IGBT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(qū)動式功率半導體器件。作為目前功率電子器件技術最先進的產(chǎn)品，IGBT已全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，廣泛應用于電力電子行業(yè)，是電力電子行業(yè)的“CPU”。 目前，國外IGBT技術與產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，中國仍不具備大批量自主生產(chǎn)IGBT的能力。在實施《中國制造2025》國家戰(zhàn)略的過程中，明確表示國產(chǎn)IGBT將擔當重任。國產(chǎn)IGBT廠商如何發(fā)力突破瓶頸？正在崛起的新能源市場是不是新的契機？《華強電子》邀請華虹宏力集成一部研發(fā)總監(jiān)楊繼業(yè)一起探討中國IGBT發(fā)展之道。

華虹宏力集成一部研發(fā)總監(jiān)楊繼業(yè)

?????國產(chǎn)IGBT萌芽 新能源汽車是“優(yōu)渥土壤”

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷捎肐GBT進行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點。目前，傳統(tǒng)IGBT市場已經(jīng)被歐美、日本國際巨頭占據(jù)，而新能源汽車的出現(xiàn)，對國產(chǎn)IGBT的崛起具有特殊的意義。

有數(shù)據(jù)顯示，2016年全球電動車銷量達到200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約消耗450美元，是電動車里除電池外最昂貴的部件。其中，混合動力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT，純電動車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，而大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

楊繼業(yè)認為，新能源汽車既是節(jié)能環(huán)保的迫切需求，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個突破口。IGBT作為新能源汽車動力、電源系統(tǒng)中的核心器件，將隨之迎來絕佳的發(fā)展機遇。第三方調(diào)研機構數(shù)據(jù)顯示，純電動汽車(EV)半導體元器件用量達到673美元，相較傳統(tǒng)汽車半導體用量的297美元增加了127%，其中大部分新增用量是功率器件。

據(jù)楊繼業(yè)介紹，在發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，至2020年，我國純電動汽車和插電式混合動力汽車年生產(chǎn)能力將達200萬輛，等效為8英寸IGBT晶圓年需求100萬片。受惠于新能源汽車及其配套設施發(fā)展，預計到2020年，中國IGBT銷售額將達近200億元。可見，新能源汽車帶給國產(chǎn)IGBT的發(fā)展機遇不言而喻。不過，目前國產(chǎn)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的搭建還不夠完善，與國際巨頭的技術差距仍較大。

楊繼業(yè)告訴記者，我國功率半導體與國外IDM廠商相比在設備投入上還有待加強，在器件設計、工藝技術方面仍有差距，供應鏈也不夠完善。究其原因，一是作為后進者，國內(nèi)IGBT缺乏時間考驗來建立品牌效應；二是IGBT國產(chǎn)化的進程開始得相對較晚，而且當時，市場應用前景還不太明朗，終端應用方案商對于推動IGBT技術國產(chǎn)化的意愿并不強，一直以來就只有少數(shù)幾家國外老牌的專業(yè)IGBT廠商占據(jù)著這一市場。從制造水平來看，華虹宏力場截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）技術參數(shù)可比肩國際領先企業(yè)，但想要全面提升國產(chǎn)IGBT實力，還需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的全面參與和共同努力。

中高壓IGBT小有突破 國產(chǎn)化替代初步開啟

業(yè)界人士均曉，IGBT的應用領域非常廣泛，按照電壓規(guī)格大致分為三個級別，一是600V以下，如數(shù)碼相機、汽車點火器等；二是600V到1700V，如白色家電、新能源汽車、太陽能逆變器等；三是1700V-6500V或以上，用于智能電網(wǎng)、軌道交通、風力發(fā)電等。目前，我國在不同的級別均有一些突破，國產(chǎn)化替代逐步開啟。

目前國內(nèi)有中車時代電氣、比亞迪、華虹宏力、士蘭微等廠商在開發(fā)IGBT技術，電壓涵蓋了600V-6500V。其中，華虹宏力 600V-1200V Trench FS IGBT技術已經(jīng)穩(wěn)定量產(chǎn)且性能達到國際主流水平，1700V以上產(chǎn)品也已經(jīng)陸續(xù)通過了技術評價工作，進入小批量試用階段。針對600V到1700V的消費類市場和初步工業(yè)類市場，國產(chǎn)IGBT已通過大量IGBT器件的穩(wěn)定應用逐步建立了品牌效應，有能力實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，如格力、美的、九陽等主流家電產(chǎn)品中都有華虹宏力的IGBT模塊。而針對汽車級IGBT產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)取得了一定成績，華虹宏力也正全力研發(fā)新能源車用IGBT技術。

楊繼業(yè)認為，車用半導體對可靠性都有著極高的要求，期望壽命在20年以上。應用于汽車的IGBT要滿足上萬次甚至百萬次的功率循環(huán)要求，還需在不同的環(huán)境和氣候下正常工作。若要保證車用IGBT模塊的性能和可靠性需求，還要配合先進的封裝結(jié)構和技術。具體而言主要有以下幾點要求：（1）開關損耗需降低，使馬達變得更小型、更輕巧，同時還需要在15-20KHz的頻率范圍（傳統(tǒng)為5-10KHz）工作。（2）減小寄生電感、電阻和熱阻，傳統(tǒng)打線可改善為燒結(jié)組合；（3）汽車作業(yè)溫度最低可達-40度，因此IGBT和二極管的BV需耐至更低溫度；（4）降低成本，重量及尺寸大小。

除了要解決車用IGBT高可靠性問題之外，減薄工藝、背面工藝是大功率器件特有的技術難題，這同樣是國內(nèi)IGBT制造廠商的發(fā)展瓶頸。楊繼業(yè)認為，由于薄片（60-120um）與普通產(chǎn)品（720um）相比的硅片形變（翹曲）非常嚴重，一開始只有極少數(shù)國外的設備廠商才能提供能夠?qū)崿F(xiàn)薄片加工的專用設備。面對此現(xiàn)實情況，華虹宏力開始梳理、研究薄片背面加工的突破口，利用現(xiàn)有正面加工設備的框架，自行設計一系列軟硬件改造，最終實現(xiàn)了利用在原有正面厚片離子注入設備上進行背面薄片離子注入的功能。

據(jù)記者了解，在02專項的支持下，華虹宏力陸續(xù)引入了Taiko減薄，實現(xiàn)了Wafer減薄能力從120um到60um的飛躍，成功配置了一整套IGBT超薄片背面工藝/測試生產(chǎn)線。目前，華虹宏力擁有國內(nèi)最全最先進的全套IGBT背面制程加工能力。其代工生產(chǎn)的600-1200V FS IGBT，無論是導通壓降、關斷損耗還是工作安全區(qū)、可靠性等均達到了國際領先水平，打破了國外大廠的壟斷。

總而言之，在IGBT關鍵技術和工藝上國內(nèi)廠商仍面臨不小的挑戰(zhàn)，特別是在減薄工藝、背面工藝等大功率器件技術難題上，仍要經(jīng)受巨大的設備投入和技術成熟度考驗。不過，在政策利好和新能源汽車市場的促進下，國產(chǎn)IGBT的春天已經(jīng)到來了，在消費類市場和初步工業(yè)類市場逐步形成了對國際巨頭的替代，在新能源汽車市場也已開始布局，這是一個向好的趨勢。

楊繼業(yè)認為，在政策上，國家意志正推動半導體產(chǎn)業(yè)的崛起。作為軌道交通、綠色能源中關鍵的功率半導體器件，IGBT得益于政策支持將獲得快速發(fā)展。目前，國產(chǎn)IGBT技術已經(jīng)完成了一定的技術積累及市場耕耘工作，首先會在民用消費類及初步工業(yè)類市場有突破性的發(fā)展，然后進入到新能源汽車領域，畢竟，中國是最大的新能源汽車市場，國內(nèi)廠商擁有得天獨厚的優(yōu)勢。

正如楊繼業(yè)所言，國內(nèi)IGBT廠商優(yōu)勢獨具。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，到2020年，我國純電動車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力要達到200萬輛，累計銷量超過500萬輛。《電動汽車充電基礎設施建設發(fā)展規(guī)劃》提出，到2020年我國充電樁要達到450萬個，充電站達到1.2萬座。IGBT模塊作為HEV/EV、充電樁的核心部件，存在巨大的市場空間。