碳化硅和IGBT器件的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢

來源：半導(dǎo)體信息

本文探討了碳化硅和IGBT器件在未來的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，以及如何通過技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化來滿足不同應(yīng)用的需求。其中，英飛凌作為國際品牌的代表，其第四代產(chǎn)品已經(jīng)超過專利期，第七代產(chǎn)品受專利保密影響，國內(nèi)廠商需要進行微調(diào)以規(guī)避專利問題，并加快技術(shù)創(chuàng)新，縮小與國際品牌的差距。此外，PE層的引入可以將雙極性器件變?yōu)閱螛O性器件，提高器件電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

詳情

功率器件分為泛材類器件與IGBT器件兩類，IGBT器件是開關(guān)器件，優(yōu)勢在于體積小、壽命長、可靠性高，現(xiàn)在市場上使用程度最大的是第4代器件，全球龍頭企業(yè)為英飛凌，其現(xiàn)在的IGBT器件為商業(yè)化的第七代，主要應(yīng)用于乘用車、光伏和風(fēng)電能源領(lǐng)域。國內(nèi)廠商的產(chǎn)品相較于英飛凌的產(chǎn)品落后，主要為4代和介于4代和7代間的產(chǎn)品，電動汽車中現(xiàn)采用的EDT2技術(shù)，國內(nèi)部分廠商的成熟度與英飛凌相差較小，但與7代產(chǎn)品存在差距。

1.功率器件分為泛材類器件和IGBT器件兩類。IGBT器件本質(zhì)上是一種開關(guān)器件，其原理與機械開關(guān)相同，但相較于機械開關(guān)，IGBT器件的優(yōu)勢在于其屬于弱電控制，開關(guān)速度較快，其體積、壽命以及可靠性均優(yōu)于機械開關(guān)。

2.IGBT器件從誕生至今已有20-30年，現(xiàn)如今市場中使用程度最大的為第4代器件，其誕生距今有16年。IGBT器件的應(yīng)用范圍較廣，包含且不限于工業(yè)電瓶器、工業(yè)電源、新能源光伏、風(fēng)電能源、儲能、電動汽車、軌交、輸配電以及航天航空領(lǐng)域。

3.目前全球IGBT器件的龍頭企業(yè)及技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者為英飛凌，英飛凌現(xiàn)如今的IGBT器件為商業(yè)化的第七代，在2016-2017年于工業(yè)變頻器與商用車方面使用，如今其主要的應(yīng)用方向為乘用車、光伏以及風(fēng)電能源領(lǐng)域。

4.目前國內(nèi)廠商的產(chǎn)品相較于英飛凌的產(chǎn)品，具有一代技術(shù)的落后，主要為4代產(chǎn)品和介于4代和7代間的產(chǎn)品。國內(nèi)的IGBT器件技術(shù)與英飛凌存在1年時間積累的技術(shù)與經(jīng)驗差距。

5.電動汽車中現(xiàn)如今采用的EDT2技術(shù)，國內(nèi)的部分廠商的成熟度與英飛凌的相差較小，與7代產(chǎn)品存在一定的差距。國內(nèi)的IGBT器件技術(shù)與英飛凌存在1年時間積累的技術(shù)與經(jīng)驗差距。

6.IGBT器件在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，主要用于太陽能逆變器。英飛凌的IGBT器件在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，其第七代產(chǎn)品在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用效果較好。

7.IGBT器件在風(fēng)電能源領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛，主要用于風(fēng)力發(fā)電機組的變頻器。英飛凌的IGBT器件在風(fēng)電能源領(lǐng)域的應(yīng)用也較為成熟，其第七代產(chǎn)品在風(fēng)電能源領(lǐng)域的應(yīng)用效果較好。

8.IGBT器件在工業(yè)電源領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛，主要用于UPS電源、電焊機、電力電子變壓器等領(lǐng)域。英飛凌的IGBT器件在工業(yè)電源領(lǐng)域的應(yīng)用也較為成熟，其第七代產(chǎn)品在工業(yè)電源領(lǐng)域的應(yīng)用效果較好。IGBT器件的發(fā)展已到達瓶頸，未來的發(fā)展方向為從封裝與材料的角度使其性能優(yōu)化；碳化硅技術(shù)已成熟，但價格較高，其襯底成本占器件總成本50%；英飛凌有冷切技術(shù)，可提高碳化硅的單位效率或數(shù)量，降低成本；預(yù)計碳化硅的成本為硅材料成本的1.5-2倍，但其帶來的經(jīng)濟效益較大，可節(jié)省整機成本，提高性價比；預(yù)計2024年，汽車與光伏所采用的硅材料會被碳化硅替代；華為公司預(yù)測2030年80%的汽車所使用的硅材料會被碳化硅所替代。

1.IGBT器件的發(fā)展已到達瓶頸，其原因為硅材料的發(fā)展已達到物理極限，未來的發(fā)展方向為從封裝與材料的角度使其性能優(yōu)化。IGBT器件的未來發(fā)展為產(chǎn)品的替代，例如650+伏被氮化鎵材料替代，1,200伏被碳化硅產(chǎn)品替代。IGBT器件未來發(fā)展趨勢較渺茫，其電能較大的領(lǐng)域被碳化硅替代，電能較低的部分被氮化鎵替代，預(yù)計硅基材料的IGBT器件未來在性能要求較低或成本較敏感的領(lǐng)域存在。

2.碳化硅技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，其劣勢在于價格較高；碳化硅的襯底為碳化硅錠，碳化硅錠的長度為5-10厘米，相較于硅的增長速度，硅的增長速度為碳化硅的700倍；硅能夠從液氮中提取，碳化硅可從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)；碳化硅錠受限于增長速度與增長程度，其價格較高，目前碳化硅襯底成本占器件總成本50%。

3.目前國際上普遍采用的技術(shù)為6寸的碳化硅錠切底，國內(nèi)正處于4寸轉(zhuǎn)換至6寸的階段，后續(xù)新建設(shè)備均為6寸切底。未來的發(fā)展趨勢為碳化硅的增長速度有所提升，除此外預(yù)計在2024年6寸可向7-8寸切底發(fā)展，其價格能夠有所下降。

4.碳化硅的場強為硅材料的10倍，相當(dāng)于相同的電壓，碳化硅僅需硅的1/10的厚度；碳化硅的材質(zhì)較脆，目前技術(shù)可切出的較厚，其70-80%的材料均需磨掉，具有較大部分的磨損浪費。

5.英飛凌現(xiàn)如今有冷切技術(shù)，即在一定冷度的下切割碳化硅，使得其單位效率具有較為明顯的提高或碳化硅的數(shù)量有明顯的增長，該技術(shù)普及后，碳化硅的成本將會明顯下降。

6.預(yù)計未來碳化硅的成本為硅材料成本的1.5-2倍，此為碳化硅與硅極限平衡；碳化硅的成本為硅材料成本的2倍，碳化硅帶來的經(jīng)濟效益，即在整機上節(jié)省的成本較大，為硅材料的6-7倍，總體設(shè)備的性價比較高。

7.整機對于汽車在電池與散熱成本部分的節(jié)省經(jīng)濟，比使用硅材料的整機價格劃算，整機效率有顯著提高，成本會大幅下降。預(yù)計2024年，汽車與光伏所采用的硅材料會逐步被碳化硅替代。華為公司預(yù)測2030年80%的汽車所使用的硅材料會被碳化硅所替代，碳化硅能夠批量化生產(chǎn)，其技術(shù)也達到成熟。

8.目前國內(nèi)采集碳化硅的技術(shù)處理能力較低，僅有40%+，國際的處理能力為60-70%。

IGBT器件已有30+年的發(fā)展史，應(yīng)用角度已無問題，但技術(shù)壁壘在于生產(chǎn)工藝、離子注入深度與濃度等，各家技術(shù)差異大。不同應(yīng)用需對性能進行微調(diào)，如電機類設(shè)備需降低開關(guān)頻率，電源類需提高電能質(zhì)量。目前市場主流為第4代產(chǎn)品，第7代產(chǎn)品需從系統(tǒng)角度完成微調(diào)配置。國內(nèi)第7代產(chǎn)品發(fā)展受到限制。

1.IGBT器件已有30+年的發(fā)展史，目前國內(nèi)廠商可設(shè)計較好的IGBT器件。IGBT器件的變化為其平面變成溝槽，線寬由原本的2個線寬2-3微米至如今的250納米；芯片變得更薄，現(xiàn)如今1,200伏的器件僅有110微米厚，方向朝工業(yè)密度發(fā)展。

2.IGBT器件的技術(shù)壁壘在于生產(chǎn)工藝、工藝中離子注入的深度與濃度，離子激活時控制的溫度以及電場強度為各個廠商的秘方，各家技術(shù)差異較大。不同應(yīng)用對開關(guān)速度與可靠性的需求不同，IGBT器件需對其性完成微調(diào)，通過對其芯片的厚度以及離子濃度等進行小幅度調(diào)整。

3.電機類設(shè)備為電桿加濾波器，其制動應(yīng)用中的開關(guān)頻率較低，則導(dǎo)通器件的頻率較低。電源類采用的IGBT器件的電能質(zhì)量要求較高，濾波器的體積與開關(guān)頻率呈反比，設(shè)計時可將開關(guān)損耗降低，導(dǎo)通損耗加大。家電、工業(yè)類以及汽車所采用IGBT器件對可靠性的要求不同，需處理單獨的氧化層并加入防油防潮的處理。

4.目前市場中主流的IGBT產(chǎn)品為第4代產(chǎn)品的原因為第4代產(chǎn)品的應(yīng)用范圍最廣，第7代產(chǎn)品的驅(qū)動與第4代的不同，第7代的電容量較大，無法直接采用第7代產(chǎn)品作為替代，需從系統(tǒng)的角度完成微調(diào)配置；第7代產(chǎn)品相較于第4代產(chǎn)品的工業(yè)密度較大，其線寬僅為250納米，為第4代產(chǎn)品的50%，對離子注入技術(shù)的要求更高，無法使用第4代所使用的普通離子注入機直接注入。

5.第7代產(chǎn)品的所使用的參數(shù)信息，僅有美國應(yīng)用材料的高能氫離子智能設(shè)備可滿足，該設(shè)備的價格為7,000萬/臺，每臺的產(chǎn)能為5,000片/月。

6.國內(nèi)器械的穩(wěn)定性較國外器件的穩(wěn)定性更低，當(dāng)器件測試出現(xiàn)問題時，難以判定為器械問題或是整機設(shè)計問題，對于第7代產(chǎn)品的前期接受度較低。

7.近年受到貿(mào)易戰(zhàn)的限制，美國廠商不對國內(nèi)廠商銷售其高能氫離子智能設(shè)備，國內(nèi)的第7代產(chǎn)品的發(fā)展受到限制。

8.IGBT器件已有30+年的發(fā)展史，應(yīng)用角度已無問題，但技術(shù)壁壘在于生產(chǎn)工藝、離子注入深度與濃度等，各家技術(shù)差異大。不同應(yīng)用需對性能進行微調(diào)，如電機類設(shè)備需降低開關(guān)頻率，電源類需提高電能質(zhì)量。目前市場主流為第4代產(chǎn)品，第7代產(chǎn)品需從系統(tǒng)角度完成微調(diào)配置。國內(nèi)第7代產(chǎn)品發(fā)展受到限制。

IGBT器件的第1代為PT型，第2代為MPT型，后續(xù)產(chǎn)品往溝槽方向發(fā)展，減少損耗、拖尾，提升性能降低成本，逐步減小與第7代產(chǎn)品的差距。

1.第5代產(chǎn)品本質(zhì)上仍為第4代產(chǎn)品，僅在芯片上增加銅，封裝上有部分特殊處理，屬于第4代的奢侈版；其他數(shù)代產(chǎn)品的芯片表面均為鋁材料，第5代產(chǎn)品的表面為銅材料，其優(yōu)勢在于銅材料的產(chǎn)品壽命較長，在實際應(yīng)用中的意義較小，且第5代產(chǎn)品較昂貴，國內(nèi)市場中使用率較低。

2.第5代產(chǎn)品的價格為5,000-6,000元/顆，成本費用較高，國內(nèi)僅在期嘗試性測試使用，后續(xù)放棄第5代產(chǎn)品在市場中的應(yīng)用。

3.第6代產(chǎn)品應(yīng)用為單管，無整體模組；國內(nèi)光伏市場在應(yīng)用的單管為第4.5代產(chǎn)品，本質(zhì)上為第4代產(chǎn)品，其單管部分有一定程度的提升。

4.國內(nèi)產(chǎn)品可從第4代直接更新?lián)Q代至第7代產(chǎn)品，無需經(jīng)過第5與第6代應(yīng)用。

5.IGBT器件的第1代為PT型，即貫通類型的產(chǎn)品，其特點為芯片較厚，芯片面積較大，屬于平面型，其材料的損耗較大，無法避免隨溫度升高且飽和度降低，難以調(diào)節(jié)；第2代為MPT型產(chǎn)品，即非貫通型，該產(chǎn)品的芯片相較于PT型較薄，其材料損耗降至20-30%，其電流拖尾較長，寬泛程度較大。

6.后續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品為增加其面積，減少占據(jù)的空間，往溝槽方向發(fā)展，一定程度上減少損耗，減小拖尾，其面積有所減少，成本更低；后續(xù)產(chǎn)品的發(fā)展方向為縮短線寬，原先500納米做到250納米；產(chǎn)品提升離子注入技術(shù)，提高離子濃度并增加注入深度，將產(chǎn)品的性能進一步提升同時降低產(chǎn)品的成本，逐步減小與第7代產(chǎn)品的差距。

國內(nèi)IGBT器件廠商在產(chǎn)品參數(shù)改良方面較少，多為原封不動地生產(chǎn)。第4代產(chǎn)品已超過專利期，第7代產(chǎn)品受專利保密影響，國內(nèi)廠商需微調(diào)以避開專利問題。英飛凌存在專利風(fēng)險，會通過專利手段打壓國內(nèi)廠商。同一應(yīng)用場景中需對損耗程度、使用電壓、震蕩程度及可靠性進行對比。IGBT器件設(shè)計與工藝流程差異較大，開關(guān)特性與動靜態(tài)參數(shù)受影響。性能評判指標(biāo)分為開關(guān)頻率與通態(tài)損耗兩種。損耗主要分為開關(guān)損耗與飽和壓降，芯片厚度與注入濃度影響其損耗降低。

1.國內(nèi)廠商基本上沒有對產(chǎn)品進行參數(shù)改良，較多均為原封不動地生產(chǎn)，國際上日系產(chǎn)品相較于英飛凌的產(chǎn)品，會在部分區(qū)域完成明顯的調(diào)整以改變其部分參數(shù)；國內(nèi)廠商的改進在于部分技術(shù)的優(yōu)化，例如將產(chǎn)品芯片變薄，摻雜濃度完成部分調(diào)整，在本質(zhì)上無變化。

2.目前第4代產(chǎn)品已經(jīng)超過產(chǎn)品專利期，國內(nèi)廠商會在一定程度上完成部分微調(diào)；第7代產(chǎn)品受專利保密影響，國內(nèi)廠商在模仿第7代產(chǎn)品時具有較多的專利問題，需技術(shù)的微調(diào)將專利問題避開，問題例如研發(fā)結(jié)構(gòu)上小波動以及邊緣開發(fā)的微調(diào)，在不影響性能上完成部分微調(diào)后可實現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)；在專利規(guī)避中，國內(nèi)廠商會借鑒英飛凌產(chǎn)品，在其產(chǎn)品性能或參數(shù)上完成試錯性改良發(fā)展。

3.英飛凌未來存在專利風(fēng)險的問題，隨其產(chǎn)品的大面積應(yīng)用與市場與應(yīng)用范圍的增大，英飛凌會通過專利手段打壓部分國內(nèi)廠商，對于國內(nèi)市場而言，其問題較小，僅在國內(nèi)市場中應(yīng)用的專利風(fēng)險較小，當(dāng)產(chǎn)品出口至國際市場中，對于專利的要求較嚴格，受到的打壓較大。

4.同一個應(yīng)用場景中會對損耗程度、使用電壓、震蕩程度以及可靠性進行對比；損耗較高的情況下，其原本的3個系統(tǒng)無法正常支撐，需重新設(shè)計；除此之外光伏與電能車在損耗較高的情況下，其效率較低；在驅(qū)動下，相同開關(guān)的頻率不同，其電壓需峰值低于安全電壓；器件的震蕩會影響電池的兼容性、其他開關(guān)芯片以及部分邏輯器件。

5.IGBT器件的設(shè)計與工藝流程均有一定的差異，例如離子注入與淬火時，器件的正面或背面工藝均存在一定的差異，其開關(guān)特性與動靜態(tài)參數(shù)會受到影響，需廠商反復(fù)的更新迭代可達到最終需要的效果；參數(shù)并非越優(yōu)越好，其原因為參數(shù)的改變會影響器件的兼容性，導(dǎo)致器械部分需要調(diào)整，廠商并非一味追求參數(shù)優(yōu)秀，直接替代無需更改的參數(shù)較為合適。

6.針對開關(guān)頻率與通態(tài)損耗等國內(nèi)器件性能評判方式分為2種，其中1種與英飛凌對比，國內(nèi)器件較多無法達到其水平，另1種為滿足下游客戶要求，其指標(biāo)值低于設(shè)計上限；部分廠商需多次修改后達到客戶設(shè)計上限要求，損耗為較難滿足的指標(biāo)，比如外部電阻提高導(dǎo)致?lián)p耗提升。

7.損耗主要分為開關(guān)損耗與飽和壓降，飽和壓降受芯片厚薄與注入濃度影響。芯片厚度指標(biāo)較多對標(biāo)英飛凌，英飛凌1200V芯片厚度為105-110μm，其750V芯片厚度為50+μm；芯片厚度較低，其對應(yīng)耐壓性較低。注入濃度較高，芯片飽和壓降較低，同時其損耗較高。

8.器件在工業(yè)制造上的壁壘較低，工業(yè)半導(dǎo)體屬于低端市場，無需精密程度較高的儀器進行設(shè)計生產(chǎn)，先進工藝中淘汰的產(chǎn)品均可再使用。目前國外限制生產(chǎn)技術(shù)的范圍為14納米、7納米以及5納米，其原因為該部分為半導(dǎo)體器件的高端部分，為國外廠商的主要盈利點，設(shè)備廠商不向國內(nèi)廠商銷售器械。

IGBT行業(yè)新興技術(shù)包括超級結(jié)技術(shù)與逆導(dǎo)技術(shù)；超級結(jié)型通過溝槽柵拉伸至下層襯底層增加芯片耐壓；逆導(dǎo)型器件將IGBT與FRD同時集中于1塊芯片；較多IDM企業(yè)直接購買硅片制作外延或購買外延制作芯片；硅外延技術(shù)壁壘相對較低，廠商可自行生產(chǎn)或購買成品。

1.IGBT行業(yè)新興技術(shù)包括超級結(jié)技術(shù)與逆導(dǎo)技術(shù)。MOSFET分為溝槽型、屏蔽柵型以及超級結(jié)型。超級結(jié)型將其溝槽伸長至下1層結(jié)構(gòu)，其目的為增加耐壓，超級結(jié)型芯片最高達800-900V。針對超級結(jié)型芯片，MOS管電壓與RDS（ON）呈指數(shù)關(guān)系，RDS（ON）為導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電阻與耐壓2.5次方成正比，較高電壓損耗較大。

2.超級結(jié)型芯片通過溝槽柵拉伸至下層襯底層，其將耐壓2.5次方改為耐壓1.5次方，RDS（ON）損耗增長相對減緩。針對超級結(jié)型芯片，IGBT背面增加PE層，其增加電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)后從雙極性器件變?yōu)閱螛O性器件。

3.逆導(dǎo)型器件通過向IGBT P層注入少子，其將IGBT與FRD同時集中于1塊芯片。目前英飛凌與國內(nèi)廠商區(qū)分IGBT與FRD。

4.較多IDM企業(yè)直接購買硅片制作外延或購買外延制作芯片。士蘭微與華虹等企業(yè)針對8英寸IGBT不使用外延器件，其直接購買區(qū)熔硅襯底制作芯片，8英寸IGBT可使用外延技術(shù)。12英寸IGBT需增加硅制外延。

5.較少企業(yè)自行開展整體產(chǎn)業(yè)鏈，其包括硅襯底、外延、流片以及封裝。士蘭微針對部分器件自行制作外延，針對8英寸IGBT等無需外延器件，士蘭微與華虹直接購買區(qū)熔硅襯底制作芯片。IGBT無全產(chǎn)業(yè)鏈廠商，碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈廠商較多。

6.8英寸IGBT無需外延，其使用重摻雜區(qū)熔硅，區(qū)熔硅可制作尺寸上限為8英寸。

7.12英寸IGBT需增加外延，其使用硅制作外延，其為銅制。廠商針對12英寸IGBT可購買外延片。

8.硅外延技術(shù)發(fā)展時間較長，其技術(shù)壁壘相對較低，廠商可自行生產(chǎn)或購買成品，外延廠商使用HM與CVD等工藝設(shè)備制作外延。廠商針對8英寸IGBT具備2種方案，廠商可使用區(qū)熔硅代替外延，其可使用8英寸外延，此2種方案性能差異較小，其直接使用區(qū)熔硅工藝較簡便。士蘭微使用區(qū)熔硅制作8英寸IGBT。2019年底士蘭微投產(chǎn)12英寸IGBT產(chǎn)線。

IGBT制作流程中，離子注入背面是重要環(huán)節(jié)，需控制注入能量、濃度和均勻度。晶圓工藝難度主要在高能離子注入和切割，離子注入設(shè)備資金門檻較高，主要設(shè)備廠商為美國應(yīng)用材料。國內(nèi)廠商背板減薄與切割設(shè)備差異較小，主要采用傳統(tǒng)機械切割。激光退火技術(shù)相對較先進。較高電壓不代表較先進IGBT水平，需持續(xù)迭代優(yōu)化產(chǎn)品。

1.IGBT制作流程中，離子注入背面是重要環(huán)節(jié)，需控制注入能量、濃度和均勻度。晶圓工藝難度主要在高能離子注入和切割。拋光片經(jīng)過涂膠、成型以及光刻等環(huán)節(jié)，光刻工藝較重要，其涉及圖形與對齊。后期IGBT背面離子注入為全流程較重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)難度較高。廠商主要將離子注入背面，正面區(qū)熔硅已完成離子注入。

2.IGBT背面離子注入需控制注入能量，其注入能量較高則易打裂高速離子，注入能量較低導(dǎo)致注入深度不足，其無法達到性能要求。IGBT背面離子注入需控制注入濃度，廠商需通過實踐經(jīng)驗控制注入濃度，此濃度為各廠商工藝機密。IGBT背面離子注入需控制注入均勻度，注入均勻度較差導(dǎo)致性能降低。

3.晶圓工藝難度主要集中于高能離子注入與切割。切割技術(shù)難點與芯片厚度相關(guān)，比如750V車用硅芯片為50+μm，其切割過程中芯片較易碎裂。高能離子注入后激活對溫度控制要求較高，不同溫度會導(dǎo)致芯片性能發(fā)生較大變化，溫度控制情況下需控制電場強度。

4.針對離子注入存在設(shè)備資金門檻，其主要設(shè)備廠商為美國應(yīng)用材料，國內(nèi)廠商購買此類設(shè)備存在一定困難，其資金足夠情況下購買此類設(shè)備難度較低。積塔、華虹、中興、士蘭微以及中車已購置離子注入設(shè)備，其設(shè)備單價為6,000-7,000萬元。國外制裁重點為國內(nèi)先進工藝，其對工業(yè)器件制裁力度較低。

5.目前廠商主要通過設(shè)備解決背板減薄與切割難點，國內(nèi)廠商背板減薄與切割設(shè)備差異較小，其較多使用美國設(shè)備。切割設(shè)備主要采用傳統(tǒng)機械切割，其原因為激光切割產(chǎn)生高溫會對芯片造成燒傷點等影響。芯片背面減薄為摩擦過程中會產(chǎn)生裂片，同時其芯片易卷起。機械切割對技術(shù)要求較高，芯片與芯片間切割槽較大會浪費晶圓，切割槽較小會導(dǎo)致芯片崩邊。

6.激光退火與感應(yīng)加熱退火原理為激活離子，離子注入過程中產(chǎn)生較多缺陷，退火指通過紅外、激光以及感應(yīng)加熱方式對晶格進行重新排列。激光退火技術(shù)相對較先進，此類關(guān)鍵設(shè)備主要使用進口設(shè)備。激光退火與感應(yīng)加熱退火方式存在差異，激光退火從表面加熱，感應(yīng)加熱退火從內(nèi)部加熱，二者性能差異較小。

7.針對第7代IGBT，離子注入設(shè)備為關(guān)鍵，其注入計量控制、注入深度控制、退火激活、溫度控制以及電廠控制較重要，設(shè)備無法解決所有問題，其需要在設(shè)備基礎(chǔ)上進行較多測試迭代。較高電壓不代表較先進IGBT水平，需持續(xù)迭代優(yōu)化其產(chǎn)品。針對同1代IGBT，電壓等級第1位廠商位為中車，其有6,500V與4,500V電壓產(chǎn)品，其余廠商產(chǎn)品未達到此電壓等級。

IGBT封裝分為單管、模塊和IPM，單管封裝技術(shù)難度低，模塊封裝技術(shù)含量高，存在標(biāo)準(zhǔn)品和定制品，目前企業(yè)處于從單管向模塊發(fā)展階段。單管封裝為標(biāo)準(zhǔn)封裝，無定制品，各廠家封裝方式較統(tǒng)一；模塊電路涉及較多芯片，其芯片尺寸相比單管較大，易產(chǎn)生空洞，容易過熱導(dǎo)致出現(xiàn)性能問題。

1.IGBT封裝后主要分為單管、模塊以及IPM；單管指線路單個器件，其對應(yīng)IGBT內(nèi)部僅具備1個IGBT或IGBT與FRD；IGBT模塊在絕緣陶瓷基板基礎(chǔ)上粘貼較多芯片；IPM在IGBT單管或模塊基礎(chǔ)上添加驅(qū)動與保護。

2.單管塑封形式包括TO-247封裝與TO-263等，其封裝為3個腳或4個腳；單管IGBT背面分為2種，其中1種背面金屬導(dǎo)電，另1種背面使用塑殼封住金屬達到不導(dǎo)電效果，其散熱較差。

3.目前IGBT單管封裝為標(biāo)準(zhǔn)封裝，其無定制品，各廠家封裝方式較統(tǒng)一，其包括TO-253、TO-263、TO-247以及TO-244等；此類封裝在框架上貼芯片后使用環(huán)氧樹脂塑封，其技術(shù)難度較低，揚杰、新節(jié)能以及東威等各個廠家均有單管封裝。

4.IGBT模塊封裝具有一定技術(shù)含量，其涉及Bonding線、灌封、模塊內(nèi)部熱分布以及焊接等；模塊存在標(biāo)準(zhǔn)封裝與定制品，其標(biāo)準(zhǔn)品對標(biāo)英飛凌62mm與34mm等；目前較多企業(yè)處于從單管向模塊發(fā)展階段，比如新節(jié)能單管已銷售<10億元，其無在售模塊產(chǎn)品。

5.單管受封裝影響，其電流上限為100+A，電壓上限為1,700V，單管封裝導(dǎo)致芯片較小，其焊接較簡單；模塊電流上限為3,000+A，電壓上限為6,500V，模塊電路涉及較多芯片，其芯片尺寸相比單管較大，此類芯片焊接過程中易產(chǎn)生空洞，空洞區(qū)域不導(dǎo)熱，其容易過熱導(dǎo)致出現(xiàn)性能問題。

6.芯片下部DBC尺寸較大，部分DBC尺寸相比紅磚較大，其焊接過程中較容易產(chǎn)生空洞。焊料導(dǎo)熱系數(shù)較低，其為20+W/(m·K)，銅基板為400W/(m·K)，2者差異較大；焊層厚度較薄，其性能較好，同時較容易產(chǎn)生空洞，焊層厚度較厚，其導(dǎo)熱性較差。

7.IGBT模塊芯片較多導(dǎo)致模塊電流較大，其芯片間鍵合與Bonding工藝較重要。Bonding功率較大易導(dǎo)致芯片碎裂，Bonding功率較低易導(dǎo)致焊接牢固度較差。焊接過程中點與點間弧度較高會影響限電性能，弧度較低易發(fā)生拉扯。

8.IGBT封裝分為單管、模塊和IPM，單管封裝技術(shù)難度低，模塊封裝技術(shù)含量高，存在標(biāo)準(zhǔn)品和定制品，目前企業(yè)處于從單管向模塊發(fā)展階段。單管封裝為標(biāo)準(zhǔn)封裝，無定制品，各廠家封裝方式較統(tǒng)一；模塊電路涉及較多芯片，其芯片尺寸相比單管較大，易產(chǎn)生空洞，容易過熱導(dǎo)致出現(xiàn)性能問題。

IGBT與FRD并聯(lián)保護器件，F(xiàn)RD原附加值低，自行生產(chǎn)可能虧本；軟度高FRD需擴鉑技術(shù)成本高；IPM制作分MOS管與IGBT兩種，廠商自行生產(chǎn)電容等保護裝置成本低。

1.在應(yīng)用過程中，IGBT通過與FRD并聯(lián)保護器件，如電機等感性器件停車減速時產(chǎn)生能量，IGBT能量僅單向流動，反向電壓承受能力較弱，將能量回饋與再生能量通過FRD釋放。較多廠商購買FRD成品，如華虹與中車可生產(chǎn)IGBT，但無法生產(chǎn)FRD。部分廠商自行生產(chǎn)FRD，如揚杰具備生產(chǎn)IGBT與FRD的能力。

2.FRD原附加值較低，同時投入設(shè)備要求較高，廠商自行生產(chǎn)FRD可能造成虧本。普通FRD設(shè)備要求較低，但針對反向恢復(fù)時間與軟度要求較高的FRD，需加入擴鉑技術(shù)達到較高軟度，此過程中涉及2種設(shè)備價格較高。每月<1萬片F(xiàn)RD對應(yīng)資金投入為<10億元，<10萬片F(xiàn)RD對應(yīng)資金投入為10+億元。

3.軟度較低的FRD易震蕩且出現(xiàn)尖峰，與英飛凌性能相比較差；軟度較高FRD對設(shè)備要求較高，涉及擴鉑技術(shù)的設(shè)備成本較高。國內(nèi)FRD廠商較少，IGBT需求爆發(fā)后，F(xiàn)RD供不應(yīng)求；揚杰FRD性能較差。

4.IPM制作主要分為2種，其中1種使用5A、3A或2A MOS管與驅(qū)動保護，另1種使用15A或10A或20A的IGBT與驅(qū)動保護。斯達與比亞迪等部分廠商自行生產(chǎn)MOS管與IGBT，外采驅(qū)動與二極管；士蘭微等部分廠商自行生產(chǎn)驅(qū)動、保護、MOS管以及IGBT。

5.廠商自行生產(chǎn)電容等保護裝置成本較低，難點集中于廠商需量產(chǎn)此類保護裝置，同時廠商受限于技術(shù)成熟度。

國內(nèi)IGBT行業(yè)中，中車為高壓產(chǎn)品頭部廠商，其為汽車行業(yè)頭部廠商，比亞迪技術(shù)相對較落后，斯達IGBT應(yīng)用較多但產(chǎn)品迭代速度較慢，士蘭微產(chǎn)品迭代速度較快且性能較好，新長征定位于低端工業(yè)。各廠商第7代產(chǎn)品將在2023年中或年底進行量產(chǎn)，模塊工藝較好的廠商對應(yīng)單管技術(shù)較好。

1.中車為國內(nèi)IGBT行業(yè)高壓產(chǎn)品頭部廠商，可生產(chǎn)軌道與輸配電高壓產(chǎn)品。中車為最早切入與批量生產(chǎn)乘用車IGBT廠商，為汽車行業(yè)頭部廠商，乘用車領(lǐng)域認可度最高的供應(yīng)商，曾為小鵬、理想、長城以及東風(fēng)汽車供應(yīng)模塊。

2.比亞迪專注研究汽車行業(yè)與自用產(chǎn)品，技術(shù)相對較落后，但汽車應(yīng)用經(jīng)驗較豐富。比亞迪原產(chǎn)線為寧波中緯6英寸產(chǎn)線，僅能生產(chǎn)平面，對應(yīng)中車汽車產(chǎn)品迭代至4.5代，比亞迪迭代至2.5代，相差2代技術(shù)，導(dǎo)致其模塊較大，其他汽車廠商較少選擇其模塊。后期比亞迪與華虹合作流片后流出第4代產(chǎn)品，其性能參數(shù)相對較差。

3.斯達為早期頭部廠商，IGBT應(yīng)用較多，應(yīng)用行業(yè)涉及工業(yè)、家電、汽車以及風(fēng)電等。斯達劣勢為無自身晶圓線導(dǎo)致產(chǎn)品迭代速度較慢。2015年，IR被英飛凌收購后部分人員解散，斯達挖掘此類人員，推出其產(chǎn)品。斯達作為非IDM企業(yè)，后期迭代速度較慢，目前第7代產(chǎn)品處于實驗階段。

4.士蘭微作為IDM企業(yè)，產(chǎn)品迭代速度較快，為國內(nèi)最接近英飛凌的產(chǎn)品，性能較好。劣勢為進入IGBT領(lǐng)域時間較晚，可靠性與應(yīng)用經(jīng)驗相比斯達、中車以及比亞迪較少。領(lǐng)導(dǎo)層親自監(jiān)管IGBT產(chǎn)品，平均1周可迭代1次，各工序迭代出一定數(shù)量產(chǎn)品，可隨時從其中環(huán)節(jié)抽出產(chǎn)品向下生產(chǎn)。

5.新長征無產(chǎn)線與封裝廠，較難得到晶圓供貨，獲得較多低端晶圓。定位于電焊機于小變頻器等低端工業(yè)，競爭者較少，從中獲取部分市場。未來各廠商產(chǎn)能提高后，生存難度較高。

6.斯達與士蘭微等廠商實際量產(chǎn)第4代或第4.5代IGBT，第7代產(chǎn)品較早情況下在2023年中或年底進行量產(chǎn)。模塊工藝較好的廠商對應(yīng)單管技術(shù)較好。

7.國內(nèi)IGBT行業(yè)中，中車為高壓產(chǎn)品頭部廠商，比亞迪技術(shù)相對較落后，斯達IGBT應(yīng)用較多但產(chǎn)品迭代速度較慢，士蘭微產(chǎn)品迭代速度較快且性能較好，新長征定位于低端工業(yè)。各廠商第7代產(chǎn)品將在2023年中或年底進行量產(chǎn)，模塊工藝較好的廠商對應(yīng)單管技術(shù)較好。

IGBT硅與碳化硅技術(shù)相通度較高，但材料差異導(dǎo)致工藝差異。國內(nèi)企業(yè)較多選擇外采碳化硅外延片，全產(chǎn)業(yè)鏈廠商價格優(yōu)勢較大，因為碳化硅襯底與外延占總成本的75%。

1.IGBT硅與碳化硅均為MOSFET結(jié)構(gòu)，技術(shù)相通度較高。但是，硅與碳化硅材料差異導(dǎo)致工藝差異。廠商由IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅的難點主要集中于襯底與外延。外采襯底與外延后，設(shè)計難度較低，但后期工藝難度較高。

2.碳化硅工藝與硅工藝差異較小，包括高溫電場控制等。但碳化硅體積較小，導(dǎo)致設(shè)計難度提升。此外，碳化硅對溫度要求較高，需要2,400-2,500°C，而硅的溫度要求為2,000°C。

3.士蘭微等國內(nèi)企業(yè)較多選擇外采碳化硅外延片，采購廠商包括廈門瀚天等。這是因為國內(nèi)唯一的全產(chǎn)業(yè)鏈廠商為三安，全產(chǎn)業(yè)鏈廠商價格優(yōu)勢較大。碳化硅襯底與外延占總成本的75%是價格優(yōu)勢的原因。

4.碳化硅襯底與外延占總成本的比例為75%。這也是國內(nèi)唯一的全產(chǎn)業(yè)鏈廠商三安價格優(yōu)勢較大的原因。

5.國內(nèi)碳化硅外延片采購廠商包括廈門瀚天等。

6.廠商由IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅的難點主要集中于襯底與外延。外采襯底與外延后，設(shè)計難度較低，但后期工藝難度較高。

7.碳化硅對溫度的要求較高，需要2,400-2,500°C，而硅的溫度要求為2,000°C。

審核編輯：湯梓紅