2017-02-20摘自 半導體行業(yè)觀察

      近年媒體的大陸報道，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(絕緣柵型場效應管) 組成的復合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導體器件,其具有自關斷的特征。

      簡單講，是一個非通即斷的開關，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，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?，是電力電子裝置的“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鍵支撐技術。

IGBT各代之間的技術差異

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?。浑娏骺刂?，控制電路復雜且功耗大；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技術集成起來的研究，導致了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)者一般在實際設計中都是使用IGBT模塊應用到實際產(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，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

技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術發(fā)展趨勢：無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術；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，中國臺灣的功率芯片市場發(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。臺灣廠商主要偏重于 DC/DC 領域，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，臺灣功率廠商的發(fā)展較快，技術方面和國際領先廠商的差距進一步縮小，產(chǎn)品主要應用于計算機主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設備

      而中國大陸功率半導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，預計到2020年市場規(guī)?？梢赃_到80億美元，年復合增長率約10%。

        2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復合增長率約為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領域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術領域幾乎處于壟斷地位。 在大功率溝槽技術方面，英飛凌與三菱公司處于國際領先水平；

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

     國際市場供應鏈已基本成熟，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體市場，但是目前國內(nèi)功率半導體產(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。核心技術均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中，IGBT技術集成度高的特點又導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優(yōu)勢。

      所以中國功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術處于劣勢的局面，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域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。

而技術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域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術壁壘較強；

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

      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。

      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技術與工藝

      我國的功率半導體技術包括芯片設計、制造和模塊封裝技術目前都還處于起步階段。功率半導體芯片技術研究一般采取“設計+代工”模式，即由設計公司提出芯片設計方案，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，更需要先進的工藝設備，這些都是我國功率半導體產(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的開關性能和通態(tài)壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設計在工藝上實現(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。

      在模塊封裝技術方面，國內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術，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，技術上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術相繼研發(fā)出多種先進封裝技術，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)應用。

      高端工藝開發(fā)人員非常缺乏，現(xiàn)有研發(fā)人員的設計水平有待提高。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制造中許多技術是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設計和制造技術，還牽涉到好多專利方面的東西。

（2）IGBT工藝生產(chǎn)設備

      國內(nèi)IGBT工藝設備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設備配套。其中有的國內(nèi)沒有，或技術水平達不到。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)設備空洞率高達20%到50%。外國設備未必會賣給中國，例如薄片加工設備。

      又如：日本產(chǎn)的表面噴砂設備，日本政府不準出口。好的進口設備價格十分昂貴，便宜設備又不適用。例如：自動化測試設備是必不可少的，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)。

      要成功設計、制造IGBT必須有集產(chǎn)品設計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應用等成套技術的研究、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)功率半導體的發(fā)展，針對我國當前功率半導體產(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體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國IGBT技術創(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)，但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動。大家對中國IGBT的未來發(fā)展有什么期望？

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