中國IGBT和國外的差距到底有多大?

近年媒體的報導，讓我們知道中國集成電路離世界先進水平還很遠。但在這裡我先說一個很少被報導的產業，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展，且必須重視的產業，因為在高鐵和現在大力發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裡，那就會對發展造成影響。

我們先從什麼是IGBT說起。

所謂IGBT(絕緣柵雙極型電晶體），是由 BJT(雙極結型晶體三極體) 和 MOS(絕緣柵型場效應管) 組成的複合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件,其具有自關斷的特徵。

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的兩種器件的優點，如驅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（續流二極體晶片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點。

為什麼要重視IGBT？

IGBT是能源轉換與傳輸的核心器件，是電力電子裝置的「CPU」 。採用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節能和綠色環保的特點，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術。

IGBT的應用領域

按電壓分布的應用領域

IGBT各代之間的技術差異

要了解這個，我們先看一下IGBT的發展歷程。

工程師在實際應用中發現，需要一種新功率器件能同時滿足：驅動電路簡單,以降低成本與開關功耗；通態壓降較低，以減小器件自身的功耗。

回顧他們在1950-60年代發明的雙極型器件SCR,GTR和GTO通態電阻很小；電流控制，控制電路複雜且功耗大；1970年代推出的單極型器件VD-MOSFET通態電阻很大；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的發明。 1985年前後美國GE成功試製工業樣品（可惜後來放棄）。自此以後， IGBT主要經歷了6代技術及工藝改進。

而經過這麼多年的發展，我們清楚明白到，從結構上看，IGBT主要有三個發展方向，分別是IGBT縱向結構、IGBT柵極結構和IGBT矽片加工工藝。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成本兩個方面。

在一代代工程師的努力下，IGBT晶片在六代的演變過程中，經歷了以下變化：

而前面我們已經提到，開發者一般在實際設計中都是使用IGBT模塊應用到實際產品中，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模塊則出現了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT晶片技術的不斷發展，晶片的最高工作結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 晶片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術發展趨勢：無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術；內部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

國內IGBT與國外的差距

先說一下IGBT的全球發展狀態，從市場競爭格局來看，美國功率器件處於世界領先地位，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，但在功率晶片方面，雖然廠商數量眾多，但很多廠商的核心業務並非功率晶片，

從整體市場份額來看，日本廠商落後於美國廠商。近年來，中國臺灣的功率晶片市場發展較快，擁有立錡、富鼎先進、茂達、安茂、致新和沛亨等一批廠商。臺灣廠商主要偏重於 DC/DC 領域，主要產品包括線性穩壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脈寬調製集成電路)和功率MOSFET，從事前兩種 IC 產品開發的公司居多。

總體來看，臺灣功率廠商的發展較快，技術方面和國際領先廠商的差距進一步縮小，產品主要應用於計算機主板、顯卡、數碼產品和 LCD 等設備

而中國大陸功率半導體市場佔世界市場的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、日本企業壟斷。

2015年國際IGBT市場規模約為48億美元，預計到2020年市場規模可以達到80億美元，年複合增長率約10%。

2014年國內IGBT銷售額是88.7億元，約佔全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規模將超200億元，年複合增長率約為15%。

現在，國外企業如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發的IGBT器件產品規格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產品系列，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IGBT領域佔絕對優勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術領域幾乎處於壟斷地位。 在大功率溝槽技術方面，英飛凌與三菱公司處於國際領先水平；

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

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，儘管我國擁有最大的功率半導體市場，但是目前國內功率半導體產品的研發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達國家企業手中，IGBT技術集成度高的特點又導致了較高的市場集中度。 跟國內廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商佔有絕對的市場優勢。形成這種局面的原因主要是：

（1）國際廠商起步早，研發投入大，形成了較高的專利壁壘。

（2）國外高端製造業水平比國內要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術優勢。

所以中國功率半導體產業的發展必須改變目前技術處於劣勢的局面，特別是要在產業鏈上遊層面取得突破，改變目前功率器件領域封裝強於晶片的現狀。

而技術差距從以下兩個方面也有體現：

（1）高鐵、智能電網、新能源與高壓變頻器等領域所採用的IGBT模塊規格在6500V以上，技術壁壘較強；

（2）IGBT晶片設計製造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產業核心技術仍掌握在發達國家企業手中。

國內現在主要從事IGBT的公司有：

而從地域上看，國內的IGBT從業廠商則如下圖所示：

近幾年中國IGBT產業在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產業鏈，IGBT國產化的進程加快，有望擺脫進口依賴。

國內IGBT行業近幾年的發展大事記：

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

（2）2013年9月，中車西安永電成功封裝國內首件自主設計生產的50A/3300V IGBT晶片；

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

（4）2015年3月，天津中環自主研製的6英寸FZ單晶材料已批量應用，8英寸FZ單晶材料也已經取得重大突破；

（5）2015年8月，上海先進與比亞迪、 國家電網建立戰略產業聯盟，正式進入比亞迪新能源汽車用IGBT供應鏈；

（6）2015年10月，中車永電/上海先進聯合開發的國內首個具有完全智慧財產權的6500V高鐵機車用IGBT晶片通過高鐵系統上車試驗；

（7）2015年底，中車株洲時代與北汽新能源籤署協議，全面啟動汽車級IGBT和電機驅動系統等業務的合作；

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

可以看到，受益於新能源汽車、軌道交通、智能電網等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發點

我國發展IGBT面對的具體問題

雖然用量和可控要求我們發展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晶片設計、製造和模塊封裝技術目前都還處於起步階段。功率半導體晶片技術研究一般採取「設計+代工」模式，即由設計公司提出晶片設計方案，由國內的一些集成電路公司代工生產。

由於這些集成電路公司大多沒有獨立的功率器件生產線，只能利用現有的集成電路生產工藝完成晶片加工，所以設計生產的基本是一些低壓晶片。與普通IC晶片相比，大功率器件有許多特有的技術難題，如晶片的減薄工藝，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業發展過程中急需解決的問題。

從80年代初到現在IGBT晶片體內結構設計有非穿通型(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，背面的減薄國內的做的都不是很好。

薄片工藝，特定耐壓指標的IGBT器件，晶片厚度也是特定的，需要減薄到200-100um，甚至到80um，現在國內可以將晶圓減薄到175um，再低就沒有能力了。比如在100~200um的量級，當矽片磨薄到如此地步後，後續的加工處理就比較困難了，特別是對於8寸以上的大矽片，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，由於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，此工藝並不像想像的那麼簡單。國外某些公司可代加工，但是他們一旦與客戶籤訂協議，就不再給中國客戶代提供加工服務。

在模塊封裝技術方面，國內基本掌握了傳統的焊接式封裝技術，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。國外公司基於傳統封裝技術相繼研發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，並初步實現了商業應用。

高端工藝開發人員非常缺乏，現有研發人員的設計水平有待提高。目前國內沒有系統掌握IGBT製造工藝的人才。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製造的全流程，而要引進一個團隊難度太大。國外IGBT製造中許多技術是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設計和製造技術，還牽涉到好多專利方面的東西。

（2）IGBT工藝生產設備

國內IGBT工藝設備購買、配套十分困難。每道製作工藝都有專用設備配套。其中有的國內沒有，或技術水平達不到。如：德國的真空焊接機，能把晶片焊接空洞率控制在低於1%，而國產設備空洞率高達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，測試數據誤差大。IGBT生產過程對環境要求十分苛刻。要求高標準的空氣淨化系統，世界一流的高純水處理系統。

要成功設計、製造IGBT必須有集產品設計、晶片製造、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等成套技術的研究、開發及產品製造於一體的自動化、專業化和規模化程度領先的大功率IGBT產業化基地。投資額往往需高達數十億元人民幣。

而為了推動國內功率半導體的發展，針對我國當前功率半導體產業發展狀況以及2016-2020年電力電子產業發展重點，中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟、中國IGBT技術創新與產業聯盟、中國電器工業協會電力電子分會、北京電力電子學會共同發布《電力電子器件產業發展藍皮書》（以下簡稱《藍皮書》）。

《藍皮書》指出，電力電子器件產業的核心是電力電子晶片和封裝的生產，但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、製造設備、檢測設備等產業的支撐，其發展既需要上遊基礎的材料產業的支持，又需要下遊裝置產業的拉動。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴