摘要：功率半導體是半導體行業的細分行業，雖不像集成電路一樣被大眾熟知，但其重要性不可忽視。中國高鐵，智能電網，電動汽車，光伏逆變器，電源，電子產品等產品中，功率半導隨處可見其身影。沒有功率半導體就像人類不能吃飯一樣，任何電動化的設備將不能工作。功率半導的作用通俗來說是提供設備所需電能和保證電能的良好狀態。其中IGBT是功率半導體較為重要的一種，稱之為電力行業中的“CPU”。

　　IGBT已發展到第6代

　　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,其具有開關特性，是電力電子器件重要的控制元件。IGBT不僅有MOSFET的高輸入阻抗特性而且同時具備了GTR的低導通壓降的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩者的優點。

　　圖1 IGBT內線結構及簡化的等效電路圖

　　圖2 IGB功率模塊組成

　　IGBT第一代產品是平面柵穿通(PT)型IGBT，這一階段的IGBT產品電壓還較低，基區厚度通常較高，從幾十到一百多微米不等。所以IGBT芯片開關速度普遍不高，且不宜并聯使用，短路能力也較差。

表1 IGBT各代性能參數對比

　　到第四代NPT型器件，基區和漂移區有了較大改進，擊穿電壓有了較大的提升。FS型增加了電場終止層，芯片可以做到更薄，硅片厚度較NPT減薄了約1/3，并且進一步降低了關斷時間與功率損耗。第五代是是第四代產品“透明集電區技術”與“電場中止技術”的組合。第六代產品是在第五代基礎上改進了溝槽柵結構，電壓耐受度進一步提高，芯片面積、功耗都有所減少。

　　IGBT應用領域廣,汽車和工業是主要市場

　　IGBT與一般的半導體產品如集成電路一樣，產業鏈基本由設計、制造、封測等環節。但重點有所不同，IGBT設計方面較難，不需要低納米級的工藝制程。IGBT屬于功率半導體，其散熱設計較集成路有更高的要求。

　　圖3 IGBT產業鏈簡化圖

　　IGBT單管包括單片IGBT，以及和續流二極管集成封裝的產品，廣泛應用于通用逆變器、太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)、感應加熱設備、大型家電、焊接以及開關電源(SMPS)等領域。功率模塊是比分立式IGBT規模稍大的產品類型，用于構造電力電子設備的基本單元。廣泛應用于新能源汽車，工業自動化，光伏，風力發電，智能電網等領域。

　　IGBT是功率半導體一種，在功率半導體市場占比近20%，從應用市場劃分來看，汽車和工業是IGBT最主要的兩個市場，占比分別達到27%和28%，兩個領域市場份額。

　　國內IGBT產業鏈已有基礎

　　目前中國IGBT行業已經能夠具備一定的產業鏈協同能力。如設計方面有中科君芯、西安芯派等，制造方面，中芯國際、華潤上華、上海先進、華虹等，模組環節有中車西安永電、愛怕克、南京銀茂等。IDM廠商有比亞迪，中車時代等。但我國IGBT芯片依然有近90%依賴進口，高端產品基本被歐美、日本企業壟斷。如英飛凌、三菱、富士電機、東芝、ABB、仙童等。其中，西門康、仙童 (Fairchild)等企業在消費級IGBT領域處于領先地位;ABB、英飛凌、三菱電機在中等電壓的工業級IGBT領域優勢明顯;在3300V以上高電壓等級的領域，英飛凌、ABB、三菱三家公司幾乎屬于壟斷地位，代表著國際IGBT技術的最高水平。

　　我國已具備一定的技術能力和規模化生產能力。600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片具備產業化能力，3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT已研發成功，并進入量產階段。據最新的消息，我國IDM廠商比亞迪在剛剛過去的2018年12月份發布了自己的IGBT4.0技術。其產品電流輸出能力較當前主流的IGBT產品提高了15%,綜合損耗降低了約20%，溫度循環壽命可提高到當前產品的10倍以上。在1200V車規級IGBT芯片的晶圓厚度上，比亞迪減薄到了120um，已處于全球先進水平。從車規級性能及發布的消息看，比亞迪已經具備與國外品牌競爭的能力，但后續的量產、穩定性等方面還需要進一步觀察。可以說比亞迪是當前中國IGBT的代表企業，是唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的企業。

　　國內另一家影響比較的企業是中車旗下公司-株洲中車時代。目前擁有8寸IGBT生產線，具備年產12萬片芯片及100萬只IGBT模塊生產能力。公司主的產品為1200V-6500V高壓模塊，主要滿足當前中國高鐵動力IGBT芯片及模組需求。

　　IGBT制造難度大，國內產業鏈配套不齊全

　　晶圓制造、背板減薄和封裝工藝是IGBT制造技術的主要難點。IGBT的加工過程主要為三步：襯底加工、芯片制造和封裝。國外IGBT 技術起步較早，在設備、材料、芯片設計和晶圓制造上已經構筑了較高的壁壘，國產IGBT芯片的主要工藝設備和襯底片，乃至高端芯片都必須從國外采購。而封裝層面上，國內產品的功率密度、散熱性能、可靠性以及模塊設計等指標也嚴重落后于國際IGBT廠商。

　　國內大尺寸晶圓制造落后于國外。晶圓是半導體制造的基礎材料，目前主要是硅材料為主。按直徑分可分為4/6/8/12寸。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。但晶圓直徑越大，加工時離晶圓中心就越遠地方，容易產生壞點，后續加工對設備的要求也更高。目前國國際龍頭廠商，如英飛凌，已經實現12寸晶圓的IGBT芯片量產。而我國基本掌握6寸晶圓制造水平，8寸晶圓加工技術還未能很好的成熟化。

　　IGBT背面工藝、減薄工藝技術要求高。一般來說，特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到200-100μm;對于要求較高的產品，甚至需要減薄到80μm。當硅片厚度減到 200-100μm 的量級，硅片就極易破碎和翹曲，給整個加工流程帶來較大困難。目前國內普遍可以將晶圓減薄到175μm，2018年12月份比亞迪公布能將晶圓減薄到 120μm。英飛凌制造的IGBT芯片最低可心減薄到40um。

　　背面工藝，包括背面離子注入，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，背面工藝必須在低溫下進行(不超過450°C)，其中退火激活這一步難度極大。

　　IGBT封裝的主要目的在于散熱，而散熱的關鍵是材料。自第六代技術以后，各大廠商開始重視IGBT的封裝技術研究。在IGBT封裝材料方面，日本在全球遙遙領先，德國和美國處于跟隨態勢，我國的材料科學則相對落后。車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多，逆變器內溫度最高可達 120°C，同時還要考慮強振動條件，車軌級的IGBT要求遠在工業級之上。

　　國內設備配套困難。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。其中有些設備國內沒有，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1%，而國產設備空洞率高達20%到50%。國外設備出口還有限制，例如薄片加工設備，日本產的表面噴砂設備等，并不對中國出口。IGBT生產過程要求高標準的空氣凈化系統，世界一流的高純水處理系統。這些都給IGBT制造帶來了非常大的難度，國內起步晚，經驗不足，想制造出合格的產品非常不易。

　　IGBT的制造必須有集產品設計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等成套技術。并且需要具備高自動化、專業化和規模化程度大功率IGBT制造設備。往往一個IGBT項目投資額需高達數十億元人民幣，這只是投資額，在后續的市場中仍需面對國際廠商的競爭壓力。

　　2017年發布的《電力電子器件產業發展藍皮書》中建議，在2016~2020年，市場方面硅基MOSFET、FRD的國內市場占有率達到一定的份額，在關鍵材料方面，形成硅基電力電子器件所需全部材料、碳化硅6英寸單晶和厚外延材料;在關鍵電力電子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產品，綜合性能達到國際先進水平。專家客觀提出的目標建議，明顯感受到國內功率半導體技術與國外的差距，國內廠商及技術水平還不足以在全球競爭中占有一席之地。

　　結語

       IGBT是功率半導體的重要產品，在電力電子器件中扮演了重要的角色。國內產業起步晚，與國際相比，存在巨大的差距。目前國內雖已經具備了一定的產業基礎，從半導體設備到芯片制造加工過程中，技術水平，制造工藝，材料，封裝技術都遠遠落后國際領先廠商，近90%的產品還依賴進口。