很多不了解半導(dǎo)體的人可能對(duì)IGBT比較陌生，但其實(shí)有著電力電子裝置“CPU”之稱的IGBT，是目前功率電子器件里技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，應(yīng)用十分廣泛，與我們的日常生活息息相關(guān)。

小到電磁爐、大到飛機(jī)船舶、軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，都有IGBT在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

就拿高鐵來說，高鐵使用交流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且省電，但轉(zhuǎn)速很難調(diào)整，反映到高鐵上，就是影響列車的車速。但好在轉(zhuǎn)速和輸入交流電源的頻率有很密切的關(guān)系，所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強(qiáng)電，來靈活控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是所謂的變壓變頻控制（VVVF）。

那么IGBT究竟是何方神圣，具體是怎么發(fā)揮作用的呢？

通俗來說，它是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，屬于功率半導(dǎo)體器件。這類型里最基礎(chǔ)的產(chǎn)品是大家耳熟能詳?shù)亩O管，但二極管的開通和關(guān)閉不能通過器件本身進(jìn)行控制，故稱之為不可控型器件，其他的，還有半可控型和全可控型，而全可控型里面的新星就是本篇的主角IGBT了。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文名為絕緣柵雙極型晶體管，是半導(dǎo)體領(lǐng)域里分立器件中特別重要的一個(gè)分支。分立器件主要以功率半導(dǎo)體器件為主，本質(zhì)上就是進(jìn)行功率處理的，具有處理高電壓、大電流能力的器件，主要用途包括電壓/電流的變頻、變壓、變相、整流、逆變、開關(guān)等。

半導(dǎo)體器件的分類及作用

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，它其實(shí)是由BJT 和MOSFET 組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，既有MOSFET 的開關(guān)速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，又有BJT 導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件，是未來應(yīng)用發(fā)展的主要方向。

IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)然，IGBT并不能完全替代BJT、MOSFET，三者根據(jù)各自的器件性能優(yōu)勢(shì)，都有適合的應(yīng)用領(lǐng)域。BJT更強(qiáng)調(diào)工作功率，MOSFET更強(qiáng)調(diào)工作頻率，而IGBT是工作功率和頻率兼具。

功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用分布

但IGBT發(fā)展到現(xiàn)在，也經(jīng)過了多年的技術(shù)革新和產(chǎn)品迭代，如今市場(chǎng)上的最新技術(shù)為英飛凌在2018年底推出的第七代產(chǎn)品，整體技術(shù)發(fā)展方向可以歸納為向更高的功率密度、開關(guān)頻率，以及更小的導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗、芯片尺寸發(fā)展。

IGBT的技術(shù)演進(jìn)

    盡管我國(guó)擁有最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，但是目前國(guó)內(nèi)IGBT等高端器件的研發(fā)與國(guó)際大公司相比還存在很大差距，中國(guó)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)于芯片制造的現(xiàn)狀。

技術(shù)差距從以下兩個(gè)方面有所體現(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(guó)家企業(yè)手中。

近幾年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)在國(guó)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(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程加快，有望擺脫進(jìn)口依賴。

而在緊追國(guó)外技術(shù)的過程中，我國(guó)的IGBT技術(shù)研發(fā)瓶頸主要在技術(shù)工藝和生產(chǎn)設(shè)備方面，而工藝上面臨以下幾項(xiàng)難點(diǎn)：

（1）薄晶圓工藝

    IGBT制造中，薄晶圓是芯片工藝的發(fā)展趨勢(shì)，可降低損耗，而且特定耐壓指標(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、60μm，這對(duì)于國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)水平是很大的挑戰(zhàn)。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。

而芯片制程越小，晶圓的尺寸就越大，目前14nm或以下制程的芯片，全部采用12寸的晶圓片來制造，因?yàn)榫A越大，襯底成本就越低，未來甚至?xí)?8寸或更大的硅晶圓片出現(xiàn)，目前12寸晶圓我國(guó)還依賴于進(jìn)口，在12寸的薄晶圓工藝上還有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

芯片制造的基礎(chǔ)——晶圓

（2）背面工藝

包括背面離子注入、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(guó)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(guó)客戶代提供加工服務(wù)。

（3）模塊封裝技術(shù)

國(guó)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少數(shù)公司。與國(guó)外公司相比，技術(shù)上的差距依然存在。國(guó)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。

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