IGBT核心技術及人才缺失 工藝技術缺乏

新型電力半導體器件的代表，IGBT的產業(yè)化在我國還屬空白。無論技術、設備還是人才，我國都處于全方位的落后狀態(tài)。應當認識到，電力半導體器件和集成電路在國民經濟發(fā)展中地位同樣重要，因此，政府應該對IGBT產業(yè)予以大力扶持。

　? 　眾所周知，電力電子技術可以提高用電效率，改善用電質量，是節(jié)省能源的王牌技術。當今以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的新型電力半導體器件是高頻電力電子線路和控制系統(tǒng)的核心開關元器件，它的性能參數將直接決定著電力電子系統(tǒng)的效率和可靠性。IGBT已成為新型電力半導體器件的代表性器件，對大功率高頻電力電子裝置和系統(tǒng)的技術發(fā)展起著十分重要的推動作用。

　　? 認識不足導致IGBT受冷落

　　? IGBT的產業(yè)化在我國還屬空白。雖然國家在“八五”和“九五”期間分別立項支持了IGBT的研發(fā)和產業(yè)化，但是由于各種客觀原因，這些攻關的成果只是做出了技術樣品，而沒能把技術樣品變?yōu)楣こ?a target="_blank">產品并且實現(xiàn)產業(yè)化生產。

　? 　很長時間以來，在半導體行業(yè)中有相當一部分人認為我們國家已掌握了0.15微米、8英寸的集成電路技術，IGBT的0.5微米、6英寸的技術應沒有太大難度。事實上它們的差別在于：集成電路的技術難點在于拓撲結構及版圖設計，其生產工藝較為規(guī)范化和標準化，只要版圖設計好了，在一條常規(guī)的線寬合適的IC流水線上流片應不會有太大的問題;而IGBT正好相反，其設計技術相對而言不太復雜，但由于其大電流、高電壓、高頻和高可靠的要求，加工工藝十分特殊和復雜。目前，全國還沒有一條較完備的IC工藝線可以從頭到尾完成IGBT的生產。另外，對于不同電壓等級和頻率范圍的IGBT，其主要工藝也有較大差異，從而增加了IGBT生產的特殊性和復雜性。

　　? 我國的IGBT器件之所以沒能最終實現(xiàn)產業(yè)化還有一個重要原因是缺少產業(yè)化的技術經驗和人才。隨著近幾年來海歸派回國創(chuàng)業(yè)，這一狀況在某種程度上得到了改善。此外，國內高校和研究機構的興趣大多轉移到SiC和GaN寬禁帶半導體器件及電源管理芯片方向，目前國內只有兩三家高校及院所還在進行與IGBT器件相關的研發(fā)，并且主要限于計算機仿真研究。這就導致了我國在IGBT設計和研發(fā)方面的人才奇缺。

　? 　缺少核心產業(yè)化技術

　　? IC的電熱學特點是電流小、電壓低、對散熱沒有太高要求，因此，IC的工藝特點是淺結、薄膜和片厚。而IGBT正好相反，其特點是電流大、電壓高和頻率高，因此對散熱的要求非常高，這樣，就必然導致IGBT的工藝特點是結深、膜厚和片薄。另外，應用系統(tǒng)對IGBT器件的可靠性要求也很高。

　　? 為了實現(xiàn)大電流，IGBT采用了多原胞并聯(lián)技術，每個原胞的開通和關斷性能要求高度一致，因此，要求IGBT的工藝一致性也很高。而且，為了盡量減少IGBT的并聯(lián)個數，希望IGBT在有源區(qū)面積一定的情況下其電流容量越大越好，即器件的電流密度越高越好。

　　? 為了實現(xiàn)高電壓，在IGBT芯片上采用了高壓終端技術及鈍化技術。終端的面積約占IGBT芯片總面積的20%。另外，有些應用場合還需將幾個IGBT進行串聯(lián)以滿足耐壓要求，IGBT的串聯(lián)技術必須考慮動態(tài)均壓問題，從而對IGBT的工藝和參數控制的一致性要求也較高。為了提高器件的工作頻率，需要對IGBT漂移區(qū)厚度、結構、少子壽命及集電極發(fā)射效率進行精確的控制。為了提高散熱效率，除了盡可能地降低器件的通態(tài)和開關損耗之外，還需要對IGBT芯片進行減薄。另外，IGBT的封裝材料和工藝對其散熱效率的影響也很明顯。

　　? 針對上述IGBT器件的特點，國內缺少此類器件的產業(yè)化設計、生產、封裝、測試和可靠性試驗等一套完整的技術。即使有些部門掌握了部分技術，但也不系統(tǒng)、不完整。而國外公司在IGBT的產業(yè)化技術方面對我國還是實行嚴密的封鎖政策。這就嚴重制約了IGBT器件在我國的產業(yè)化發(fā)展。

???國內目前的半導體生產線絕大多數是IC產品生產線，少數分立器件的生產線也主要生產常規(guī)三極管和肖特基二極管，缺少IGBT所需要的柵極形成、隔離、背面減薄和注入工藝等技術。

　　? 政策應加大扶持力度

　　? 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(yè)化和信息化融合的關鍵技術。集成電路和電力半導體器件在國民經濟發(fā)展中地位同樣重要，兩者相輔相成。然而，同樣重要的技術并沒有得到同樣的重視，國家在2000年出臺了18號文件，重點支持集成電路和軟件技術的發(fā)展，沒有將新型電力半導體器件列入其中。國家十一五重大專項中，新型電力半導體器件又未能進入支持目錄。

　　? 針對IGBT產業(yè)，必須運用系統(tǒng)工程打造產業(yè)化體系。在設計領域，應重點利用海歸技術人員所掌握的國際先進技術和國內部分高校和研究所的前期經驗;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(fā)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(fā)展新型器件的動靜態(tài)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(fā)展高阻外延單晶、區(qū)熔單晶和磁場直拉單晶;在設備領域，應重點發(fā)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(yǎng)，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(yǎng)新型電力半導體器件的設計和制造人才。

　? 　根據我國IGBT產業(yè)化的特點和需要，在產業(yè)化的進程中要給予相關政策支持，如政府采購、財政補貼、稅收優(yōu)惠、關稅保護、國產化率考核、國產裝備的風險補償、大型節(jié)能減排項目示范工程等。不僅要對器件的研發(fā)給予重點支持，而且應在系統(tǒng)應用的源頭利用政策的杠桿來輔助，才會使國內的器件制造從弱勢成長為強勢。

　　? 此外，我們還應制定IGBT產業(yè)化各環(huán)節(jié)和全程目標，設置和控制關鍵點，建立對產業(yè)化全程的反饋和優(yōu)化控制流程。要把我國IGBT產業(yè)化與節(jié)能減排規(guī)劃、新能源發(fā)展規(guī)劃、裝備制造、電子信息及其他產業(yè)調整振興規(guī)劃銜接，加強IGBT產業(yè)化的配套設施建設。(本文作者趙善麒為江蘇宏微科技有限公司總經理，陸劍秋為中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會理事長，畢克允為中國半導體行業(yè)協(xié)會特聘副理事長、中國電子節(jié)能技術協(xié)會副理事長。)

　　? 相關鏈接

　　? IGBT技術及應用

　　? IGBT是在MOSFET(金屬氧化物場效應晶體管)和雙極晶體管基礎上發(fā)展起來的一種新型復合功率器件，主要用于通信、工業(yè)、醫(yī)療、家電、照明、交通、新能源、半導體生產設備、航空、航天及國防等諸多領域。IGBT既具有MOSFET易于驅動、控制簡單、開關頻率高的優(yōu)點，又具有功率晶體管的導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點。自問世以來，IGBT以其優(yōu)越的動靜態(tài)性能，在6500V以下的中大功率高頻領域逐漸取代了晶閘管和功率MOSFET器件。目前，尚無任何其他器件可以在短期內代替IGBT器件。