據(jù)Yole報(bào)道，2017年，電池電動(dòng)車(BEV)和插電式混合動(dòng)力車(PHEV)出貨達(dá)120萬輛，較2016年增加52%。歐洲一些汽車制造商也在2017年推出了48V輕度混合動(dòng)力車型。這種為汽車輔助系統(tǒng)供電同時(shí)減少二氧化碳排放量的高性價(jià)比解決方案，將在2018~2019年間在所有歐洲汽車制造商中擴(kuò)散，其次是中國汽車制造商。
48V系統(tǒng)將迅速推動(dòng)市場，市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole Développement(Yole)預(yù)測2017~2023年期間輕度混合動(dòng)力汽車的復(fù)合年成長率將達(dá)到50%，因?yàn)檫@些低成本的電動(dòng)汽車具有吸引力。他們的方法可以輕松應(yīng)用于任何汽車，從城市汽車到高端豪華車型。
在評估了各類電動(dòng)汽車市場的發(fā)展趨勢之后，Yole預(yù)估2018至2023年年復(fù)合年成長率將達(dá)到兩位數(shù)。在2020年左右廣義電動(dòng)車EV/HEV市場規(guī)模將突破1000萬輛，到2023年將進(jìn)一步成長到1800萬輛。電動(dòng)車的發(fā)展同時(shí)也將帶動(dòng)IGBT功率元件市場，2017年相關(guān)元件市場規(guī)模約10億美元，預(yù)計(jì)到2023年，電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的IGBT市場規(guī)模將近23億美元。
IGBT技術(shù)進(jìn)展
IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)發(fā)明于 80 年代初，多家公司幾乎同時(shí)并獨(dú)立地發(fā)明了這種器件，剛開始各公司對其稱謂也不同。GE 公司剛開始稱其為 IGR（Insulated-Gate Rectifer），其論文于 1982 年 12 月 14 日在 IEDM（國際電子器件會(huì)議）上發(fā)表。RCA 公司稱其為 COMFET（Conductivity-Modulated FET）并在同一天得到美國專利局的專利批準(zhǔn)，接著向 IEDM 提交了正式論文。
Motorola 公司也獨(dú)立發(fā)明了該器件，稱為 GEMFET（Gain-Enhanced MOSFET）。加州伯克利分校發(fā)明了類似器件，稱為 BMT（Bipolar MOS Transistor）及 IBT（Insulated-Base Transistor）。GE 公司后來將他們的發(fā)明從整流器改稱 IGT（Insulated-Gate Transistor）。德國西門子稱其為 IGBT，由于西門子的 IGBT 發(fā)展迅猛，研究生產(chǎn)的 IGBT 性能優(yōu)良，所以人們認(rèn)同了 IGBT 的稱謂。
至今，IGBT經(jīng)歷了六代技術(shù)的發(fā)展演變，面對的是大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整和工藝上的難題。回顧IGBT的發(fā)展歷程，其主要從三方面發(fā)展演變：器件縱向結(jié)構(gòu)，柵極結(jié)構(gòu)以及硅片的加工工藝。
最新的IGBT經(jīng)歷了上述四次技術(shù)改進(jìn)實(shí)踐后對各種技術(shù)措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)”與“電場中止技術(shù)”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)，并以新的面貌出現(xiàn)。尤其是承受工作電壓水平從第四代的3300V提高到6500V，這是一個(gè)極大的飛躍。
全球IGBT的市場發(fā)展現(xiàn)狀
從市場競爭格局來看，美國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，從整體市場份額來看，日本廠商落后于美國廠商。但是全球有近70%的IGBT模塊市場被三菱、東芝及富士等日系企業(yè)控制。德系的英飛凌也是全球IGBT龍頭企業(yè)之一，其獨(dú)立式 IGBT 功率晶體以24.7%的市場占有率位居第一，IGBT 模塊則以20.5%的市場占有率位居第二。
近年來，中國臺灣的功率芯片市場發(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。總體來看，臺灣功率廠商的發(fā)展較快，技術(shù)方面和國際領(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。
據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS于2016年公布的報(bào)告，英飛凌以24.5%的份額高居榜首，日本三菱電機(jī)則以24.4%的份額屈居第二，另一日系大廠富士電機(jī)則以12.2%的占有率排行第三。
國產(chǎn)IGBT廠商差距明顯
每日經(jīng)濟(jì)新聞報(bào)道，在高壓大功率IGBT芯片方面，由于對IGBT芯片可靠性要求非常高，此前，我國還沒有一個(gè)廠家能夠?qū)崿F(xiàn)6500V IGBT芯片本土產(chǎn)業(yè)化，為此，國內(nèi)企業(yè)每年需花費(fèi)數(shù)億元從國外采購IGBT產(chǎn)品。
他們進(jìn)一步指出，由于國外采購周期長達(dá)數(shù)月甚至一年以上，嚴(yán)重制約了我國軌道交通裝備的自主創(chuàng)新和民族品牌創(chuàng)立，大大降低了國內(nèi)動(dòng)車、機(jī)車裝備在國際市場的競爭力。因此發(fā)展國內(nèi)的IGBT產(chǎn)業(yè)迫在眉睫。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈廠商如下圖所示：
而從技術(shù)上上看，中國IGBT和國外的差距主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）IGBT技術(shù)與工藝
我國的功率半導(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，這些都是我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決的問題。
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，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單。國外某些公司可代加工，但是他們一旦與客戶簽訂協(xié)議，就不再給中國客戶代提供加工服務(wù)。
在模塊封裝技術(shù)方面，國內(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。與國外公司相比，技術(shù)上的差距依然存在。國外公司基于傳統(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。目前國內(nèi)沒有系統(tǒng)掌握IGBT制造工藝的人才。從國外先進(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。國外IGBT制造中許多技術(shù)是有專利保護(hù)。目前如果要從國外購買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
國內(nèi)IGBT工藝設(shè)備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設(shè)備配套。其中有的國內(nèi)沒有，或技術(shù)水平達(dá)不到。如：德國的真空焊接機(jī)，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而國產(chǎn)設(shè)備空洞率高達(dá)20%到50%。外國設(shè)備未必會(huì)賣給中國，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)化測試設(shè)備是必不可少的，但價(jià)貴。如用手工測試代替，就會(huì)增加人為因素，測試數(shù)據(jù)誤差大。IGBT生產(chǎn)過程對環(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。
國產(chǎn)IGBT，任重而道遠(yuǎn)！