比亞迪發(fā)布第四代IGBT芯片，稱“核心技術(shù)將告別卡脖子”

12月10日，比亞迪在寧波開了一場發(fā)布會(huì)，沒發(fā)新車，發(fā)了一款芯片——第四代IGBT，全拼和中文名是這樣的 Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管芯片。

比亞迪宣布第四代IGBT多項(xiàng)參數(shù)優(yōu)于行業(yè)平均水平，旗下新能源車的電驅(qū)性能，將憑借這一枚自產(chǎn)的控制電流開關(guān)的芯片，而取得優(yōu)勢性能。

此外，比亞迪稱IGBT也將對國內(nèi)新能源車廠開放供應(yīng)，并有望打破國外半導(dǎo)體公司壟斷國內(nèi)IGBT市場的情況。

從數(shù)碼 3C 的電池到汽車動(dòng)力電池，再到整車制造，比亞迪似乎無所不通，而這次不聲不響弄了個(gè)芯片，再次再次刷新了坊間對其公司業(yè)務(wù)的認(rèn)知。

IGBT是啥？

那么，IGBT究竟是何方神圣，引得比亞迪大張旗鼓地介紹，乃至用上了“核心技術(shù)告別卡脖子”這樣的描述？

實(shí)際上，IGBT還真就是這樣的核心技術(shù)，由于其地位之重要，又有“新能源車電驅(qū)系統(tǒng)CPU”之稱。

IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管，是一種主要應(yīng)用于600V以上電子電力領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體。

▲封裝好的IGBT模塊

與計(jì)算或存儲(chǔ)用的半導(dǎo)體不同，IGBT的主要作用是“開關(guān)”。它能夠支持在高電壓、高電流負(fù)載下，對電路進(jìn)行每秒數(shù)萬次的開關(guān)。這種能力，使得它可以通過電路設(shè)計(jì)，被用于大電流、電壓、頻率、以及直流電與交流電的轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，它成為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心中的核心——電動(dòng)車的電池系統(tǒng)能夠輸出的是總額額定的直流電，而要自由控制汽車的電機(jī)，需要功率、頻率可變、可控的交流電，此時(shí)IGBT的作用便體現(xiàn)了出來（反過來，電動(dòng)車需要直流快充時(shí)，IGBT同樣也在大功率變電中扮演重要角色）。

電動(dòng)車之所以不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱等機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)，IGBT的存在，可謂大功一件。

這樣的關(guān)鍵部件，也成為電動(dòng)車電驅(qū)系統(tǒng)成本的大頭——直接占去了一半。而電驅(qū)系統(tǒng)在電動(dòng)車整車的成本占比約為15-20%。這意味著單單是IGBT，就占去了整車成本的7-10%，因此，IGBT是新能源車產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分市場中，份額僅次于動(dòng)力電池的大蛋糕。

比亞迪在日前宣布自家動(dòng)力電池業(yè)務(wù)將拆分對外后，再度推出IGBT 4.0并且也將對外，意味著比亞迪在電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)鏈上游最大的兩個(gè)領(lǐng)域，都拿到了一張硬通票。

比亞迪發(fā)布的 IGBT 4.0 有什么特點(diǎn)

和所有芯片一樣，IGBT 的研發(fā)制造同樣設(shè)計(jì)門檻高、制造技術(shù)難、投資大。

我們來看一下官方的「硬核」科普：

芯片要求：

• IGBT 芯片僅有人的指甲大小，但卻要在其上蝕刻十幾萬乃至幾十萬的微觀結(jié)構(gòu)電路，僅能在顯微鏡下查看。
• IGBT 芯片設(shè)計(jì)難度高：IGBT 雖然是一個(gè)開關(guān)器件，但涉及到的參數(shù)多達(dá)十幾個(gè)，很多參數(shù)之間是相互矛盾，需要根據(jù)應(yīng)用折衷考慮。
• 晶圓制造工藝難度大：最主要體現(xiàn)在薄片加工處理上。采用最新的 1200V FS 技術(shù)的 IGBT，需要將晶圓減薄到 120um（約兩根頭發(fā)絲直徑）的厚度，再進(jìn)行 10 余道工序加工。
• 晶圓制造的廠房潔凈度要求非常高，需要一級(jí)凈化。一個(gè)零點(diǎn)幾微米的微塵掉落在晶圓上，就會(huì)造成一顆 IGBT 芯片失效。

至于加裝到車?yán)镞€需要考慮到模塊化等等，和數(shù)碼 3C 產(chǎn)品「舒適」的工作環(huán)境不同，車規(guī)級(jí)芯片還要應(yīng)對嚴(yán)苛的行車工況。

相比市面上的主流產(chǎn)品，比亞迪宣稱自家的 IGBT 4.0 具備以下優(yōu)勢：

1. 電流輸出能力較當(dāng)前市場主流的 IGBT 高 15%，支持整車具有更強(qiáng)的加速能力和更大的功率輸出能力。
2. 同等工況下，綜合損耗較當(dāng)前市場主流的 IGBT 降低了約 20%，整車電耗顯著降低。
3. 溫度循環(huán)壽命可以做到當(dāng)前市場主流 IGBT 的 10 倍以上。

另一方面就是成本，比亞迪介紹，目前市面上主流的車載 IGBT 成本占到整車的 5% 左右，短期內(nèi)還在持續(xù)上漲。通過規(guī)模化量產(chǎn)，比亞迪希望進(jìn)一步降低成本，拉低。

目前比亞迪位于寧波的半導(dǎo)體工廠的月產(chǎn)五萬片晶圓，理論上能夠配備五萬輛新車。按照規(guī)劃，2020 年這家工廠的月產(chǎn)能有望做到十萬片，除了自給自足外，還可以提供給其他主機(jī)廠使用。

比亞迪研發(fā)IGBT歷經(jīng)13年

需要提到的是，IGBT作為一種綜合（集成了MOSFET開關(guān)速度快與GTO耐受電壓高的優(yōu)點(diǎn)，克服了前者耐高壓性能差、后者開關(guān)速度慢的不足）的功率半導(dǎo)體，其技術(shù)壁壘并不低，核心技術(shù)與市場份額此前一直掌握在美、日、德三國半導(dǎo)體巨頭的手中。

目前，在國內(nèi)，僅有兩家“造車的”能夠打通產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)IGBT的研發(fā)生產(chǎn)。其中一家，是負(fù)責(zé)造高鐵的中車，另外一家，便是比亞迪。

中車有突飛猛進(jìn)的高鐵項(xiàng)目作為堅(jiān)實(shí)的依托，不必多言，那么比亞迪，又是如何掌握這一先進(jìn)技術(shù)？

比亞迪對IGBT的研發(fā)，在十余年前就開始了。

2003年，電池出身的比亞迪進(jìn)軍汽車市場，新能源車成為其殺入的關(guān)鍵路線。2007年，比亞迪的首款新能源車——F3DM上市，當(dāng)時(shí)國家面向綠色公共出行的“百城百輛”的新能源公交計(jì)劃都還未上線。

而在更早的2005年，比亞迪的IGBT研發(fā)團(tuán)隊(duì)便已組建，隸屬比亞迪第六事業(yè)部。這個(gè)事業(yè)部承擔(dān)著“集成電路及功率器件的開發(fā)、整合性晶圓制造服務(wù)的生產(chǎn)任務(wù)”。

請注意“整合性晶圓制造服務(wù)”。在2008年，比亞迪以1.71億元的價(jià)格，收購了寧波中緯的6英寸晶圓產(chǎn)線。當(dāng)時(shí)輿論還認(rèn)為，比亞迪或?qū)⒔柚芯暤男酒a(chǎn)能力，基于自家的手機(jī)、電池業(yè)務(wù)發(fā)展自有的消費(fèi)電子用半導(dǎo)體。但事實(shí)證明這更像是為車載功率半導(dǎo)體所作的準(zhǔn)備。

2009年，比亞迪的第一代IGBT芯片，正式研發(fā)成功，通過了中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)的科技成果鑒定。國外的技術(shù)壟斷，在此時(shí)便被比亞迪初步打破了。

▲比亞迪初代IGBT通過科技成果認(rèn)證的文件

不過，國外早在上世紀(jì)80年代便開啟了對IGBT的研究生產(chǎn)，要在產(chǎn)品上追上國外先進(jìn)水平，顯然需要更多時(shí)間。

因此，中途比亞迪的IGBT芯片又歷經(jīng)8年，多次迭代，其間，比亞迪還與上海先進(jìn)半導(dǎo)體在2015年達(dá)成了戰(zhàn)略合作，以利用后者的半導(dǎo)體制造技術(shù)。

終于在2017年，比亞迪的第四代IGBT研發(fā)成功、投產(chǎn)、裝車。

IGBT 4.0，便被用于比亞迪新一代主力車型——百公里加速時(shí)間達(dá)到4.5秒的唐。這輛車每一次狂暴的動(dòng)力輸出背后，都有這枚比亞迪自研的IGBT的功勞。

▲比亞迪唐DM，百公里加速4.5秒

當(dāng)然，技術(shù)是不斷進(jìn)步的。此前，國外IGBT已經(jīng)經(jīng)歷了六次技術(shù)迭代，功率半導(dǎo)體基礎(chǔ)的材料，也從硅（Si）、砷化鎵（GaAs） ，進(jìn)化到了碳化硅（SiC）?；谔蓟璐蛟斓墓β拾雽?dǎo)體，更能耐高溫，可以承受更高的電壓——這樣，原本耐壓能力不強(qiáng)的MOSFET，在用上碳化硅過后，能夠支持的電壓也能與現(xiàn)今車用的IGBT媲美。

而比亞迪已經(jīng)研發(fā)出了基于碳化硅的MOSFET，明年便會(huì)推出搭載這一器件的電動(dòng)車，車輛的電驅(qū)性能還會(huì)提升10%。往后，比亞迪計(jì)劃在其新能源車產(chǎn)品中，逐步用碳化硅基的功率半導(dǎo)體替代硅基IGBT。

中國如何突破國外巨頭統(tǒng)治的IGBT市場？

實(shí)際上，比亞迪這樣在新能源車用IGBT上取得突破的選手，在國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)確實(shí)是鳳毛麟角。

IGBT芯片按工作電壓，大致分為1700V以下、1700V-3300V、3300V-6500V三類。

其中，工作電壓等級(jí)在3300-6500V的IGBT主要對應(yīng)發(fā)電、電力傳輸行業(yè)，1700-3300V的IGBT在高鐵等軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較多。

而1700V以下用途中，發(fā)展勢頭最猛的新興產(chǎn)業(yè)，正是新能源車。

然而，目前IGBT的主要生產(chǎn)廠家，無一例外是國外公司，英飛凌、三菱、富士、安森美、德儀、ABB等霸占市場。

其中國內(nèi)新能源車領(lǐng)域的IGBT市場，絕大多數(shù)份額仍然被國外半導(dǎo)體巨頭英飛凌占據(jù)——這一數(shù)據(jù)一度達(dá)到70%。

在2016年全球銷量TOP10的新能源車，有8款使用了英飛凌的IGBT，其中有我們無比熟悉的Model S/X，以及通用Bolt EV，甚至包括比亞迪的唐與秦，甚至也使用了英飛凌的晶圓生產(chǎn)。英飛凌憑借壟斷優(yōu)勢，攫取高額利潤，IGBT成本居高不下。

而比亞迪的IGBT 4.0推向市場、應(yīng)用于車型上，則代表了一支重要的國產(chǎn)力量，加入到了這場新能源車核心技術(shù)、核心器件的競賽當(dāng)中來。

在更早之前，中車集團(tuán)在2014年，完成了高鐵用IGBT的研發(fā)、生產(chǎn)，打破了三菱在這一領(lǐng)域的統(tǒng)治，不僅實(shí)現(xiàn)了自產(chǎn)自用，還隨高鐵項(xiàng)目的對外輸出開始向國外供貨。

比亞迪與中車，儼然成為了國產(chǎn)IGBT生產(chǎn)應(yīng)用的雙子星。

在這背后，國內(nèi)的（高壓）IGBT產(chǎn)業(yè)鏈，在下游急切的應(yīng)用需求下，也開始逐步建立起來，士蘭微、華微、華虹、先進(jìn)半導(dǎo)體等等一系列IGBT的IC設(shè)計(jì)、晶圓制造公司也成長起來，國內(nèi)的IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正在初步成型。而比亞迪自身，也表態(tài)將會(huì)對外開放其IGBT供貨。

在一個(gè)產(chǎn)業(yè)集群形成后，中國的IGBT乃至更多類型的功率半導(dǎo)體，將有更充足的底氣與國外巨頭抗衡。

比亞迪將在材料上進(jìn)一步突破

最后，比亞迪宣布，在材料上進(jìn)一步突破，有望于 2019 年推出搭載 SiC 電控的電動(dòng)車。預(yù)計(jì)到 2023 年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn) SiC 基車用功率半導(dǎo)體對硅基 IGBT 的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升 10 %。

SiC 具備高耐壓、低損耗、高效率的特性，是替代 Si 的第三代半導(dǎo)體材料