作者：朱宏任,陈玉涛
出版社：电子工业出版社
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工业强基IGBT 一条龙试读：
内容简介
工业强基工程是中国制造强国发展战略的重要基础工程之一，是中国发展权的重要体现形式，也是建设社会主义强国的重要工程。工业强基工程围绕“四基”——核心基础零部件（元器件）、关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础，在多个领域、多个产业方向展开工作。IGBT是新时代半导体器件中发展快、市场容量大的器件，IGBT的研发生产水平一定程度上代表了国家电子技术领域的科技实力和制造水平，对工业、交通、电网等均具有深远影响。IGBT是工业强基工程中实施重点产品、工艺“一条龙”应用计划之一。本书是IGBT方面的技术专著，它通过对IGBT上游原材料与生产工艺、中游生产设备、下游领域应用的介绍及各产业链环节中典型企业的分析，清晰呈现IGBT产业链全貌，推进产业链协作。全书共分为六章，包括IGBT概述、IGBT产业分析、IGBT供需分析、IGBT上游原材料企业、IGBT中游设备生产企业与IGBT重点生产企业。
本书供企业、关注工业强基和IGBT产业的人士参考，有助于扩大IGBT产业影响力。
序言一
在中国制造强国发展战略体系中，工业强基工程是重要基础工程之一，是核心任务。核心基础零部件（元器件）、关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础直接决定着产品的性能和质量，是工业整体水平和国家核心竞争力的根本体现，是制造强国建设的重要基础和支撑条件。提高工业基础能力是一个系统工程，要充分发挥政、产、学、研、用各方的积极性和主动性，各司其职、分工合作、协同推进。工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部2016年发布的《工业强基工程实施指南（2016－2020年）》全面部署了实施工业强基工程的要求、目标和任务，并明确了“一揽子”重点突破行动和“一条龙”应用计划等重点工作。“一条龙”应用计划是以应用为牵引，选择若干零部件（元器件）产品，集中开展相关产品的专用材料研发、先进工艺开发、试验检测平台建设、应用示范和推广，形成链式解决方案。“一条龙”应用计划的推进目的是建立上下游互融共生、分工协作、利益共享的一体化组织新模式，推进产业链协作。
为贯彻落实《工业强基工程实施指南（2016－2020年）》，2017年，工业和信息化部开展了包括IGBT器件在内的四个“一条龙”应用示范工作。IGBT是一种能够广泛应用于新能源汽车、智能电网和轨道交通等领域的关键电子元器件，推动IGBT产业的发展意义重大。
中国企联承接了IGBT器件“一条龙”的组织协调工作。从IGBT产业高峰论坛作为2017年企业家活动日暨中国企业家年会系列活动之一在株洲召开，到2018年5月组织召开工业强基IGBT器件“一条龙”江铃现场会，通过搭建以应用为牵引的“一条龙”平台，以市场为主导，以政府为指引，以企业为主体，切实帮助上下游企业建立更加紧密的沟通机制，推动产业链之间协作。工业和信息化部等有关部委、行业院士专家、制造企业负责人、IGBT广大从业者对产业未来发展展现出的决心与信心，付诸的努力与艰辛，取得的成绩与面临的机遇，都表明了IGBT产业既是一个发展迅速、前景光明的产业，又是一个充满挑战的高技术产业，更是一个需要协力推进、共促重大突破的重要产业。
中国企业联合会、中国企业家协会是政府与企业、企业家之间的桥梁，是一个优秀企业集聚的平台，近年来在促进企业创新、开展两化融合、实施智能制造、推进工业强基等方面开展了大量工作。未来，我们还将按照党中央、国务院部署，聚焦落实中国制造强国发展战略规划，充分发挥桥梁纽带作用，总结推广成功经验，搭建政、产、学、研、用合作交流平台，为将我国早日建成制造强国贡献力量、为共同的事业而努力奋斗。2018年6月1日于北京
序言二
制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，要彻底解决我国制造业“大而不强”的问题，工业基础是保障。多年来我们致力于科技成果评价和转化工作，在与企业的沟通中、在与行业上下游的对接中，我们深切地体会到，充分发挥政、产、学、研、用各方的积极性和主动性，各尽所长、各司其职、分工合作、协同推进的重要性和必要性。然而，如何建立上下游互融共生、分工协作、利益共享的一体化组织新模式，如何推进产业链协作，一直是我们在实际工作中不断探索和实践的命题。
以应用为牵引的“一条龙”工作思路，是建立全价值、全要素、全生命周期的创新链、人才链、政策链、资金链和供应链的统筹体系。“一条龙”工作的推进，可从以下几个方面着手：一、梳理产业链，以应用单位为龙头，搭建起产业链上下游之间交流的常态化机制。以产业链的梳理为基础，对产业链上下游各关键环节的需求和供给进行剖析，明晰各个环节的现状与发展趋势，建立数据库，构建上下游精准对接平台。二、组建投资基金，充分发挥民间投资的作用，引导社会资本关注实体经济、投向基础领域；牵头成立产业基金，引导多元化的市场资金投入。三、主动积极参与国际合作，推进开放创新，引导企业在更高的层次上、在全球化架构下开展深度创新。用开放的视野，促进产业链融合，推动企业对全球创新资源的整合，融入全球知识生产链体系，与国际同行开展实质性研发与创新合作。
习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话指出，“企业是创新的主体，是推动创新创造的生力军”。要加快创新成果转化应用，彻底打通关卡，破解实现技术突破、产品制造、市场模式、产业发展“一条龙”转化的瓶颈。
IGBT器件是工业强基“十六条龙”之一，是我们推动产业发展的一个切入点。“一条龙”工作思路可复制、拓展到更多其他领域，充分发挥市场的主导作用，以企业为主体，通过分链施策，有序推进，引导各类资源要素向产业链集聚，聚焦重点领域及其关键环节持续发力，不断增强各产业链核心竞争力，进而带动产业集群式发展，提升我国制造业发展水平。2018年5月31日于北京第一章IGBT概述
↘第一节 IGBT定义
↘第二节 IGBT分类
↘第三节 IGBT技术现状及未来发展趋势
↘第四节 IGBT国内外发展状况与进程第一节IGBT定义
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种双极型晶体管（Bipolar Transistor，BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）复合的新型功率器件。IGBT集BJT器件通态压降小、载流密度大、耐压高和MOSFET器件驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。三种器件性能比较见表1。表1 三种器件性能比较资料来源：公开信息，联盟整理
起初，不同公司对“IGBT”这种器件的称谓不尽相同，如GE公司称之为IGR、RCA公司称之为COMFET、Motorola公司称之为FEMFET、Siemens公司称之为IGBT。由于Siemens公司的IGBT发展迅猛，其生产的IGBT器件性能优良，在国际市场上占有很高的市场份额，所以后来人们认同并接受了Siemens公司的“IGBT”这一称谓。
1982年，GE公司和RCA公司首先宣布，IGBT是三十多年来发展最快的功率半导体器件之一。不同功率半导体器件应用领域有所不同，在中大功率领域（电压1200～6500V），IGBT是市场上的主流产品，其电压范围为600～6500V，电流范围为1～3600A（140mm×190mm模块）；而在超大功率领域（电压3300V以上、容量1～45MW），晶闸管和集成门极换流晶闸管（IGCT）等均具有巨大的市场；在中小功率领域（电压900V以下），功率MOSFET器件是应用最广泛的电力电子器件，也是目前市场容量最大、需求增长最快的器件。功率半导体器件分类如图1所示。图1 功率半导体器件分类资料来源：公开信息，联盟整理第二节IGBT分类一、按照电压等级划分
1.低压IGBT
低压IGBT是指电压等级在1000V以内的IGBT器件，比如650V应用于新能源汽车、家电和工业变频等领域。
2.中压IGBT
中压IGBT是指电压等级不超过1700V的IGBT器件，比如1200V应用于光伏、电磁炉、家电、电焊机、工业变频器和新能源汽车等领域，1700V应用于太阳能和风电等领域。
3.高压IGBT
高压IGBT是指电压等级在3300V及以上的IGBT器件，比如3300V和6500V应用于高铁、动车、智能电网，以及工业电机等领域。IGBT电压等级及其主要应用见表2。表2 IGBT电压等级及其主要应用资料来源：公开信息，联盟整理二、按照有无缓冲区划分
1.非对称型IGBT++
有缓冲区N，穿通型IGBT。由于N区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。
2.对称型IGBT+
无缓冲区N，非穿通型IGBT。具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。三、按照芯片技术划分
1.穿通型（PT）+
PT IGBT是最早商业生产的IGBT。PT IGBT以高掺杂的P发射极+-为衬底，之上是N缓冲区，然后以N基区为外延，最后通过扩散和注-入工艺构造发射极和栅极。由于P区和N之间电位相差较大，当IGBT阻断正向电压时，P区只有很小区域内电场变强。而电场几乎毫无衰-+减地穿透N基区，直到高掺杂的N区。当外加电压足够高时，它可以-+穿通整个N基区，因而称为“穿通”型。但是电场无法延伸到P发射极，因此并不是实际意义的穿透。PT IGBT内部层结构及电场分布如图2所示。图2 PT IGBT内部层结构及电场分布资料来源：公开信息，联盟整理
2.非穿通型（NPT）-
与PT IGBT不同，NPT IGBT以低掺杂的N基区作为衬底，是生产流程的起始点，这样P掺杂发射极就可以设计得很薄。现在用于1200V IGBT器件的芯片厚度在120～200μm之间，且不再需要PT -IGBT的N型缓冲区，这样在阻断状态，电场只在N基区存在，其电场-强度沿着集电极方向线性降低。因电场不再“穿通”N型衬底，所以被称为非穿通型IGBT。NPT IGBT内部分层结构和电场分布如图3所示。图3 NPT IGBT内部分层结构和电场分布资料来源：公开信息，联盟整理
3.场终止型（FS）
FS IGBT是在NPT IGBT基础上开发的IGBT，其设计目的是为了-尽可能地降低IGBT的总损耗。由于增加了电场终止区，所以N基区就不像NPT IGBT那样厚，可以稍微薄一些。在反向阻断时，如果电-压较高，电场渗入到N基区后线性降低，电场终止区可以截止剩余的电场，这种情况下，形成了类似PT IGBT内的锯齿形电场分布。FS IGBT内部分层结构及电场分布如图4所示。图4 FS IGBT内部分层结构及电场分布资料来源：公开信息，联盟整理四、按照栅结构划分
1.平面栅（planar）
在IGBT使用过程中，可通过控制电压的大小，从而实现对IGBT导通、关断、阻断状态的控制。图5 平面栅IGBT的结构资料来源：公开信息，联盟整理GE
当平面栅IGBT栅-射极电压U≤0时，MOSFET内沟道消失，CE3IGBT呈关断状态。当集-射极电压U<0时，J的PN结处于反偏，CEIGBT呈反向阻断状态。当集-射极电压U>0时，分两种情况：若栅-GEth射极电压U
平面栅的主要优点是，承受短路能力较强，栅极电容较小（约为沟槽栅器件的三分之一）。
2.沟槽栅（Trench）
与平面栅相比，沟槽栅的主要优点是单元面积较小、电流密度较大、通态损耗降低约30%、击穿电压更高。沟槽栅IGBT的结构如图6所示。图6 沟槽栅IGBT的结构资料来源：公开信息，联盟整理五、按照封装划分
1.单管分立器件
分立器件IGBT，封装较模块小，电流通常在50A以下，常见的有TO-247、TO-3P等封装。
2.模块
IGBT最常见的形式是模块，而不是分立器件。IGBT模块是将多个IGBT集成封装在一起，即模块化封装的IGBT芯片，常见的有1in1、2in1、6in1等。
IGBT模块一般由IGBT芯片、二极管芯片、焊板、DBC基板、焊片、散热底板、外壳等封装而成。在IGBT模块进行外壳封装之前，先将IGBT芯片和二极管芯片通过焊片焊接在DBC基板上，其次，将焊好芯片的DBC基片进行芯片键合，然后再进行二次焊接和超声波检测。IGBT模块的封装结构如图7所示。常见的IGBT模块如图8所示。图7 IGBT模块的封装结构资料来源：公开信息，联盟整理图8 常见的IGBT模块及应用领域资料来源：公开信息，联盟整理
3.功率集成（IPM）
IPM是一种有代表性的混合IC封装形式，将包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个芯片，通过焊丝或铜带连接，封装在同一外壳内，构成具有部分或完整功能的、相对独立的功率模块。用IGBT单元构成的功率模块在智能化方面发展最为迅速，又称为IGBT-IPM，千瓦级小功率IPM可采用多层环氧树脂粘合绝缘PCB技术，大中功率IPM则采用DBC多芯片技术，IGBT和续流二极管反并联组成基本单元并联，也可以是两个基本单元组成的二单元以及多单元并联，典型组合方式还有六单元或七单元结构。第三节IGBT技术现状及未来发展趋势一、功率半导体器件技术特点
功率半导体技术的开始是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志，晶闸管的派生器件有快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）、光控晶闸管（LTT）、双向晶闸管（TRIAC）等。晶闸管只能在承受正向电压范围内，通过对门极施加一个触发脉冲才能使其导通，不能通过脉冲的控制使其关闭，属于半控型器件。20世纪60年代后期，门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。20世纪70年代中期，大功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（Power MOSFET）问世，并实现了场控功能，打开了高频应用的大门。20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率场效应晶体管和双极型功率晶体管两者的优点，不仅有很高的开关频率，而且有更高的耐压性，可以构成大功率、高频的电力电子电路。功率半导体器件发展进程如图9所示。IGBT与其他半导体器件的特点对比见表3。典型开关元件的特性归类见表4。图9 功率半导体器件发展进程资料来源：公开信息，联盟整理表3 IGBT与其他半导体器件的特点对比（续表）资料来源：《电力电子器件产业发展蓝皮书（2016—2020年）》，联盟整理表4 典型开关元件的特性归类资料来源：公开信息，联盟整理二、IGBT技术发展历史
IGBT技术发展经历了六个阶段，分别是平面穿通型（PT）、改进的平面穿通型（PT）、沟槽型（Trench）、非穿通型（NPT）、电场截止型（FS）与沟槽型电场截止型（FS-Trench）。
平面栅PT结构出现在20世纪80年代初，作为第一代和第二代的IGBT结构，其采用外延工艺，在P型衬底上形成N缓冲层，以及其他正面结构。在正面结构中，栅极为平面栅。第二代的IGBT在结构上没有大的变化，图形上更精细化，减小了元胞体积。平面栅NPT结构出现在20世纪80年代末期，作为第三代IGBT结构，其厚度有了明显的改善，参数折中方面也较第一代和第二代穿通结构有了明显改进。沟槽栅NPT结构出现在20世纪90年代中期，作为第四代IGBT结构，其通过沟槽栅的引入，进一步降低了导通电阻。场截止结构的出现是IGBT结构的一个突破，进一步提高了工作频率，降低了导通损耗，通态压降小。场截止结构结合了穿通和非穿通类型器件的优点，硅片厚度比非穿通器件薄了约1/3，有效降低了漂移层的厚度。沟槽栅FS结构作为第六代IGBT结构，其将沟槽栅表面结构应用于场截止垂直结构，进一步提升了器件性能，同时减小了元胞间距。[1] IGBT的技术路线和发展历程见表5。表5 IGBT的技术路线和发展历程资料来源：公开信息，联盟整理
回顾IGBT的发展历程，主要是从器件纵向结构、栅极结构，以及硅片的加工工艺三方面进行发展演变。（1）在纵向结构方面，早期的IGBT是非穿通型（NPT）结构，而后又出现了拥有缓冲层的穿通型（PT）结构，后来随着区熔单晶硅片应用到IGBT制造领域，非穿通型结构开始占据主流。随着实际应用中电压等级越来越高，非穿通型结构的基区宽度要求越来越宽，于是又有了在高压领域向穿通结构的回归，如现在的场终止型、软穿通型结构等。（2）在栅极结构方面，早期IGBT是平面栅结构，随着Trench（干法刻槽）工艺的成熟，Trench技术开始用于制造IGBT即后来的Trench-IGBT。它的栅极不再是平面型而是垂直于芯片表面的沟槽型结构，消除了平面工艺中存在的JFET区电阻，有效降低了通态损耗，改善了短路耐量。（3）在硅单晶选择上，早期的IGBT使用外延生长技术，在厚厚的衬底上生长出外延层，进而制作IGBT正面结构。随着工业对IGBT电压等级的要求越来越高，传统的外延生长制造IGBT技术已经无法满足，同时悬浮区熔法制造单晶（Float Zone Silicon）技术的日趋成熟，区熔单晶硅开始应用于高压IGBT的生产，目前1200V以上IGBT基本上都是由区熔硅单晶制作。IGBT演变发展进程如图10所示。图10 IGBT演变发展进程资料来源：公开信息，联盟整理
除此之外，在器件终端结构方面，从场限环技术（FLR）、场板技术（FP）到结终端扩展技术（JTE）再到后来变掺杂技术（VLD）。在工艺技术上，电子辐照、中子擅变掺杂、硅片减薄工艺等都先后应用到IGBT芯片的生产。IGBT各代特点及结构见表6。表6 IGBT各代特点及结构资料来源：中国中投证券研究总部，联盟整理
国际上各大半导体公司均投入巨资开发IGBT器件，如英飞凌、三菱、ABB等。IGBT工艺技术不断改进和提高，电性能参数和可靠性日趋完善。下面以英飞凌公司研发的IGBT为例做简要说明。
英飞凌的第一代IGBT直接从非穿通（NPT）型IGBT开始，在这一时期，IGBT产品不断向高压化发展，单靠增加高阻外延厚度的做法，不仅十分昂贵，而且外延层的掺杂浓度和外延层厚度的均匀性都难以保证。该代IGBT采用电阻率高的FZ（区熔）单晶替换了昂贵的外延片，使得晶体完整性和均匀性得到充分满足。在硅片背面用注入和退火的方法可以形成发射效率较低的P型层。此外，还可以增加对承受高阻断电压的N漂移区的厚度，以至在高电压下不会产生耗尽层穿通现象。NPT结构的采用，使得IGBT几乎在全电流范围的工作区内均呈现正电阻温度系数的单极型器件的特点，而且也使得NPT的制造成本大幅度降低，约为PT型的3/4。
英飞凌的第二代IGBT在N型漂移区引入了电场阻断（Field-Stop）层。它是纵向结构的再一次优化，吸收了PT型和NPT型两类器件的优点，其硅片厚度比NPT型器件薄约1/3，并且它保持了正电阻温度系数的优点。FS型结构设置的N型缓冲层掺杂浓度比PT结构+的N层低，但比基区N层浓度高（由于衬底掺杂浓度低，关断时电场上升主要取决于等离子电荷浓度，上升的斜率强烈依赖于发射效率），于是电场在其中的分布呈斜角梯形。由于较薄的漂移层中的过剩载流子减少，FS型IGBT还能够降低自身的关断损耗。此外，它在关断时没有拖尾电流。
英飞凌的第三代IGBT是在FS型IGBT的基础上引入沟槽栅，这是当前国外半导体厂商普遍采用的结构组合，栅极采用了沟槽技术，优化了器件表面的载流子分布，改善了器件的导通特性和电流密度。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区围起来一个结型场效应管（JFET）是电流的必经之路，它成为电流通道上一个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的JFET区域被干法刻蚀工艺挖去，连同包围JFET的区域，以及延伸到原来栅极下构+成沟道的部分P区内层也都被挖掉。这使得N发射区和留下的P区层暴露在该沟槽的侧壁。通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧形成了垂直于硅片表面的沟道。在这种结构中，工作电流从N漂移区（基区）直接流进垂直沟道而进入源区，于是，这种IGBT的通态压降剔除了JFET这块串联电阻的影响。
第四代IGBT是在第三代的基础上，通过优化电场阻挡层的厚度和浓度的方法，进一步减小通态压降，减小开关损耗，增加开关软度，扩展器件安全工作区的面积，而短路电流能力同第三代相似。
第五代IGBT通过应用沟道顶部单元（Trench Top-cell）和场截止（Field-Stop）技术，显著改善了IGBT器件的动态和静态性能。IGBT与软恢复发射极控制二极管的结合则进一步将导通损耗降到了最低。该代IGBT平衡了开关损耗和导通损耗，从而达到了最高效率。三、IGBT技术现状
1.主要采用的技术
目前，在中低压领域国际主要厂商推出的最新IGBT产品均是基于Trench-FS技术、薄片加工技术和发射极载流子增强技术，如三菱的第七代CSTBT、富士的第七代“X”系列IGBT、英飞凌的第五代Trench-Stop系列等。各公司的新一代产品和上一代相比均采用更窄的沟槽间距、更薄的芯片厚度。因此，新一代IGBT具有更好的导通压降和关断损耗的折中特性，同时通过器件参数的优化可使器件工作结温更高，并具有更宽的安全工作区等特点。英飞凌第五代产品采用了表面Cu工艺和全新的.XT技术，可使IGBT模块的使用寿命延长10倍，使输出功率提高25%，并且使工作结温达到175℃。
2.重点技术路线图
针对我国当前功率半导体产业发展状况及最近五年电力电子产业发展重点，中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会等共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》（简称《蓝皮书》）。《蓝皮书》指出，电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装产品开发及生产，但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑，其发展既需要上游基础材料产业的支持，又需要设备产业的拉动。《蓝皮书》建议，近期发展目标可制订为：在硅基电力电子器件用8in高阻区熔中照硅单晶圆片，IGBT封装用平板全压接多台架精密陶瓷结构件、氮化铝覆铜板、铝-碳化硅散热基板，6英寸碳化硅单晶及外延材料、6～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高温（>300℃）封装材料等关键材料方面形成生产能力。2020年发展目标为：在关键材料方面，形成硅基电力电子器件所需全部材料、碳化硅6英寸单晶和厚外延材料、6～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN电力电子器件所需高温（>300℃）封装材料等的生产能力，并建立相应标准体系和专利保护机制；在关键电力电子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化产品，综合性能达到国际先进水平，SiC二极管、晶体管及其模块产品和GaN器件产品具有国际竞争力。[2]
3.重点技术知识产权
在专利方面，2001—2010年间，全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增长阶段，每年的全球专利申请量都在1500项左右，器件类型以MOSFET和IGBT为主，申请量占比达到67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司，全球专利申请量居前五位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，此外，GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。[3]（1）全球
IGBT出现时间较晚，但发展速度较快。1980年之前，尚未出现IGBT专利申请，而截止到2012年4月30日，全球IGBT相关专利申请量为7 302项，已占功率半导体器件领域18%。
阶段一：萌芽期（1980—1990年）。IGBT逐步发展起来，但总的申请量还较少，仅占功率半导体器件领域的5%。RCA公司的申请US4364073A（申请日1980年3月25日）被认为是最早的关于IGBT器件的申请，其于1982年12月14日被授权。同年，西门子也提出了申请US4502070A，公开了一种MOS器件与晶闸管器件集成的器件结构。
阶段二：成长期（1991—1999年）。这一阶段中，进入IGBT专利申请的公司越来愈多，主要申请人有三菱、富士、英飞凌、ABB等。1991年专利申请数量仅为36项，而到1999年时，专利申请的数量达到92项。除了涉及元胞结构的专利申请呈增长趋势外，涉及终端结构和模块结构的专利申请也开始大量增加。
阶段三：稳定发展期（2000年至今）。这期间，六代IGBT元胞结构均已出现，并逐渐趋于成熟，较高的技术集中度提高了进入该领域的门槛，使得专利申请的数量维持在比较稳定的水平。出现了逆导型IGBT和逆阻型IGBT，其将二极管和IGBT器件集成在一起，进一步提高了器件的性能，同时为器件的模块化提供了新的途径。
IGBT器件主要由欧美和日本企业所掌握，其中欧洲主要的IGBT企业有英飞凌、ABB、意法半导体，美国主要的IGBT企业有飞兆、国际整流器公司（IR），日本主要的IGBT企业有三菱、富士、东芝、日立等。多边申请量前15位的专利申请中，日本专利申请数量最多，占据了其中的8个席位，其中东芝以298项多边申请位居首位，三菱以及富士分列二三位，其多边申请量分别为265项和247项。IGBT全球主要申请概况见表7。表7 IGBT全球主要专利申请概况[4]数据来源：中华人民共和国国家知识产权局《功率半导体器件产业专利分析报告》，联盟整理（2）中国
截止到2012年4月30日，IGBT领域在中国的专利申请量为828项，由中国提出的专利申请为281项，国外提出的专利申请为547项。其中，国外申请以发明专利申请为主，达到99.5%，而中国申请中有30.6%是实用新型专利申请，发明专利申请数量为195项；在发明专利申请中，国外的发明专利申请中30%为PCT申请，对于具有较高质量的重要专利均会采取PCT申请的途径在全球进行布局。中国的发明专利申请中的PCT申请微乎其微，仅有浙江大学在2011年申请的1项PCT申请。多数中国申请的申请时间较晚，其中51.7%都处于“未决”状态。IGBT中国专利申请概况见表8。表8 IGBT中国专利申请概况（单位：项）[5]数据来源：中华人民共和国国家知识产权局《功率半导体器件产业专利分析报告》，联盟整理四、IGBT技术发展趋势
由于新型功率器件和集成控制器的大量涌现，以及电力电子转换技术的不断进步，在各厂商对新型功率器件的迫切需求下，功率半导体器件正快速地向高温、高频、低功耗、高功率容量，以及智能化、系统化、高度集成方向发展，整体性能更适用于严酷的工业环境。IGBT技术发展趋势是：大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。IGBT芯片发展趋势是：薄片工艺、减少热阻。
宽禁带半导体新材料技术的发展，可以实现更低功耗、更大功率容量、更高工作温度的器件，其中SiC成为目前的大功率半导体的主要研究方向，并在单极器件上实现商品化，在IGBT等双极器件的研究上也不断取得进展。目前，IGBT主要受制造工艺及衬底材料的缺陷限制，例如沟道迁移率及可靠性、电流增益较小及高掺杂P型衬底生长等问题，未来随着材料外延技术的发展，SiCIGBT将会实现突破。
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模块技术还将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连两方面不断改进，有望将无焊接、无引线键合及无衬板/基板等先进封装理念及技术结合起来，将芯片的上下表面均通过烧结或压接来实现固定及电极互连，同时在模块内部集成更多其他功能元件，如温度传感器、电流传感器及驱动电路等，不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。第四节IGBT国内外发展状况与进程一、IGBT国际发展现状
目前，世界各大功率半导体公司对IGBT的研发热潮日益高涨，研究步伐和技术革新日益加快，IGBT芯片的设计与生产厂家有英飞凌、ABB、三菱、Dynex（中国南车，CSR）、IXYS、IR、飞利浦、摩托罗拉、富士电机、日立（Hitachi）、东芝（Toshiba）等，主要集中在欧、美、日等国家。
在市场驱动下，国内外公司纷纷加大对IGBT产业的投入。国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士电机、东芝、IXYS和APT公司等。现在，IGBT技术已基本成熟，实现了大规模商品化生产，IGBT产品电压规格涵盖600～6500V，电流规格涵盖2～3600A，形成了完善的IGBT产品系列。其中，赛米控、仙童（Fairchild）等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位；ABB、英飞凌、三菱在1700～6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势，3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断，它们代表着国际IGBT技术最高水平。
据调研机构IHS于2016年公布的报告可知，英飞凌以独占全球24.5%的份额高居榜首，三菱则以24.4%的份额位列第二，富士电机以12.2%的占有率列第三。全球IGBT市场份额占比如图11所示。图11 全球IGBT市场份额占比数据来源：IHS，联盟整理二、IGBT国内发展现状
近年来，在国家相关宏观政策的引导下，我国IGBT产业发展迅速。目前我国已基本掌握IGBT芯片技术，基板、引线、外壳等封装材料已经实现国产化，但生产加工设备还需依赖进口，且中国IGBT市场需求不能形成有效供给。
IGBT芯片是IGBT产业的核心，国内企业通过各种途径在IGBT芯片、模块等领域已经取得许多可喜进展。中车（原中国南车）通过并购英国Dynex半导体公司，充分利用欧洲丰富的技术资源，成立功率半导体海外研发中心，迅速掌握了先进的1200～6500V IGBT芯片设计、工艺制造及模块封装技术，并且在株洲建设了一条先进的8 in IGBT芯片及其封装生产线，目前已实现IGBT芯片量产。在模块封装技术方面，国内多个厂家基本掌握了传统的焊接式封装技术，其中，中低压IGBT模块封装厂家较多，高压IGBT模块封装主要集中在中车。但不可否认，IGBT芯片设计制造技术、IGBT模块封装设计制造技术、IGBT模块可靠性与失效分析技术、IGBT测试技术等IGBT产业核心技术仍与发达国家相关企业存在一定差距。
在整个IGBT产业的发展过程中，芯片的减薄工艺、背面工艺等难题的解决，不仅需要成熟的工艺技术，更需要先进的工艺设备。工艺设备的短缺是我国功率半导体产业发展过程中丞需解决的问题。半导体设备是一个高度垄断的行业，根据SEMI公布的数据显示，全球前十大企业占据了93.6%的市场份额。虽然我国半导体设备发展迅速，但多数专用设备处于试制阶段，不能满足国产化应用需要，尤其是光刻机等高端设备的技术尚未达到应用水平，目前主要依赖于从国外进口。
我国是全球最大的IGBT应用市场，但我国IGBT市场需求尚不能实现有效供给，这也是目前我国IGBT产业面临的巨大挑战。一方面，国内IGBT芯片自主生产速度远不能满足国内市场对IGBT芯片的需求，IGBT芯片依赖进口，尤其是智能电网、轨道交通等领域的高压大功率IGBT产品，市场供不应求，在交货周期与采购价格上完全受制于国外公司，使我国电力电子装备产业安全存在潜在风险。另一方面，目前国内的应用市场多被英飞凌、三菱、富士等国外厂家所占领，市场提供给国内IGBT开发企业的试错机会极少，国内IGBT即便开发出来也很难被市场采用。[1]引用中华人民共和国国家知识产权局《功率半导体器件产业专利分析报告》[2]引用《电力电子器件产业发展蓝皮书（2016—2020年）》[3]相关数据引用中华人民共和国国家知识产权局《功率半导体器件产业专利分析报告》[4]数据统计截止至2012年4月30日。[5]数据统计截止至2012年4月30日。第二章IGBT产业分析
↘第一节 IGBT产业链
↘第二节 产业政策环境
↘第三节 中国IGBT发展历程
↘第四节 IGBT产业链格局第一节IGBT产业链
在IGBT全产业链中，上游涉及多晶硅、单晶硅、晶圆制造等，IGBT生产包括IDM、设计、芯片制造，下游包括轨道交通、新能源汽车和智能电网等领域应用。
与此同时，还有专用生产设备，如单晶硅生长炉、倒角机、抛光机、氧化炉、光刻机、涂胶/显影设备、刻蚀机、离子注入机、CVD设备、PVD设备、CMP设备、电镀设备、减薄机、晶圆切割机、引线键合机等，以及高压大电流探针测试设备、封装材料检测设备、可靠性测试设备、无损检测设备、测试夹具等检测设备。集成电路制造过程如图1所示。图1 集成电路制造过程资料来源：公开信息，联盟整理
从多晶硅、单晶硅、硅片、IGBT芯片、IGBT模块、半导体分立器件，到逆变器、变频器、电机、电子元器件等，再到轨道交通、新能源汽车、智能电网应用的全产业链中，工业强基的“四基”已经支持过部分相关项目/方向。“四基”支持过的相关项目/方向列举见表1。表1 “四基”支持过的相关项目/方向列举资料来源：公开信息，联盟整理一、上游原材料
据SEMI数据显示，2015年半导体材料市场产值为434亿美元，晶圆制造材料和封装材料分别占比55.5%和44.5%。晶圆制造材料用于在晶圆上制备一定的设计信息，包括晶圆（硅片）、光掩模版[1]、光刻胶、电子气体等；封装材料用于保护和连接，包括层压基板、引线框架等。各半导体材料及主要用途见表2。表2 各半导体材料及主要用途（续表）资料来源：东方证券研究所，联盟整理
除硅片和硅基材料外，电子气体、光掩膜版、光刻胶及配套试剂、CMP材料是影响晶圆制造过程中主要的材料。晶圆制造材料细分市场占比如图2所示。图2 晶圆制造材料细分市场占比数据来源：中国电子信息网，联盟整理
1.多晶硅
多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，将这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅是生产单晶硅的直接原料，也是人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。
2016年，全球多晶硅产量为39.0万吨，同比增长11%。2010—2016年全球多晶硅产量如图3所示。图3 2010—2016年全球多晶硅产量数据来源：赛迪智库、公开信息，联盟整理
2008年以前，多晶硅生产技术被国外垄断。经过近十年的发展，我国多晶硅产业已初具规模，成为了全球第一大多晶硅生产国，产量约占全球的50%。2016年，我国多晶硅产量19.4万吨，同比增长17.5%，产能为21.0万吨，产能利用率达92.4%。2010—2016年我国多晶硅产能与产量如图4所示。图4 2010—2016年我国多晶硅产能与产量数据来源：中国有色金属工业协会，联盟整理
2016年，我国多晶硅产地主要分布在江苏、新疆、河南、四川等地，四地产量合计占全国多晶硅产量的一半以上。其中，江苏省多晶硅产量约占28%，新疆维吾尔自治区多晶硅产量约占13%，河南省和四川省均占7%。
近年来，随着国内新建及扩建多晶硅生产研发基地，多晶硅进口比例呈逐年下降趋势，但目前仍需大量从国外进口。2016年，我国多晶硅进口13.6万吨，约占我国多晶硅需求量的41%。2010—2016年我国多晶硅进口量与进口比例如图5所示。
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