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中国IGBT真的逆袭了吗?
作者:PBSNPR
发表时间:2018-01-26
更新时间:2018-01-26
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2017-04-08 11:17


编者按:近日,CCTV2做了中国芯生存状态系列报道,主要谈了中国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,不是一件好事,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、电网等战略性产业,被称为电力电子行业里的「CPU」,长期以来,该产品(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」)

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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,它是由计算机控制的。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级下,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,现在只有在最大电压电流超过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,但不能支持这么大的电压电流,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的两种器件的优点,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

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。

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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时保持压降一致,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。

具体到每一代的产品发展上。

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体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”,这样可以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。耐压较低的如几百伏的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为沟槽栅结构,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。工作时增强了电流导通能力,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“透明集电区技术”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从第四代的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,有报道介绍了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。但是全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及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%的市场占有率位居第二。

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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。

据调研机构IHS于2016年公布的报告,英飞凌以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。

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严重依赖进口,中国IGBT厂商差距明显

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交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。、

而从技术上上看,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。

(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。

提示: 本博文来自于 Military2 版

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