国产IGBT，任重而道远！

据Yole报道，2017年，电池电动车(BEV)和插电式混合动力车(PHEV)出货达120万辆，较2016年增加52%。欧洲一些汽车制造商也在2017年推出了48V轻度混合动力车型。这种为汽车辅助系统供电同时减少二氧化碳排放量的高性价比解决方案，将在2018~2019年间在所有欧洲汽车制造商中扩散，其次是中国汽车制造商。

48V系统将迅速推动市场，市调机构Yole Développement(Yole)预测2017~2023年期间轻度混合动力汽车的复合年成长率将达到50%，因为这些低成本的电动汽车具有吸引力。他们的方法可以轻松应用于任何汽车，从城市汽车到高端豪华车型。

在评估了各类电动汽车市场的发展趋势之后，Yole预估2018至2023年年复合年成长率将达到两位数。在2020年左右广义电动车EV/HEV市场规模将突破1000万辆，到2023年将进一步成长到1800万辆。电动车的发展同时也将带动IGBT功率元件市场，2017年相关元件市场规模约10亿美元，预计到2023年，电动汽车/混合动力汽车领域的IGBT市场规模将近23亿美元。

IGBT技术进展

IGBT (绝缘栅双极型晶体管)发明于 80 年代初，多家公司几乎同时并独立地发明了这种器件，刚开始各公司对其称谓也不同。GE 公司刚开始称其为 IGR（Insulated-Gate Rectifer），其论文于 1982 年 12 月 14 日在 IEDM（国际电子器件会议）上发表。RCA 公司称其为 COMFET（Conductivity-Modulated FET）并在同一天得到美国专利局的专利批准，接着向 IEDM 提交了正式论文。

Motorola 公司也独立发明了该器件，称为 GEMFET（Gain-Enhanced MOSFET）。加州伯克利分校发明了类似器件，称为 BMT（Bipolar MOS Transistor）及 IBT（Insulated-Base Transistor）。GE 公司后来将他们的发明从整流器改称 IGT（Insulated-Gate Transistor）。德国西门子称其为 IGBT，由于西门子的 IGBT 发展迅猛，研究生产的 IGBT 性能优良，所以人们认同了 IGBT 的称谓。

至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。回顾IGBT的发展历程，其主要从三方面发展演变：器件纵向结构，栅极结构以及硅片的加工工艺。

最新的IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。尤其是承受工作电压水平从第四代的3300V提高到6500V，这是一个极大的飞跃。

全球IGBT的市场发展现状

从市场竞争格局来看，美国功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商，例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂，产品线齐全，无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。

日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好，但在功率芯片方面，虽然厂商数量众多，但很多厂商的核心业务并非功率芯片，从整体市场份额来看，日本厂商落后于美国厂商。但是全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制。德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一，其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一，IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居第二。

近年来，中国***的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。***厂商主要偏重于 DC/DC 领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脉宽调制集成电路)和功率MOSFET，从事前两种 IC 产品开发的公司居多。总体来看，***功率厂商的发展较快，技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备。

据调研机构IHS于2016年公布的报告，英飞凌以24.5%的份额高居榜首，日本三菱电机则以24.4%的份额屈居第二，另一日系大厂富士电机则以12.2%的占有率排行第三。

国产IGBT厂商差距明显

每日经济新闻报道，在高压大功率IGBT芯片方面，由于对IGBT芯片可靠性要求非常高，此前，我国还没有一个厂家能够实现6500V IGBT芯片本土产业化，为此，国内企业每年需花费数亿元从国外采购IGBT产品。

他们进一步指出，由于国外采购周期长达数月甚至一年以上，严重制约了我国轨道交通装备的自主创新和民族品牌创立，大大降低了国内动车、机车装备在国际市场的竞争力。因此发展国内的IGBT产业迫在眉睫。根据统计显示，我国IGBT产业链厂商如下图所示：

而从技术上上看，中国IGBT和国外的差距主要体现在以下几个方面。

（1）IGBT技术与工艺

我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技术研究一般采取“设计+代工”模式，即由设计公司提出芯片设计方案，由国内的一些集成电路公司代工生产。

由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线，只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工，所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通IC芯片相比，大功率器件有许多特有的技术难题，如芯片的减薄工艺，背面工艺等。解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术，更需要先进的工艺设备，这些都是我国功率半导体产业发展过程中急需解决的问题。

从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型，在改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。尤其是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化，背面的减薄国内的做的都不是很好。

薄片工艺，特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度也是特定的，需要减薄到200-100um，甚至到80um，现在国内可以将晶圆减薄到175um，再低就没有能力了。比如在100~200um的量级，当硅片磨薄到如此地步后，后续的加工处理就比较困难了，特别是对于8寸以上的大硅片，极易破碎，难度更大。

背面工艺，包括了背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属的熔点的限制，这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C)，退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火，此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工，但是他们一旦与客户签订协议，就不再给中国客户代提供加工服务。

在模块封装技术方面，国内基本掌握了传统的焊接式封装技术，其中中低压模块封装厂家较多，高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比，技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术，能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性，并初步实现了商业应用。

高端工艺开发人员非常缺乏，现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程，而要引进一个团队难度太大。国外IGBT制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买IGBT设计和制造技术，还牵涉到好多专利方面的东西。

（2）IGBT工艺生产设备

国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套。其中有的国内没有，或技术水平达不到。如：德国的真空焊接机，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而国产设备空洞率高达20%到50%。外国设备未必会卖给中国，例如薄片加工设备。

又如：日本产的表面喷砂设备，日本政府不准出口。好的进口设备价格十分昂贵，便宜设备又不适用。例如：自动化测试设备是必不可少的，但价贵。如用手工测试代替，就会增加人为因素，测试数据误差大。IGBT生产过程对环境要求十分苛刻。要求高标准的空气净化系统，世界一流的高纯水处理系统。

要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。投资额往往需高达数十亿元人民币。