摘要：功率半導(dǎo)體是半導(dǎo)體行業(yè)的細(xì)分行業(yè)，雖不像集成電路一樣被大眾熟知，但其重要性不可忽視。中國高鐵，智能電網(wǎng)，電動汽車，光伏逆變器，電源，電子產(chǎn)品等產(chǎn)品中，功率半導(dǎo)隨處可見其身影。沒有功率半導(dǎo)體就像人類不能吃飯一樣，任何電動化的設(shè)備將不能工作。功率半導(dǎo)的作用通俗來說是提供設(shè)備所需電能和保證電能的良好狀態(tài)。其中IGBT是功率半導(dǎo)體較為重要的一種，稱之為電力行業(yè)中的“CPU”。

　　IGBT已發(fā)展到第6代

　　IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，是由BJT(雙極結(jié)型晶體三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件,其具有開關(guān)特性，是電力電子器件重要的控制元件。IGBT不僅有MOSFET的高輸入阻抗特性而且同時具備了GTR的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩者的優(yōu)點。

　　圖1 IGBT內(nèi)線結(jié)構(gòu)及簡化的等效電路圖

　　圖2 IGB功率模塊組成

　　IGBT第一代產(chǎn)品是平面柵穿通(PT)型IGBT，這一階段的IGBT產(chǎn)品電壓還較低，基區(qū)厚度通常較高，從幾十到一百多微米不等。所以IGBT芯片開關(guān)速度普遍不高，且不宜并聯(lián)使用，短路能力也較差。

表1 IGBT各代性能參數(shù)對比

　　到第四代NPT型器件，基區(qū)和漂移區(qū)有了較大改進(jìn)，擊穿電壓有了較大的提升。FS型增加了電場終止層，芯片可以做到更薄，硅片厚度較NPT減薄了約1/3，并且進(jìn)一步降低了關(guān)斷時間與功率損耗。第五代是是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)”與“電場中止技術(shù)”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)，電壓耐受度進(jìn)一步提高，芯片面積、功耗都有所減少。

　　IGBT應(yīng)用領(lǐng)域廣,汽車和工業(yè)是主要市場

　　IGBT與一般的半導(dǎo)體產(chǎn)品如集成電路一樣，產(chǎn)業(yè)鏈基本由設(shè)計、制造、封測等環(huán)節(jié)。但重點有所不同，IGBT設(shè)計方面較難，不需要低納米級的工藝制程。IGBT屬于功率半導(dǎo)體，其散熱設(shè)計較集成路有更高的要求。

　　圖3 IGBT產(chǎn)業(yè)鏈簡化圖

　　IGBT單管包括單片IGBT，以及和續(xù)流二極管集成封裝的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于通用逆變器、太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)、感應(yīng)加熱設(shè)備、大型家電、焊接以及開關(guān)電源(SMPS)等領(lǐng)域。功率模塊是比分立式IGBT規(guī)模稍大的產(chǎn)品類型，用于構(gòu)造電力電子設(shè)備的基本單元。廣泛應(yīng)用于新能源汽車，工業(yè)自動化，光伏，風(fēng)力發(fā)電，智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。

　　IGBT是功率半導(dǎo)體一種，在功率半導(dǎo)體市場占比近20%，從應(yīng)用市場劃分來看，汽車和工業(yè)是IGBT最主要的兩個市場，占比分別達(dá)到27%和28%，兩個領(lǐng)域市場份額。

　　國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈已有基礎(chǔ)

　　目前中國IGBT行業(yè)已經(jīng)能夠具備一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力。如設(shè)計方面有中科君芯、西安芯派等，制造方面，中芯國際、華潤上華、上海先進(jìn)、華虹等，模組環(huán)節(jié)有中車西安永電、愛怕克、南京銀茂等。IDM廠商有比亞迪，中車時代等。但我國IGBT芯片依然有近90%依賴進(jìn)口，高端產(chǎn)品基本被歐美、日本企業(yè)壟斷。如英飛凌、三菱、富士電機、東芝、ABB、仙童等。其中，西門康、仙童 (Fairchild)等企業(yè)在消費級IGBT領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位;ABB、英飛凌、三菱電機在中等電壓的工業(yè)級IGBT領(lǐng)域優(yōu)勢明顯;在3300V以上高電壓等級的領(lǐng)域，英飛凌、ABB、三菱三家公司幾乎屬于壟斷地位，代表著國際IGBT技術(shù)的最高水平。

　　我國已具備一定的技術(shù)能力和規(guī)模化生產(chǎn)能力。600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片具備產(chǎn)業(yè)化能力，3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT已研發(fā)成功，并進(jìn)入量產(chǎn)階段。據(jù)最新的消息，我國IDM廠商比亞迪在剛剛過去的2018年12月份發(fā)布了自己的IGBT4.0技術(shù)。其產(chǎn)品電流輸出能力較當(dāng)前主流的IGBT產(chǎn)品提高了15%,綜合損耗降低了約20%，溫度循環(huán)壽命可提高到當(dāng)前產(chǎn)品的10倍以上。在1200V車規(guī)級IGBT芯片的晶圓厚度上，比亞迪減薄到了120um，已處于全球先進(jìn)水平。從車規(guī)級性能及發(fā)布的消息看，比亞迪已經(jīng)具備與國外品牌競爭的能力，但后續(xù)的量產(chǎn)、穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步觀察。可以說比亞迪是當(dāng)前中國IGBT的代表企業(yè)，是唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)。

　　國內(nèi)另一家影響比較的企業(yè)是中車旗下公司-株洲中車時代。目前擁有8寸IGBT生產(chǎn)線，具備年產(chǎn)12萬片芯片及100萬只IGBT模塊生產(chǎn)能力。公司主的產(chǎn)品為1200V-6500V高壓模塊，主要滿足當(dāng)前中國高鐵動力IGBT芯片及模組需求。

　　IGBT制造難度大，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈配套不齊全

　　晶圓制造、背板減薄和封裝工藝是IGBT制造技術(shù)的主要難點。IGBT的加工過程主要為三步：襯底加工、芯片制造和封裝。國外IGBT 技術(shù)起步較早，在設(shè)備、材料、芯片設(shè)計和晶圓制造上已經(jīng)構(gòu)筑了較高的壁壘，國產(chǎn)IGBT芯片的主要工藝設(shè)備和襯底片，乃至高端芯片都必須從國外采購。而封裝層面上，國內(nèi)產(chǎn)品的功率密度、散熱性能、可靠性以及模塊設(shè)計等指標(biāo)也嚴(yán)重落后于國際IGBT廠商。

　　國內(nèi)大尺寸晶圓制造落后于國外。晶圓是半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)材料，目前主要是硅材料為主。按直徑分可分為4/6/8/12寸。晶圓越大，單片晶圓產(chǎn)出的芯片就越多，在制造加工流程相同的條件下，單位芯片的制造成本會更低。但晶圓直徑越大，加工時離晶圓中心就越遠(yuǎn)地方，容易產(chǎn)生壞點，后續(xù)加工對設(shè)備的要求也更高。目前國國際龍頭廠商，如英飛凌，已經(jīng)實現(xiàn)12寸晶圓的IGBT芯片量產(chǎn)。而我國基本掌握6寸晶圓制造水平，8寸晶圓加工技術(shù)還未能很好的成熟化。

　　IGBT背面工藝、減薄工藝技術(shù)要求高。一般來說，特定耐壓指標(biāo)的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到200-100μm;對于要求較高的產(chǎn)品，甚至需要減薄到80μm。當(dāng)硅片厚度減到 200-100μm 的量級，硅片就極易破碎和翹曲，給整個加工流程帶來較大困難。目前國內(nèi)普遍可以將晶圓減薄到175μm，2018年12月份比亞迪公布能將晶圓減薄到 120μm。英飛凌制造的IGBT芯片最低可心減薄到40um。

　　背面工藝，包括背面離子注入，退火激活，背面金屬化等工藝步驟，由于正面金屬的熔點的限制，背面工藝必須在低溫下進(jìn)行(不超過450°C)，其中退火激活這一步難度極大。

　　IGBT封裝的主要目的在于散熱，而散熱的關(guān)鍵是材料。自第六代技術(shù)以后，各大廠商開始重視IGBT的封裝技術(shù)研究。在IGBT封裝材料方面，日本在全球遙遙領(lǐng)先，德國和美國處于跟隨態(tài)勢，我國的材料科學(xué)則相對落后。車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達(dá) 120°C，同時還要考慮強振動條件，車軌級的IGBT要求遠(yuǎn)在工業(yè)級之上。

　　國內(nèi)設(shè)備配套困難。國內(nèi)IGBT工藝設(shè)備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設(shè)備配套。其中有些設(shè)備國內(nèi)沒有，或技術(shù)水平達(dá)不到。如：德國的真空焊接機，能把芯片焊接空洞率控制在低1%，而國產(chǎn)設(shè)備空洞率高達(dá)20%到50%。國外設(shè)備出口還有限制，例如薄片加工設(shè)備，日本產(chǎn)的表面噴砂設(shè)備等，并不對中國出口。IGBT生產(chǎn)過程要求高標(biāo)準(zhǔn)的空氣凈化系統(tǒng)，世界一流的高純水處理系統(tǒng)。這些都給IGBT制造帶來了非常大的難度，國內(nèi)起步晚，經(jīng)驗不足，想制造出合格的產(chǎn)品非常不易。

　　IGBT的制造必須有集產(chǎn)品設(shè)計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應(yīng)用等成套技術(shù)。并且需要具備高自動化、專業(yè)化和規(guī)模化程度大功率IGBT制造設(shè)備。往往一個IGBT項目投資額需高達(dá)數(shù)十億元人民幣，這只是投資額，在后續(xù)的市場中仍需面對國際廠商的競爭壓力。

　　2017年發(fā)布的《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》中建議，在2016~2020年，市場方面硅基MOSFET、FRD的國內(nèi)市場占有率達(dá)到一定的份額，在關(guān)鍵材料方面，形成硅基電力電子器件所需全部材料、碳化硅6英寸單晶和厚外延材料;在關(guān)鍵電力電子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產(chǎn)品，綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。專家客觀提出的目標(biāo)建議，明顯感受到國內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)與國外的差距，國內(nèi)廠商及技術(shù)水平還不足以在全球競爭中占有一席之地。

　　結(jié)語

       IGBT是功率半導(dǎo)體的重要產(chǎn)品，在電力電子器件中扮演了重要的角色。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)起步晚，與國際相比，存在巨大的差距。目前國內(nèi)雖已經(jīng)具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，從半導(dǎo)體設(shè)備到芯片制造加工過程中，技術(shù)水平，制造工藝，材料，封裝技術(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國際領(lǐng)先廠商，近90%的產(chǎn)品還依賴進(jìn)口。