IGBT的壁垒

leafcho 2022-05-19 发布于浙江

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来源：国金证券。

一、技术壁垒：芯片设计+芯片制造+模块封装。

IGBT核心技术为IGBT芯片的设计和制造以及IGBT模块的设计、制造和测试。芯片设计端，芯片参数优化对工程师的知识储备和经验积累要求极高；芯片制造端，生产流程长、生产设备多、工艺流程要求高；模块封装端，工程师需要对针对不同客户需求对封装进行细微调整；IGBT行业对人才、设备要求极高。

1、IGBT芯片技术升级趋势。

参考全球IGBT行业龙头企业英飞凌的技术发展路线，共可分为7代IGBT。目前使用最广泛的是IGBT4。IGBT芯片迭代的主要优化方向包括：沟道密度提高、电流密度提高、最大工作温度提高、芯片厚度减薄、导通压降降低、开关损耗降低、开关频率提高（以及与短路能力取舍平衡）等。

IGBT4：沟槽栅+场截止+薄晶圆：和IGBT3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但IGBT4优化了纵向结构，漂移区厚度更薄，背面P发射极及Nbuffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术，电压包含600V，1200V，1700V，电流从10A到3600A具有涉及。

IGBT5：沟槽栅+场截止+表面覆铜：使用厚铜代替了铝，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。铜的成本高于铝，IGBT5未得到广泛应用，目前只封装在PrimePACK™里，电压也只有1200V，1700V。

IGBT6：沟槽栅+场截止：器件结构和IGBT4类似，但是优化了背面P+注入，从而得到了新的折衷曲线。IGBT6未得到广泛应用，只有单管封装的产品。

IGBT7：微沟槽栅+场截止：IGBT7作为最新一代技术，其沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能。目前，IGBT7尚未得到广泛应用，但发展前景广阔。英飞凌的相关产品中，T7用于电机驱动器，E7应用于电动商用车主驱，光伏逆变器等。随着光伏产业、新能源汽车产业的发展，IGBT7有望进一步推广。

2、IGBT芯片设计壁垒：难点在于不同参数的均衡取舍。

IGBT芯片由于其工作在大电流、高电压、高频率的环境下，对芯片的可靠性要求较高，同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂。

3、IGBT芯片制造壁垒：难点在于减薄工艺、背面工艺。

IGBT芯片工艺难度较高，难点主要在于薄片工艺和背面工艺。IGBT芯片工艺可以按流程分为正面工艺、减薄工艺、背面工艺三个阶段。

减薄工艺需克服8英寸以上的硅片减薄至一定程度后极易翘曲、破碎的技术难题。芯片减薄可以显著提升散热效率、减小芯片体积、提高器件性能。

对于特定IGBT器件，芯片厚度需要减薄到100um的量级，后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎和翘曲。

背面工艺需解决离子注入、背面激光退火难的问题。在对已减薄的硅片进行离子注入的过程中，需要借助激光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。因正面金属熔点限制，背面退火难度较大。背面离子注入需要用到离子注入设备，该设备技术难度极高，通常需通过国外采购，每台价格接近1亿元，会受到进口限制。

4、IGBT模块封装壁垒：难点在于高可靠性。

IGBT模块的封装技术难度高，高可靠性设计和封装工艺控制是其技术难点。IGBT模块具有使用时间长的特点，汽车级模块的使用时间可达15年。因此在封装过程中，模块对产品的可靠性和质量稳定性要求非常高。高可靠性设计需要考虑材料匹配、高效散热、低寄生参数、高集成度。封装工艺控制包括低空洞率焊接/烧结、高可靠互连、ESD防护、老化筛选等，生产中一个看似简单的环节往往需要长时间摸索才能熟练掌握，如铝线键合，表面看只需把电路用铝线连接起来，但键合点的选择、键合的力度、时间及键合机的参数设臵、键合过程中应用的夹具设计、员工操作方式等等都会影响到产品的质量和成品率。

散热效率是模块封装的关键指标，会直接影响IGBT的最高工作结温，从而影响IGBT的功率密度。由于热膨胀系数不匹配、热机械应力等原因，模组中不同材料的结合点在功率循环中容易脱落，造成模块散热失效。提高模组散热性能的方法包括改进芯片间连接方式、改进散热结构、改进DBC板/基板材料、改进焊接/烧结工艺等。比如英飞凌的IGBT5应用了先进.XT键合技术，采用铜线代替铝线键合、银烧结工艺、高可靠性系统焊接，散热效率得到大幅提升，但同时也面临着成本增加的问题，因而未能得到广泛应用。

二、客户壁垒：认证周期长，先发企业优势明显。

IGBT产品取得客户认可的时间较长。由于其稳定性、可靠性方面的高要求，客户的认证周期一般较长，态度偏向谨慎，在大批量采购前需要进行多轮测试。新进入者很难在短期内获得下游客户认可。

以汽车级IGBT为例，认证全周期可达2-3年。IGBT厂商进入车载市场需要获得AEC-Q100等车规级认证，认证时长约12-18个月。通过后，厂商还需与车厂或Tier 1供应商进行车型导入测试验证，这一过程可能持续2-3年。在测试验证完成后，供应商通常会先以二供或者三供的身份供货，再逐步提高量。而在需求稳定的情况下，车厂出于供应链安全考虑，更倾向于与现有供应商保持合作，新IGBT供应商可能无法得到验证机会。