IGBT核心技術(shù)及人才缺失 加快產(chǎn)業(yè)化體系

    新型電力半導(dǎo)體器件的代表，IGBT的產(chǎn)業(yè)化在我國還屬空白。無論技術(shù)、設(shè)備還是人才，我國都處于全方位的落后狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，電力半導(dǎo)體器件和集成電路在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中地位同樣重要，因此，政府應(yīng)該對IGBT產(chǎn)業(yè)予以大力扶持。

    眾所周知，電力電子技術(shù)可以提高用電效率，改善用電質(zhì)量，是節(jié)省能源的王牌技術(shù)。當(dāng)今以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的新型電力半導(dǎo)體器件是高頻電力電子線路和控制系統(tǒng)的核心開關(guān)元器件，它的性能參數(shù)將直接決定著電力電子系統(tǒng)的效率和可靠性。IGBT已成為新型電力半導(dǎo)體器件的代表性器件，對大功率高頻電力電子裝置和系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展起著十分重要的推動(dòng)作用。

    認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致IGBT受冷落

    IGBT的產(chǎn)業(yè)化在我國還屬空白。雖然國家在“八五”和“九五”期間分別立項(xiàng)支持了IGBT的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，但是由于各種客觀原因，這些攻關(guān)的成果只是做出了技術(shù)樣品，而沒能把技術(shù)樣品變?yōu)楣こ坍a(chǎn)品并且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

    很長時(shí)間以來，在半導(dǎo)體行業(yè)中有相當(dāng)一部分人認(rèn)為我們國家已掌握了0.15微米、8英寸的集成電路技術(shù)，IGBT的0.5微米、6英寸的技術(shù)應(yīng)沒有太大難度。事實(shí)上它們的差別在于：集成電路的技術(shù)難點(diǎn)在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及版圖設(shè)計(jì)，其生產(chǎn)工藝較為規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，只要版圖設(shè)計(jì)好了，在一條常規(guī)的線寬合適的IC流水線上流片應(yīng)不會(huì)有太大的問題；而IGBT正好相反，其設(shè)計(jì)技術(shù)相對而言不太復(fù)雜，但由于其大電流、高電壓、高頻和高可靠的要求，加工工藝十分特殊和復(fù)雜。目前，全國還沒有一條較完備的IC工藝線可以從頭到尾完成IGBT的生產(chǎn)。另外，對于不同電壓等級(jí)和頻率范圍的IGBT，其主要工藝也有較大差異，從而增加了IGBT生產(chǎn)的特殊性和復(fù)雜性。

    我國的IGBT器件之所以沒能最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一個(gè)重要原因是缺少產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和人才。隨著近幾年來海歸派回國創(chuàng)業(yè)，這一狀況在某種程度上得到了改善。此外，國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)的興趣大多轉(zhuǎn)移到SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體器件及電源管理芯片方向，目前國內(nèi)只有兩三家高校及院所還在進(jìn)行與IGBT器件相關(guān)的研發(fā)，并且主要限于計(jì)算機(jī)仿真研究。這就導(dǎo)致了我國在IGBT設(shè)計(jì)和研發(fā)方面的人才奇缺。

    缺少核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)

    IC的電熱學(xué)特點(diǎn)是電流小、電壓低、對散熱沒有太高要求，因此，IC的工藝特點(diǎn)是淺結(jié)、薄膜和片厚。而IGBT正好相反，其特點(diǎn)是電流大、電壓高和頻率高，因此對散熱的要求非常高，這樣，就必然導(dǎo)致IGBT的工藝特點(diǎn)是結(jié)深、膜厚和片薄。另外，應(yīng)用系統(tǒng)對IGBT器件的可靠性要求也很高。

    為了實(shí)現(xiàn)大電流，IGBT采用了多原胞并聯(lián)技術(shù)，每個(gè)原胞的開通和關(guān)斷性能要求高度一致，因此，要求IGBT的工藝一致性也很高。而且，為了盡量減少IGBT的并聯(lián)個(gè)數(shù)，希望IGBT在有源區(qū)面積一定的情況下其電流容量越大越好，即器件的電流密度越高越好。

    為了實(shí)現(xiàn)高電壓，在IGBT芯片上采用了高壓終端技術(shù)及鈍化技術(shù)。終端的面積約占IGBT芯片總面積的20%。另外，有些應(yīng)用場合還需將幾個(gè)IGBT進(jìn)行串聯(lián)以滿足耐壓要求，IGBT的串聯(lián)技術(shù)必須考慮動(dòng)態(tài)均壓問題，從而對IGBT的工藝和參數(shù)控制的一致性要求也較高。

    為了提高器件的工作頻率，需要對IGBT漂移區(qū)厚度、結(jié)構(gòu)、少子壽命及集電極發(fā)射效率進(jìn)行精確的控制。為了提高散熱效率，除了盡可能地降低器件的通態(tài)和開關(guān)損耗之外，還需要對IGBT芯片進(jìn)行減薄。另外，IGBT的封裝材料和工藝對其散熱效率的影響也很明顯。
    針對上述IGBT器件的特點(diǎn)，國內(nèi)缺少此類器件的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝、測試和可靠性試驗(yàn)等一套完整的技術(shù)。即使有些部門掌握了部分技術(shù)，但也不系統(tǒng)、不完整。而國外公司在IGBT的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面對我國還是實(shí)行嚴(yán)密的封鎖政策。這就嚴(yán)重制約了IGBT器件在我國的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

    國內(nèi)目前的半導(dǎo)體生產(chǎn)線絕大多數(shù)是IC產(chǎn)品生產(chǎn)線，少數(shù)分立器件的生產(chǎn)線也主要生產(chǎn)常規(guī)三極管和肖特基二極管，缺少IGBT所需要的柵極形成、隔離、背面減薄和注入工藝等技術(shù)。

    政策應(yīng)加大扶持力度

    微電子技術(shù)是對信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換，可以提高人們的工作效率和生活質(zhì)量；而電力電子是對電能的控制和變換，可以提高用電效率和改善用電質(zhì)量，也是工業(yè)化和信息化融合的關(guān)鍵技術(shù)。集成電路和電力半導(dǎo)體器件在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中地位同樣重要，兩者相輔相成。然而，同樣重要的技術(shù)并沒有得到同樣的重視，國家在2000年出臺(tái)了18號(hào)文件，重點(diǎn)支持集成電路和軟件技術(shù)的發(fā)展，沒有將新型電力半導(dǎo)體器件列入其中。國家十一五重大專項(xiàng)中，新型電力半導(dǎo)體器件又未能進(jìn)入支持目錄。

    針對IGBT產(chǎn)業(yè)，必須運(yùn)用系統(tǒng)工程打造產(chǎn)業(yè)化體系。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，應(yīng)重點(diǎn)利用海歸技術(shù)人員所掌握的國際先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)部分高校和研究所的前期經(jīng)驗(yàn)；在芯片制造領(lǐng)域，應(yīng)充分利用國內(nèi)已有的IC和分立器件生產(chǎn)線，補(bǔ)充必要的生產(chǎn)設(shè)備；在封裝領(lǐng)域，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展單管大尺寸封裝(TO-220以上)、標(biāo)準(zhǔn)功率模塊、智能化功率模塊和用戶定制功率模塊；在測試領(lǐng)域，應(yīng)發(fā)展新型器件的動(dòng)靜態(tài)特性測試、可靠性試驗(yàn)及失效分析手段；在原材料領(lǐng)域，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展高阻外延單晶、區(qū)熔單晶和磁場直拉單晶；在設(shè)備領(lǐng)域，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展大面積減薄、微細(xì)刻蝕、大束流離子注入等設(shè)備；針對應(yīng)用特性，應(yīng)重點(diǎn)研究器件和電路接口方面的技術(shù)問題，如驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等；針對人才培養(yǎng)，短期可以從國外引進(jìn)一批有著豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的高層次技術(shù)人才，長期則需要在國內(nèi)高校培養(yǎng)新型電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造人才。

    根據(jù)我國IGBT產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)和需要，在產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中要給予相關(guān)政策支持，如政府采購、財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、關(guān)稅保護(hù)、國產(chǎn)化率考核、國產(chǎn)裝備的風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償、大型節(jié)能減排項(xiàng)目示范工程等。不僅要對器件的研發(fā)給予重點(diǎn)支持，而且應(yīng)在系統(tǒng)應(yīng)用的源頭利用政策的杠桿來輔助，才會(huì)使國內(nèi)的器件制造從弱勢成長為強(qiáng)勢。

    此外，我們還應(yīng)制定IGBT產(chǎn)業(yè)化各環(huán)節(jié)和全程目標(biāo)，設(shè)置和控制關(guān)鍵點(diǎn)，建立對產(chǎn)業(yè)化全程的反饋和優(yōu)化控制流程。要把我國IGBT產(chǎn)業(yè)化與節(jié)能減排規(guī)劃、新能源發(fā)展規(guī)劃、裝備制造、電子信息及其他產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃銜接，加強(qiáng)IGBT產(chǎn)業(yè)化的配套設(shè)施建設(shè)。(本文作者趙善麒為江蘇宏微科技有限公司總經(jīng)理，陸劍秋為中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)理事長，畢克允為中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)特聘副理事長、中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)副理事長。)

    相關(guān)鏈接

    IGBT技術(shù)及應(yīng)用

    IGBT是在MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)晶體管)和雙極晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，主要用于通信、工業(yè)、醫(yī)療、家電、照明、交通、新能源、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、航空、航天及國防等諸多領(lǐng)域。

    IGBT既具有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)、控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)。自問世以來，IGBT以其優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)性能，在6500V以下的中大功率高頻領(lǐng)域逐漸取代了晶閘管和功率MOSFET器件。目前，尚無任何其他器件可以在短期內(nèi)代替IGBT器件。