什么是IGBT？國內(nèi)IGBT企業(yè)崛起

什么是IGBT

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(絕緣柵型場效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。

簡單講，是一個非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點，如驅(qū)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(xù)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(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。

國內(nèi)IGBT企業(yè)崛起

IGBT是事關(guān)國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)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(chǎn)IGBT芯片和模塊產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(fā)的專家有斯達半導(dǎo)湯藝博士、達新半導(dǎo)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(chǎn)IGBT芯片為主的產(chǎn)品公司。另外IR歸國從事模塊開發(fā)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(yè)，主要由無錫中科君芯承擔(dān)IGBT研發(fā)工作，中科君芯的研發(fā)團隊先后有微電子所、IR、日本電裝、成電等技術(shù)團隊的加入。 斯達半導(dǎo)作為國內(nèi)IGBT行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，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(fā)設(shè)計的IGBT芯片和快恢復(fù)二極管芯片是公司的核心競爭力之一。據(jù)IHSMarkit報告數(shù)據(jù)顯示，在2018年度IGBT模塊供應(yīng)商全球市場份額排名中，斯達半導(dǎo)排名第8位，在中國企業(yè)中排名第1位，成為世界排名前十中唯一一家中國企業(yè)。其中斯達半導(dǎo)自主研發(fā)的第二代芯片（國際第六代芯片F(xiàn)S-Trench）已實現(xiàn)量產(chǎn)，成功打破了國外企業(yè)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(dǎo)體芯片與器件的設(shè)計、制造和銷售。公司在8寸及6寸晶圓制造平臺成功開發(fā)600V-3300V IGBT芯片產(chǎn)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(yè)應(yīng)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(dǎo)體（IGBT、SJMOS & SiC）的設(shè)計和應(yīng)用，包括芯片、單管和模塊。具有以下優(yōu)勢：通過優(yōu)化耐壓終端環(huán)，實現(xiàn)IGBT高阻斷電壓，有效減少芯片面積，達到工業(yè)級和汽車級可靠性標準；通過控制少子壽命，優(yōu)化飽和壓降和開關(guān)速度；實現(xiàn)安全操作區(qū)（SOA）和短路電流安全操作區(qū)域SCSOA性能最優(yōu)；改善IGBT有源區(qū)元胞設(shè)計可靠性，抑制IGBT的閂鎖效應(yīng)；調(diào)節(jié)背面減薄、注入、退火、背金等工藝；實現(xiàn)60um~180um晶圓厚度的大規(guī)模量產(chǎn)。 南京銀茂微電子（SilverMicro）成立于2007年，專注于工業(yè)和其他應(yīng)用的功率IGBT和MOSFET模塊產(chǎn)品的設(shè)計和制造。通過采用現(xiàn)代化的設(shè)備來處理和表征高達3.3kV的電源模塊，南京銀茂微已經(jīng)建立了先進的電源模塊制造能力，還能夠執(zhí)行電源模塊鑒定測試。產(chǎn)品已廣泛用于工業(yè)逆變器，焊接機，UPS，電源和新能源應(yīng)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(fā)的中外合資高科技企業(yè)，成立于2011年底。君芯科技是國內(nèi)率先開發(fā)出溝槽柵場截止型（Trench FS）技術(shù)并真正實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)。公司推出的IGBT芯片、單管和模塊產(chǎn)品從600V至6500V，覆蓋了目前主要電壓段及電流段，已批量應(yīng)用于感應(yīng)加熱、逆變焊機、工業(yè)變頻、新能源等領(lǐng)域。君芯科技獨創(chuàng)的DCS技術(shù)將應(yīng)用于最新的汽車級IGBT芯片中。 隨著行業(yè)景氣度逐漸好轉(zhuǎn)和政策的推動，亦有不少新進入者搶奪市場。據(jù)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(chǎn)品擴展業(yè)務(wù)的功率半導(dǎo)體企業(yè)，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(yīng)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(dǎo)體、廣東芯聚能以及富能半導(dǎo)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(chǎn)線已經(jīng)量產(chǎn)IGBT芯片，主要應(yīng)用于電磁爐等小家電領(lǐng)域。另外揚杰科技也在積極推進IGBT新模塊產(chǎn)品的研發(fā)進程，50A/75A/100A-1200V半橋規(guī)格的IGBT開發(fā)成功。此外公司也積極規(guī)劃8英寸線建設(shè)，儲備8英寸線晶圓和IGBT技術(shù)人才。 老牌功率半導(dǎo)體器件廠商吉林華微電子于2019年4月，發(fā)布配股說明書，擬募投建設(shè) 8 英寸生產(chǎn)線項目。此次募投項目的主要產(chǎn)品技術(shù)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(nèi)功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)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(chǎn)品，產(chǎn)品種類基本覆蓋功率半導(dǎo)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(shè)計技術(shù)等國內(nèi)領(lǐng)先，達到國際同行業(yè)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(dǎo)體有限公司（簡稱：中車時代半導(dǎo)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(zé)公司半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。從1964年開始投入功率半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，2008年戰(zhàn)略并購英國丹尼克斯公司，目前已成為國際少數(shù)同時掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術(shù)的IDM（集成設(shè)計制造）模式企業(yè)代表，擁有芯片—模塊—裝置—系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈。 中車時代半導(dǎo)體擁有國內(nèi)首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線，全系列高可靠性IGBT產(chǎn)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(guān)鍵器件國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，于2009年推出首款車規(guī)級IGBT 1.0技術(shù)，打破了國際廠商壟斷，實現(xiàn)了我國在車用IGBT芯片技術(shù)上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關(guān)鍵指標上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品，且產(chǎn)能已達5萬片，并實現(xiàn)了對外供應(yīng)。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企，包括IGBT芯片設(shè)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(jù)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(shè)，計劃建設(shè)集成電路制造生產(chǎn)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(xué)和中國科學(xué)院博士團隊創(chuàng)立的高科技企業(yè)，公司成立于2017年，主要從事IGBT等功率半導(dǎo)體芯片及產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、銷售。森未科技IGBT芯片產(chǎn)品性能已可以對標英飛凌產(chǎn)品。公司主營產(chǎn)品電壓等級為600V-1700V，單顆芯片電流規(guī)格5A-200A，覆蓋工業(yè)控制、變頻家電、電動汽車、風(fēng)電伺服驅(qū)動、光伏逆變器等領(lǐng)域。 據(jù)了解，出身于恩智浦功率產(chǎn)品線的瑞能半導(dǎo)體，也有意進入IGBT的賽道。其實瑞能也非常有做IGBT的優(yōu)勢，首先，瑞能是所有重要白電制造商的供應(yīng)商，對市場應(yīng)用及客戶需求有深刻的理解，產(chǎn)品未來會在性價比上有優(yōu)勢；再者，瑞能也是國內(nèi)唯一家分銷網(wǎng)絡(luò)遍布全球的中國功率半導(dǎo)體公司；最后，瑞能有著50多年的功率器件技術(shù)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(zhì)量可靠性的競爭優(yōu)勢。 成立于2018年11月的廣東芯聚能半導(dǎo)體，也看重了IGBT這個市場。芯聚能半導(dǎo)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(jù)了解，其項目第一階段將建設(shè)用于新能源汽車的IGBT和SiC功率器件與模塊生產(chǎn)基地，同時實現(xiàn)工業(yè)級功率器件規(guī)模化生產(chǎn)。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(dǎo)體器件和系統(tǒng)產(chǎn)品，延伸并形成從芯片到封裝、模塊的產(chǎn)業(yè)鏈聚集。 除了上述提到的企業(yè)，國內(nèi)的IGBT在芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。

國內(nèi)IGBT與國外的差距

先說一下IGBT的全球發(fā)展?fàn)顟B(tài)，從市場競爭格局來看，美國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，無論是功率 IC 還是功率分離器件都具有領(lǐng)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(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(fā)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(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)品開發(fā)的公司居多。

總體來看，臺灣功率廠商的發(fā)展較快，技術(shù)方面和國際領(lǐng)先廠商的差距進一步縮小，產(chǎn)品主要應(yīng)用于計算機主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設(shè)備

而中國大陸功率半導(dǎo)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(yè)壟斷。

2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元，預(yù)計到2020年市場規(guī)?？梢赃_到80億美元，年復(fù)合增長率約10%。

2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預(yù)計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長率約為15%。

現(xiàn)在，國外企業(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(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓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際領(lǐng)先水平；

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

國際市場供應(yīng)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(nèi)，盡管我國擁有最大的功率半導(dǎo)體市場，但是目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)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(shù)均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點又導(dǎo)致了較高的市場集中度。跟國內(nèi)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(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是：

（1）國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。

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

所以中國功率半導(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)域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。

而技術(shù)差距從以下兩個方面也有體現(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；

（2）IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。

我國發(fā)展IGBT面對的具體問題

（1）IGBT技術(shù)與工藝

我國的功率半導(dǎo)體技術(shù)包括芯片設(shè)計、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+代工”模式，即由設(shè)計公司提出芯片設(shè)計方案，由國內(nèi)的一些集成電路公司代工生產(chǎn)。

目前國內(nèi)IGBT主要受制于晶圓生產(chǎn)的瓶頸，首先是沒有專業(yè)的代工廠進行IGBT的代工，原8寸溝槽IGBT產(chǎn)品主要在華虹代工，但是IGBT并非華虹主營業(yè)務(wù)，產(chǎn)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(dǎo)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(nèi)公司在大尺寸晶圓生產(chǎn)商工藝仍落后于全球龍頭，晶圓越大，單片晶圓產(chǎn)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(chǎn)品最具競爭力的生產(chǎn)線是8英寸和12英寸，最為領(lǐng)先的廠商是英飛凌，國內(nèi)晶圓生產(chǎn)企業(yè)此前絕大部分還停留在6英寸產(chǎn)品的階段。目前國內(nèi)實現(xiàn)8英寸產(chǎn)品量產(chǎn)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(chǎn)線預(yù)計2020年底量產(chǎn)。

由于這些集成電路公司大多沒有獨立的功率器件生產(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)，更需要先進的工藝設(shè)備，這些都是我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決的問題。

從80年代初到現(xiàn)在IGBT芯片體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)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(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)計在工藝上實現(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，背面的減薄國內(nèi)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(xiàn)在國內(nèi)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(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(xié)議，就不再給中國客戶代提供加工服務(wù)。

在模塊封裝技術(shù)方面，國內(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。與國外公司相比，技術(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進封裝技術(shù)，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(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。

高端工藝開發(fā)人員非常缺乏，現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計水平有待提高。目前國內(nèi)沒有系統(tǒng)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(shù)是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設(shè)計和制造技術(shù)，還牽涉到好多專利方面的東西。

（2）IGBT工藝生產(chǎn)設(shè)備

國內(nèi)IGBT工藝設(shè)備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設(shè)備配套。其中有的國內(nèi)沒有，或技術(shù)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(chǎn)設(shè)備空洞率高達20%到50%。外國設(shè)備未必會賣給中國，例如薄片加工設(shè)備。

又如：日本產(chǎn)的表面噴砂設(shè)備，日本政府不準出口。好的進口設(shè)備價格十分昂貴，便宜設(shè)備又不適用。例如：自動化測試設(shè)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(shù)據(jù)誤差大。IGBT生產(chǎn)過程對環(huán)境要求十分苛刻。要求高標準的空氣凈化系統(tǒng)，世界一流的高純水處理系統(tǒng)。

要成功設(shè)計、制造IGBT必須有集產(chǎn)品設(shè)計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應(yīng)用等成套技術(shù)的研究、開發(fā)及產(chǎn)品制造于一體的自動化、專業(yè)化和規(guī)?；潭阮I(lǐng)先的大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。投資額往往需高達數(shù)十億元人民幣。

小結(jié)： 由于 IGBT 行業(yè)存在技術(shù)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(nèi)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化的進程中一直進展緩慢，隨著全球制造業(yè)向中國的轉(zhuǎn)移，我國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的 50%以上，是全球最大的 IGBT 市場，但 IGBT 產(chǎn)品嚴重依賴進口，在中高端領(lǐng)域更是 90%以上的 IGBT 器件依賴進口，IGBT 國產(chǎn)化需求已是刻不容緩。