IGBT:走虛擬IDM之路 - 全文

　　目前我國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策及重大項(xiàng)目的推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下得到了迅速發(fā)展，呈現(xiàn)出大尺寸區(qū)溶(FZ)單晶材料、IGBT芯片工藝和IGBT模塊封裝技術(shù)全面蓬勃發(fā)展的大好局面。

　　我國(guó)IGBT成就顯著

　　天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司研制的6英寸FZ單晶材料已批量應(yīng)用，在國(guó)家“02”科技重大專項(xiàng)的推動(dòng)下，8英寸FZ單晶材料已取得重大突破;電磁灶用1200V NPT型IGBT已由多家企業(yè)(江蘇東光、華潤(rùn)華晶、山東科達(dá)等)批量供貨，這標(biāo)志著我國(guó)國(guó)產(chǎn)IGBT芯片打破了國(guó)外一統(tǒng)天下的局面;基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已研制出樣品，正進(jìn)行可靠性考核，4500V和6500V IGBT芯片研制也在積極推進(jìn)中;封裝技術(shù)取得重大進(jìn)展。株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司的IGBT功率模塊已在國(guó)內(nèi)地鐵及機(jī)車上裝車試運(yùn)營(yíng)，產(chǎn)品性能等同于國(guó)外產(chǎn)品，同時(shí)8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線也在建設(shè)中。中國(guó)北車集團(tuán)屬下的西安永電電氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)的6500V/600A IGBT功率模塊已成功下線，使其成為全球第四個(gè)、國(guó)內(nèi)第一個(gè)能夠封裝6500V以上電壓等級(jí)IGBT的廠家。此外，江蘇宏微的IGBT模塊已成功進(jìn)入電焊機(jī)市場(chǎng)，浙江嘉興斯達(dá)的IGBT模塊正積極向國(guó)外市場(chǎng)推廣。材料、設(shè)計(jì)、工藝和封裝是IGBT最重要的，其中最為核心的是設(shè)計(jì)和工藝。目前國(guó)內(nèi)還需在可靠性設(shè)計(jì)和工藝上、特別是與成本和性能密切相關(guān)的薄片工藝上努力探索。

　　雖然國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)近年來(lái)取得了重大進(jìn)展，但我們必須清醒地看到，國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)與國(guó)外還存在巨大差距。差距主要是在芯片生產(chǎn)技術(shù)方面，我們?cè)?00V～600V薄片F(xiàn)S(場(chǎng)阻)結(jié)構(gòu)IGBT芯片生產(chǎn)、高可靠高性能IGBT芯片技術(shù)、壓接式IGBT功率模塊生產(chǎn)技術(shù)等領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平還差之甚遠(yuǎn)。

　　應(yīng)積極發(fā)展寬禁帶器件

　　IGBT是中高功率應(yīng)用的主流，從2010年世界功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額可以明顯看出，IGBT以超過50%的增長(zhǎng)率高居功率半導(dǎo)體領(lǐng)域之首，并創(chuàng)記錄地達(dá)到32億美元的銷售額。2010年日本羅姆公司宣布量產(chǎn)SiC功率MOSFET，美國(guó)Cree公司隨后也宣布量產(chǎn)1200V SiC功率MOSFET。雖然SiC功率MOSFET性能較硅基IGBT更優(yōu)，但高昂的價(jià)格使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)難以取代IGBT。我們期待SiC MOSFET首先在汽車電子、工業(yè)應(yīng)用等有較大應(yīng)用市場(chǎng)而又對(duì)價(jià)格不太敏感的領(lǐng)域取得突破，從而進(jìn)一步帶動(dòng)SiC電力電子器件的發(fā)展。基于硅基襯底的GaN功率半導(dǎo)體器件是我看好的發(fā)展方向，但目前其主要問題是長(zhǎng)期可靠性難以實(shí)現(xiàn)。SiC電力電子器件在中高功率、GaN電力電子在1200V以下的中低功率和多功能集成領(lǐng)域具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

　　在此本人大力呼吁，雖然以SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)為代表的寬禁帶電力電子技術(shù)目前還處于發(fā)展初期，但我們必須高度重視，應(yīng)積極發(fā)展寬禁帶電力電子器件，否則我們將持續(xù)落后。

　　設(shè)計(jì)和加工緊密結(jié)合

　　目前國(guó)際IGBT的發(fā)展主流是8英寸芯片生產(chǎn)線。在國(guó)家2009年立項(xiàng)的“02”科技重大專項(xiàng)IGBT芯片項(xiàng)目中也明確要求發(fā)展8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線，并且以市場(chǎng)占有率為考核指標(biāo)。目前華虹NEC等8英寸生產(chǎn)線在IGBT研制中正取得重大進(jìn)展。但我國(guó)還需要在量大面廣的400V～600V薄片F(xiàn)S(場(chǎng)阻)結(jié)構(gòu)IGBT芯片生產(chǎn)和高可靠高性能IGBT芯片技術(shù)等領(lǐng)域加大投入和攻關(guān)力度?？傊?，市場(chǎng)占有率才是根本。

　　IGBT的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為薄片、場(chǎng)阻型(FS)、更小元胞的溝槽柵單元(Cell)、以載流子注入增強(qiáng)和載流子存儲(chǔ)層為代表的載流子分布優(yōu)化技術(shù)、以逆導(dǎo)(RC)型IGBT為代表的集成技術(shù)。國(guó)際主流IGBT生產(chǎn)企業(yè)均是IDM企業(yè)，并朝8英寸生產(chǎn)線發(fā)展。IGBT的特點(diǎn)是系統(tǒng)應(yīng)用、器件設(shè)計(jì)和工藝加工密切結(jié)合。國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體IDM企業(yè)的生產(chǎn)能力有限，先進(jìn)的工藝在制造廠那邊，而絕大部分系統(tǒng)廠家還沒有能力獨(dú)立發(fā)展功率半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)線。因此目前國(guó)內(nèi)發(fā)展IGBT應(yīng)以先進(jìn)工藝為基礎(chǔ)，走“虛擬IDM”方式，充分結(jié)合終端用戶，走產(chǎn)學(xué)研發(fā)展之路，發(fā)揮市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，走出中國(guó)特色，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，使我國(guó)最終發(fā)展成為全球功率半導(dǎo)體的研發(fā)生產(chǎn)大國(guó)。

　　專家觀點(diǎn)

　　北京工業(yè)大學(xué)電子工程系博士生導(dǎo)師亢寶位

　　“我國(guó)IGBT的設(shè)計(jì)與加工是分離還是統(tǒng)一?應(yīng)早日形成共識(shí)以免浪費(fèi)資源?！?/p>

　　作為半導(dǎo)體器件主體的微電子器件已經(jīng)發(fā)展成為兩大分支：半導(dǎo)體集成電路和半導(dǎo)體功率器件。前者用于信息處理，后者用于能量(電能)處理。1980年之后國(guó)際上主流的半導(dǎo)體功率器件由可控硅發(fā)展為更先進(jìn)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT). 它用起來(lái)更簡(jiǎn)單方便，用它制造的電力裝置體積小、重量輕、成本低、更節(jié)能。我國(guó)對(duì)其重要性認(rèn)識(shí)較遲，落后于國(guó)際約20年才起步，2005年之后才逐步提上日程，重點(diǎn)加以提倡和扶持。

　　目前我國(guó)IGBT(含配套的超快FRD)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是：在封裝方面，通過自己開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，已經(jīng)解決了電壓可達(dá)6500KV、電流可達(dá)幾千安培的IGBT功率模塊封裝(內(nèi)含F(xiàn)RD)的批量生產(chǎn)技術(shù);在芯片方面，已經(jīng)開發(fā)出耐壓1700V以下(含1700V)的IGBT和超快FRD。

　　目前我國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)存在的主要問題是：一是芯片國(guó)產(chǎn)化還沒有真正解決。耐壓高于1700V的產(chǎn)品有待開發(fā);耐壓低于(含)1200V的產(chǎn)品有待用戶考驗(yàn)，改進(jìn)質(zhì)量才能達(dá)到市場(chǎng)大批量接納水平，這還需一段不短的磨合過程;二是我國(guó)自產(chǎn)的IGBT芯片技術(shù)還基本采用國(guó)際上1980年代末期推出的NPT-IGBT技術(shù)，其后國(guó)際上出現(xiàn)了更先進(jìn)的產(chǎn)品，如溝槽柵FS-IGBT、表面載流子濃度增強(qiáng)IGBT等，我國(guó)還沒有開發(fā)成功或者還沒有開始開發(fā);三是IGBT模塊封裝用的關(guān)鍵零部件還需進(jìn)口;四是更優(yōu)越的、以SiC為代表的新材料IGBT的研發(fā)才剛剛開始納入重點(diǎn);五是國(guó)際上IGBT的生產(chǎn)高度集中于少數(shù)幾家大公司，他們采用互不相同的、獨(dú)有的器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)，中國(guó)需要?jiǎng)?chuàng)造出自己的IGBT制造技術(shù)才能獨(dú)立生存，否則就只能生產(chǎn)落后的產(chǎn)品或者向外國(guó)公司支付高額的技術(shù)費(fèi)用。

　　除以上技術(shù)問題外，還有產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行機(jī)制問題。在國(guó)外，IGBT產(chǎn)業(yè)與集成電路產(chǎn)業(yè)是完全不同的。集成電路產(chǎn)業(yè)是設(shè)計(jì)與加工分離，由專門的設(shè)計(jì)公司進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和專門的代工企業(yè)進(jìn)行制造，電路中晶體管的器件設(shè)計(jì)和加工技術(shù)都同屬于代工企業(yè)，但是國(guó)外各大公司IGBT的設(shè)計(jì)與制造卻是不分離的。這是因?yàn)镮GBT本身只是一個(gè)器件，沒有電路，所以不存在電路設(shè)計(jì)問題。此外各大公司IGBT的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也各不相同，都有自己的技術(shù)秘密，不便于統(tǒng)一代工。我國(guó)IGBT的設(shè)計(jì)與加工是分離還是統(tǒng)一?應(yīng)早日統(tǒng)一認(rèn)識(shí)以免浪費(fèi)資源。

　　我國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但要在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，還有很長(zhǎng)的路要走，可能需要十幾年或幾十年的時(shí)間，還需要本行業(yè)腳踏實(shí)地的長(zhǎng)期努力和政府長(zhǎng)期持續(xù)的扶持。

　　江蘇宏微科技有限公司總裁趙善麒

　　“下一步要取得更大的發(fā)展，需從整個(gè)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈方面考慮如何加強(qiáng)和提升IGBT器件的水平?！?/p>

　　與國(guó)外相比，目前國(guó)內(nèi)IGBT產(chǎn)品的品種方面還不完善，特別是在芯片產(chǎn)品方面;高電壓(1700V以上)產(chǎn)品還是空白;高壓1200V以上高壓IGBT的區(qū)熔單晶也基本是空白，國(guó)內(nèi)尚無(wú)Field Stop工藝平臺(tái)。宏微科技用其專有的NPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Field Stop技術(shù)的特性。國(guó)內(nèi)Trench IGBT仍在開發(fā)中，尚無(wú)商品化的產(chǎn)品，需要在正面的Trench工藝、背面的減薄和離子注入工藝上下工夫。

　　雖然目前硅是IGBT的主流，SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)也開始有所應(yīng)用。SiC目前比較成熟的器件主要是SiC二極管，MOSFET也逐漸投向市場(chǎng)，但是IGBT應(yīng)用還遙遙無(wú)期。GaN目前主要產(chǎn)品也是二極管和LED。

　　最近中國(guó)大陸投資興建了IGBT 8英寸芯片生產(chǎn)線、中科院微電子所超高壓IGBT6500V阻斷電壓成功等，表明我國(guó)IGBT領(lǐng)域已取得了一定的進(jìn)展。下一步要取得更大的發(fā)展，就要從整個(gè)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈方面考慮如何加強(qiáng)和提升IGBT器件的水平，如原材料、制造工藝、制造設(shè)備、測(cè)試和可靠性技術(shù)，以及應(yīng)用拓展、人才培養(yǎng)等。

　　未來(lái)溝槽柵、高壓和場(chǎng)截止型(FS)將代表IGBT的發(fā)展趨勢(shì)，但是在許多細(xì)節(jié)方面(設(shè)計(jì)和工藝)需要考慮如何進(jìn)一步改善IGBT的性能。要制造出性價(jià)比更高、可靠性相當(dāng)?shù)腎GBT器件和模塊，需要攻克的難點(diǎn)涉及整個(gè)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的問題，包括材料、制造工藝、制造設(shè)備和可靠性技術(shù)的提升等。