中國IGBT和國外的差距到底有多大？

近年媒體的報道，讓我們知道中國集成電路離世界先進水平還很遠。但在這里我先說一個很少被報道的產(chǎn)業(yè)，中國也幾乎都依賴進口，那就是IGBT等功率元器件。我認為這是真的重點發(fā)展，且必須重視的產(chǎn)業(yè)，因為在高鐵和現(xiàn)在大力發(fā)展的新能源汽車領(lǐng)域，IGBT是必不可少的，如果都掌握在別人手里，那就會對發(fā)展造成影響。

我們先從什么是IGBT說起。

所謂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,其具有自關(guān)斷的特征。

簡單講，是一個非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點，如驅(qū)動功率小和飽和壓降低等。

而平時我們在實際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。

為什么要重視IGBT？

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，?a href="wenjunhu.com/article/special/" target="_blank">電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進行功率變換，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，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

按電壓分布的應(yīng)用領(lǐng)域

IGBT各代之間的技術(shù)差異

要了解這個，我們先看一下IGBT的發(fā)展歷程。

工程師在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，需要一種新功率器件能同時滿足：驅(qū)動電路簡單,以降低成本與開關(guān)功耗；通態(tài)壓降較低，以減小器件自身的功耗。

回顧他們在1950-60年代發(fā)明的雙極型器件SCR,GTR和GTO通態(tài)電阻很?。?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大；1970年代推出的單極型器件VD-MOSFET通態(tài)電阻很大；電壓控制，控制電路簡單且功耗小；因此到了1980年代，他們試圖把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來放棄）。自此以后， IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進。

而經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我們清楚明白到，從結(jié)構(gòu)上看，IGBT主要有三個發(fā)展方向，分別是IGBT縱向結(jié)構(gòu)、IGBT柵極結(jié)構(gòu)和IGBT硅片加工工藝。而在這三個方面的改良過程中，廠商聚焦在降低損耗和降低生產(chǎn)成本兩個方面。

在一代代工程師的努力下，IGBT芯片在六代的演變過程中，經(jīng)歷了以下變化：

而前面我們已經(jīng)提到，開發(fā)者一般在實際設(shè)計中都是使用IGBT模塊應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，所以我們簡略對這個介紹一下。

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢：無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

國內(nèi)IGBT與國外的差距

先說一下IGBT的全球發(fā)展狀態(tài)，從市場競爭格局來看，美國功率器件處于世界領(lǐng)先地位，擁有一批具有全球影響力的廠商，例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等廠商。歐洲擁有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半導(dǎo)體大廠，產(chǎn)品線齊全，無論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領(lǐng)先實力。

日本功率器件廠商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本廠商在分立功率器件方面做的較好，但在功率芯片方面，雖然廠商數(shù)量眾多，但很多廠商的核心業(yè)務(wù)并非功率芯片，

從整體市場份額來看，日本廠商落后于美國廠商。近年來，中國***的功率芯片市場發(fā)展較快，擁有立锜、富鼎先進、茂達、安茂、致新和沛亨等一批廠商。***廠商主要偏重于 DC/DC 領(lǐng)域，主要產(chǎn)品包括線性穩(wěn)壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脈寬調(diào)制集成電路)和功率MOSFET，從事前兩種 IC 產(chǎn)品開發(fā)的公司居多。

總體來看，***功率廠商的發(fā)展較快，技術(shù)方面和國際領(lǐng)先廠商的差距進一步縮小，產(chǎn)品主要應(yīng)用于計算機主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設(shè)備

而中國大陸功率半導(dǎo)體市場占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90％主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。

2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元，預(yù)計到2020年市場規(guī)模可以達到80億美元，年復(fù)合增長率約10%。

2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預(yù)計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長率約為15%。

現(xiàn)在，國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列，按照細分的不同，各大公司有以下特點：

（1）英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。在大功率溝槽技術(shù)方面，英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平；

（2）西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。

國際市場供應(yīng)鏈已基本成熟，但隨著新能源等市場需求增長，市場鏈條正逐步演化。

而在國內(nèi)，盡管我國擁有最大的功率半導(dǎo)體市場，但是目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距，特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術(shù)均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點又導(dǎo)致了較高的市場集中度。 跟國內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是：

（1）國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。

（2）國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術(shù)優(yōu)勢。

所以中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。

而技術(shù)差距從以下兩個方面也有體現(xiàn)：

（1）高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強；

（2）IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。

國內(nèi)現(xiàn)在主要從事IGBT的公司有：

而從地域上看，國內(nèi)的IGBT從業(yè)廠商則如下圖所示：

近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進程加快，有望擺脫進口依賴。

國內(nèi)IGBT行業(yè)近幾年的發(fā)展大事記：

（1）2011年12月，北車西安永電成為國內(nèi)第一個、世界第四個能夠封裝6500V以上IGBT產(chǎn)品的企業(yè)。

（2）2013年9月，中車西安永電成功封裝國內(nèi)首件自主設(shè)計生產(chǎn)的50A/3300V IGBT芯片；

（3）2014年6月，中車株洲時代推出全球第二條、國內(nèi)首條8英寸IGBT芯片專業(yè)生產(chǎn)線投入使用；

（4）2015年3月，天津中環(huán)自主研制的6英寸FZ單晶材料已批量應(yīng)用，8英寸FZ單晶材料也已經(jīng)取得重大突破；

（5）2015年8月，上海先進與比亞迪、 國家電網(wǎng)建立戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，正式進入比亞迪新能源汽車用IGBT供應(yīng)鏈；

（6）2015年10月，中車永電/上海先進聯(lián)合開發(fā)的國內(nèi)首個具有完全知識產(chǎn)權(quán)的6500V高鐵機車用IGBT芯片通過高鐵系統(tǒng)上車試驗；

（7）2015年底，中車株洲時代與北汽新能源簽署協(xié)議，全面啟動汽車級IGBT和電機驅(qū)動系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的合作；

（8）2016年5月，華潤上華/華虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已進入量產(chǎn)。

可以看到，受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點

我國發(fā)展IGBT面對的具體問題

雖然用量和可控要求我們發(fā)展IGBT，我們也做了很多努力，但當中還是有些問題需要重點考慮的：

（1）IGBT技術(shù)與工藝

我國的功率半導(dǎo)體技術(shù)包括芯片設(shè)計、制造和模塊封裝技術(shù)目前都還處于起步階段。功率半導(dǎo)體芯片技術(shù)研究一般采取“設(shè)計+代工”模式，即由設(shè)計公司提出芯片設(shè)計方案，由國內(nèi)的一些集成電路公司代工生產(chǎn)。

由于這些集成電路公司大多沒有獨立的功率器件生產(chǎn)線，只能利用現(xiàn)有的集成電路生產(chǎn)工藝完成芯片加工，所以設(shè)計生產(chǎn)的基本是一些低壓芯片。與普通IC芯片相比，大功率器件有許多特有的技術(shù)難題，如芯片的減薄工藝，背面工藝等。解決這些難題不僅需要成熟的工藝技術(shù)，更需要先進的工藝設(shè)備，這些都是我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決的問題。

從80年代初到現(xiàn)在IGBT芯片體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等類型，在改善IGBT的開關(guān)性能和通態(tài)壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設(shè)計在工藝上實現(xiàn)卻有相當大的難度。尤其是薄片工藝和背面工藝。工藝上正面的絕緣鈍化，背面的減薄國內(nèi)的做的都不是很好。

薄片工藝，特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度也是特定的，需要減薄到200-100um，甚至到80um，現(xiàn)在國內(nèi)可以將晶圓減薄到175um，再低就沒有能力了。比如在100~200um的量級，當硅片磨薄到如此地步后，后續(xù)的加工處理就比較困難了，特別是對于8寸以上的大硅片，極易破碎，難度更大。

背面工藝，包括了背面離子注入，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，這些背面工藝必須在低溫下進行(不超過450°C)，退火激活這一步難度極大。背面注入以及退火，此工藝并不像想象的那么簡單。國外某些公司可代加工，但是他們一旦與客戶簽訂協(xié)議，就不再給中國客戶代提供加工服務(wù)。

在模塊封裝技術(shù)方面，國內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù)，其中中低壓模塊封裝廠家較多，高壓模塊封裝主要集中在南車與北車兩家公司。與國外公司相比，技術(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進封裝技術(shù)，能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性，并初步實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

高端工藝開發(fā)人員非常缺乏，現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計水平有待提高。目前國內(nèi)沒有系統(tǒng)掌握IGBT制造工藝的人才。從國外先進功率器件公司引進是捷徑。但單單引進一個人很難掌握IGBT制造的全流程，而要引進一個團隊難度太大。國外IGBT制造中許多技術(shù)是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設(shè)計和制造技術(shù)，還牽涉到好多專利方面的東西。

（2）IGBT工藝生產(chǎn)設(shè)備

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。其中有的國內(nèi)沒有，或技術(shù)水平達不到。如：德國的真空焊接機，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而國產(chǎn)設(shè)備空洞率高達20%到50%。外國設(shè)備未必會賣給中國，例如薄片加工設(shè)備。

又如：日本產(chǎn)的表面噴砂設(shè)備，日本政府不準出口。好的進口設(shè)備價格十分昂貴，便宜設(shè)備又不適用。例如：自動化測試設(shè)備是必不可少的，但價貴。如用手工測試代替，就會增加人為因素，測試數(shù)據(jù)誤差大。IGBT生產(chǎn)過程對環(huán)境要求十分苛刻。要求高標準的空氣凈化系統(tǒng)，世界一流的高純水處理系統(tǒng)。

要成功設(shè)計、制造IGBT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)的研究、開發(fā)及產(chǎn)品制造于一體的自動化、專業(yè)化和規(guī)?；潭阮I(lǐng)先的大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。投資額往往需高達數(shù)十億元人民幣。

而為了推動國內(nèi)功率半導(dǎo)體的發(fā)展，針對我國當前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況以及2016-2020年電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會、北京電力電子學(xué)會共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書》（以下簡稱《藍皮書》）。

《藍皮書》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎(chǔ)的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動。