国产IGBT困境浅析

发布时间:2016年06月01日 来源:超天才网 作者:李晶 浏览量:2,458

纵观全球市场,功率半导体主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司,它们代表着目前功率半导体技术的最高水平,包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。在高电压等级领域(3300V以上)更是由其中几家公司所控制,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。这些公司不仅牢牢控制着市场,还在技术上拥有着大量的专利。与国外厂商相比,国产功率半导体器件主要差距在器件设计,工艺和生产制造技术方面。另外,功率半导体工艺生产设备也是制约国产功率半导体器件的发展的主要原因。

 

IGBT发展历史

 

IGBT (绝缘栅双极型晶体管)发明于 80 年代初,多家公司几乎同时并独立地发明了这种器件,刚开始各公司对其称谓也不同。GE 公司刚开始称其为 IGR(Insulated-Gate Rectifer),其论文于 1982 年 12 月 14 日在 IEDM(国际电子器件会议)上发表。RCA 公司称其为 COMFET(Conductivity-Modulated FET)并在同一天得到美国专利局的专利批准,接着向 IEDM 提交了正式论文。Motorola 公司也独立发明了该器件,称为 GEMFET(Gain-Enhanced MOSFET)。加州伯克利分校发明了类似器件,称为 BMT(Bipolar MOS Transistor)及 IBT(Insulated-Base Transistor)。GE 公司后来将他们的发明从整流器改称 IGT(Insulated-Gate Transistor)。德国西门子称其为 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,面对的是大量的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。

 

IGBT技术变迁

代别

技术特点

芯片面积

(相对值)

通态饱和压降

(V)

关断时间

(µs)

功率损耗

(相对值)

年份

1

平面穿通型

(P.PT)

100

3.0

0.5

100

1988

2

改进的平面穿通型

(P.PT)

56

2.8

0.3

74

1990

3

沟槽型

(Trench)

40

2.0

0.25

51

1992

4

非穿通型

(NPT)

31

1.5

0.25

39

1997

5

电场截至型

(FS)

27

1.3

0.19

33

2001

6

电场截止沟槽型

(FS-Trench)

24

1.0

0.15

29

2003

 

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工生产。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是一些低压芯片。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工艺技术,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晶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,背面金属化等工艺步骤,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,此工艺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研发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,现有研发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。

 

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,能把晶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化、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。

 

市场竞争格局

 

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。日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 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。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 等设备。

 

 

IGBT 全球市场竞争格局

 

在市场竞争格局方面,在目前中国功率器件市场上,国外厂商占绝对优势,中国市场绝大多数的市场份额被国外厂商占据。从目前全球功率半导体厂商的区域分布来看,主要是欧美、日本和台湾厂商。

 

国产IGBT的进展

 

近几年来随着市场的刺激以及国家政策的扶持,国内出现了一批IGBT方面的公司。可以看到,这其中有很大一批是依靠购买国外芯片的模块封装类公司,真正的IGBT芯片设计类企业还是很少。不过这批公司的出现还是为国内IGBT产业的发展创造了良好的开局,国内IGBT产业在最近几年也得到了快速发展:2008年10月南车时代公司完成收购拥有50年功率器件研发历史的Dynex公司;2011年2月,中国南车大功率IGBT产业化基地在株洲奠基,总投资14亿元人民币中国首条八英寸IGBT芯片生产线项目正式启动;2011年12月中科院微电子所宣布6500V沟槽型场终止IGBT试制成功。不久的将来,国内的IGBT产业会逐渐发展强大起来。

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