在電力電子里面，最重要的一個(gè)元件就是IGBT。沒有IGBT就不會(huì)有高鐵的便捷生活。

一說起IGBT，半導(dǎo)體制造的人都以為不就是一個(gè)分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成電路制造一樣，是國家“02專項(xiàng)”的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目，這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，其應(yīng)用非常廣泛，小到家電、大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，長(zhǎng)期以來，該產(chǎn)品（包括芯片）還是被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期間國家16個(gè)重大技術(shù)突破專項(xiàng)中的第二位（簡(jiǎn)稱 “02專項(xiàng)”）。

1、何為IGBT？

所謂IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。

簡(jiǎn)單講，是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，如驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低等。

而平時(shí)我們?cè)趯?shí)際中使用的IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2、傳統(tǒng)的功率MOSFET

為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結(jié)構(gòu)。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓、大電流。

1)高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導(dǎo)致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓?jiǎn)栴}必須堵死這三端。Gate端只能靠場(chǎng)氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。

2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長(zhǎng)度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠?jī)纱螖U(kuò)散的結(jié)深差來控制，所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。

所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠?qū)崿F(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點(diǎn)，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長(zhǎng)，太浪費(fèi)芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復(fù)雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長(zhǎng)度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，為了與CMOS兼容。

再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。

再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。他們的做法是在Wafer表面挖一個(gè)槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical，果然是個(gè)聰明的想法。但是一個(gè)餡餅總是會(huì)搭配一個(gè)陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結(jié)構(gòu)天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電 場(chǎng)集中而導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實(shí)現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。

還有一個(gè)經(jīng)典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學(xué)習(xí)吧。他應(yīng)該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。

3、IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實(shí)本質(zhì)上還是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從結(jié)構(gòu)上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個(gè)P+層，我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實(shí)根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導(dǎo)電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個(gè)新的結(jié) 構(gòu)，我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)通的時(shí)候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎？所以自然的就在漏端引入了一個(gè)P+的injection layer (這就是名字的由來)，而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個(gè)P+/N-drift的PN結(jié)，不過他是正偏的，所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng)，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。

從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個(gè)等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實(shí)就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個(gè)東西不是我們刻意做的，而是結(jié)構(gòu)生成的。我在5個(gè)月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結(jié)構(gòu)最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關(guān)鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2<1就可以了。

另外，這樣的結(jié)構(gòu)好處是提高了電流驅(qū)動(dòng)能力，但壞處是當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，溝道很快關(guān)斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入，所以整個(gè)器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關(guān)斷時(shí)間及工作頻率。這個(gè)可是開關(guān)器件的大忌啊，所以又引入了一個(gè)結(jié)構(gòu)在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關(guān)斷的時(shí)候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復(fù)合掉提高關(guān)斷頻率，我們稱這種結(jié)構(gòu)為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因?yàn)镹PT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負(fù)溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導(dǎo)致的三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯)，而Vce(sat)決定了開關(guān)損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。

4、IGBT的制造工藝

IGBT的制程正面和標(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS沒差，只是背面比較難搞：

1) 背面減?。阂话阋?~8mil，這個(gè)厚度很難磨了，容易碎片。

2) 背面注入：都磨到6~8mil了，還要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必須有專門的設(shè)備dedicate。甚至第四代有兩次Hi-current注入，更是挑戰(zhàn)極限了。

3) 背面清洗：這個(gè)一般的SEZ就可以。

4) 背面金屬化：這個(gè)只能用金屬蒸發(fā)工藝，Ti/Ni/Ag標(biāo)準(zhǔn)工藝。

5) 背面Alloy：主要考慮wafer太薄了，容易翹曲碎片。

5、IGBT的新技術(shù)

1) 場(chǎng)截止FS-IGBT：不管PT還是NPT結(jié) 構(gòu)都不能最終滿足無限high power的要求，要做到high power，就必須要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必須要降低N-drift厚度，可是這個(gè)N-drift厚度又受到截止?fàn)顟B(tài)的電場(chǎng)約束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必須要讓截止電場(chǎng)到溝道前提前降下來。所以需要在P+ injection layer與N-drift之間引入一個(gè)N+場(chǎng)截止層(Field Stop, FS)，當(dāng)IGBT處于關(guān)閉狀態(tài)，電場(chǎng)在截止層內(nèi)迅速降低到0，達(dá)到終止的目的，所以我們就可以進(jìn)一步降低N-drift厚度達(dá)到降低Ron和Vce了。 而且這個(gè)結(jié)構(gòu)和N+ buffer結(jié)構(gòu)非常類似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制關(guān)閉狀態(tài)下的tailing電流提高關(guān)閉速度。

問題來了，這和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其實(shí)之制作工藝不一樣。PT-IGBT是用兩層EPI做出來的，它是在P+ 襯底上長(zhǎng)第一層~10um的N+ buffer，然后再長(zhǎng)第二層~100um的N-Drift。這個(gè)cost很高?。《啾戎碌腇S-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基礎(chǔ)上直接背面 打入高濃度的N+截止層就好了，成本比較低，但是挑戰(zhàn)是更薄的厚度下如何實(shí)現(xiàn)不碎片。

2) 陽極短接(SA: Shorted-Anode)：它 的結(jié)構(gòu)是N+集電極間歇插入P+集電極，這樣N+集電極直接接觸場(chǎng)截止層并用作PN二極管的陰極，而P+還繼續(xù)做它的FS-IGBT的集電極，它具有增強(qiáng)的電流特性且改變了成本結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴恍枰卜庋b反并聯(lián)二極管了。實(shí)驗(yàn)證明，它可以提高飽和電流，降低飽和壓降(~12%)。

6、IGBT的主要I-V特性

IGBT你既可以把它當(dāng)做一個(gè)MOSFET與PiN二極管串聯(lián)，也可以當(dāng)做是一個(gè)寬基區(qū)的PNP被MOSFET驅(qū)動(dòng)(Darlington結(jié)構(gòu))， 前者可以用來理解它的特性，后者才是他的原理。它看起來就是一個(gè)MOSFET的I-V曲線往后挪了一段(>0.7V)，因?yàn)闇系篱_啟產(chǎn)生電流必須滿足漂移區(qū)電流與漂移區(qū)電阻乘積超過0.7V，才能使得P+襯底與N-drift的PN結(jié)正向?qū)ǎ@樣才可以work，否則溝道開啟也不能work的。

7、為什么要重視IGBT？

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

按電壓分布的應(yīng)用領(lǐng)域

1）新能源汽車

IGBT模塊在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動(dòng)汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域中以下幾個(gè)方面：

A）電動(dòng)控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)；

B）車載空調(diào)控制系統(tǒng) 小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；

C）充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關(guān)元件使用；

2）智能電網(wǎng)

IGBT廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：

從發(fā)電端來看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)需要大量使用IGBT等功率器件。

從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。

從用電端來看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅(qū)動(dòng)等都對(duì)IGBT有大量的需求。

3）軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

8、IGBT各代之間的技術(shù)差異

IGBT各代之間的技術(shù)差異

要了解這個(gè)，我們先看一下IGBT的發(fā)展歷程。

工程師在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，需要一種新功率器件能同時(shí)滿足：·驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,以降低成本與開關(guān)功耗；通態(tài)壓降較低，以減小器件自身的功耗。

回顧他們?cè)?950-60年代發(fā)明的雙極型器件SCR,GTR和GTO通態(tài)電阻很小；電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大；1970年代推出的單極型器件VD-MOSFET通態(tài)電阻很大；電壓控制，控制電路簡(jiǎn)單且功耗??；因此到了1980年代，他們?cè)噲D把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。 1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來放棄）。自此以后， IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進(jìn)。

而經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我們清楚明白到，從結(jié)構(gòu)上看，IGBT主要有三個(gè)發(fā)展方向，分別是IGBT縱向結(jié)構(gòu)、IGBT柵極結(jié)構(gòu)和IGBT硅片加工工藝。而在這三個(gè)方面的改良過程中，廠商聚焦在降低損耗和降低生產(chǎn)成本兩個(gè)方面。

在一代代工程師的努力下，IGBT芯片在六代的演變過程中，經(jīng)歷了以下變化：

而前面我們已經(jīng)提到，開發(fā)者一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中都是使用IGBT模塊應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，所以我們簡(jiǎn)略對(duì)這個(gè)介紹一下。

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進(jìn)。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

9、國內(nèi)IGBT與國外的差距

先說一下IGBT的全球發(fā)展?fàn)顟B(tài)，從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局來看，美國功率器件處于領(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，

總體來看，臺(tái)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

而中國大陸功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占世界市場(chǎng)的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上，90％主要依賴進(jìn)口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。

2015年國際IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為48億美元，預(yù)計(jì)到2020年市場(chǎng)規(guī)?？梢赃_(dá)到80億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約10%。

2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場(chǎng)的1∕3。預(yù)計(jì)2020年中國IGBT市場(chǎng)規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為15%。

現(xiàn)在，國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列，按照細(xì)分的不同，各大公司有以下特點(diǎn)：

（1）英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級(jí)的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占優(yōu)勢(shì)；在3300V以上電壓等級(jí)的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。 在大功率溝槽技術(shù)方面，英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平；

（2）西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級(jí)的消費(fèi)IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位。

國際市場(chǎng)供應(yīng)鏈已基本成熟，但隨著新能源等市場(chǎng)需求增長(zhǎng)，市場(chǎng)鏈條正逐步演化。

而在國內(nèi)，盡管我國擁有最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，但是目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距，特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術(shù)均掌握在發(fā)達(dá)國家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點(diǎn)又導(dǎo)致了較高的市場(chǎng)集中度。 跟國內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機(jī)等國際廠商占有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。形成這種局面的原因主要是：

（1）國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。

（2）國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

所以中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢(shì)的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強(qiáng)于芯片的現(xiàn)狀。

而技術(shù)差距從以下兩個(gè)方面也有體現(xiàn)：

（1）高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強(qiáng)；

（2）IGBT芯片設(shè)計(jì)制造、模塊封裝、失效分析、測(cè)試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國家企業(yè)手中。

10、國內(nèi)現(xiàn)在主要從事IGBT的公司

而從地域上看，國內(nèi)的IGBT從業(yè)廠商則如下圖所示：

近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進(jìn)程加快，有望擺脫進(jìn)口依賴。

11、我國發(fā)展IGBT面對(duì)的具體問題

雖然用量和可控要求我們發(fā)展IGBT，我們也做了很多努力，但當(dāng)中還是有些問題需要重點(diǎn)考慮的：

（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(jí)，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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)試設(shè)備是必不可少的，但價(jià)貴。如用手工測(cè)試代替，就會(huì)增加人為因素，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差大。IGBT生產(chǎn)過程對(duì)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(cè)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)?；潭阮I(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。

而為了推動(dòng)國內(nèi)功率半導(dǎo)體的發(fā)展，針對(duì)我國當(dāng)前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及2016-2020年電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)，中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)、北京電力電子學(xué)會(huì)共同發(fā)布《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》（以下簡(jiǎn)稱《藍(lán)皮書》）。

《藍(lán)皮書》指出，電力電子器件產(chǎn)業(yè)的核心是電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導(dǎo)體和電子材料、關(guān)鍵零部件、制造設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎(chǔ)的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)。大家對(duì)中國IGBT的未來發(fā)展有什么期望？