關(guān)于國(guó)產(chǎn)高壓IGBT的作用分析

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。作為目前功率電子器件技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，IGBT已全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè)，是電力電子行業(yè)的“CPU”。 目前，國(guó)外IGBT技術(shù)與產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，中國(guó)仍不具備大批量自主生產(chǎn)IGBT的能力。在實(shí)施《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略的過程中，明確表示國(guó)產(chǎn)IGBT將擔(dān)當(dāng)重任。國(guó)產(chǎn)IGBT廠商如何發(fā)力突破瓶頸？正在崛起的新能源市場(chǎng)是不是新的契機(jī)？《華強(qiáng)電子》邀請(qǐng)華虹宏力集成一部研發(fā)總監(jiān)楊繼業(yè)一起探討中國(guó)IGBT發(fā)展之道。

華虹宏力集成一部研發(fā)總監(jiān)楊繼業(yè)

?????國(guó)產(chǎn)IGBT萌芽 新能源汽車是“優(yōu)渥土壤”

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)IGBT市場(chǎng)已經(jīng)被歐美、日本國(guó)際巨頭占據(jù)，而新能源汽車的出現(xiàn)，對(duì)國(guó)產(chǎn)IGBT的崛起具有特殊的意義。

有數(shù)據(jù)顯示，2016年全球電動(dòng)車銷量達(dá)到200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約消耗450美元，是電動(dòng)車?yán)锍姵赝庾畎嘿F的部件。其中，混合動(dòng)力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT，純電動(dòng)車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，而大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

楊繼業(yè)認(rèn)為，新能源汽車既是節(jié)能環(huán)保的迫切需求，也是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一個(gè)突破口。IGBT作為新能源汽車動(dòng)力、電源系統(tǒng)中的核心器件，將隨之迎來絕佳的發(fā)展機(jī)遇。第三方調(diào)研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，純電動(dòng)汽車(EV)半導(dǎo)體元器件用量達(dá)到673美元，相較傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體用量的297美元增加了127%，其中大部分新增用量是功率器件。

據(jù)楊繼業(yè)介紹，在發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，至2020年，我國(guó)純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車年生產(chǎn)能力將達(dá)200萬輛，等效為8英寸IGBT晶圓年需求100萬片。受惠于新能源汽車及其配套設(shè)施發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)IGBT銷售額將達(dá)近200億元?？梢?，新能源汽車帶給國(guó)產(chǎn)IGBT的發(fā)展機(jī)遇不言而喻。不過，目前國(guó)產(chǎn)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的搭建還不夠完善，與國(guó)際巨頭的技術(shù)差距仍較大。

楊繼業(yè)告訴記者，我國(guó)功率半導(dǎo)體與國(guó)外IDM廠商相比在設(shè)備投入上還有待加強(qiáng)，在器件設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)方面仍有差距，供應(yīng)鏈也不夠完善。究其原因，一是作為后進(jìn)者，國(guó)內(nèi)IGBT缺乏時(shí)間考驗(yàn)來建立品牌效應(yīng)；二是IGBT國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程開始得相對(duì)較晚，而且當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)應(yīng)用前景還不太明朗，終端應(yīng)用方案商對(duì)于推動(dòng)IGBT技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的意愿并不強(qiáng)，一直以來就只有少數(shù)幾家國(guó)外老牌的專業(yè)IGBT廠商占據(jù)著這一市場(chǎng)。從制造水平來看，華虹宏力場(chǎng)截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）技術(shù)參數(shù)可比肩國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)，但想要全面提升國(guó)產(chǎn)IGBT實(shí)力，還需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的全面參與和共同努力。

中高壓IGBT小有突破 國(guó)產(chǎn)化替代初步開啟

業(yè)界人士均曉，IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，按照電壓規(guī)格大致分為三個(gè)級(jí)別，一是600V以下，如數(shù)碼相機(jī)、汽車點(diǎn)火器等；二是600V到1700V，如白色家電、新能源汽車、太陽能逆變器等；三是1700V-6500V或以上，用于智能電網(wǎng)、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電等。目前，我國(guó)在不同的級(jí)別均有一些突破，國(guó)產(chǎn)化替代逐步開啟。

目前國(guó)內(nèi)有中車時(shí)代電氣、比亞迪、華虹宏力、士蘭微等廠商在開發(fā)IGBT技術(shù)，電壓涵蓋了600V-6500V。其中，華虹宏力 600V-1200V Trench FS IGBT技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)定量產(chǎn)且性能達(dá)到國(guó)際主流水平，1700V以上產(chǎn)品也已經(jīng)陸續(xù)通過了技術(shù)評(píng)價(jià)工作，進(jìn)入小批量試用階段。針對(duì)600V到1700V的消費(fèi)類市場(chǎng)和初步工業(yè)類市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)IGBT已通過大量IGBT器件的穩(wěn)定應(yīng)用逐步建立了品牌效應(yīng)，有能力實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，如格力、美的、九陽等主流家電產(chǎn)品中都有華虹宏力的IGBT模塊。而針對(duì)汽車級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)取得了一定成績(jī)，華虹宏力也正全力研發(fā)新能源車用IGBT技術(shù)。

楊繼業(yè)認(rèn)為，車用半導(dǎo)體對(duì)可靠性都有著極高的要求，期望壽命在20年以上。應(yīng)用于汽車的IGBT要滿足上萬次甚至百萬次的功率循環(huán)要求，還需在不同的環(huán)境和氣候下正常工作。若要保證車用IGBT模塊的性能和可靠性需求，還要配合先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)。具體而言主要有以下幾點(diǎn)要求：（1）開關(guān)損耗需降低，使馬達(dá)變得更小型、更輕巧，同時(shí)還需要在15-20KHz的頻率范圍（傳統(tǒng)為5-10KHz）工作。（2）減小寄生電感、電阻和熱阻，傳統(tǒng)打線可改善為燒結(jié)組合；（3）汽車作業(yè)溫度最低可達(dá)-40度，因此IGBT和二極管的BV需耐至更低溫度；（4）降低成本，重量及尺寸大小。

除了要解決車用IGBT高可靠性問題之外，減薄工藝、背面工藝是大功率器件特有的技術(shù)難題，這同樣是國(guó)內(nèi)IGBT制造廠商的發(fā)展瓶頸。楊繼業(yè)認(rèn)為，由于薄片（60-120um）與普通產(chǎn)品（720um）相比的硅片形變（翹曲）非常嚴(yán)重，一開始只有極少數(shù)國(guó)外的設(shè)備廠商才能提供能夠?qū)崿F(xiàn)薄片加工的專用設(shè)備。面對(duì)此現(xiàn)實(shí)情況，華虹宏力開始梳理、研究薄片背面加工的突破口，利用現(xiàn)有正面加工設(shè)備的框架，自行設(shè)計(jì)一系列軟硬件改造，最終實(shí)現(xiàn)了利用在原有正面厚片離子注入設(shè)備上進(jìn)行背面薄片離子注入的功能。

據(jù)記者了解，在02專項(xiàng)的支持下，華虹宏力陸續(xù)引入了Taiko減薄，實(shí)現(xiàn)了Wafer減薄能力從120um到60um的飛躍，成功配置了一整套IGBT超薄片背面工藝/測(cè)試生產(chǎn)線。目前，華虹宏力擁有國(guó)內(nèi)最全最先進(jìn)的全套IGBT背面制程加工能力。其代工生產(chǎn)的600-1200V FS IGBT，無論是導(dǎo)通壓降、關(guān)斷損耗還是工作安全區(qū)、可靠性等均達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，打破了國(guó)外大廠的壟斷。

總而言之，在IGBT關(guān)鍵技術(shù)和工藝上國(guó)內(nèi)廠商仍面臨不小的挑戰(zhàn)，特別是在減薄工藝、背面工藝等大功率器件技術(shù)難題上，仍要經(jīng)受巨大的設(shè)備投入和技術(shù)成熟度考驗(yàn)。不過，在政策利好和新能源汽車市場(chǎng)的促進(jìn)下，國(guó)產(chǎn)IGBT的春天已經(jīng)到來了，在消費(fèi)類市場(chǎng)和初步工業(yè)類市場(chǎng)逐步形成了對(duì)國(guó)際巨頭的替代，在新能源汽車市場(chǎng)也已開始布局，這是一個(gè)向好的趨勢(shì)。

楊繼業(yè)認(rèn)為，在政策上，國(guó)家意志正推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起。作為軌道交通、綠色能源中關(guān)鍵的功率半導(dǎo)體器件，IGBT得益于政策支持將獲得快速發(fā)展。目前，國(guó)產(chǎn)IGBT技術(shù)已經(jīng)完成了一定的技術(shù)積累及市場(chǎng)耕耘工作，首先會(huì)在民用消費(fèi)類及初步工業(yè)類市場(chǎng)有突破性的發(fā)展，然后進(jìn)入到新能源汽車領(lǐng)域，畢竟，中國(guó)是最大的新能源汽車市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

正如楊繼業(yè)所言，國(guó)內(nèi)IGBT廠商優(yōu)勢(shì)獨(dú)具。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，到2020年，我國(guó)純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力要達(dá)到200萬輛，累計(jì)銷量超過500萬輛。《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展規(guī)劃》提出，到2020年我國(guó)充電樁要達(dá)到450萬個(gè)，充電站達(dá)到1.2萬座。IGBT模塊作為HEV/EV、充電樁的核心部件，存在巨大的市場(chǎng)空間。