我國IGBT的產業現狀和發展

武祥

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600 V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

1 功率器件

IGBT是功率器件技術演變的最新產品，是未來功率器件的主流發展方向。其產品集合了高頻、高壓、大電流三大技術優勢，能夠實現節能減排，具有很好的環境保護效益。IGBT被公認為是電力電子技術第三次革命最具代表性的產品，是未來應用發展的必然方向。IGBT可廣泛應用于電力領域、消費電子、汽車電子、新能源等傳統和新興領域，市場前景廣闊。其廣闊的應用空間推動中國IGBT市場高速增長。龐大的市場基礎與需求方對IGBT技術國產化的迫切需求共同推動中國本土企業的技術創新。

世界上最早的半導體器件是整流器和晶體管，當時并沒有功率半導體或微電子半導體之分。1958年，我國開始了第一個晶閘管研究課題(當初稱為PNPN器件)。在大致相似的時間里，集成電路的研究也逐步開始。從此半導體器件向兩個方向發展。前者成為電力電子學的基礎，后者則發展并促成了微電子及信息電子學。

1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被引入到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

20世紀80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬—氧化物—半導體）工藝被采用到IGBT中來。在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延技術的進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規則從5 μm先進到3 μm。

20世紀90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結構。在這種溝槽結構中，實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。

1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現，它采用了弱穿通（LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。此后，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優化。

從2007年開始上市的新一代NX系列IGBT模塊，采用統一的封裝和功率芯片，其端子和電路結構具有前所未有的靈活性。在NX系列開發的第一階段，采用的第五代載流子存儲式溝槽型雙極型晶體管（CSTBT）硅片技術實現了高性能。在NX系列開發的第二階段所采用的1.2 kV第六代IGBT硅片技術，第六代IGBT模塊進一步提高了效率，并降低了噪聲，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。從而拓寬了客戶的應用范圍，成為IGBT發展熱點。

21世紀前后，功率半導體器件的發展又進入了和集成電路結合愈來愈緊密的階段，功率MOSFET器件的生產工藝、封裝技術都與微電子技術和集成電路的發展保持一致：制造工藝采用集成電路的硅平面工藝：加工精度由幾微米迅速轉向亞微米甚至深亞微米：并開始采用集成電路先進的封裝技術等。從而使器件性能得到了很大程度上的提高。現在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路,其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

2 功率半導體器件與電力電子

微電子技術是對信號的處理和轉換，可以提高人們的工作效率和生活質量；而電力電子是對電能的控制和變換，可以提高用電效率和改善用電質量，也是工業化和信息化融合的關鍵技術。電力半導體器件和集成電路在國民經濟發展中地位同樣重要，兩者相輔相成。

電力電子技術就是使用電力半導體器件對電能進行變換和控制的技術，它是綜合了電子技術、控制技術和電力技術而發展起來的應用性很強的新興學科。隨著國民經濟的不斷發展，電能的應用已經普及到社會生產和生活的方方面面，現代電力電子技術無論對傳統工業的改造還是對高新技術產業的發展都有著至關重要的作用，它涉及的應用領域包括國民經濟的各個工業部門。毫無疑問，電力電子技術正在成為21世紀的重要關鍵技術之一。在當今急需節能降耗的工業領域里起到了不可替代的作用；而IGBT在諸如變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關器件。

電力電子器件經過幾十年的發展，基本上都表現為對器件結構原理和制造工藝的改進和創新，在材料的應用上始終沒有突破硅的范圍。隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐步趨于其理論極限。而現代電力電子技術的發展卻不斷對電力電子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和頻率得到更高程度的兼顧。因此，越來越多的電力電子器件研究工作轉向了對應用新型半導體材料制造新型電力電子器件的研究。

3 IGBT功率模塊

由于大量集成電路進入了功率半導體器件，因而考慮把集成電路和功率半導體器件做在同一個芯片或器件中的思路自然就發展了。做在同一芯片中，原來就是功率集成電路的概念，但其功率比較小。而做在同一包裝中，功率容量易于增大，一些無源元件也有可能埋入，在這兒常稱為多芯片模塊(MCM)。它將功率器件，控制用的集成電路，或再加上脈寬調制(PWM)的集成電路，按電源設計的需要，用BGA的封裝技術組合在同一個器件中。這種多芯片的器件大大簡化了電源設計人員的工作。減小了元件數及所占的面積，性能上也有了很多改進。iPOWIR的發展，被認為是DC-DC變換的未來。但實際上，在其他各種應用領域，只要有進一步集成化的要求，MCM的結構都會出現并且會愈來愈多。所以它將是整個功率半導體器件的重要發展方向。

IGBT模塊和IPM功率模塊主要用來支撐新能源動力及控制系統、白色家電產品，是混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、冰箱、空調等產品的動力組件，具有廣闊的市場前景。功率半導體器件可分為三大部分，即雙極性器件為主的傳統功率半導體器件，以MOSFET和IC為主的現代功率半導體器件，和在前兩者基礎上發展起來的特大功率器件。

IPM功率模塊由高速低功耗的IGBT管芯和優化的柵極驅動電路以及快速保護電路組成。模塊內部使用高熱導絕緣硅凝膠進行灌封，滿足主電路所有芯片絕緣、防潮、導熱的需要。外部使用環氧樹脂進行澆注，實現上下殼體的牢固聯結，以達到較高的防護強度和氣閉密封。此外，控制端子與主電路采用電氣隔離，能非常方便地實現模塊間的隨意串并聯，是制造大功率控制設備的必備元件。

當今以IGBT及IPM功率模塊為代表的新型電力電子器件是高頻電力電子線路和控制系統的核心開關元器件，它的性能參數直接決定著電力電子系統的效率和可靠性。大功率IGBT及IPM模塊將提高我國電力電子技術的技術水平，為新能源汽車、白色家電等行業提供可靠性好、性價比高的電子器件，對于新能源汽車和高效家電產品的發展起著顯著推動作用，對于促進上述行業節能環保具有十分重要的意義。

4 IGBT產業現狀

4.1 國外現狀

國際上，IGBT行業領先的公司主要有：

美國國際整流器公司 (IR)：為全球功率半導體和管理方案領先廠商。IR的模擬及混合信號集成電路、先進電路器件、集成功率系統和器件廣泛應用于驅動高性能計算機及降低電機的能耗，是眾多國際知名廠商開發下一代計算機、節能電器、照明設備、汽車、衛星系統、宇航及國防系統的電源管理基準。

意法半導體（STMicroelectronics）：為世界第五大半導體公司，2010年凈收入103.5億美元。為世界第一大專用模擬芯片和電源轉換芯片制造商，世界第一大工業半導體和機頂盒芯片供應商，在分立器件、手機相機模塊和車用集成電路領域居世界前列。標準產品包括分立器件如晶體管、二極管與晶閘管；功率晶體管如MOSFET、IGBT等。

賽米控(Semikon)：成立于1951年，總部位于德國，是二極管/晶閘管市場的領導者，占有全球34%的份額，擁有兩萬一千多種不同的功率半導體器件，產品涵蓋了芯片、分離二極管/晶閘管、功率模塊（IGBT/MOSFET/二極管/晶閘管）、驅動電路、保護元件以及集成電子系統。

飛兆（Fairchild）：一家以應用主導和解決方案為基礎的半導體供應商，為消費、通信、工業、便攜、計算機和汽車系統提供業界最先進的半導體和封裝技術、制造能力和系統專業技術。其在功率半導體領域全球市場份額排名第一，提供采用前沿工藝和封裝技術的功率半導體產品，利用先進的工藝和封裝技術，將功率模擬、功率分立及光電子功能集成到創新的封裝中，從而提高產品效能，縮短高效能產品上市時間。

富士電機(Fuji)：主要產品包括自動售貨機、工廠自動化設備、電源設備、半導體、集成電路等信息電子零部件。主要生產和銷售 IGBT、MOSFET等功率半導體，特別是在工業驅動用IGBT組件領域的市場份額排名世界第三位，市場占有率高達30%。

在低功率IGBT領域，摩托羅拉、ST半導體、三菱等公司推出低功率IGBT產品，應用范圍一般都在600 V、1 kA、1 kHz以上區域。

在設計600～1 200 V的IGBT時，NPT-IGBT可靠性最高，正成為IGBT發展方向。西門子公司可提供 600 V、1 200 V、1 700 V系列產品和 6 500 V高壓IGBT，并推出低飽和壓降DLC型NPT-IGBT，依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT-IGBT及其模塊系列，富士電機、摩托羅拉等在研制之中。

在SDB——IGBT產品方面，三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接鍵合)技術，在IC生產線上制作第四代高速IGBT及模塊系列產品，特點為高速，低飽和壓降，低拖尾電流，正溫度系數易于并聯，在600 V和1 200 V電壓范圍性能優良，分為UF、RUF兩大系統。

IR公司推出的iPOWIR是一種典型的多芯片模塊。它將功率器件，控制用的集成電路，或再加上脈寬調制(PWM)的集成電路，按電源設計的需要，用BGA的封裝技術組合在同一個器件中。這種多芯片的器件大大簡化了電源設計人員的工作。減小了元件數及所占的面積，性能上也有了很多改進。iPOWIR的發展，被認為是DC-DC變換的未來。但實際上，在其他各種應用領域，只要有進一步集成化的要求，MCM的結構都會出現并且會愈來愈多。所以它將是整個功率半導體器件的重要發展方向。

4.2 國內現狀

政策的扶持為IGBT的發展提供了明確的方向和有力的推動。2010年發改委高技［2010］614號文加大了對IGBT等電力電子器件的支持。文件明確支持MOSFET、IGBT等量大面廣的新型電力電子芯片和器件的產業化。強調重點解決芯片設計，制造和封裝技術進步的問題，包括結構設計，可靠性設計等。當前我國IGBT產業在國家政策及重大專項的推動及市場牽引下得到了迅速發展，呈現出大尺寸區溶(FZ)單晶材料、IGBT芯片工藝和IGBT模塊封裝技術全面蓬勃發展的大好局面。

4.2.1 晶體材料

目前國內多晶硅產能上萬噸，生產廠商超過10家，多晶硅生產技術也取得長足進步。新光硅業通過改良西門子工藝技術，已具備了多項世界先進技術。

天津中環半導體股份有限公司研制的6英寸FZ單晶材料已批量應用，在國家“02”科技重大專項的推動下，200 mm（8英寸）FZ單晶材料已取得重大突破。

4.2.2 功率器件

南車時代2008年通過并購加拿大Dynex公司，利用外部資源擁有了生產大功率IGBT、高壓電力電子組件等產品的技術和能力。其為高速鐵路生產的IGBT，已經通過7MW變流器機組試驗，為特高壓直流輸電工程生產的150 mm(6英寸)高壓晶閘管也已投入使用。

中國北車股份公司旗下的永濟電機公司2011年12月23日在西安發布了其自主研發的11種IGBT新產品2011年12月14日從新建成的IGBT封裝線下線的消息。具有世界最先進水平的首批最大功率IGBT產品成功下線，使企業繼瑞士ABB、德國英飛凌和日本三菱之后成為世界第四個、國內第一的能夠封裝6 500 V以上電壓等級的IGBT廠家(電壓等級最高，各項技術參數與國際標準相同)。標志著我國IGBT高端器件產業化實現了重大突破。

4.2.3 IGBT模塊封裝

國內已具備生產大功率IGBT模塊的能力。

2011年3月，在國家02專項的資金支持下，上海華虹NEC與中科院微電子研究所合作開發的6 500 V TrenchFS(溝槽型場終止)IGBT取得了階段性的突破，使國內自主高壓高功率IGBT芯片從設計到工藝開發的整體貫通邁上一個新臺階。

2011年5月中國南車大功率IGBT產業化基地奠基，標志著我國首條200 mm(8英寸)IGBT芯片生產線項目正式啟動。項目總投資約14億元。項目設計年產IGBT8英寸芯片12萬片、IGBT模塊100萬只，填補了國內相關技術領域的空白。200 mmIGBT芯片和IGBT模塊生產線投入后，將使中國南車成為國內掌握IGBT芯片設計、芯片制造、模塊封裝、系統應用的完整產業鏈企業。

嘉興斯達半導體有限公司針對工業應用中的中壓大功率驅動市場，推出了1 700 V、2 500 V中大功率模塊產品，其電流最高可達3 600 A。

科達半導體有限公司是科達股份與美國STP技術公司共同投資成立的合資企業，其直接利用國際先進的技術，生產高端產品。

4.3 市場

目前我國市場需求的IGBT新型電子電力器件90%主要依賴進口，國內市場主要被歐美、日本企業所壟斷。SEMIKRON、EUPEC、三菱、Sanken、飛兆、富士、IR、東芝、IXYS、ST是國內IGBT市場銷售額排名前10位的企業。高鐵、智能電網、新能源與高壓變頻器領域所用IGBT模式均在6500V以上規格產品，技術壁壘較強。表1給出了2005年-2010年全球不同國家的大功率半導體市場分布。表2給出了2005年-2010年中國不同種類的大功率半導體市場規模。

表1 2005年-2010年全球不同國家的大功率半導體市場分布億元

表2 2005年-2010年中國不同種類的大功率半導體市場規模億元

中國功率半導體市場在未來幾年里將繼續保持增長。IGBT是超高壓直流輸變電技術、特高壓交流輸電技術的核心元器件。智能電網對IGBT需求量每年可達4億元，IGBT將直接受益于其巨大的市場需求，智能電網的大規模實施將實現中國IGBT和智能電網的“雙贏”。高速鐵路領域是IGBT另一個巨大的需求市場，未來三年中國高速鐵路需完成1萬公里的里程建設，根據預測，僅高鐵領域每年對IGBT的市場需求達3億元。預計全球大功率電力電子市場增量的40%在中國，另外30%在歐洲，20%在美國，其他10%。

5 差距與方向

根據功率半導體的工作特點，既希望器件能有較高的電壓，又希望有較低的內阻或壓降。IGBT的發展趨勢可以歸納為薄片、場阻型((FS)、更小元胞的溝槽柵單元、以載流子注入增強和載流子存儲層為代表的載流子分布優化技術、以逆導(RC)型IGBT為代表的集成技術等。雖然國內IGBT行業近年來取得了較大進展，但在芯片生產技術方面尚存在很大差距。

5.1 差距

5.1.1 主要技術差距

目前國內在IGBT芯片技術方面，高電壓(1700V以上)產品還是空白，因正面的Trench溝道柵工藝以及背面的減薄和離子注入工藝尚不完善，所以Trench IGBT尚無商品化的產品。另外，高壓1200V以上高壓IGBT的區熔單晶也基本處于空白狀態。

5.1.2 發展模式

國際上IGBT產業發展走的是設計制造一體化的模式。一是因為IGBT本身只是一個器件，沒有電路，所以不存在電路設計問題。二是各大公司IGBT的設計與制造技術也各不相同，都有自己的技術秘密，不便于統一代工。國內目前是依托在集成電路的模式基礎上發展IGBT，IGBT的特點是系統應用、器件設計和工藝加工密切結合，而絕大部分系統廠家還沒有能力獨立發展功率半導體芯片生產線。

5.2 方向

5.2.1 產業鏈的完善

要制造出性價比更高、可靠性相當的IGBT器件和模塊，需要攻克的難點涉及整個IGBT產業鏈的問題，包括材料、制造工藝、制造設備和可靠性技術的提升等。

5.2.2 選擇新的切入點

化合物半導體等新材料的應用將把IGBT產業引入一個新的競爭平臺，我國企業將與外國企業處于同一起跑線。在傳統硅基IGBT產品領域，歐美和日本的公司已經在過去20多年中產生了很多專利，從而形成技術壁壘。但以化合物半導體等新材料為基礎的IGBT將產業引入一個新的技術平臺。采用碳化硅等新材料的半導體器件，具有無需冷卻裝置等性能優勢正逐漸引起業界關注，在新材料形成大規模應用前夕積極開發將有望實現技術追趕。

5.3 措施

5.3.1 應積極發展寬禁帶器件

目前硅材料是IGBT的主流，以SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)為代表的寬禁帶電力電子技術目前還處于發展初期，但從戰略上考慮必須給以高度重視。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，但IGBT應用還距離較遠。GaN目前主要產品也是二極管和LED。應重點關注幾個方向：

SiC MOSFET應首先在汽車電子、工業應用等有較大應用市場而又對價格不太敏感的領域取得突破，從而進一步帶動SiC電力電子器件的發展。

基于硅基襯底的GaN功率半導體器件的長期可靠性問題。

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域的發展優勢。

5.3.2 進一步關注IGBT產業化

鑒于IGBT在大電流、高電壓、高頻和高可靠性等方面的要求，需要本行業腳踏實地的長期努力和政府長期持續的扶持，特別是加強對IGBT的柵極形成、隔離、背面減薄和注入工藝等技術研發的支持力度。

針對IGBT的產業特點，必須運用系統工程打造產業化體系。在芯片制造領域，應充分利用國內已有的IC和分立器件生產線，補充必要的生產設備；在封裝領域，應重點發展單管大尺寸封裝(TO-220以上)、標準功率模塊、智能化功率模塊和用戶定制功率模塊；在測試領域，應發展新型器件的動靜態特性測試、可靠性試驗及失效分析手段；在原材料領域，應重點發展高阻外延單晶、區熔單晶和磁場直拉單晶；在設備領域，應重點發展大面積減薄、微細刻蝕、大束流離子注入等設備；針對應用特性，應重點研究器件和電路接口方面的技術問題，如驅動和保護電路的設計等；針對人才培養，短期可以從國外引進一批有著豐富實踐經驗的高層次技術人才，長期則需要在國內高校培養新型電力半導體器件的設計和制造人才。

[1] 趙善麒，陸劍秋，畢克允.IGBT核心技術及人才缺失，應加快打造產業化體系[N].中國電子報2009-12-15(4).

[2] 朱英文.為什么市場上沒有國產的IGBT芯片?[EB/OL].http://www.p-e-china.com/neir.asp?Newsid=5865，2012-4-9 11:41:24.

[3] 甘祥彬，崔楊.大功率IGBT驅動技術的現狀與發展[J].變頻器世界，2007(10)：35-39.

[4] 邱罡，孟昭莉，張沈偉，許李彥，等.中國半導體產業或將踏入戰略機遇期[N].中國工業報，2011-1-13(A02).

[5] 江興.GBT芯片和IGBT模塊封裝技術全面蓬勃發展[J].半導體信息，2012(2)：35-38.