據(jù)Yole報道，2017年，電池電動車(BEV)和插電式混合動力車(PHEV)出貨達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輕度混合動力車型。這種為汽車輔助系統(tǒng)供電同時減少二氧化碳排放量的高性價比解決方案，將在2018~2019年間在所有歐洲汽車制造商中擴散，其次是中國汽車制造商。
48V系統(tǒng)將迅速推動市場，市調機構Yole Développement(Yole)預測2017~2023年期間輕度混合動力汽車的復合年成長率將達到50%，因為這些低成本的電動汽車具有吸引力。他們的方法可以輕松應用于任何汽車，從城市汽車到高端豪華車型。
在評估了各類電動汽車市場的發(fā)展趨勢之后，Yole預估2018至2023年年復合年成長率將達到兩位數(shù)。在2020年左右廣義電動車EV/HEV市場規(guī)模將突破1000萬輛，到2023年將進一步成長到1800萬輛。電動車的發(fā)展同時也將帶動IGBT功率元件市場，2017年相關元件市場規(guī)模約10億美元，預計到2023年，電動汽車/混合動力汽車領域的IGBT市場規(guī)模將近23億美元。
IGBT技術進展
IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)發(fā)明于 80 年代初，多家公司幾乎同時并獨立地發(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，接著向 IEDM 提交了正式論文。
Motorola 公司也獨立發(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，所以人們認同了 IGBT 的稱謂。
至今，IGBT經(jīng)歷了六代技術的發(fā)展演變，面對的是大量的結構設計調整和工藝上的難題?；仡橧GBT的發(fā)展歷程，其主要從三方面發(fā)展演變：器件縱向結構，柵極結構以及硅片的加工工藝。
最新的IGBT經(jīng)歷了上述四次技術改進實踐后對各種技術措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術”與“電場中止技術”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五代基礎上改進了溝槽柵結構，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先實力。
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、茂達、安茂、致新和沛亨等一批廠商。臺灣廠商主要偏重于 DC/DC 領域，主要產(chǎn)品包括線性穩(wěn)壓器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脈寬調制集成電路)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，技術方面和國際領先廠商的差距進一步縮小，產(chǎn)品主要應用于計算機主板、顯卡、數(shù)碼產(chǎn)品和 LCD 等設備。
據(jù)調研機構IHS于2016年公布的報告，英飛凌以24.5%的份額高居榜首，日本三菱電機則以24.4%的份額屈居第二，另一日系大廠富士電機則以12.2%的占有率排行第三。
國產(chǎn)IGBT廠商差距明顯
每日經(jīng)濟新聞報道，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，我國還沒有一個廠家能夠實現(xiàn)6500V IGBT芯片本土產(chǎn)業(yè)化，為此，國內企業(yè)每年需花費數(shù)億元從國外采購IGBT產(chǎn)品。
他們進一步指出，由于國外采購周期長達數(shù)月甚至一年以上，嚴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，大大降低了國內動車、機車裝備在國際市場的競爭力。因此發(fā)展國內的IGBT產(chǎn)業(yè)迫在眉睫。根據(jù)統(tǒng)計顯示，我國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈廠商如下圖所示：
而從技術上上看，中國IGBT和國外的差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
?。?）IGBT技術與工藝
我國的功率半導體技術包括芯片設計、制造和模塊封裝技術目前都還處于起步階段。功率半導體芯片技術研究一般采取“設計+代工”模式，即由設計公司提出芯片設計方案，由國內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，所以設計生產(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，更需要先進的工藝設備，這些都是我國功率半導體產(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芯片體內結構設計有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等類型，在改善IGBT的開關性能和通態(tài)壓降等性能上做了大量工作。但是把上述設計在工藝上實現(xiàn)卻有相當大的難度。尤其是薄片工藝和背面工藝。工藝上正面的絕緣鈍化，背面的減薄國內的做的都不是很好。
薄片工藝，特定耐壓指標的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的限制，這些背面工藝必須在低溫下進行(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。
在模塊封裝技術方面，國內基本掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術，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，技術上的差距依然存在。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術相繼研發(fā)出多種先進封裝技術，能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性，并初步實現(xiàn)了商業(yè)應用。
高端工藝開發(fā)人員非常缺乏，現(xiàn)有研發(fā)人員的設計水平有待提高。目前國內沒有系統(tǒng)掌握IGBT制造工藝的人才。從國外先進功率器件公司引進是捷徑。但單單引進一個人很難掌握IGBT制造的全流程，而要引進一個團隊難度太大。國外IGBT制造中許多技術是有專利保護。目前如果要從國外購買IGBT設計和制造技術，還牽涉到好多專利方面的東西。
?。?）IGBT工藝生產(chǎn)設備
國內IGBT工藝設備購買、配套十分困難。每道制作工藝都有專用設備配套。其中有的國內沒有，或技術水平達不到。如：德國的真空焊接機，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而國產(chǎn)設備空洞率高達20%到50%。外國設備未必會賣給中國，例如薄片加工設備。
又如：日本產(chǎn)的表面噴砂設備，日本政府不準出口。好的進口設備價格十分昂貴，便宜設備又不適用。例如：自動化測試設備是必不可少的，但價貴。如用手工測試代替，就會增加人為因素，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。要求高標準的空氣凈化系統(tǒng)，世界一流的高純水處理系統(tǒng)。
要成功設計、制造IGBT必須有集產(chǎn)品設計、芯片制造、封裝測試、可靠性試驗、系統(tǒng)應用等成套技術的研究、開發(fā)及產(chǎn)品制造于一體的自動化、專業(yè)化和規(guī)模化程度領先的大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地。投資額往往需高達數(shù)十億元人民幣。
國產(chǎn)IGBT，任重而道遠！