中国也有核心技术：IGBT芯片技术详解

在这个星球上，你见过人类发明的最不可思议的科技是什么？

现代化高楼大厦？探索太空的宇宙飞船？四通八达的飞机高铁？还是蓬勃发展的人工智能？

这些确实是人类最顶尖科技的产物，今天要给你们说的，不是这些看起来就很牛逼的东西。而是你们手中的手机 。

不论是千元的低端机，还是售价颇高的苹果华为，它其实都包含着人类最伟大的科技艺术品—芯片

芯片表面的样子，很多人都见过，比如手机上的 SoC，微不足道的一片，面积比一枚硬币还小。

但就在这一平方厘米不到的芯片里，居然塞下了几十亿个晶体管 。

如果你对这个数字没概念，机哥打个不严谨的比方。把芯片等比例放大，如果一个晶体管占地 1m2，那你知道华为的麒麟 980、苹果 A12 芯片会有多大吗？

超过一个上海市的面积!

仅仅是把这些晶体管做进这么小的面积里，已经很让人难以置信了，结果它们还能以极其严密的顺序排布，整齐划一地工作，紧密无间地配合。带动整个手机数不清的运算，让你享受发微信、刷微博、玩吃鸡的快乐。这简直是神仙操作啊。

我们再来看看这些芯片的诞生，这些神一般的芯片，最开始就是我们生活中毫不起眼的沙子 。

通过纯化、切割，变成硅晶圆 。

再经过光刻、蚀刻、离子注入、封装等流程，变成我们的芯片。

这些流程咱们嘴上说说很轻巧, 但要实现超高密度的纳米制程工艺，这些流程都不能用一个“难”字来形容了。

芯片的种类五花八门，除了咱们都很熟悉的手机 CPU，机哥今天还想跟大家介绍另一种芯片, 它跟我们的生活也息息相关，在电动汽车 上运用极为广泛。

它的名字叫——IGBT。

听这个名字，你们肯定是一脸懵逼吧，但我要是告诉你们 IGBT 的中文翻译，估计你们会更懵逼。

Insulated-gate bipolar transistor

绝缘栅双极晶体管

IGBT 是用于电动车、铁路机车、动车组的交流电电动机输出控制的芯片。

所谓 IGBT，就相当于管你寝室供电的宿管大妈。

什么时候给电，什么时候拉闸，大妈轻车熟路。具体给多少电大妈也管，你要是用电不规范，偷偷用大功率电器，通报批评没商量。

IGBT 直接控制直、交流电的转换，决定了驱动系统的扭矩，以及最大输出功率。所以，你这车加速能力怎样，最高时速多少，能源效率如何全看它。

IGBT 大约占电机驱动系统成本的一半 ，占到整车成本的5% ，是整部电动车成本第二高的元件(成本第一高的是电池)。毫不夸张地说，这就是电动车领域的“核心技术” 。

但是在这之前的很长一段时间里，IGBT 都被国外企业牢牢地把在手里。包括中国高铁在内的高速机车用 IGBT，几乎被日本三菱垄断。而电动汽车用的 IGBT，则是德国英飞凌的天下。

核心技术”之痛依然横亘在我们面前,是比亚迪，站出来打破了僵局!

2009 年，比亚迪的 IGBT 横空出世，让中国在 IGBT 技术上实现了零的突破，打破了国际巨头的技术垄断。

目前，比亚迪成为了中国唯一一家拥有 IGBT 完整产业链的车企。

就在前两天，机哥还看到比亚迪推出了全新的车规级产品IGBT4.0 。

从工艺上来看，这一次比亚迪推出的 1200V 车规级 IGBT 的晶圆厚度居然只有120 μm 。

也就是两根头发丝的直径，已经是世界先进水平了。

工厂的生产环境洁净度是最高等级，每立方英尺里，直径超过 0.5 微米的微尘不超过 1 个。

晶圆工厂为了平稳防震，地基居然打到了岩石层，简直丧心病狂!

比亚迪的 IGBT4.0 芯片相较于市场主流产品，损耗低了约20% ，温度循环寿命达到10 倍 ，电流输出能力提升15% 。

落实到具体汽车上，比亚迪全新一代唐，实现了百公里加速 4.5 秒、全时电四驱、百公里油耗 2 升以内。

全新一代的唐 EV，百公里加速甚至做到了4.4 秒，续航里程提升至 600 公里。

而这一切，都是比亚迪真真正正自己拥有的“核心技术”。

如今，比亚迪已经开始投资布局第三代半导体材料SiC (碳化硅)的应用。

中国虽然是制造业大国，但“核心技术”的缺失一直是我们心中的伤痛。

而“芯片”正是这些伤痛中最深重的一个。 很多人可能不知道，芯片已经超过石油，成为我国的第一大进口商品。

《中华人民共和国2017年国民经济和社会发展统计公报》的统计数据

除了伤痛，我们更应该行动。为了不再受其他国家的掣肘，每个企业都应该靠长远的目光、提前布局、多年时间默默耕耘，稳扎稳打地取得自己领域里的一项项核心技术。

比亚迪这次给我们做了一个不错的示范。

一文看懂IGBT

IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。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。

IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。

在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。

1）当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。

2）当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。

3）当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：

②若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。

②若栅-射极电压UGE＞Uth ，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降低。

IGBT各世代的技术差异

回顾功率器件过去几十年的发展，1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO，该时段的产品通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；1970年代单极型器件VD-MOSFET。但随着终端应用的需求，需要一种新功率器件能同时满足：驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低，以减小器件自身的功耗。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究，导致了IGBT的发明。

1985年前后美国GE成功试制工业样品（可惜后来放弃）。自此以后， IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。

从结构上讲，IGBT主要有三个发展方向：

1）IGBT纵向结构：非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型；

2）IGBT栅极结构：平面栅机构、Trench沟槽型结构；

3）硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶；

其发展趋势是：①降低损耗 ②降低生产成本

总功耗＝ 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon)。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。

IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主，中低压IGBT模块则出现了很多新技术，如烧结取代焊接，压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高， IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势：

IGBT的主要应用领域

作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT已广泛应用于工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

1）新能源汽车

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：

A）电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；

B）车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；

C）充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；

2）智能电网

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：

3）轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

IGBT国内外市场规模

2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元，预计到2020年市场规模可以达到80亿美元，年复合增长率约10%。2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%。

从公司来看，国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等。中国功率半导体市场占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。

国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完善的IGBT产品系列。

英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。

西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。

尽管我国拥有最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比，英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：

中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

总的来说，在技术差距方面有：高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强；IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链，IGBT国产化的进程加快，有望摆脱进口依赖。

受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施，IGBT市场将引来爆发点。希望国产IGBT企业能从中崛起。

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