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。

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》（以下簡(jiǎn)稱《藍(lán)皮書》）。

《藍(lán)皮書》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？