電子科技大學微電子與固體電子學院教授、副院長 張波
目前我國IGBT產業(yè)在國家政策及重大項目的推動及市場牽引下得到了迅速發(fā)展,呈現(xiàn)出大尺寸區(qū)溶(FZ)單晶材料、IGBT芯片工藝和IGBT模塊封裝技術全面蓬勃發(fā)展的大好局面。
我國IGBT成就顯著
天津中環(huán)半導體股份有限公司研制的6英寸FZ單晶材料已批量應用,在國家“02”科技重大專項的推動下,8英寸FZ單晶材料已取得重大突破;電磁灶用1200V NPT型IGBT已由多家企業(yè)(江蘇東光、華潤華晶、山東科達等)批量供貨,這標志著我國國產IGBT芯片打破了國外一統(tǒng)天下的局面;基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已研制出樣品,正進行可靠性考核,4500V和6500V IGBT芯片研制也在積極推進中;封裝技術取得重大進展。株洲南車時代電氣股份有限公司的IGBT功率模塊已在國內地鐵及機車上裝車試運營,產品性能等同于國外產品,同時8英寸IGBT芯片生產線也在建設中。中國北車集團屬下的西安永電電氣有限責任公司生產的6500V/600A IGBT功率模塊已成功下線,使其成為全球第四個、國內第一個能夠封裝6500V以上電壓等級IGBT的廠家。此外,江蘇宏微的IGBT模塊已成功進入電焊機市場,浙江嘉興斯達的IGBT模塊正積極向國外市場推廣。材料、設計、工藝和封裝是IGBT最重要的,其中最為核心的是設計和工藝。目前國內還需在可靠性設計和工藝上、特別是與成本和性能密切相關的薄片工藝上努力探索。
雖然國內IGBT行業(yè)近年來取得了重大進展,但我們必須清醒地看到,國內IGBT行業(yè)與國外還存在巨大差距。差距主要是在芯片生產技術方面,我們在400V~600V薄片F(xiàn)S(場阻)結構IGBT芯片生產、高可靠高性能IGBT芯片技術、壓接式IGBT功率模塊生產技術等領域與國際先進水平還差之甚遠。
應積極發(fā)展寬禁帶器件
IGBT是中高功率應用的主流,從2010年世界功率半導體市場份額可以明顯看出,IGBT以超過50%的增長率高居功率半導體領域之首,并創(chuàng)記錄地達到32億美元的銷售額。2010年日本羅姆公司宣布量產SiC功率MOSFET,美國Cree公司隨后也宣布量產1200V SiC功率MOSFET。雖然SiC功率MOSFET性能較硅基IGBT更優(yōu),但高昂的價格使其在較長時期內難以取代IGBT。我們期待SiC MOSFET首先在汽車電子、工業(yè)應用等有較大應用市場而又對價格不太敏感的領域取得突破,從而進一步帶動SiC電力電子器件的發(fā)展?;诠杌r底的GaN功率半導體器件是我看好的發(fā)展方向,但目前其主要問題是長期可靠性難以實現(xiàn)。SiC電力電子器件在中高功率、GaN電力電子在1200V以下的中低功率和多功能集成領域具有發(fā)展優(yōu)勢。
在此本人大力呼吁,雖然以SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)為代表的寬禁帶電力電子技術目前還處于發(fā)展初期,但我們必須高度重視,應積極發(fā)展寬禁帶電力電子器件,否則我們將持續(xù)落后。
設計和加工緊密結合
目前國際IGBT的發(fā)展主流是8英寸芯片生產線。在國家2009年立項的“02”科技重大專項IGBT芯片項目中也明確要求發(fā)展8英寸IGBT芯片生產線,并且以市場占有率為考核指標。目前華虹NEC等8英寸生產線在IGBT研制中正取得重大進展。但我國還需要在量大面廣的400V~600V薄片F(xiàn)S(場阻)結構IGBT芯片生產和高可靠高性能IGBT芯片技術等領域加大投入和攻關力度??傊?,市場占有率才是根本。
IGBT的發(fā)展趨勢可以歸納為薄片、場阻型(FS)、更小元胞的溝槽柵單元(Cell)、以載流子注入增強和載流子存儲層為代表的載流子分布優(yōu)化技術、以逆導(RC)型IGBT為代表的集成技術。國際主流IGBT生產企業(yè)均是IDM企業(yè),并朝8英寸生產線發(fā)展。IGBT的特點是系統(tǒng)應用、器件設計和工藝加工密切結合。國內功率半導體IDM企業(yè)的生產能力有限,先進的工藝在制造廠那邊,而絕大部分系統(tǒng)廠家還沒有能力獨立發(fā)展功率半導體芯片生產線。因此目前國內發(fā)展IGBT應以先進工藝為基礎,走“虛擬IDM”方式,充分結合終端用戶,走產學研發(fā)展之路,發(fā)揮市場優(yōu)勢,走出中國特色,在此基礎上進行整合,使我國最終發(fā)展成為全球功率半導體的研發(fā)生產大國。#p#分頁標題#e#
專家觀點
北京工業(yè)大學電子工程系博士生導師亢寶位
“我國IGBT的設計與加工是分離還是統(tǒng)一?應早日形成共識以免浪費資源。”
作為半導體器件主體的微電子器件已經發(fā)展成為兩大分支:半導體集成電路和半導體功率器件。前者用于信息處理,后者用于能量(電能)處理。1980年之后國際上主流的半導體功率器件由可控硅發(fā)展為更先進的絕緣柵雙極晶體管(IGBT). 它用起來更簡單方便,用它制造的電力裝置體積小、重量輕、成本低、更節(jié)能。我國對其重要性認識較遲,落后于國際約20年才起步,2005年之后才逐步提上日程,重點加以提倡和扶持。
目前我國IGBT(含配套的超快FRD)產業(yè)的現(xiàn)狀是:在封裝方面,通過自己開發(fā)和技術引進,已經解決了電壓可達6500KV、電流可達幾千安培的IGBT功率模塊封裝(內含F(xiàn)RD)的批量生產技術;在芯片方面,已經開發(fā)出耐壓1700V以下(含1700V)的IGBT和超快FRD。
目前我國IGBT產業(yè)存在的主要問題是:一是芯片國產化還沒有真正解決。耐壓高于1700V的產品有待開發(fā);耐壓低于(含)1200V的產品有待用戶考驗,改進質量才能達到市場大批量接納水平,這還需一段不短的磨合過程;二是我國自產的IGBT芯片技術還基本采用國際上1980年代末期推出的NPT-IGBT技術,其后國際上出現(xiàn)了更先進的產品,如溝槽柵FS-IGBT、表面載流子濃度增強IGBT等,我國還沒有開發(fā)成功或者還沒有開始開發(fā);三是IGBT模塊封裝用的關鍵零部件還需進口;四是更優(yōu)越的、以SiC為代表的新材料IGBT的研發(fā)才剛剛開始納入重點;五是國際上IGBT的生產高度集中于少數(shù)幾家大公司,他們采用互不相同的、獨有的器件結構和工藝技術,中國需要創(chuàng)造出自己的IGBT制造技術才能獨立生存,否則就只能生產落后的產品或者向外國公司支付高額的技術費用。
除以上技術問題外,還有產業(yè)鏈運行機制問題。在國外,IGBT產業(yè)與集成電路產業(yè)是完全不同的。集成電路產業(yè)是設計與加工分離,由專門的設計公司進行電路設計和專門的代工企業(yè)進行制造,電路中晶體管的器件設計和加工技術都同屬于代工企業(yè),但是國外各大公司IGBT的設計與制造卻是不分離的。這是因為IGBT本身只是一個器件,沒有電路,所以不存在電路設計問題。此外各大公司IGBT的設計與制造技術也各不相同,都有自己的技術秘密,不便于統(tǒng)一代工。我國IGBT的設計與加工是分離還是統(tǒng)一?應早日統(tǒng)一認識以免浪費資源。
我國IGBT產業(yè)已經取得了很大的進步,但要在國際競爭中占有一席之地,還有很長的路要走,可能需要十幾年或幾十年的時間,還需要本行業(yè)腳踏實地的長期努力和政府長期持續(xù)的扶持。
江蘇宏微科技有限公司總裁趙善麒
“下一步要取得更大的發(fā)展,需從整個IGBT產業(yè)鏈方面考慮如何加強和提升IGBT器件的水平。”
與國外相比,目前國內IGBT產品的品種方面還不完善,特別是在芯片產品方面;高電壓(1700V以上)產品還是空白;高壓1200V以上高壓IGBT的區(qū)熔單晶也基本是空白,國內尚無Field Stop工藝平臺。宏微科技用其專有的NPT技術實現(xiàn)了Field Stop技術的特性。國內Trench IGBT仍在開發(fā)中,尚無商品化的產品,需要在正面的Trench工藝、背面的減薄和離子注入工藝上下工夫。#p#分頁標題#e#
雖然目前硅是IGBT的主流,SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)也開始有所應用。SiC目前比較成熟的器件主要是SiC二極管,MOSFET也逐漸投向市場,但是IGBT應用還遙遙無期。GaN目前主要產品也是二極管和LED。
最近中國大陸投資興建了IGBT 8英寸芯片生產線、中科院微電子所超高壓IGBT6500V阻斷電壓成功等,表明我國IGBT領域已取得了一定的進展。下一步要取得更大的發(fā)展,就要從整個IGBT產業(yè)鏈方面考慮如何加強和提升IGBT器件的水平,如原材料、制造工藝、制造設備、測試和可靠性技術,以及應用拓展、人才培養(yǎng)等。
未來溝槽柵、高壓和場截止型(FS)將代表IGBT的發(fā)展趨勢,但是在許多細節(jié)方面(設計和工藝)需要考慮如何進一步改善IGBT的性能。要制造出性價比更高、可靠性相當?shù)腎GBT器件和模塊,需要攻克的難點涉及整個IGBT產業(yè)鏈的問題,包括材料、制造工藝、制造設備和可靠性技術的提升等。
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