我们先从什么是IGBT说起。

所谓IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极结型晶体三极管) 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,其具有自关断的特征。

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简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。

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而平时我们在实际中使用的IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

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为什么要重视IGBT?

IGBT是能源转换与传输的核心器件,是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

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IGBT各代之间的技术差异

要了解这个,我们先看一下IGBT的发展历程。

工程师在实际应用中发现,需要一种新功率器件能同时满足:·驱动电路简单,以降低成本与开关功耗;通态压降较低,以减小器件自身的功耗。

回顾他们在1950-60年代发明的双极型器件SCR,GTR和GTO通态电阻很小;电流控制,控制电路复杂且功耗大;1970年代推出的单极型器件VD-MOSFET通态电阻很大;电压控制,控制电路简单且功耗小;因此到了1980年代,他们试图把MOS与BJT技术集成起来的研究,导致了IGBT的发明。 1985年前后美国GE成功试制工业样品(可惜后来放弃)。自此以后, IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。

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而经过这么多年的发展,我们清楚明白到,从结构上看,IGBT主要有三个发展方向,分别是IGBT纵向结构、IGBT栅极结构和IGBT硅片加工工艺。而在这三个方面的改良过程中,厂商聚焦在降低损耗和降低生产成本两个方面。

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在一代代工程师的努力下,IGBT芯片在六代的演变过程中,经历了以下变化:

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而前面我们已经提到,开发者一般在实际设计中都是使用IGBT模块应用到实际产品中,所以我们简略对这个介绍一下。

IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主,中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接,压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展,芯片的最高工作结温与功率密度不断提高, IGBT模块 技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势:无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术;内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件,不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

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国内IGBT与国外的差距

先说一下IGBT的全球发展状态,从市场竞争格局来看,美国功率器件处于世界领先地位,拥有一批具有全球影响力的厂商,例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂,产品线齐全,无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。

日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好,但在功率芯片方面,虽然厂商数量众多,但很多厂商的核心业务并非功率芯片,

从整体市场份额来看,日本厂商落后于美国厂商。近年来,中国台湾的功率芯片市场发展较快,拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。台湾厂商主要偏重于 DC/DC 领域,主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC,脉宽调制集成电路)和功率MOSFET,从事前两种 IC 产品开发的公司居多。

总体来看,台湾功率厂商的发展较快,技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小,产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备

而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依赖进口,基本被国外欧美、日本企业垄断。

2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元,预计到2020年市场规模可以达到80亿美元,年复合增长率约10%。

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2014年国内IGBT销售额是88.7亿元,约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元,年复合增长率约为15%。

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现在,国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V,电流2A-3600A,已形成完善的IGBT产品系列,按照细分的不同,各大公司有以下特点:

(1)英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势;在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面,英飞凌与三菱公司处于国际领先水平;

(2)西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。

国际市场供应链已基本成熟,但随着新能源等市场需求增长,市场链条正逐步演化。

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而在国内,尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距,特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中,IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比,英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是:

(1)国际厂商起步早,研发投入大,形成了较高的专利壁垒。

(2)国外高端制造业水平比国内要高很多,一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。

所以中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面,特别是要在产业链上游层面取得突破,改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

而技术差距从以下两个方面也有体现:

(1)高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上,技术壁垒较强;

(2)IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

国内现在主要从事IGBT的公司有:

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而从地域上看,国内的IGBT从业厂商则如下图所示:

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近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链,IGBT国产化的进程加快,有望摆脱进口依赖。

国内IGBT行业近几年的发展大事记:

(1)2011年12月,北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。

(2)2013年9月,中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300V IGBT芯片;

(3)2014年6月,中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用;

(4)2015年3月,天津中环自主研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用,8英寸FZ单晶材料也已经取得重大突破;

(5)2015年8月,上海先进与比亚迪、 国家电网建立战略产业联盟,正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT供应链;

(6)2015年10月,中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验;

(7)2015年底,中车株洲时代与北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT和电机驱动系统等业务的合作;

(8)2016年5月,华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。

可以看到,受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施,IGBT市场将引来爆发点

我国发展IGBT面对的具体问题

虽然用量和可控要求我们发展IGBT,我们也做了很多努力,但当中还是有些问题需要重点考虑的:

(1)IGBT技术与工艺

我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技术研究一般采取“设计+代工”模式,即由设计公司提出芯片设计方案,由国内的一些集成电路公司代工生产。

由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线,只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工,所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通IC芯片相比,大功率器件有许多特有的技术难题,如芯片的减薄工艺,背面工艺等。解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术,更需要先进的工艺设备,这些都是我国功率半导体产业发展过程中急需解决的问题。

从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型,在改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。尤其是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化,背面的减薄国内的做的都不是很好。

薄片工艺,特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度也是特定的,需要减薄到200-100um,甚至到80um,现在国内可以将晶圆减薄到175um,再低就没有能力了。比如在100~200um的量级,当硅片磨薄到如此地步后,后续的加工处理就比较困难了,特别是对于8寸以上的大硅片,极易破碎,难度更大。

背面工艺,包括了背面离子注入,退火激活,背面金属化等工艺步骤,由于正面金属的熔点的限制,这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C),退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火,此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工,但是他们一旦与客户签订协议,就不再给中国客户代提供加工服务。

在模块封装技术方面,国内基本掌握了传统的焊接式封装技术,其中中低压模块封装厂家较多,高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比,技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术,能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性,并初步实现了商业应用。

高端工艺开发人员非常缺乏,现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程,而要引进一个团队难度太大。国外IGBT制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买IGBT设计和制造技术,还牵涉到好多专利方面的东西。

(2)IGBT工艺生产设备

国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套。其中有的国内没有,或技术水平达不到。如:德国的真空焊接机,能把芯片焊接空洞率控制在低于1%,而国产设备空洞率高达20%到50%。外国设备未必会卖给中国,例如薄片加工设备。

又如:日本产的表面喷砂设备,日本政府不准出口。好的进口设备价格十分昂贵,便宜设备又不适用。例如:自动化测试设备是必不可少的,但价贵。如用手工测试代替,就会增加人为因素,测试数据误差大。IGBT生产过程对环境要求十分苛刻。要求高标准的空气净化系统,世界一流的高纯水处理系统。

要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。投资额往往需高达数十亿元人民币。

而为了推动国内功率半导体的发展,针对我国当前功率半导体产业发展状况以及2016-2020年电力电子产业发展重点,中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》(以下简称《蓝皮书》)。

《蓝皮书》指出,电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装的生产,但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑,其发展既需要上游基础的材料产业的支持,又需要下游装置产业的拉动。大家对中国IGBT的未来发展有什么期望?

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