IGBT：新应用带动革新 国内仍处追赶阶段

前些年消费电子和工业控制是推动IGBT市场快速发展的两架马车，中小功率IGBT大放异彩。如今在新能源汽车、高铁、新能源等新兴应用的“提携”下，大功率IGBT迎来了新的春天，而这些应用带来新的课题，与之相应的是革新的永不止步。

新兴应用带动产品革新

“虽然应用不一，但针对家用、工业、电动汽车、高铁等应用对IGBT共性指标就是功率损耗尽量降低。”三菱电机功率器件制造所所长西村隆司向《中国电子报》记者表示，“同时不同应用有不同侧重，比如电动汽车和高铁更注重产品的稳定性，而工业用IGBT是高频的干扰度要尽量减少，对于家电产品则是在低频的情况下尽量减少功率损耗。”西村隆司还指出，三菱电机已经开发第六代IGBT了，在开发新一代功率器件时首先注重的是低损耗。比方电动汽车用IGBT采用压注模的封装方式，过去是用盒式的方式，而压注模的方式比盒式的方式更加先进，稳定性更高。

另一方面，新的应用领域提出了苛刻的电气和机械要求。“比如电动汽车功率器件必须承受很高的电应力和沉重的机械负荷(如撞击或震动)，以及运行过程中温度的频繁变化。”英飞凌科技(中国)有限公司工业及多元化电子市场部高级经理马国伟指出，“更长使用寿命、更高功率密度，以及允许使用新一代芯片的坚固的模块封装，这些正是开发新的功率模块所面临的主要挑战。”

而参与厂商都在全力以赴。英飞凌得益于诸如超声波焊接功率端子、优化基板结构或可靠的创新PressFIT压接式管脚技术等不计其数的改进和创新，其最新的EconoPACK+D家族IGBT实现了更低导通损耗和优化的杂散电感，可满足新能源、电动汽车、工业等要求不断提高的领域。三菱电机最新推出的家用太阳能发电用的PV-IPM，采用新型全栅型CSTBT，功率损耗更小；内部有高速二极管；在IGBT芯片上有温度传感器可以防止温度过高；体积要比过去缩小30%，产品可靠性和寿命比过去都有提高，同时它还具有短路保护、控制电压欠电压保护和过温保护，并有相应保护信号输出。

西村隆司还表示，三菱电机还将在未来推出第七代IGBT，其在结构和制造工艺上有所改进，功率损耗比第六代还要减少30%。

SiC应用有望提速

虽然目前硅是IGBT的主流，但SiC(碳化硅)及GaN(氮化镓)“取而代之”的迹象已开始显现。西村隆司在解释其中原因时表示，应用SiC及GaN的IGBT有一些好处，比如高铁冷却器就可以做得非常小，混合动力汽车或许就不需要有冷却系统了，三菱电机也在这方面加快布局。“三菱电机在2010年就研发成功了装有SiC二极管的DIPIPM，而且已应用在三菱电机部分空调上，但还没有实现大规模商用。GaN虽还没有用在功率半导体内，但已应用在通信高频器件中。”西村隆司指出。

英飞凌科技奥地利有限公司副总裁兼电源管理和分立器件业务部总经理Andreas Urschitz也表示，在二极管领域，英飞凌早在10年前已量产SiC二极管，对此技术有高度的把握，但是仍然有一些重大的挑战，比如采用SiC的MOSFET器件存在可靠性等问题。而GaN材料的IGBT尚未成熟，仍然存在一些挑战，目前商用还比较少。

马国伟则更看好SiC及GaN两种材料在小功率方面的应用，他提到，这些应用更需要这种超密度、超高速的器件，而用在大功率IGBT则还有些远。而不同要求将使这些材料的应用进展不一。马国伟表示，SiC一个明显的缺点就是很贵。电机驱动、风力发电等应用不追求效率，他们追求的是输出能力、可靠性等。而唯一会追求极高效率的应用就是太阳能，如果能把效率提高一两个百分点，前期投入成本、运营收入都会产生明显的益处，因而前期SiC在太阳能方面的应用更有前景。

虽然目前SiC及GaN的材料昂贵限制了其大规模应用，但业界仍对它们的前景寄予厚望。Andreas Urschitz提到，三五年内6英寸产品的推出，将是SiC实现大规模商用的时候。

国内企业还要着力提升

当前，全球IGBT技术主要集中在欧美和日本企业手中，并已经发展到了第六代，而我国只有少数企业从事IGBT的开发。据了解，主导厂商包括比亚迪、山东科达、无锡凤凰、吉林华微、江苏宏微等，比亚迪从芯片、模块都自主开发和制造，目前已在其电动汽车上有应用。山东科达、无锡凤凰、吉林华微、江苏宏微等都已开发了IGBT，并已应用到电磁炉等市场。

北京工业大学电子信息与控制工程学院微电子学与固体电子学教授亢宝位介绍说，国内在IGBT芯片和模块封装上都有差距，但封装方面的差距正在缩小。国内某些厂商宣称开发了IGBT芯片，但应用还比较少，还需要时间来检验其性能。

“国内目前的模式除了比亚迪、吉林华微外，大部分企业都找华润上华、华虹NEC、上海先进等代工厂制造IGBT芯片，而三菱电机、英飞凌等大都‘一手包办’，只有一部分低端IGBT放在中国代工厂来做。而中国现有的这种模式能否成功，还需要时间检验。”亢宝位表示。最近中国大陆投资兴建了IGBT 8英寸芯片生产线，但亢宝位指出，如同IC一样，其生产线一旦开工就不能停，如果接受程度不高、开工量不足的话，每天都要承担很高的损失。因而，还需要把基础夯实才有戏。

目前有的企业试图以GaN及SiC之类的新材料为契机参与市场，但功率半导体的准入门槛相当高，不是那么轻易就能涉足的。亢宝位建议，国内企业应从低功率IGBT入手，先做低端，慢慢积累经验，再向中高端转移，因为IGBT最重要的还是材料和工艺，是否拥有制造技术方面的经验是决定成败的关键，这还需要花费时间去摸索。