【P001】IGBT技术

IGBT芯片技术发展

从20世纪80年代至今，IGBT芯片经历了7代升级，从平面穿通型(PT)到沟槽型电场-截止型(FS-Trench)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从600V提高到6500V以上。IGBT技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。

不同代际IGBT芯片产品对比

随着技术的升级，IGBT芯片面积、工艺线宽、通态功耗、关断时间、开关功耗均不断减小，断态电压由第一代的600V升至第七代7000V。

不同代际的IGBT芯片产品应用情况也有所不同：

中国IGBT芯片企业技术布局

中国IGBT产品与国际巨头英飞凌、三菱电机等差距在10年以上，步入第5代后，预计差距将缩短为10年，第6/7代产品差距将在5年以内。从中国IGBT芯片行业代表性企业从技术格局来看，斯达半导应用第七代IGBT技术，电压覆盖范围为100-3300V华微电子布局第六代IGBT技术，电压覆盖范围为360-1350V士兰微、时代电气、宏微科技应用第五代IGBT技术新洁能主要应用第四代IGBT技术。

IGBT芯片行业科研投入水平

以宏微科技、斯达半导、士兰微、时代电气为主要代表企业分析，2018-2021年，我国IGBT芯片行业研发费用从0.1元到19亿元不等，研发费用占营业收入比重整体不超过15%。其中，时代电气在科研投入规模和占比均位于行业前列，2021年，公司研发投入为17.85亿元，占收入比重的11.81%。

IGBT芯片技术“门槛”高，不仅涉及设计、制造、封装三个高精尖技术领域，而且难度大、周期长、投入高。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。我国要想实现IGBT芯片的技术突破，企业需要持续增加研发投入，减少与国际头部厂商IGBT芯片的代际差异。

中国IGBT芯片行业技术趋势

从行业整体发展规律而言，IGBT发展趋势主要是降低损耗和降低成本。

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棚极结构：平面棚机构、Trench沟槽型结构

3)硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶。

以上数据来源于前瞻产业研究院《中国IGBT芯片行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

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。 低温药芯锡丝

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。 昆明BGA锡球价格

IGBT芯片也称为绝缘栅双极晶体管。它是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件 。它结合了MOSFET和BJT的优点。它在高电压，大电流和高速下均具有出色的性能，使其成为电力电子领域中的理想开关器件。 IGBT模块是一种模块化产品，由多个IGBT芯片和FRD（快速恢复二极管）芯片通过特定电路封装在一起组成。输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗低，开关速度快。工作频率高，部件容量大等特点。

就下游应用而言，新能源 汽车 市场占31％，成为最大的IGBT芯片应用市场。第二是家电领域，占27％。在工业控制领域排名第三，占20％。新能源发电占11％，其余占11％。下游工业控制和消费电子产品的逐步复苏有望推动IGBT芯片市场的逐步扩展 。 IGBT芯片是光伏逆变器和风力发电逆变器的核心组件。新能源发电产业的快速发展将成为IGBT芯片产业的持续增长。随着新能源 汽车 市场的快速发展，IGBT芯片的需求和价值有望进一步增加，从而推动了IGBT芯片产业的增长。

目前， IGBT芯片的国产化已成为国家重点半导体器件的发展重点之一，IGBT芯片也被列为国家“ 02专项”的重点扶持项目，相关产业已进入阶段发展迅速。作为国内领先的IGBT芯片公司，斯达半导一直专注于IGBT芯片的独立研发。 该公司的IGBT芯片模块型号齐全。目前，它已经形成了涵盖工作电流5A-3600A和工作电压600V-3300V的产品布局。同时，该公司还具有提供MOSFET模块，IPM模块，整流器模块，晶闸管，碳化硅器件和其他产品的能力，从而形成了功率半导体的完整产品布局。先进的IGBT芯片设计，模块设计和制造工艺领先市场。

中高端IGBT芯片设计和制造中的技术创新和突破主要由国外制造商主导。在全球市场上，英飞凌，富士电机和IXYS等国际制造商涵盖了IGBT芯片产品的整个电压范围，而瑞萨，罗姆和意法半导体等制造商则专注于中低压产品。三菱，中国中车和斯达半导之类的制造商仅提供IGBT芯片模块产品。 随着公司产品技术水平逐步与国际水平接轨，公司在国内的替代优势越来越明显，主要体现在细分行业的领先优势，快速满足客户个性化需求的优势以及价格竞争的优势。 。该公司是IGBT芯片的领导者。随着IGBT芯片市场的快速扩展和国内替代产品的强劲趋势的帮助，企业有望凭借自身的竞争优势突围并扩大市场份额。公司在行业中的领先地位已得到牢固确立。 公司的 IGBT芯片模块的全球市场份额约为2.2％，在中国排名第一，在全球排名第八。

2020年前三季度，公司营业收入为6.68亿元，同比增长18.14％，归属于母公司股东的净利润1.34亿元，同比增长29.44％，其中第三季度，公司实现营业收入2.52亿元，同比增长26.39％，实现母公司实现净利润5300万元，同比增长36.24％。

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