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南车株洲电力机车研究所有限公司
丁荣军
2014年10月23日 • 北京
主要内容
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第一部分
技术渊源与重要价值
技术渊源与战略收购
第二部分
技术与产业发展状况
技术创新与产品研发
第三部分
发展瓶颈与面临挑战
前沿动态与产业发展
第四部分
第三部分
技术与产业发展展望
前沿动态与产业发展
一、技术渊源与重要价值
1. 技术渊源
 信息和能量是电的两种属性, 采用半导体技术对信息和电能
进行处理,主要产生了微电子技术和功率半导体技术
功率半导体从独立发展,不断走向与微电子技术相融合
信息处理
微电子技术
融
合
半导体技术
能量处理
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传统双极功率
半导体技术
eg. 晶闸管
新型功率
半导体技术
eg. IGBT
一、技术渊源与重要价值
1. 技术渊源
 IGBT是在MOS器件基础上发展起来的新型功率半导体器件,
是传统功率半导体物理和微电子制造技术两者有机结合的产物
MOS
BJT
IGBT
IGBT工艺技术的发展,离不开微电子技术的支撑
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一、技术渊源与重要价值
2. 重要价值
功率半导体器件是变频、变流、变压、功率管理和功率放大的
核心器件,广泛应用于轨道交通、电力、工业控制等领域,在
国民经济和社会生活中具有不可替代的关键作用
电能
功率半导体与集成电路一样具有重要价值
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负载
一、技术渊源与重要价值
2. 重要价值
功率半导体技术进步,促进轨道交通牵引传动系统更新换代
机车车型: 蒸汽机车
电力机车
动车/高铁
传动方式: 蒸汽动力
直流传动
交流传动
1天
8小时
北京-广州: 3天
功率半导体技术是现代轨道交通电牵引传动技术发展的物质基础
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一、技术渊源与重要价值
2. 重要价值
功率半导体技术进步,推动传统能源向可再生能源的发展
火力发电
化石燃料
新能源发电
是支撑绿色新能源应用的重要基础技术
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一、技术渊源与重要价值
2. 重要价值
功率半导体技术进步,支撑大容量、远距离电能输送
点对点直流输电
晶闸管
柔性直流输电
IGBT
是解决我国能源消耗与资源分布不均衡问题的核心技术之一
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一、技术渊源与重要价值
2. 重要价值
功率半导体器件作为现代自动化工业体系中最基础、最关键的
部件,各主要国家均将其列为发展重点
 2014年1月,奥巴马揭牌成立美国电力电子国家创新中心,重点
研发下一代功率半导体器件技术和产品
 2014年2月,我国工业和信息化部发布《关于加快推进工业强基
的指导意见》,提出了核心基础零部件(元器件)、先进基础工
艺、产业技术基础的发展重点
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主要内容
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第一部分
第二部分
技术渊源与重要价值
技术创新与产品研发
第二部分
第一部分
技术与产业发展状况
技术渊源与战略收购
第三部分
发展瓶颈与面临挑战
前沿动态与产业发展
第四部分
第三部分
技术与产业发展展望
前沿动态与产业发展
二、技术与产业发展状况
1. IGBT技术特点
 物理机理:高压大注入下的特殊物理机制(电导调制,寿命控制…)
 特色工艺:深结,厚膜,薄片,高压终端及背面特色工艺
 技术难点:功率密度高,最高结温已达200℃,动静态参数折衷难
深结
8英寸薄片(厚度50um)
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高压钝化
高结温,可达200℃
二、技术与产业发展状况
1. IGBT技术特点
IGBT技术围绕着如何平衡与优化三者关系,向更大功率、
更高密度、更高可靠性发展
导通损耗
(常以导通压降V o n
或饱和压降V C E-sa t
来衡量)
不断
提升
SOA
安全工作区
(包括FBSOA
RBSOA
SCSOA
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相互矛盾
折衷设计
不断
降低
开关损耗
(通常以关断损耗占
E
主要,以关断时
间To ff来衡量)
不断
降低
二、技术与产业发展状况
2. IGBT发展历程
1985
1990
1995
2000
1st Gen
2nd Gen
3rd Gen
4th Gen
2010
5th Gen
新材料
功率损耗 (W)
100W
关断
损耗
75W
导通
损耗
50W
40W
33W
开通
损耗
平面栅
沟槽栅
过去三十年,IGBT功率密度提高3倍,能耗仅为原来1/3
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二、技术与产业发展状况
2. IGBT发展历程
1980
1990
2000
2010
 IGBT技术创新与市场应用相互促进、不断发展
IGBT技术创新
IGBT应用范围
载流子存储技术
广泛用于高频变流器
结构协同优化
开始应用于电网
沟槽栅技术
步入高压领域
新型纵向结构
逐渐取代GTO
硅单晶技术进步
耐压达到2.5kV
改良的纵向结构
实现并联应用
抑制“闩锁”效应
制成20A/500V器件
缩短电流“拖尾”
实现商业应用
IGBT技术持续创新,应用技术不断取得突破
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二、技术与产业发展状况
2. IGBT发展历程
IGBT频率、功率容量不断提升;应用领域不断扩展
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二、技术与产业发展状况
3. 国内外发展现状-国外
 国外已形成IGBT完整产业链,技术与产品处于成熟阶段
 芯片最大直径为8英寸(200mm)
 器件最高阻断电压水平为6500V
 主流厂商:英飞凌(代表技术:沟槽栅场截止)、三菱(代
表技术:弱穿通) 、ABB (代表技术:增强型软穿通)
国外整体起步早,目前占领着绝大部分IGBT市场
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二、技术与产业发展状况
3. 国内外发展现状-国内
 国内IGBT发展迅速,芯片与模块技术研发与产业化已初具规模
 芯片最大直径与最高阻断电压水平均与国外齐平
 已成立中国IGBT技术创新与产业联盟,IGBT产业链已初步形成
 部分产品已形成一定竞争力
国内整体起步较晚,但进步快,具备强有力的后发优势
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二、技术与产业发展状况
3. 国内外发展现状-南车
 已建成全球第二条、国内首条8英寸专业IGBT芯片线及全自动
高压模块封装线,目前正逐步实现批量投产
 具备年产12万片8英寸芯片和100万只模块的能力,产品覆盖
650V-6500V,产业规模跻身世界前列
 拥有国际先进的工艺技术平台,以及成熟的高压平面栅IGBT技
术与中低压沟槽IGBT技术
南车IGBT产品在轨道交通、智能电网等领域已有广泛的应用
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主要内容
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第一部分
第二部分
技术渊源与重要价值
技术创新与产品研发
第二部分
第三部分
技术与产业发展状况
前沿动态与产业发展
第三部分
第一部分
发展瓶颈与面临挑战
技术渊源与战略收购
第四部分
第三部分
技术与产业发展展望
前沿动态与产业发展
三、发展瓶颈与面临挑战
1. 技术方面
 由于我国起步较晚,IGBT产业的长期健康发展,需要重视发展
有自主知识产权的技术,规划建立知识产权共享平台
 继续扩大IGBT耐压和电流的范围,将带来器件终端设计与制造、
通态压降降低、芯片减薄、材料与制造均匀性提升等方面的挑战
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三、发展瓶颈与面临挑战
2. 市场方面
由于国外IGBT产品的先入为主,特别是高端器件几乎垄断应用市
场,国产器件的产业化发展亟需应用端的支持与促进
MITSUBISH
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ABB
V.S
三、发展瓶颈与面临挑战
3. 人才方面
我国在IGBT设计、研发及产业化方面的人才较为紧缺
 IGBT是门多学科交叉的技术,涉及功率半导体和微电子领域,目
前国内只有少数几家高校与院所还在进行与IGBT器件相关的研发,
并且主要在于计算机仿真研究
 国内在集成电路技术方面和传统功率半导体器件方面均有一定的人
才积累,但掌握两种技术并融会贯通的复合型人才是目前产业面临的
瓶颈
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三、发展瓶颈与面临挑战
4. 产业链方面
材料、器件研发与应用各环节分立发展,未形成完整产业链条,
上下游互动沟通不足
产业链有机结合
材料
器件
装置
国家政策、资金引导扶持
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系统应用
主要内容
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第一部分
第二部分
技术渊源与重要价值
技术创新与产品研发
第二部分
第三部分
技术与产业发展状况
前沿动态与产业发展
第三部分
发展瓶颈与面临挑战
前沿动态与产业发展
第四部分
第一部分
技术与产业发展展望
技术渊源与战略收购
四、技术与产业发展展望
【技术发展1】更高功率密度
 深亚微米工艺:特征线宽不断缩小,电流密度不断提高
 超结IGBT:类似超结MOSFET,N漂移区变为N-P-N-P-……
 单片集成:将FRD芯片集成到IGBT芯片内部
发射极
门
极
门
极
发射极
电流检测
门极
温度检测二极管
加入P注入层
阴极
阳极
N型掺杂漏极
P型掺杂阳极+N型缓冲层
集电极
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四、技术与产业发展展望
【技术发展2】新型封装技术
 铜金属化技术
 压接式封装结构
 银烧结技术
PCB
发射极
栅极端子
陶瓷管壳
集电极
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IGBT/FRD 独立子模组单元
四、技术与产业发展展望
【技术发展3】第三代半导体材料
 基于宽禁带半导体材料(SiC)的IGBT
 与硅相比,3倍禁带宽度,10倍临界击穿电场,2倍饱和漂移速度,
3倍热导率
 应用于超高耐压等级,10kV以上显示出对SiC MOSFET的优势,
15kV以上综合体现低功耗与快速的优点
 目前主要问题之一是衬底材料的制备
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四、技术与产业发展展望
【产业发展】
 IGBT产业链: 依托中国IGBT技术创新与产业联盟,联合国内上
下游资源,发挥团队优势,打造自主知识产权的IGBT芯片—模块
—系统的完整产业链
 IGBT产业集群:模块带动十倍装置、撬动百倍系统应用级规模经
济,从而形成万亿规模产业集群
材料
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芯片
模块
系统
应用
IGBT驱动绿色经济
天更蓝、水更清、生活更美好!
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谢
谢!

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