中國IGBT真的逆襲了嗎？

來源：本文內容主要來自中投電子孫遠峰團隊，如您覺得不合適，請與我們聯繫，謝謝。

編者按：近日，CCTV2做了中國芯生存狀態系列報導，主要談了中國IGBT的進展，本來這事一件好事，但是有一些好事者認為中國IGBT已經趕美歐，超日了，這種盲目的樂觀對於中國集成電路的建設，不是一件好事，我們不妨來看一下中國IGBT的真實狀況。

我們先從什麼是IGBT說起。

一說起IGBT，半導體製造的人都以為不就是一個分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。

然而他和28nm/16nm集成電路製造一樣，是國家「02專項」的重點扶持項目，這玩意是現在目前功率電子器件里技術最先進的產品，已經全面取代了傳統的Power MOSFET，其應用非常廣泛，小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網等戰略性產業，被稱為電力電子行業里的「CPU」，長期以來，該產品（包括晶片）還是被壟斷在少數IDM手上(FairChild 、Infineon、TOSHIBA)，位居「十二五」期間國家16個重大技術突破專項中的第二位（簡稱「02專項」）

從功能上來說，IGBT就是一個電路開關，用在電壓幾十到幾百伏量級、電流幾十到幾百安量級的強電上的。

（相對而言，手機、電腦電路板上跑的電電壓低，以傳輸信號為主，都屬於弱電。

）可以認為就是一個電晶體，電壓電流超大而已。

家裡的電燈開關是用按鈕控制的。

IGBT不用機械按鈕，它是由計算機控制的。

具體點說，IGBT的簡化模型有3個接口，有兩個（集電極、發射極）接在強電電路上，還有一個接收控制電信號，叫作門極。

給門極一個高電平信號，開關（集電極與發射極之間）就通了；再給低電平信號，開關就斷了。

給門極的信號是數位訊號（即只有高和低兩種狀態），電壓很低，屬於弱電，只要經過一個比較簡單的驅動電路就可以和計算機相連。

實際用的「計算機」通常是叫作DSP的微處理器，擅長處理數位訊號，比較小巧。

這種可以用數位訊號控制的強電開關還有很多種。

作為其中的一員，IGBT的特點是，在它這個電流電壓等級下，它支持的開關速度是最高的，一秒鐘可以開關幾萬次。

GTO以前也用在軌道交通列車上，但是GTO開關速度低，損耗大，現在只有在最大電壓電流超過IGBT承受範圍才使用；IGCT本質上也是GTO，不過結構做了優化，開關速度和最大電壓電流都介於GTO和IGBT之間；大功率MOSFET快是快，但不能支持這麼大的電壓電流，否則會燒掉。

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。

現在IGBT技術發展到什麼水平了

IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)發明於 80 年代初，多家公司幾乎同時並獨立地發明了這種器件，剛開始各公司對其稱謂也不同。

GE 公司剛開始稱其為 IGR（Insulated-Gate Rectifer），其論文於 1982 年 12 月 14 日在 IEDM（國際電子器件會議）上發表。

RCA 公司稱其為 COMFET（Conductivity-Modulated FET）並在同一天得到美國專利局的專利批准，接著向 IEDM 提交了正式論文。

Motorola 公司也獨立發明了該器件，稱為 GEMFET（Gain-Enhanced MOSFET）。

加州伯克利分校發明了類似器件，稱為 BMT（Bipolar MOS Transistor）及 IBT（Insulated-Base Transistor）。

GE 公司後來將他們的發明從整流器改稱 IGT（Insulated-Gate Transistor）。

德國西門子稱其為 IGBT，由於西門子的 IGBT 發展迅猛，研究生產的 IGBT 性能優良，所以人們認同了 IGBT 的稱謂。

至今，IGBT經歷了六代技術的發展演變，面對的是大量的結構設計調整和工藝上的難題。

回顧IGBT的發展歷程，其主要從三方面發展演變：器件縱向結構，柵極結構以及矽片的加工工藝。

多年以來，IGBT技術改進的追求的目標是：

1， 減小通態壓降。

達到增加電流密度、降低通態功率損耗的目的。

2， 降低開關時間，特別是關斷時間。

達到提高應用時使用頻率、降低開關損耗的目的。

3， 組成IGBT的大量「原胞」在工作時是並聯運行，要求每個原胞在工作溫度允許範圍內溫度變化時保持壓降一致，達到均流目的。

否則會造成IGBT器件因個別原胞過流損壞而損壞。

4，提高斷態耐壓水平，以滿足應用需要。

具體到每一代的產品發展上。

第一代、第二代早期產品曾採用過「輻照」手段，但卻有增加通態壓降(會增加通態功耗)的反作用危險。

第一代與第二代由於體內晶體結構本身原因造成「負溫度係數」，造成各IGBT原胞通態壓降不一致，不利於並聯運行，因此當時的IGBT電流做不大。

此問題在第四代產品中採用了「透明集電區技術」，產生正溫度係數效果後基本解決了。

第二代產品採用「電場中止技術」，增加一個「緩衝層」，這樣可以用較薄的晶片實現相同的耐壓(擊穿電壓)。

因為晶片越薄，,飽和壓降越小，導通功耗越低。

此技術往往在耐壓較高的IGBT上運用效果明顯。

耐壓較低的如幾百伏的IGBT產品，晶片本來就薄，再減薄到如100到150微米的話，加工過程極容易損壞晶片。

第三代產品是把前兩代平面絕緣柵設計改為溝槽柵結構，即在晶片表面柵極位置垂直刻槽深入晶片製成絕緣柵。

柵極面積加大但占用晶片位置減小，增加了柵極密度。

工作時增強了電流導通能力，降低了導通壓降。

第四代非穿通型IGBT(NPT)產品不再採用「外延」技術，代之以「硼離子注入」方法生成集電極，這就是所謂的「透明集電區技術」。

第五、第六代產品是在IGBT經歷了上述四次技術改進實踐後對各種技術措施的重新組合。

第五代IGBT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，並以新的面貌出現。

尤其是承受工作電壓水平從第四代的3300V提高到6500V，這是一個極大的飛躍。

上述幾項改進技術已經在各國產品中普遍採用，只是側重面有所不同。

除此以外，有報導介紹了一些其它技術措施如：內透明集電極、砷摻雜緩衝層、基板薄膜化、軟穿通技術等。

全球IGBT的市場發展現狀

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。

但是全球有近70%的IGBT模塊市場被三菱、東芝及富士等日系企業控制。

德系的英飛凌也是全球IGBT龍頭企業之一，其獨立式 IGBT 功率晶體以24.7%的市場占有率位居第一，IGBT 模塊則以20.5%的市場占有率位居第二。

近年來，台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。

台灣廠商主要偏重於 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，台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。

據調研機構IHS於2016年公布的報告，英飛凌以24.5%的份額高居榜首，日本三菱電機則以24.4%的份額屈居第二，另一日系大廠富士電機則以12.2%的占有率排行第三。

嚴重依賴進口，中國IGBT廠商差距明顯

根據每日經濟新聞報導，在高壓大功率IGBT晶片方面，由於對IGBT晶片可靠性要求非常高，此前，我國還沒有一個廠家能夠實現6500V IGBT晶片本土產業化，為此，國內企業每年需花費數億元從國外採購IGBT產品。

他們進一步指出，由於國外採購周期長達數月甚至一年以上，嚴重製約了我國軌道交通裝備的自主創新和民族品牌創立，大大降低了國內動車、機車裝備在國際市場的競爭力。

因此發展國內的IGBT產業迫在眉睫。

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而從技術上上看，中國IGBT和國外的差距主要體現在以下幾個方面。

（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，日本政府不准出口。

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、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。

國產廠商在快馬加鞭求突破

為了實現自主可控，國產廠商正在開始推進IGBT的國產化，政府也在推動。

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，其發展既需要上游基礎的材料產業的支持，又需要下游裝置產業的拉動。

現在國內已經有一些國產廠商也已經有了很大的突破，日前報導的中車就是其中的代表。

據報導，「長株潭城際鐵路」，是湖南的第一條城際鐵路，也是中國第一款時速160公里的城際動車組。

這列車上的牽引電機，採用了最新一代技術，與普通高鐵動車相比，加速能力更強，可以像地鐵一樣快起快停，而為列車提供強勁動力的，是中國自主研發的一個核心部件，人稱「高鐵中國芯」。

今天，中車的IGBT生產線，每年能製造12萬支晶片。

全世界，這樣的生產線只有兩條。

中車時代IGBT製造中心副主任羅海輝表示：我們現在所看到的這些晶片，他是分布在一個八英寸的這個上面，每一個指甲蓋大小的一個小方塊，就是一個晶片，你別看他面積很小啊，一個這樣的晶片可以處理的能量，相當於100台電爐發出來的熱量。

同樣是晶片家族的成員，和處理信息或存儲數據的晶片不同，IGBT的主要工作是控制和傳輸電能，指甲蓋大小的晶片組成的IGBT可以處理6500W以上的超高電壓，IGBT晶片工作時可以在短短1秒的時間內，實現10萬次電流開關動作，從而驅動高鐵飛速行駛。

3年前，當時核心的製造技術僅掌握在美國和德國等少數幾個國家手中，價格完全由賣方說了算，一片IGBT的價格摺合人民幣一萬五千塊錢，而且只賣成品，這樣的技術是用多少錢都無法買到的。

2008年，中國的第一條高鐵京津城際鐵路開通，隨後又開通了更多的高鐵線路，對IGBT的需求成倍增加，一個8列標準動車組就需要152個IGBT晶片，光這個晶片的成本就高達將近兩百萬元，每年中國高鐵製造需要向國外採購十萬個以上IGBT模塊，採購資金超過12億元人民幣。

2014年6月，經過6年的不懈努力，由我國自主研製具有完全智慧財產權的8英寸IGBT晶片成功下線，預示著高鐵擁有了第一顆「中國心」，第一片8英寸晶圓被中國科技館永久收藏。

不光如此，中車還在全球最大的軌道交通裝備智能工廠，用智能線製造出了IGBT牽引變流器，各項指標完全合格，生產時間比原來縮短了70%。

不僅是高鐵上用，我們的電網也要用到IGBT，據統計，中國在未來幾年將成長為千億級IGBT市場，極具吸引力，而這時國產IGBT晶片的成功量產意味著將從少數幾家外國公司手中，搶走一塊蛋糕。

可這蛋糕要想吃到嘴裡，比突破技術還要難。

國產IGBT剛剛投產，吳煜東的團隊已經準備好以低於市場30%的價格優勢推出，與對手在國際舞台上角力。

然而，產品價格剛剛公布，競爭對手就迅速降價，聯合起來降價70%，吳煜東絕對沒有想到，剛剛邁出第一步，就遭遇了慘烈的價格戰！沒等著他們反應過來，外國廠商又第二招撒手鐧，推出第二代產品。

這意味著我們剛剛學會走，人家已經跑起來了。

在這樣的殘酷背景下，中車時代的工程師沒日沒夜地工作，經常工作到晚上一兩點鐘。

在歷經9年零6個月，3000多個日日夜夜的奮戰後，「中國芯」在技術上終於追平了對手，用不到10年的時間走完了國際巨頭們30年的路，打破了已開發國家一家獨大的壟斷局面。

2015年，由我國自主研發的IGBT變流器首次出口海外市場，奪得了印度100輛機車的訂單。

短短3年時間，國產IGBT在功率器件的市場占有率從零一下攀升至60%，並且以每年200%的銷售業績增長，統一後的高鐵標準動車組將全部採用IGBT「中國芯」。

除了取得重大突破的中車外，國內還有其他正在IGBT上深耕的國產廠商。

例如深圳比亞迪、杭州士蘭微、吉林華微、中航微電子、中環股份等；模組廠商西安永電、西安愛帕克、威海新佳、江蘇宏微、嘉興斯達、南京銀茂、深圳比亞迪等；晶片設計廠商中科君芯、西安芯派、寧波達新、無錫同方微、無錫新潔能、山東科達等；晶片製造廠商華虹宏力、上海先進、深圳方正微、中芯國際、華潤上華等。

近幾年國內IGBT技術發展也比較快，國外廠商壟斷狀況逐漸被打破，已取得一定的突破。

主要亮點有：

中車集團的株洲時代電氣已建成全球第二條、國內首條8英寸IGBT晶片專業生產線，具備年產12萬片晶片、並配套形成年產100萬隻IGBT模塊的自動化封裝測試能力，晶片與模塊電壓範圍實現從650V到6500V的全覆蓋。

中車集團的西安永電電氣有限責任公司生產的6500V/600A IGBT功率模塊已成功下線，使其成為全球第四個、國內第一個能夠封裝6500V以上電壓等級IGBT的廠家。

上海北車永電電子科技有限公司與上海先進半導體製造股份有限公司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，實現產品化應用，技術達到世界先進水平，標誌著國內機車用高壓、大電流6500V IGBT晶片設計、晶片工藝研發製造技術的重大突破，特別是攻克了6500V IGBT關斷安全工作區，短路工作區等關鍵技術瓶頸。

華潤上華和華虹宏力基於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。

深圳比亞迪微電子有限公司、國家電網與上海先進半導體製造股份有限公司建立戰略產業聯盟，將具有自主智慧財產權的IGBT核心關鍵技術和半導體晶片製造技術進行「強強聯合」，共同打造IGBT國產化產業鏈。

2015年8月，上海先進半導體正式進入比亞迪新能源汽車用IGBT的供應鏈。

2015年底，中車株洲所旗下時代電氣公司與北汽集團旗下的北汽新能源簽署協議，全面啟動汽車級IGBT、電機驅動系統等業務的合作，並宣布未來共同打造自主新能源汽車品牌。

這被業界視為高鐵技術與汽車行業的一次深度「聯姻」，有望推動IGBT等汽車半導體產業的國產化進程。

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簽署協議，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。

綜上所述，中國IGBT取得了重大突破是值得慶賀的事情，但是還需要持續努力。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1242期內容，歡迎關注。

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