBT芯片公司,其中大约85%主要从事芯片模块组装。此外,大约10%~12%的企业涉及购买芯片并印上自己的Logo,而真正具备自主研发能力的IGBT芯片企业则可能不超过20家。“当然,贝茵凯就在这20家企业之中。”何林说道。

何林还强调功率芯片与一般商品不同,特别是在其电力运行特性方面。由于功率芯片的这一特性,它们在正式投放市场之前,必须经过极其严格的质量检测。贝茵凯对每一批生产的芯片,在完成行业内标准的168小时检测后,还会进行更长时间的运行测试,以实现1000小时的极限考核,确保产品达到最高质量标准后才投放市场。

据介绍,贝茵凯的质量控制流程不仅限于制造端的检测。公司产品还要经过客户端上机测试和第三方专业检测机构认证。这意味着,从样品交付、产品定型到最终批量供应,整个过程需要经历一段较长的周期。以车规级芯片为例,从送样、到定型、到批量供应,整个检测周期可能超过一年半的时间。

在服务端,贝茵凯还会派遣专业的技术人员到设备运行一线,甚至长期驻扎现场,参与设备检测和实时数据分析,帮助用户实现设备运行效率的提升。

关于产品类别方面,何林表示,不同类型的应用对功率芯片的性能要求存在着一定差异。以变频器为例,其内部的功率芯片需要能够承受至少10微秒的短路耐受时间,以保证在极端条件下的稳定性。相比之下,光伏应用对功率芯片的短路耐量要求则相对较低,而对故障率要求极高。比如,在对功率芯片一致性要求较高的储能系统中,数百个IGBT模块即使只有一个模块发生故障,也可能对整个系统的运行造成严重影响。

“贝茵凯不会盲目追求扩张速度,坚守我们的质量管控体系,保障产品优良的性能,才是最重要的。”何林说道。

何林表示,“目前,贝茵凯正在着力扩大企业规模,希望2025年能够打通从材料,到研发设计、测试分析等,再到应用端的完整产业链,以进一步强化产品迭代能力,为用户赋能更大价值。”

展望未来,贝茵凯将继续深耕高端应用领域,致力于开发更高压的碳化硅芯片(SiC MOSFET),同时加强与IGBT产品终端用户企业的合作,全力推进国产芯片的替代进程。

(校对/刘昕炜)

责编: 张杰
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