什么是IGBT

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），是由 BJT(雙極結型晶體三極管) 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（續流二極管芯片）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。

國內IGBT企業崛起

IGBT是事關國家經濟發展的基礎性產品，如此重要的IGBT，長期以來我國卻不得不面對依賴進口的尷尬局面，市場主要被英飛凌、三菱、富士電機為首的國際巨頭壟斷。自2005年開始，大量海外IGBT人才紛紛歸國投入國產IGBT芯片和模塊產業的發展，尤其是以美國國際整流器公司（IR）回國人員最多。 從IR歸國主要從事芯片開發的專家有斯達半導湯藝博士、達新半導體陳智勇博士、陸芯科技張杰博士等，以上幾家公司都已成為以自產IGBT芯片為主的產品公司。另外IR歸國從事模塊開發的專家還有銀茂微電子莊偉東博士。中科院微電子所較早涉足IGBT行業，主要由無錫中科君芯承擔IGBT研發工作，中科君芯的研發團隊先后有微電子所、IR、日本電裝、成電等技術團隊的加入。 斯達半導作為國內IGBT行業的領軍企業，成立于2005年，于2020年2月4日在上交所主板成功上市。公司自主研發設計的IGBT芯片和快恢復二極管芯片是公司的核心競爭力之一。據IHSMarkit報告數據顯示，在2018年度IGBT模塊供應商全球市場份額排名中，斯達半導排名第8位，在中國企業中排名第1位，成為世界排名前十中唯一一家中國企業。其中斯達半導自主研發的第二代芯片（國際第六代芯片FS-Trench）已實現量產，成功打破了國外企業常年對IGBT芯片的壟斷。 成立于2013年的寧波達新，主要從事IGBT、MOSFET、FRD等功率半導體芯片與器件的設計、制造和銷售。公司在8寸及6寸晶圓制造平臺成功開發600V-3300V IGBT芯片產品，芯片電流等級涵蓋10A～200A。采用自主IGBT芯片，達新推出了系列化的滿足工業應用、消費電子、新能源的IGBT模塊，模塊電壓涵蓋600V～1700V，電流等級涵蓋10A ～ 800A。 上海陸芯電子科技聚焦于功率半導體（IGBT、SJMOS & SiC）的設計和應用，包括芯片、單管和模塊。具有以下優勢：通過優化耐壓終端環，實現IGBT高阻斷電壓，有效減少芯片面積，達到工業級和汽車級可靠性標準；通過控制少子壽命，優化飽和壓降和開關速度；實現安全操作區（SOA）和短路電流安全操作區域SCSOA性能最優；改善IGBT有源區元胞設計可靠性，抑制IGBT的閂鎖效應；調節背面減薄、注入、退火、背金等工藝；實現60um~180um晶圓厚度的大規模量產。 南京銀茂微電子（SilverMicro）成立于2007年，專注于工業和其他應用的功率IGBT和MOSFET模塊產品的設計和制造。通過采用現代化的設備來處理和表征高達3.3kV的電源模塊，南京銀茂微已經建立了先進的電源模塊制造能力，還能夠執行電源模塊鑒定測試。產品已廣泛用于工業逆變器，焊接機，UPS，電源和新能源應用。 江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發的中外合資高科技企業，成立于2011年底。君芯科技是國內率先開發出溝槽柵場截止型（Trench FS）技術并真正實現量產的企業。公司推出的IGBT芯片、單管和模塊產品從600V至6500V，覆蓋了目前主要電壓段及電流段，已批量應用于感應加熱、逆變焊機、工業變頻、新能源等領域。君芯科技獨創的DCS技術將應用于最新的汽車級IGBT芯片中。 隨著行業景氣度逐漸好轉和政策的推動，亦有不少新進入者搶奪市場。據集邦咨詢分析，目前市場新入者主要有三類，一是向IGBT等高端產品擴展業務的功率半導體企業，如揚杰科技、華微電子等；二是出于為滿足自身需求及出于供應鏈安全考慮向上游涉足的，如中車時代和比亞迪等；三是看好市場而進場的新公司，如瑞能半導體、廣東芯聚能以及富能半導體等。 在IGBT方面揚杰科技于2018年3月控股了一條位于宜興的6英寸晶圓線，目前該生產線已經量產IGBT芯片，主要應用于電磁爐等小家電領域。另外揚杰科技也在積極推進IGBT新模塊產品的研發進程，50A/75A/100A-1200V半橋規格的IGBT開發成功。此外公司也積極規劃8英寸線建設，儲備8英寸線晶圓和IGBT技術人才。 老牌功率半導體器件廠商吉林華微電子于2019年4月，發布配股說明書，擬募投建設 8 英寸生產線項目。此次募投項目的主要產品技術先進，達到了英飛凌、ABB 等廠家的水平。華微電子于2001年上市，為國內功率半導體器件領域首家上市公司。目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產品，產品種類基本覆蓋功率半導體器件全部范圍。公司的IGBT薄片工藝、Trench工藝、壽命控制和終端設計技術等國內領先，達到國際同行業先進水平。 在IDM模式廠商中，中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績。 株洲中車時代半導體有限公司（簡稱：中車時代半導體）作為中車時代電氣股份有限公司下屬全資子公司，全面負責公司半導體產業經營。從1964年開始投入功率半導體技術的研發與產業化，2008年戰略并購英國丹尼克斯公司，目前已成為國際少數同時掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術的IDM（集成設計制造）模式企業代表，擁有芯片—模塊—裝置—系統完整產業鏈。 中車時代半導體擁有國內首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線，全系列高可靠性IGBT產品已全面解決軌道交通核心器件受制于人的局面，基本解決了特高壓輸電工程關鍵器件國產化的問題，并正在解決我國新能源汽車核心器件自主化的問題。 比亞迪是在2005年進入IGBT產業，于2009年推出首款車規級IGBT 1.0技術，打破了國際廠商壟斷，實現了我國在車用IGBT芯片技術上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0產品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環壽命等許多關鍵指標上超越了英飛凌等主流企業的產品，且產能已達5萬片，并實現了對外供應。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的車企，包括IGBT芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測試以及整車測試。好消息是，據長沙晚報近日報道，長沙比亞迪IGBT項目日前已正式啟動建設，計劃建設集成電路制造生產線。 在IGBT新進玩家中，振華科技參股20%的成都森未科技有限公司是一家由清華大學和中國科學院博士團隊創立的高科技企業，公司成立于2017年，主要從事IGBT等功率半導體芯片及產品的設計、開發、銷售。森未科技IGBT芯片產品性能已可以對標英飛凌產品。公司主營產品電壓等級為600V-1700V，單顆芯片電流規格5A-200A，覆蓋工業控制、變頻家電、電動汽車、風電伺服驅動、光伏逆變器等領域。 據了解，出身于恩智浦功率產品線的瑞能半導體，也有意進入IGBT的賽道。其實瑞能也非常有做IGBT的優勢，首先，瑞能是所有重要白電制造商的供應商，對市場應用及客戶需求有深刻的理解，產品未來會在性價比上有優勢；再者，瑞能也是國內唯一家分銷網絡遍布全球的中國功率半導體公司；最后，瑞能有著50多年的功率器件技術積累，IGBT最講究可靠性，依托瑞能南昌國家級可靠性及失效分析實驗室，未來會形成在質量可靠性的競爭優勢。 成立于2018年11月的廣東芯聚能半導體，也看重了IGBT這個市場。芯聚能半導體于2019年9月20日在廣州南沙舉行了奠基儀式，項目總投資達25億元。據了解，其項目第一階段將建設用于新能源汽車的IGBT和SiC功率器件與模塊生產基地，同時實現工業級功率器件規模化生產。第二階段將面向新能源汽車和自動駕駛的汽車功率模塊、半導體器件和系統產品，延伸并形成從芯片到封裝、模塊的產業鏈聚集。 除了上述提到的企業，國內的IGBT在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等整個產業鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產業鏈正逐步具備國產替代能力。

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，雖然廠商數量眾多，但很多廠商的核心業務并非功率芯片，

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，主要產品包括線性穩壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脈寬調制集成電路)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，產品主要應用于計算機主板、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，年復合增長率約10%。

2014年國內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市場規模將超200億元，年復合增長率約為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領域占絕對優勢；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，盡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占有絕對的市場優勢。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）國外高端制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于劣勢的局面，特別是要在產業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采用的IGBT模塊規格在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產業核心技術仍掌握在發達國家企業手中。

我國發展IGBT面對的具體問題

（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，由國內的一些集成電路公司代工生產。

目前國內IGBT主要受制于晶圓生產的瓶頸，首先是沒有專業的代工廠進行IGBT的代工，原8寸溝槽IGBT產品主要在華虹代工，但是IGBT并非華虹主營業務，產品配額極其匱乏，且價格偏高。但是隨著中芯國際紹興工廠和青島芯恩半導體的晶圓廠的落成，相信這個局面會有很大改觀。 其次，與國外廠商相比，國內公司在大尺寸晶圓生產商工藝仍落后于全球龍頭，晶圓越大，單片晶圓產出的芯片就越多，在制造加工流程相同的條件下，單位芯片的制造成本會更低。目前，IGBT 產品最具競爭力的生產線是8英寸和12英寸，最為領先的廠商是英飛凌，國內晶圓生產企業此前絕大部分還停留在6英寸產品的階段。目前國內實現8英寸產品量產的有比亞迪、株洲中車時代、上海先進、華虹宏力、士蘭微，并且士蘭微12寸晶圓產線預計2020年底量產。

由于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芯片加工，所以設計生產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業發展過程中急需解決的問題。

從80年代初到現在IGBT芯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，芯片厚度也是特定的，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，當硅片磨薄到如此地步后，后續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。國外公司基于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，并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工藝生產設備

國內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。要求高標準的空氣凈化系統，世界一流的高純水處理系統。

要成功設計、制造IGBT必須有集產品設計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等成套技術的研究、開發及產品制造于一體的自動化、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。

小結： 由于 IGBT 行業存在技術門檻較高、人才匱乏、市場開拓難度大、資金投入較大等困難，國內企業在產業化的進程中一直進展緩慢，隨著全球制造業向中國的轉移，我國功率半導體市場占世界市場的 50%以上，是全球最大的 IGBT 市場，但 IGBT 產品嚴重依賴進口，在中高端領域更是 90%以上的 IGBT 器件依賴進口，IGBT 國產化需求已是刻不容緩。