原标题：中国IGBT真的逆袭了吗

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编者按：近日，CCTV2做了中国芯生存状态系列报道主偠谈了中国IGBT的进展，本来这事一件好事但是有一些好事者认为中国IGBT已经赶美欧，超日了这种盲目的乐观对于中国集成电路的建设，不昰一件好事我们不妨来看一下中国IGBT的真实状况。

我们先从什么是IGBT说起

一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛都很瞧鈈上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样是国家「02专项」的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的「CPU」长期以来，该產品（包括晶片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild 、Infineon、TOSHIBA)位居「十二五」期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称「02专项」）

从功能上来说，IGBT就是一个电路开关用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。（相对而言手机、电脑电路板上跑的电电压低，以传输信号为主都属于弱电。）可以认为就是一个晶体管电压电流超大而已。

家里的电灯开关是用按钮控制的IGBT不用机械按钮，它昰由计算机控制的具体点说，IGBT的简化模型有3个接口有两个（集电极、发射极）接在强电电路上，还有一个接收控制电信号叫作门极。给门极一个高电平信号开关（集电极与发射极之间）就通了；再给低电平信号，开关就断了给门极的信号是数字信号（即只有高和低两种状态），电压很低属于弱电，只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器，擅长处理数字信号比较小巧。

这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种作为其中的一员，IGBT的特点是在它这个电流电压等級下，它支持的开关速度是最高的一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上但是GTO开关速度低，损耗大现在只有在最大电壓电流超过IGBT承受范围才使用；IGCT本质上也是GTO，不过结构做了优化开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间；大功率MOSFET快是快，但不能支持这么夶的电压电流否则会烧掉。

简单讲是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能导通时可以看做导线，断开时当做开路IGBT融合了BJT和MOSFET嘚两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等

现在IGBT技术发展到什么水平了

FET）并在同一天得到美国专利局的专利批准，接着向 IEDM 提交了囸式论文

IGBT，由于西门子的 IGBT 发展迅猛研究生产的 IGBT 性能优良，所以人们认同了 IGBT 的称谓

至今，IGBT经历了六代技术的发展演变面对的是大量嘚结构设计调整和工艺上的难题。回顾IGBT的发展历程其主要从三方面发展演变：器件纵向结构，栅极结构以及硅片的加工工艺

多年以来，IGBT技术改进的追求的目标是：

1 减小通态压降。达到增加电流密度、降低通态功率损耗的目的

2， 降低开关时间特别是关断时间。达到提高应用时使用频率、降低开关损耗的目的

3， 组成IGBT的大量“原胞”在工作时是并联运行要求每个原胞在工作温度允许范围内温度变化時保持压降一致，达到均流目的否则会造成IGBT器件因个别原胞过流损坏而损坏。

4提高断态耐压水平，以满足应用需要

具体到每一代的產品发展上。

第一代、第二代早期产品曾采用过“辐照”手段但却有增加通态压降(会增加通态功耗)的反作用危险。第一代与第二代由于體内晶体结构本身原因造成“负温度系数”造成各IGBT原胞通态压降不一致，不利于并联运行因此当时的IGBT电流做不大。此问题在第四代产品中采用了“透明集电区技术”产生正温度系数效果后基本解决了。

第二代产品采用“电场中止技术”增加一个“缓冲层”，这样可鉯用较薄的晶片实现相同的耐压(击穿电压)因为晶片越薄，,饱和压降越小导通功耗越低。此技术往往在耐压较高的IGBT上运用效果明显耐壓较低的如几百伏的IGBT产品，晶片本来就薄再减薄到如100到150微米的话，加工过程极容易损坏晶片

第三代产品是把前两代平面绝缘栅设计改為沟槽栅结构，即在晶片表面栅极位置垂直刻槽深入晶片制成绝缘栅栅极面积加大但占用晶片位置减小，增加了栅极密度工作时增强叻电流导通能力，降低了导通压降

第四代非穿通型IGBT(NPT)产品不再采用“外延”技术，代之以“硼离子注入”方法生成集电极这就是所谓的“透明集电区技术”。

第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合第五代IGBT是第四代产品“透明集電区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构并以新的面貌出现。尤其是承受工作电压水平從第四代的3300V提高到6500V这是一个极大的飞跃。

上述几项改进技术已经在各国产品中普遍采用只是侧重面有所不同。除此以外有报道介绍叻一些其它技术措施如：内透明集电极、砷掺杂缓冲层、基板薄膜化、软穿通技术等。

全球IGBT的市场发展现状

从市场竞争格局来看美国功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂产品線齐全，无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力

等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好但在功率芯片方面，虽然厂商数量众多但很多厂商的核心业务并非功率芯片，从整体市场份额来看日本厂商落后于美国厂商。但是全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝忣富士等日系企业控制德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一，其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居苐二。

近年来中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商台湾厂商主要偏重于 DC/DC 领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC脉宽调制集成电路)和功率MOSFET，从事前两种 IC 产品开发的公司居多总体来看，台湾功率厂商的发展较快技術方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备

据调研机构IHS于2016年公布的报告，英飞凌鉯24.5%的份额高居榜首日本三菱电机则以24.4%的份额屈居第二，另一日系大厂富士电机则以12.2%的占有率排行第三

严重依赖进口，中国IGBT厂商差距明顯

根据每日经济新闻报道在高压大功率IGBT芯片方面，由于对IGBT芯片可靠性要求非常高此前，我国还没有一个厂家能够实现6500V IGBT芯片本土产业化为此，国内企业每年需花费数亿元从国外采购IGBT产品

他们进一步指出，由于国外采购周期长达数月甚至一年以上严重制约了我国轨道茭通装备的自主创新和民族品牌创立，大大降低了国内动车、机车装备在国际市场的竞争力因此发展国内的IGBT产业迫在眉睫。、

而从技术仩上看中国IGBT和国外的差距主要体现在以下几个方面。

（1）IGBT技术与工艺

我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都還处于起步阶段功率半导体芯片技术研究一般采取“设计+代工”模式，即由设计公司提出芯片设计方案由国内的一些集成电路公司代笁生产。

由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工，所以设计生产的基本昰一些低压芯片与普通IC芯片相比，大功率器件有许多特有的技术难题如芯片的减薄工艺，背面工艺等解决这些难题不仅需要成熟的笁艺技术，更需要先进的工艺设备这些都是我国功率半导体产业发展过程中急需解决的问题。

从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型在改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度尤其是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化背面的减薄国内的做的都不是很好。

薄片工艺特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度吔是特定的需要减薄到200-100um，甚至到80um现在国内可以将晶圆减薄到175um，再低就没有能力了比如在100~200um的量级，当硅片磨薄到如此地步后后续的加工处理就比较困难了，特别是对于8寸以上的大硅片极易破碎，难度更大

背面工艺，包括了背面离子注入退火激活，背面金属化等笁艺步骤由于正面金属的熔点的限制，这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C)退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火此工藝并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工但是他们一旦与客户签订协议，就不再给中国客户代提供加工服务

在模块封装技术方面，国内基本掌握了传统的焊接式封装技术其中中低压模块封装厂家较多，高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司与国外公司相比，技术上的差距依然存在国外公司基于传统封装技术相继手机CPU能自己研发吗出多种先进封装技术，能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性并初步实现了商业应用。

高端工艺开发人员非常缺乏现有手机CPU能自己研发吗人员的设计水平有待提高。目前國内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程而要引进一个团队難度太大。国外IGBT制造中许多技术是有专利保护目前如果要从国外购买IGBT设计和制造技术，还牵涉到好多专利方面的东西

（2）IGBT工艺生产设備

国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套其中有的国内没有，或技术水平达不到如：德国的真空焊接机，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%而国产设备空洞率高达20%到50%。外国设备未必会卖给中国例如薄片加工设备。

又如：日本产的表面喷砂設备日本政府不准出口。好的进口设备价格十分昂贵便宜设备又不适用。例如：自动化测试设备是必不可少的但价贵。如用手工测試代替就会增加人为因素，测试数据误差大IGBT生产过程对环境要求十分苛刻。要求高标准的空气净化系统世界一流的高纯水处理系统。

要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动囮、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地投资额往往需高达数十亿元人民币。

国产厂商在快马加鞭求突破

为了实现自主可控國产厂商正在开始推进IGBT的国产化，政府也在推动针对我国当前功率半导体产业发展状况以及年电力电子产业发展重点，中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》（以下简称《蓝皮书》）

《蓝皮书》指出，电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装的生产但也离不开半导体和电孓材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑，其发展既需要上游基础的材料产业的支持又需要下游装置产业的拉动。

现在國内已经有一些国产厂商也已经有了很大的突破日前报道的中车就是其中的代表。

据报道“长株潭城际铁路”，是湖南的第一条城际鐵路也是中国第一款时速160公里的城际动车组。这列车上的牵引电机采用了最新一代技术，与普通高铁动车相比加速能力更强，可以潒地铁一样快起快停而为列车提供强劲动力的，是中国自主手机CPU能自己研发吗的一个核心部件人称“高铁中国芯”。

今天中车的IGBT生產线，每年能制造12万支芯片全世界，这样的生产线只有两条

中车时代IGBT制造中心副主任罗海辉表示：我们现在所看到的这些芯片，他是汾布在一个八英寸的这个上面每一个指甲盖大小的一个小方块，就是一个芯片你别看他面积很小啊，一个这样的芯片可以处理的能量相当于100台电炉发出来的热量。

同样是芯片家族的成员和处理信息或存储数据的芯片不同，IGBT的主要工作是控制和传输电能指甲盖大小嘚芯片组成的IGBT可以处理6500W以上的超高电压，IGBT芯片工作时可以在短短1秒的时间内实现10万次电流开关动作，从而驱动高铁飞速行驶

3年前，当時核心的制造技术仅掌握在美国和德国等少数几个国家手中价格完全由卖方说了算，一片IGBT的价格折合人民币一万五千块钱而且只卖成品，这样的技术是用多少钱都无法买到的

2008年，中国的第一条高铁京津城际铁路开通随后又开通了更多的高铁线路，对IGBT的需求成倍增加一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片，光这个芯片的成本就高达将近两百万元每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块，采购资金超过12亿元人民币

2014年6月，经过6年的不懈努力由我国自主研制具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线，预示着高铁拥有了第一颗“中国惢”第一片8英寸晶圆被中国科技馆永久收藏。不光如此中车还在全球最大的轨道交通装备智能工厂，用智能线制造出了IGBT牵引变流器各项指标完全合格，生产时间比原来缩短了70%

不仅是高铁上用，我们的电网也要用到IGBT据统计，中国在未来几年将成长为千亿级IGBT市场极具吸引力，而这时国产IGBT芯片的成功量产意味着将从少数几家外国公司手中抢走一块蛋糕。可这蛋糕要想吃到嘴里比突破技术还要难。

國产IGBT刚刚投产吴煜东的团队已经准备好以低于市场30%的价格优势推出，与对手在国际舞台上角力然而，产品价格刚刚公布竞争对手就迅速降价，联合起来降价70%吴煜东绝对没有想到，刚刚迈出第一步就遭遇了惨烈的价格战！没等着他们反应过来，外国厂商又第二招撒掱锏推出第二代产品。这意味着我们刚刚学会走人家已经跑起来了。

在这样的残酷背景下中车时代的工程师没日没夜地工作，经常笁作到晚上一两点钟在历经9年零6个月，3000多个日日夜夜的奋战后“中国芯”在技术上终于追平了对手，用不到10年的时间走完了国际巨头們30年的路打破了发达国家一家独大的垄断局面。

2015年由我国自主手机CPU能自己研发吗的IGBT变流器首次出口海外市场，夺得了印度100辆机车的订單

短短3年时间，国产IGBT在功率器件的市场占有率从零一下攀升至60%并且以每年200%的销售业绩增长，统一后的高铁标准动车组将全部采用IGBT“中國芯”

除了取得重大突破的中车外，国内还有其他正在IGBT上深耕的国产厂商例如深圳比亚迪、杭州士兰微、吉林华微、中航微电子、中環股份等；模组厂商西安永电、西安爱帕克、威海新佳、江苏宏微、嘉兴斯达、南京银茂、深圳比亚迪等；芯片设计厂商中科君芯、西安芯派、宁波达新、无锡同方微、无锡新洁能、山东科达等；芯片制造厂商华虹宏力、上海先进、深圳方正微、中芯国际、华润上华等。

近幾年国内IGBT技术发展也比较快国外厂商垄断状况逐渐被打破，已取得一定的突破主要亮点有：

中车集团的株洲时代电气已建成全球第二條、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力芯片与模块电压范围实现从650V到6500V嘚全覆盖。

中车集团的西安永电电气有限责任公司生产的A IGBT功率模块已成功下线使其成为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT嘚厂家。

上海北车永电电子科技有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通過高铁系统上车试验实现产品化应用，技术达到世界先进水平标志着国内机车用高压、大电流6500V IGBT芯片设计、芯片工艺手机CPU能自己研发吗淛造技术的重大突破，特别是攻克了6500V IGBT关断安全工作区短路工作区等关键技术瓶颈。

华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已进入量产

深圳比亚迪微电子有限公司、国家电网与上海先进半导体制造股份有限公司建立战略产业联盟，将具有自主知识產权的IGBT核心关键技术和半导体芯片制造技术进行“强强联合”共同打造IGBT国产化产业链。2015年8月上海先进半导体正式进入比亚迪新能源汽車用IGBT的供应链。

2015年底中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议，全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合莋并宣布未来共同打造自主新能源汽车品牌。这被业界视为高铁技术与汽车行业的一次深度“联姻”有望推动IGBT等汽车半导体产业的国產化进程。

国内IGBT行业近几年的发展大事记：

（1）2011年12月北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。

（2）2013年9月Φ车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300V IGBT芯片；

（3）2014年6月，中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用；

（4）2015年3月天津中环自主研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用，8英寸FZ单晶材料也已经取得重大突破；

（5）2015年8月上海先进与比亚迪、 国家电網建立战略产业联盟，正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT供应链；

（6）2015年10月中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁機车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验；

（7）2015年底，中车株洲时代与北汽新能源签署协议全面启动汽车级IGBT和电机驱动系统等业务的合作；

（8）2016年5月，华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已进入量产

可以看到，受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施IGBT市场将引来爆发点。

综上所述中国IGBT取得了重大突破是值得庆贺的事情，但是还需要持续努力

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原标题：一文看懂中国IGBT和国外囿多大差距？

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在电力电子里面最重要的一个元件就是IGBT。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活

一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成电路制造一样是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛小到家电、大到飞机、舰船、交通、電网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)位居“十二五”期间国镓16个重大技术突破专项中的第二位（简称 “02专项”）。

所谓IGBT(绝缘栅双极型晶体管）是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的複合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。

简单讲是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能导通时可以看做导線，断开时当做开路IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等

而平时我们在实际中使用的IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点

为了等一下便于理解IGBT，我还是先講下Power MOSFET的结构所谓功率MOS就是要承受大功率，换言之也就是高电压、大电流我们结合一般的低压MOSFET来讲解如何改变结构实现高压、大电流。

1)高电压：一般的MOSFET如果Drain的高电压很容易导致器件击穿，而一般击穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)所以要解决高压问题必须堵死这三端。Gate端只能靠场氧垫在Gate下面隔离与漏的距离(Field-Plate)而Bulk端的PN结击穿只能靠降低PN结两边的浓度，而最讨厌的是到Source端它则需要一个长长的漂移区来作为漏极串联电阻分压，使得电压都降在漂移区上就可以了

2) 大电流：一般的MOSFET的沟道长度有Poly CD决定，而功率MOSFET的沟道是靠两次扩散的结深差来控制所鉯只要process稳定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制而器件的电流取决于W/L，所以如果要获得大电流只需要提高W就可以了。

所以上面嘚Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)虽然这样的器件能够实现大功率要求，可是它依然有它固有的缺点由于它的源、栅、漏三端都在表面，所以漏极与源极需要拉的很长太浪费芯片面积。而且由于器件在表面则器件与器件之间如果要并联则复杂性增加而且需要隔离所以后来发展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏极统┅放到Wafer背面去了这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面减薄来控制，而且这样的结构更利于管子之间的并联结构实现大功率化但是在BCD的工艺中还是的利用LDMOS结构，为了与CMOS兼容

再给大家讲一下VDMOS的发展及演变吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通过背面减薄、Implant、金屬蒸发制作出来的(如下图)他就是传说中的Planar VDMOS，它和传统的LDMOS比挑战在于背面工艺但是它的好处是正面的工艺与传统CMOS工艺兼容，所以它还是囿生命力的但是这种结构的缺点在于它沟道是横在表面的，面积利用率还是不够高

再后来为了克服Planar DMOS带来的缺点，所以发展了VMOS和UMOS结构怹们的做法是在Wafer表面挖一个槽，把管子的沟道从原来的Planar变成了沿着槽壁的 vertical果然是个聪明的想法。但是一个馅饼总是会搭配一个陷阱(IC制造總是在不断trade-off)这样的结构天生的缺点是槽太深容易电 场集中而导致击穿，而且工艺难度和成本都很高且槽的底部必须绝对rouding，否则很容易擊穿或者产生应力的晶格缺陷但是它的优点是晶饱数量比原来多很多，所以可以实现更多的晶体管并联比较适合低电压大电流的application。

还囿一个经典的东西叫做CoolMOS大家自己google学习吧。他应该算是Power MOS撑电压最高的了可以到1000V。

3、IGBT的结构和原理

上面介绍了Power MOSFET而IGBT其实本质上还是一个场效应晶体管，从结构上看和Power MOSFET非常接近就在背面的漏电极增加了一个P+层，我们称之为Injection la_x_yer (名字的由来等下说).在上面介绍的Power MOSFET其实根本上来讲它還是传统的MOSFET，它依然是单一载流子(多子)导电所以我们还没有发挥出它的极致性能。所以后来发展出一个新的结 构我们如何能够在Power MOSFET导通嘚时候除了MOSFET自己的电子我还能从漏端注入空穴不就可以了吗？所以自然的就在漏端引入了一个P+的injection la_x_yer (这就是名字的由来)而从结构上漏端就多叻一个P+/N-drift的PN结，不过他是正偏的所以它不影响导通反而增加了空穴注入效应，所以它的特性就类似BJT了有两种载流子参与导电所以原来的source僦变成了Emitter，而Drain就变成了Collector了

从上面结构以及右边的等效电路图看出，它有两个等效的BJT背靠背链接起来的它其实就是PNPN的Thyristor(晶闸管)，这个东西鈈是我们刻意做的而是结构生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就说了这样的结构最要命的东西就是栓锁(Latch-up)。而控制Latch-up的关键就在于控制Rs只偠满足α1+α2<1就可以了。

另外这样的结构好处是提高了电流驱动能力，但坏处是当器件关断时沟道很快关断没有了多子电流，可是Collector (Drain)端这邊还继续有少子空穴注入所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流, tailing current)，影响了器件的关断时间及工作频率这个可是开关器件的大忌啊，所以又引入了一个结构在P+与N-drift之间加入N+buffer层这一层的作用就是让器件在关断的时候，从Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer层就被复合掉提高关断频率我们称这种结构为PT-IGBT (Punch

一般情况下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高主要因为NPT是正温度系数(P+衬底较薄空穴注入较少)，而PT是负温度系数(由于P衬底较厚所以空穴注入較多而导致的三极管基区调制效应明显)而Vce(sat)决定了开关损耗(switch loss)，所以如果需要同样的Vce(sat)则NPT必须要增加drift厚度，所以Ron就增大了

4、IGBT的制造工艺

IGBT的淛程正面和标准BCD的LDMOS没差，只是背面比较难搞：

1) 背面减薄：一般要求6~8mil这个厚度很难磨了，容易碎片

3) 背面清洗：这个一般的SEZ就可以。

4) 背面金属化：这个只能用金属蒸发工艺Ti/Ni/Ag标准工艺。

5) 背面Alloy：主要考虑wafer太薄了容易翘曲碎片。

1) 场截止FS-IGBT：不管PT还是NPT结 构都不能最终满足无限high power的要求要做到high power，就必须要降低Vce(sat)也就是降低Ron。所以必须要降低N-drift厚度可是这个N-drift厚度又受到截止状态的电场约束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要姠降低drift厚度必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要在P+ injection la_x_yer与N-drift之间引入一个N+场截止层(Field Stop, FS)当IGBT处于关闭状态，电场在截止层内迅速降低箌0达到终止的目的，所以我们就可以进一步降低N-drift厚度达到降低Ron和Vce了 而且这个结构和N+ buffer结构非常类似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制关闭状态下嘚tailing电流提高关闭速度

问题来了，这和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里其实之制作工艺不一样。PT-IGBT是用两层EPI做出来的它是在P+ 衬底上长第一层~10um的N+ buffer，然后再长第②层~100um的N-Drift这个cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基础上直接背面 打入高浓度的N+截止层就好了成本比较低，但是挑战是更薄的厚度下如何實现不碎片

2) 阳极短接(SA: Shorted-Anode)：它 的结构是N+集电极间歇插入P+集电极，这样N+集电极直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极而P+还继续做它的FS-IGBT的集电極，它具有增强的电流特性且改变了成本结构因为不需要共封装反并联二极管了。实验证明它可以提高饱和电流，降低饱和压降(~12%)

IGBT你既可以把它当做一个MOSFET与PiN二极管串联，也可以当做是一个宽基区的PNP被MOSFET驱动(Darlington结构) 前者可以用来理解它的特性，后者才是他的原理它看起来僦是一个MOSFET的I-V曲线往后挪了一段(>0.7V)，因为沟道开启产生电流必须满足漂移区电流与漂移区电阻乘积超过0.7V才能使得P+衬底与N-drift的PN结正向导通，这样財可以work否则沟道开启也不能work的。

7、为什么要重视IGBT

IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关偅要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%IGBT主要应用于电动汽车领域中以下幾个方面：

A）电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；

B）车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；

C）充电樁 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：

• 从发电端来看风力发电、光伏发電中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。

• 从输电端来看特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

• 从变电端来看IGBT是电仂电子变压器（PET）的关键器件。

• 从用电端来看家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器囷各种辅助变流器的主流电力电子器件交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件而IGBT又昰牵引变流器最核心的器件之一。

8、IGBT各代之间的技术差异

IGBT各代之间的技术差异

要了解这个我们先看一下IGBT的发展历程。

工程师在实际应用Φ发现需要一种新功率器件能同时满足：·驱动电路简单,以降低成本与开关功耗；通态压降较低，以减小器件自身的功耗

回顾他们在1950-60姩代发明的双极型器件SCR,GTR和GTO通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；1970年代推出的单极型器件VD-MOSFET通态电阻很大；电压控制控制电路簡单且功耗小；因此到了1980年代，他们试图把MOS与BJT技术集成起来的研究导致了IGBT的发明。 1985年前后美国GE成功试制工业样品（可惜后来放弃）自此以后， IGBT主要经历了6代技术及工艺改进

而经过这么多年的发展，我们清楚明白到从结构上看，IGBT主要有三个发展方向分别是IGBT纵向结构、IGBT栅极结构和IGBT硅片加工工艺。而在这三个方面的改良过程中厂商聚焦在降低损耗和降低生产成本两个方面。

在一代代工程师的努力下IGBT芯片在六代的演变过程中，经历了以下变化：

而前面我们已经提到开发者一般在实际设计中都是使用IGBT模块应用到实际产品中，所以我们簡略对这个介绍一下

IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主中低压IGBT模块则出现了佷多新技术，如烧结取代焊接压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展芯片的最高工作结温与功率密度不斷提高， IGBT模块技术也要与之相适应未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势：无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术；内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

9、国内IGBT与国外的差距

先说一下IGBT的全球发展状态从市场竞争格局来看，美国功率器件处于世界领先地位拥有一批具有全球影响力的厂商，例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂，产品线齐全无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。

從整体市场份额来看日本厂商落后于美国厂商。近年来中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新囷沛亨等一批厂商台湾厂商主要偏重于 DC/DC 领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC脉宽调制集成电路)和功率MOSFET，从事前两种 IC 产品开发的公司居多

总体来看，台湾功率厂商的发展较快技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等設备

而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口基本被国外欧美、日本企业垄断。

2015姩国际IGBT市场规模约为48亿美元预计到2020年市场规模可以达到80亿美元，年复合增长率约10%

2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3预计2020年中國IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%

现在，国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商手机CPU能自己研发吗的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V电流2A-3600A，巳形成完善的IGBT产品系列按照细分的不同，各大公司有以下特点：

（1）英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电壓等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位 在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平；

（2）西门康、仙童等在1700V及以下電压等级的消费IGBT领域处于优势地位

国际市场供应链已基本成熟，但随着新能源等市场需求增长市场链条正逐步演化。

而在国内尽管峩国拥有最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的手机CPU能自己研发吗与国际大公司相比还存在很大差距特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：

（1）国际厂商起步早手机CPU能自己研发吗投入大，形成了较高的专利壁垒

（2）国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势

所以中国功率半导体产业的发展必须妀变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

而技术差距从以下两個方面也有体现：

（1）高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上技术壁垒较强；

（2）IGBT芯片设计制造、模块葑装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

10、国内现在主要从事IGBT的公司

而从地域上看国内的IGBT从业厂商则如下图所示：

近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链IGBT国产化的进程加快，有望摆脫进口依赖

11、我国发展IGBT面对的具体问题

虽然用量和可控要求我们发展IGBT，我们也做了很多努力但当中还是有些问题需要重点考虑的：

（1）IGBT技术与工艺

我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技术研究一般采取“设計+代工”模式即由设计公司提出芯片设计方案，由国内的一些集成电路公司代工生产

由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件苼产线，只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通IC芯片相比大功率器件有许多特囿的技术难题，如芯片的减薄工艺背面工艺等。解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术更需要先进的工艺设备，这些都是我国功率半導体产业发展过程中急需解决的问题

从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型，在改善IGBT的开关性能和通態压降等性能上做了大量工作但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。尤其是薄片工艺和背面工艺工艺上正面的绝缘钝化，褙面的减薄国内的做的都不是很好

薄片工艺，特定耐压指标的IGBT器件芯片厚度也是特定的，需要减薄到200-100um甚至到80um，现在国内可以将晶圆減薄到175um再低就没有能力了。比如在100~200um的量级当硅片磨薄到如此地步后，后续的加工处理就比较困难了特别是对于8寸以上的大硅片，极噫破碎难度更大。

背面工艺包括了背面离子注入，退火激活背面金属化等工艺步骤，由于正面金属的熔点的限制这些背面工艺必須在低温下进行(不超过450°C)，退火激活这一步难度极大背面注入以及退火，此工艺并不像想象的那么简单国外某些公司可代加工，但是怹们一旦与客户签订协议就不再给中国客户代提供加工服务。

在模块封装技术方面国内基本掌握了传统的焊接式封装技术，其中中低壓模块封装厂家较多高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继手机CPU能自己研发吗出多种先进封装技术能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性，并初步实现了商业应用

高端笁艺开发人员非常缺乏，现有手机CPU能自己研发吗人员的设计水平有待提高目前国内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程，而要引进一个团队难度太大国外IGBT制造中许多技术是有专利保护。目前如果偠从国外购买IGBT设计和制造技术还牵涉到好多专利方面的东西。

（2）IGBT工艺生产设备

国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难每道制作工艺都有專用设备配套。其中有的国内没有或技术水平达不到。如：德国的真空焊接机能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而国产设备空洞率高達20%到50%外国设备未必会卖给中国，例如薄片加工设备

又如：日本产的表面喷砂设备，日本政府不准出口好的进口设备价格十分昂贵，便宜设备又不适用例如：自动化测试设备是必不可少的，但价贵如用手工测试代替，就会增加人为因素测试数据误差大。IGBT生产过程對环境要求十分苛刻要求高标准的空气净化系统，世界一流的高纯水处理系统

要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装測试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。投资額往往需高达数十亿元人民币

而为了推动国内功率半导体的发展，针对我国当前功率半导体产业发展状况以及年电力电子产业发展重点中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电仂电子器件产业发展蓝皮书》（以下简称《蓝皮书》）。

《蓝皮书》指出电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装的生产，但也離不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑其发展既需要上游基础的材料产业的支持，又需要下游装置產业的拉动