一文了解中國(guó)IGBT和國(guó)外有多大差距？

近年媒體的大陸報(bào)道,讓我們知道中國(guó)集成電路離世界先進(jìn)水平還很遠(yuǎn)。但在這里我先說(shuō)一個(gè)很少被報(bào)道的產(chǎn)業(yè),中國(guó)也幾乎都依賴進(jìn)口,那就是IGBT等功率元器件。我認(rèn)為這是真的重點(diǎn)發(fā)展,且必須重視的產(chǎn)業(yè),因?yàn)樵诟哞F和現(xiàn)在大力發(fā)展的新能源汽車領(lǐng)域,IGBT是必不可少的,如果都掌握在別人手里,那就會(huì)對(duì)發(fā)展造成影響。

我們先從什么是IGBT說(shuō)起。

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。

簡(jiǎn)單講,是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān),IGBT沒(méi)有放大電壓的功能,導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線,斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn),如驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低等。

而平時(shí)我們?cè)趯?shí)際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品,具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。

為什么要重視IGBT?

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?是電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進(jìn)行功率變換,能夠提高用電效率和質(zhì)量,具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn),是解決能源短缺問(wèn)題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

按電壓分布的應(yīng)用領(lǐng)域

IGBT各代之間的技術(shù)差異

要了解這個(gè),我們先看一下IGBT的發(fā)展歷程。

工程師在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),需要一種新功率器件能同時(shí)滿足:·驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,以降低成本與開(kāi)關(guān)功耗;通態(tài)壓降較低,以減小器件自身的功耗。

回顧他們?cè)?950-60年代發(fā)明的雙極型器件SCR,GTR和GTO通態(tài)電阻很小;電流控制,控制電路復(fù)雜且功耗大;1970年代推出的單極型器件VD-MOSFET通態(tài)電阻很大;電壓控制,控制電路簡(jiǎn)單且功耗小;因此到了1980年代,他們?cè)噲D把MOS與BJT技術(shù)集成起來(lái)的研究,導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。1985年前后美國(guó)GE成功試制工業(yè)樣品(可惜后來(lái)放棄)。自此以后, IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進(jìn)。

而經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展,我們清楚明白到,從結(jié)構(gòu)上看,IGBT主要有三個(gè)發(fā)展方向,分別是IGBT縱向結(jié)構(gòu)、IGBT柵極結(jié)構(gòu)和IGBT硅片加工工藝。而在這三個(gè)方面的改良過(guò)程中,廠商聚焦在降低損耗和降低生產(chǎn)成本兩個(gè)方面。

在一代代工程師的努力下,IGBT芯片在六代的演變過(guò)程中,經(jīng)歷了以下變化:

而前面我們已經(jīng)提到,開(kāi)發(fā)者一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中都是使用IGBT模塊應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中,所以我們簡(jiǎn)略對(duì)這個(gè)介紹一下。

IGBT模塊按封裝工藝來(lái)看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主,中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù),如燒結(jié)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芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高, IGBT模塊

技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來(lái)IGBT模塊技術(shù)將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進(jìn)。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):無(wú)焊接、 無(wú)引線鍵合及無(wú)襯板/基板封裝技術(shù);內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)IGBT與國(guó)外的差距

先說(shuō)一下IGBT的全球發(fā)展?fàn)顟B(tài),從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看,美國(guó)功率器件處于世界領(lǐng)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(dǎo)體大廠,產(chǎn)品線齊全,無(wú)論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領(lǐng)先實(shí)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(shù)量眾多,但很多廠商的核心業(yè)務(wù)并非功率芯片,

從整體市場(chǎng)份額來(lái)看,日本廠商落后于美國(guó)廠商。近年來(lái),中國(guó)臺(tái)灣的功率芯片市場(chǎng)發(fā)展較快,擁有立锜、富鼎先進(jìn)、茂達(dá)、安茂、致新和沛亨等一批廠商。臺(tái)灣廠商主要偏重于 DC/DC 領(lǐng)域,主要產(chǎn)品包括線性穩(wěn)壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC,脈寬調(diào)制集成電路)和功率MOSFET,從事前兩種 IC 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的公司居多。

總體來(lái)看,臺(tái)灣功率廠商的發(fā)展較快,技術(shù)方面和國(guó)際領(lǐng)先廠商的差距進(jìn)一步縮小,產(chǎn)品主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設(shè)備

而中國(guó)大陸功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占世界市場(chǎng)的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上,90%主要依賴進(jìn)口,基本被國(guó)外歐美、日本企業(yè)壟斷。

2015年國(guó)際IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為48億美元,預(yù)計(jì)到2020年市場(chǎng)規(guī)?？梢赃_(dá)到80億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率約10%。

2014年國(guó)內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元,約占全球市場(chǎng)的1∕3。預(yù)計(jì)2020年中國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模將超200億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率約為15%。

現(xiàn)在,國(guó)外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V,電流2A-3600A,已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列,按照細(xì)分的不同,各大公司有以下特點(diǎn):

(1)英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級(jí)的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);在3300V以上電壓等級(jí)的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。在大功率溝槽技術(shù)方面,英飛凌與三菱公司處于國(guó)際領(lǐng)先水平;

(2)西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級(jí)的消費(fèi)IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位。

國(guó)際市場(chǎng)供應(yīng)鏈已基本成熟,但隨著新能源等市場(chǎng)需求增長(zhǎng),市場(chǎng)鏈條正逐步演化。

而在國(guó)內(nèi),盡管我國(guó)擁有最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng),但是目前國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國(guó)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(shù)均掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)手中,IGBT技術(shù)集成度高的特點(diǎn)又導(dǎo)致了較高的市場(chǎng)集中度。 跟國(guó)內(nèi)廠商相比,英飛凌、 三菱和富士電機(jī)等國(guó)際廠商占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。形成這種局面的原因主要是:

(1)國(guó)際廠商起步早,研發(fā)投入大,形成了較高的專利壁壘。

(2)國(guó)外高端制造業(yè)水平比國(guó)內(nèi)要高很多,一定程度上支撐了國(guó)際廠商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

所以中國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢(shì)的局面,特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破,改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強(qiáng)于芯片的現(xiàn)狀。

而技術(shù)差距從以下兩個(gè)方面也有體現(xiàn):

(1)高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上,技術(shù)壁壘較強(qiáng);

(2)IGBT芯片設(shè)計(jì)制造、模塊封裝、失效分析、測(cè)試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)手中。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在主要從事IGBT的公司有:

而從地域上看,國(guó)內(nèi)的IGBT從業(yè)廠商則如下圖所示:

近幾年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下得到迅速發(fā)展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈,IGBT國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程加快,有望擺脫進(jìn)口依賴。

國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)近幾年的發(fā)展大事記:

(1)2011年12月,北車西安永電成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)、世界第四個(gè)能夠封裝6500V以上IGBT產(chǎn)品的企業(yè)。

(2)2013年9月,中車西安永電成功封裝國(guó)內(nèi)首件自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的50A/3300V IGBT芯片;

(3)2014年6月,中車株洲時(shí)代推出全球第二條、國(guó)內(nèi)首條8英寸IGBT芯片專業(yè)生產(chǎn)線投入使用;

(4)2015年3月,天津中環(huán)自主研制的6英寸FZ單晶材料已批量應(yīng)用,8英寸FZ單晶材料也已經(jīng)取得重大突破;

(5)2015年8月,上海先進(jìn)與比亞迪、 國(guó)家電網(wǎng)建立戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,正式進(jìn)入比亞迪新能源汽車用IGBT供應(yīng)鏈;

(6)2015年10月,中車永電/上海先進(jìn)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)首個(gè)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6500V高鐵機(jī)車用IGBT芯片通過(guò)高鐵系統(tǒng)上車試驗(yàn);

(7)2015年底,中車株洲時(shí)代與北汽新能源簽署協(xié)議,全面啟動(dòng)汽車級(jí)IGBT和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的合作;

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

可以看到,受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施,IGBT市場(chǎng)將引來(lái)爆發(fā)點(diǎn)

我國(guó)發(fā)展IGBT面對(duì)的具體問(wèn)題

雖然用量和可控要求我們發(fā)展IGBT,我們也做了很多努力,但當(dāng)中還是有些問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮的:

(1)IGBT技術(shù)與工藝

我國(guó)的功率半導(dǎo)體技術(shù)包括芯片設(shè)計(jì)、制造和模塊封裝技術(shù)目前都還處于起步階段。功率半導(dǎo)體芯片技術(shù)研究一般采取“設(shè)計(jì)+代工”模式,即由設(shè)計(jì)公司提出芯片設(shè)計(jì)方案,由國(guó)內(nèi)的一些集成電路公司代工生產(chǎn)。

由于這些集成電路公司大多沒(méi)有獨(dú)立的功率器件生產(chǎn)線,只能利用現(xiàn)有的集成電路生產(chǎn)工藝完成芯片加工,所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(shù)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(shù),更需要先進(jìn)的工藝設(shè)備,這些都是我國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。

從80年代初到現(xiàn)在IGBT芯片體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)性能和通態(tài)壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設(shè)計(jì)在工藝上實(shí)現(xiàn)卻有相當(dāng)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(guó)內(nèi)的做的都不是很好。

薄片工藝,特定耐壓指標(biāo)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(xiàn)在國(guó)內(nèi)可以將晶圓減薄到175um,再低就沒(méi)有能力了。比如在100~200um的量級(jí),當(dāng)硅片磨薄到如此地步后,后續(xù)的加工處理就比較困難了,特別是對(duì)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(diǎn)的限制,這些背面工藝必須在低溫下進(jìn)行(不超過(guò)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(jiǎn)單。國(guó)外某些公司可代加工,但是他們一旦與客戶簽訂協(xié)議,就不再給中國(guó)客戶代提供加工服務(wù)。

在模塊封裝技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù),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(guó)外公司相比,技術(shù)上的差距依然存在。國(guó)外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進(jìn)封裝技術(shù),能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長(zhǎng)期可靠性,并初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

高端工藝開(kāi)發(fā)人員非常缺乏,現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計(jì)水平有待提高。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有系統(tǒng)掌握IGBT制造工藝的人才。從國(guó)外先進(jìn)功率器件公司引進(jìn)是捷徑。但單單引進(jìn)一個(gè)人很難掌握IGBT制造的全流程,而要引進(jìn)一個(gè)團(tuán)隊(duì)難度太大。國(guó)外IGBT制造中許多技術(shù)是有專利保護(hù)。目前如果要從國(guó)外購(gòu)買IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù),還牽涉到好多專利方面的東西。

(2)IGBT工藝生產(chǎn)設(shè)備

國(guó)內(nèi)IGBT工藝設(shè)備購(gòu)買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設(shè)備配套。其中有的國(guó)內(nèi)沒(méi)有,或技術(shù)水平達(dá)不到。如:德國(guó)的真空焊接機(jī),能把芯片焊接空洞率控制在低于1%,而國(guó)產(chǎn)設(shè)備空洞率高達(dá)20%到50%。外國(guó)設(shè)備未必會(huì)賣給中國(guó),例如薄片加工設(shè)備。

又如:日本產(chǎn)的表面噴砂設(shè)備,日本政府不準(zhǔn)出口。好的進(jìn)口設(shè)備價(jià)格十分昂貴,便宜設(shè)備又不適用。例如:自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備是必不可少的,但價(jià)貴。如用手工測(cè)試代替,就會(huì)增加人為因素,測(cè)試數(shù)據(jù)誤差大。IGBT生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境要求十分苛刻。要求高標(biāo)準(zhǔn)的空氣凈化系統(tǒng),世界一流的高純水處理系統(tǒng)。

要成功設(shè)計(jì)、制造IGBT必須有集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、芯片制造、封裝測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)應(yīng)用等成套技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品制造于一體的自動(dòng)化、專業(yè)化和規(guī)模化程度領(lǐng)先的大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。投資額往往需高達(dá)數(shù)十億元人民幣。

而為了推動(dòng)國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體的發(fā)展,針對(duì)我國(guó)當(dāng)前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及2016-2020年電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn),中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)、北京電力電子學(xué)會(huì)共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》(以下簡(jiǎn)稱《藍(lán)皮書(shū)》)。

《藍(lán)皮書(shū)》指出,電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn),但也離不開(kāi)半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的支撐,其發(fā)展既需要上游基礎(chǔ)的材料產(chǎn)業(yè)的支持,又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)。大家對(duì)中國(guó)IGBT的未來(lái)發(fā)展有什么期望?