我国IGBT的产业现状和发展

武祥

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙 410111)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600 V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

1 功率器件

IGBT是功率器件技术演变的最新产品，是未来功率器件的主流发展方向。其产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势，能够实现节能减排，具有很好的环境保护效益。IGBT被公认为是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是未来应用发展的必然方向。IGBT可广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域，市场前景广阔。其广阔的应用空间推动中国IGBT市场高速增长。庞大的市场基础与需求方对IGBT技术国产化的迫切需求共同推动中国本土企业的技术创新。

世界上最早的半导体器件是整流器和晶体管，当时并没有功率半导体或微电子半导体之分。1958年，我国开始了第一个晶闸管研究课题(当初称为PNPN器件)。在大致相似的时间里，集成电路的研究也逐步开始。从此半导体器件向两个方向发展。前者成为电力电子学的基础，后者则发展并促成了微电子及信息电子学。

1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被引入到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

20世纪80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属—氧化物—半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延技术的进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5 μm先进到3 μm。

20世纪90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。此后，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

从2007年开始上市的新一代NX系列IGBT模块，采用统一的封装和功率芯片，其端子和电路结构具有前所未有的灵活性。在NX系列开发的第一阶段，采用的第五代载流子存储式沟槽型双极型晶体管（CSTBT）硅片技术实现了高性能。在NX系列开发的第二阶段所采用的1.2 kV第六代IGBT硅片技术，第六代IGBT模块进一步提高了效率，并降低了噪声，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。从而拓宽了客户的应用范围，成为IGBT发展热点。

21世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了和集成电路结合愈来愈紧密的阶段，功率MOSFET器件的生产工艺、封装技术都与微电子技术和集成电路的发展保持一致：制造工艺采用集成电路的硅平面工艺：加工精度由几微米迅速转向亚微米甚至深亚微米：并开始采用集成电路先进的封装技术等。从而使器件性能得到了很大程度上的提高。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路,其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

2 功率半导体器件与电力电子

微电子技术是对信号的处理和转换，可以提高人们的工作效率和生活质量；而电力电子是对电能的控制和变换，可以提高用电效率和改善用电质量，也是工业化和信息化融合的关键技术。电力半导体器件和集成电路在国民经济发展中地位同样重要，两者相辅相成。

电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进行变换和控制的技术，它是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科。随着国民经济的不断发展，电能的应用已经普及到社会生产和生活的方方面面，现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问，电力电子技术正在成为21世纪的重要关键技术之一。在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用；而IGBT在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件。

电力电子器件经过几十年的发展，基本上都表现为对器件结构原理和制造工艺的改进和创新，在材料的应用上始终没有突破硅的范围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐步趋于其理论极限。而现代电力电子技术的发展却不断对电力电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频率得到更高程度的兼顾。因此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。

3 IGBT功率模块

由于大量集成电路进入了功率半导体器件，因而考虑把集成电路和功率半导体器件做在同一个芯片或器件中的思路自然就发展了。做在同一芯片中，原来就是功率集成电路的概念，但其功率比较小。而做在同一包装中，功率容量易于增大，一些无源元件也有可能埋入，在这儿常称为多芯片模块(MCM)。它将功率器件，控制用的集成电路，或再加上脉宽调制(PWM)的集成电路，按电源设计的需要，用BGA的封装技术组合在同一个器件中。这种多芯片的器件大大简化了电源设计人员的工作。减小了元件数及所占的面积，性能上也有了很多改进。iPOWIR的发展，被认为是DC-DC变换的未来。但实际上，在其他各种应用领域，只要有进一步集成化的要求，MCM的结构都会出现并且会愈来愈多。所以它将是整个功率半导体器件的重要发展方向。

IGBT模块和IPM功率模块主要用来支撑新能源动力及控制系统、白色家电产品，是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、冰箱、空调等产品的动力组件，具有广阔的市场前景。功率半导体器件可分为三大部分，即双极性器件为主的传统功率半导体器件，以MOSFET和IC为主的现代功率半导体器件，和在前两者基础上发展起来的特大功率器件。

IPM功率模块由高速低功耗的IGBT管芯和优化的栅极驱动电路以及快速保护电路组成。模块内部使用高热导绝缘硅凝胶进行灌封，满足主电路所有芯片绝缘、防潮、导热的需要。外部使用环氧树脂进行浇注，实现上下壳体的牢固联结，以达到较高的防护强度和气闭密封。此外，控制端子与主电路采用电气隔离，能非常方便地实现模块间的随意串并联，是制造大功率控制设备的必备元件。

当今以IGBT及IPM功率模块为代表的新型电力电子器件是高频电力电子线路和控制系统的核心开关元器件，它的性能参数直接决定着电力电子系统的效率和可靠性。大功率IGBT及IPM模块将提高我国电力电子技术的技术水平，为新能源汽车、白色家电等行业提供可靠性好、性价比高的电子器件，对于新能源汽车和高效家电产品的发展起着显著推动作用，对于促进上述行业节能环保具有十分重要的意义。

4 IGBT产业现状

4.1 国外现状

国际上，IGBT行业领先的公司主要有：

美国国际整流器公司 (IR)：为全球功率半导体和管理方案领先厂商。IR的模拟及混合信号集成电路、先进电路器件、集成功率系统和器件广泛应用于驱动高性能计算机及降低电机的能耗，是众多国际知名厂商开发下一代计算机、节能电器、照明设备、汽车、卫星系统、宇航及国防系统的电源管理基准。

意法半导体（STMicroelectronics）：为世界第五大半导体公司，2010年净收入103.5亿美元。为世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商，世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商，在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。标准产品包括分立器件如晶体管、二极管与晶闸管；功率晶体管如MOSFET、IGBT等。

赛米控(Semikon)：成立于1951年，总部位于德国，是二极管/晶闸管市场的领导者，占有全球34%的份额，拥有两万一千多种不同的功率半导体器件，产品涵盖了芯片、分离二极管/晶闸管、功率模块（IGBT/MOSFET/二极管/晶闸管）、驱动电路、保护元件以及集成电子系统。

飞兆（Fairchild）：一家以应用主导和解决方案为基础的半导体供应商，为消费、通信、工业、便携、计算机和汽车系统提供业界最先进的半导体和封装技术、制造能力和系统专业技术。其在功率半导体领域全球市场份额排名第一，提供采用前沿工艺和封装技术的功率半导体产品，利用先进的工艺和封装技术，将功率模拟、功率分立及光电子功能集成到创新的封装中，从而提高产品效能，缩短高效能产品上市时间。

富士电机(Fuji)：主要产品包括自动售货机、工厂自动化设备、电源设备、半导体、集成电路等信息电子零部件。主要生产和销售 IGBT、MOSFET等功率半导体，特别是在工业驱动用IGBT组件领域的市场份额排名世界第三位，市场占有率高达30%。

在低功率IGBT领域，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，应用范围一般都在600 V、1 kA、1 kHz以上区域。

在设计600～1 200 V的IGBT时，NPT-IGBT可靠性最高，正成为IGBT发展方向。西门子公司可提供 600 V、1 200 V、1 700 V系列产品和 6 500 V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT-IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT-IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中。

在SDB——IGBT产品方面，三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接键合)技术，在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600 V和1 200 V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。

IR公司推出的iPOWIR是一种典型的多芯片模块。它将功率器件，控制用的集成电路，或再加上脉宽调制(PWM)的集成电路，按电源设计的需要，用BGA的封装技术组合在同一个器件中。这种多芯片的器件大大简化了电源设计人员的工作。减小了元件数及所占的面积，性能上也有了很多改进。iPOWIR的发展，被认为是DC-DC变换的未来。但实际上，在其他各种应用领域，只要有进一步集成化的要求，MCM的结构都会出现并且会愈来愈多。所以它将是整个功率半导体器件的重要发展方向。

4.2 国内现状

政策的扶持为IGBT的发展提供了明确的方向和有力的推动。2010年发改委高技［2010］614号文加大了对IGBT等电力电子器件的支持。文件明确支持MOSFET、IGBT等量大面广的新型电力电子芯片和器件的产业化。强调重点解决芯片设计，制造和封装技术进步的问题，包括结构设计，可靠性设计等。当前我国IGBT产业在国家政策及重大专项的推动及市场牵引下得到了迅速发展，呈现出大尺寸区溶(FZ)单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。

4.2.1 晶体材料

目前国内多晶硅产能上万吨，生产厂商超过10家，多晶硅生产技术也取得长足进步。新光硅业通过改良西门子工艺技术，已具备了多项世界先进技术。

天津中环半导体股份有限公司研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用，在国家“02”科技重大专项的推动下，200 mm（8英寸）FZ单晶材料已取得重大突破。

4.2.2 功率器件

南车时代2008年通过并购加拿大Dynex公司，利用外部资源拥有了生产大功率IGBT、高压电力电子组件等产品的技术和能力。其为高速铁路生产的IGBT，已经通过7MW变流器机组试验，为特高压直流输电工程生产的150 mm(6英寸)高压晶闸管也已投入使用。

中国北车股份公司旗下的永济电机公司2011年12月23日在西安发布了其自主研发的11种IGBT新产品2011年12月14日从新建成的IGBT封装线下线的消息。具有世界最先进水平的首批最大功率IGBT产品成功下线，使企业继瑞士ABB、德国英飞凌和日本三菱之后成为世界第四个、国内第一的能够封装6 500 V以上电压等级的IGBT厂家(电压等级最高，各项技术参数与国际标准相同)。标志着我国IGBT高端器件产业化实现了重大突破。

4.2.3 IGBT模块封装

国内已具备生产大功率IGBT模块的能力。

2011年3月，在国家02专项的资金支持下，上海华虹NEC与中科院微电子研究所合作开发的6 500 V TrenchFS(沟槽型场终止)IGBT取得了阶段性的突破，使国内自主高压高功率IGBT芯片从设计到工艺开发的整体贯通迈上一个新台阶。

2011年5月中国南车大功率IGBT产业化基地奠基，标志着我国首条200 mm(8英寸)IGBT芯片生产线项目正式启动。项目总投资约14亿元。项目设计年产IGBT8英寸芯片12万片、IGBT模块100万只，填补了国内相关技术领域的空白。200 mmIGBT芯片和IGBT模块生产线投入后，将使中国南车成为国内掌握IGBT芯片设计、芯片制造、模块封装、系统应用的完整产业链企业。

嘉兴斯达半导体有限公司针对工业应用中的中压大功率驱动市场，推出了1 700 V、2 500 V中大功率模块产品，其电流最高可达3 600 A。

科达半导体有限公司是科达股份与美国STP技术公司共同投资成立的合资企业，其直接利用国际先进的技术，生产高端产品。

4.3 市场

目前我国市场需求的IGBT新型电子电力器件90%主要依赖进口，国内市场主要被欧美、日本企业所垄断。SEMIKRON、EUPEC、三菱、Sanken、飞兆、富士、IR、东芝、IXYS、ST是国内IGBT市场销售额排名前10位的企业。高铁、智能电网、新能源与高压变频器领域所用IGBT模式均在6500V以上规格产品，技术壁垒较强。表1给出了2005年-2010年全球不同国家的大功率半导体市场分布。表2给出了2005年-2010年中国不同种类的大功率半导体市场规模。

表1 2005年-2010年全球不同国家的大功率半导体市场分布亿元

表2 2005年-2010年中国不同种类的大功率半导体市场规模亿元

中国功率半导体市场在未来几年里将继续保持增长。IGBT是超高压直流输变电技术、特高压交流输电技术的核心元器件。智能电网对IGBT需求量每年可达4亿元，IGBT将直接受益于其巨大的市场需求，智能电网的大规模实施将实现中国IGBT和智能电网的“双赢”。高速铁路领域是IGBT另一个巨大的需求市场，未来三年中国高速铁路需完成1万公里的里程建设，根据预测，仅高铁领域每年对IGBT的市场需求达3亿元。预计全球大功率电力电子市场增量的40%在中国，另外30%在欧洲，20%在美国，其他10%。

5 差距与方向

根据功率半导体的工作特点，既希望器件能有较高的电压，又希望有较低的内阻或压降。IGBT的发展趋势可以归纳为薄片、场阻型((FS)、更小元胞的沟槽栅单元、以载流子注入增强和载流子存储层为代表的载流子分布优化技术、以逆导(RC)型IGBT为代表的集成技术等。虽然国内IGBT行业近年来取得了较大进展，但在芯片生产技术方面尚存在很大差距。

5.1 差距

5.1.1 主要技术差距

目前国内在IGBT芯片技术方面，高电压(1700V以上)产品还是空白，因正面的Trench沟道栅工艺以及背面的减薄和离子注入工艺尚不完善，所以Trench IGBT尚无商品化的产品。另外，高压1200V以上高压IGBT的区熔单晶也基本处于空白状态。

5.1.2 发展模式

国际上IGBT产业发展走的是设计制造一体化的模式。一是因为IGBT本身只是一个器件，没有电路，所以不存在电路设计问题。二是各大公司IGBT的设计与制造技术也各不相同，都有自己的技术秘密，不便于统一代工。国内目前是依托在集成电路的模式基础上发展IGBT，IGBT的特点是系统应用、器件设计和工艺加工密切结合，而绝大部分系统厂家还没有能力独立发展功率半导体芯片生产线。

5.2 方向

5.2.1 产业链的完善

要制造出性价比更高、可靠性相当的IGBT器件和模块，需要攻克的难点涉及整个IGBT产业链的问题，包括材料、制造工艺、制造设备和可靠性技术的提升等。

5.2.2 选择新的切入点

化合物半导体等新材料的应用将把IGBT产业引入一个新的竞争平台，我国企业将与外国企业处于同一起跑线。在传统硅基IGBT产品领域，欧美和日本的公司已经在过去20多年中产生了很多专利，从而形成技术壁垒。但以化合物半导体等新材料为基础的IGBT将产业引入一个新的技术平台。采用碳化硅等新材料的半导体器件，具有无需冷却装置等性能优势正逐渐引起业界关注，在新材料形成大规模应用前夕积极开发将有望实现技术追赶。

5.3 措施

5.3.1 应积极发展宽禁带器件

目前硅材料是IGBT的主流，以SiC(碳化硅)及GaN(氮化镓)为代表的宽禁带电力电子技术目前还处于发展初期，但从战略上考虑必须给以高度重视。SiC目前比较成熟的器件主要是SiC二极管，MOSFET也逐渐投向市场，但IGBT应用还距离较远。GaN目前主要产品也是二极管和LED。应重点关注几个方向：

SiC MOSFET应首先在汽车电子、工业应用等有较大应用市场而又对价格不太敏感的领域取得突破，从而进一步带动SiC电力电子器件的发展。

基于硅基衬底的GaN功率半导体器件的长期可靠性问题。

SiC电力电子器件在中高功率、GaN电力电子在1200V以下的中低功率和多功能集成领域的发展优势。

5.3.2 进一步关注IGBT产业化

鉴于IGBT在大电流、高电压、高频和高可靠性等方面的要求，需要本行业脚踏实地的长期努力和政府长期持续的扶持，特别是加强对IGBT的栅极形成、隔离、背面减薄和注入工艺等技术研发的支持力度。

针对IGBT的产业特点，必须运用系统工程打造产业化体系。在芯片制造领域，应充分利用国内已有的IC和分立器件生产线，补充必要的生产设备；在封装领域，应重点发展单管大尺寸封装(TO-220以上)、标准功率模块、智能化功率模块和用户定制功率模块；在测试领域，应发展新型器件的动静态特性测试、可靠性试验及失效分析手段；在原材料领域，应重点发展高阻外延单晶、区熔单晶和磁场直拉单晶；在设备领域，应重点发展大面积减薄、微细刻蚀、大束流离子注入等设备；针对应用特性，应重点研究器件和电路接口方面的技术问题，如驱动和保护电路的设计等；针对人才培养，短期可以从国外引进一批有着丰富实践经验的高层次技术人才，长期则需要在国内高校培养新型电力半导体器件的设计和制造人才。

[1] 赵善麒，陆剑秋，毕克允.IGBT核心技术及人才缺失，应加快打造产业化体系[N].中国电子报2009-12-15(4).

[2] 朱英文.为什么市场上没有国产的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，崔杨.大功率IGBT驱动技术的现状与发展[J].变频器世界，2007(10)：35-39.

[4] 邱罡，孟昭莉，张沈伟，许李彦，等.中国半导体产业或将踏入战略机遇期[N].中国工业报，2011-1-13(A02).

[5] 江兴.GBT芯片和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展[J].半导体信息，2012(2)：35-38.