作者：Bodo’s功率系統雜志編輯部

1、最強功(gong)率半(ban)導體之IGBT及國內(nei)領軍(jun)者

IGBT是復合全控型功率半導體，驅動功率小且飽和電壓低，是電力電子裝置的CPU。自問世以來，通過不斷的技術創新，IGBT器件結構和工藝技術獲得了長足的進步，產品已經歷了7代的發展。通過采用溝槽柵、場截止（FS）、輕穿通（LPT）、軟穿通（SPT）、載流子存儲（CS）層、浮空P型區、虛擬柵、微溝槽柵（MPT）、薄片加工、背面H離子注入等產業化技術，器件的可靠性、應用頻率和功率損耗等均有了很大提升【1】。

據華經(jing)產業研究院(yuan)資料顯(xian)示(shi)，隨著近年(nian)來全球(qiu)IGBT行(xing)業發展向(xiang)好，市(shi)(shi)場規(gui)模(mo)也隨之(zhi)逐年(nian)遞增。2021年(nian)，全球(qiu)IGBT市(shi)(shi)場規(gui)模(mo)約(yue)為(wei)70.9億(yi)美(mei)元(yuan)，同比增長(chang)6.6%。集邦咨詢（TrendForce）的(de)(de)數據也顯(xian)示(shi)，中國(guo)市(shi)(shi)場為(wei)39.6億(yi)美(mei)元(yuan)，占比達到59%，是(shi)全球(qiu)最大的(de)(de)IGBT市(shi)(shi)場。

縱觀IGBT領(ling)域(yu)，幾乎被(bei)美國、歐洲及日本等企業(ye)壟斷。其重要(yao)原因在于，IGBT芯片的設計(ji)和(he)制造以及IGBT模塊的設計(ji)、制造和(he)測試，對人才、設備要(yao)求極高，是一(yi)(yi)個難以彎(wan)道超(chao)車的產(chan)業(ye)。而我國在該領(ling)域(yu)一(yi)(yi)直面(mian)臨“卡脖(bo)子”問(wen)題，雖然IGBT壁壘高，但(dan)國產(chan)功率(lv)半導體的唯一(yi)(yi)出(chu)路就是自主(zhu)創(chuang)新，尋求國產(chan)替代(dai)。

作為中國本土企業，賽晶科技以自研IGBT技術為主要攻克方向，目前生產的是i20芯(xin)片組，優于國際上(shang)(shang)主流的(de)(de)其它廠商的(de)(de)第4代(dai)芯(xin)片。且(qie)實測表明，與同行(xing)企業同樣規(gui)格的(de)(de)芯(xin)片相(xiang)比，賽晶科(ke)技(ji)的(de)(de)芯(xin)片功率(lv)為(wei)250A，性(xing)能提高10%以上(shang)(shang)。

2、賽(sai)晶科技(ji)自研i20 IGBT核心(xin)技(ji)術橫空出世

2.1、i20和d20芯片組簡介

賽晶科技已量產的i20 IGBT芯片和d20 FRD芯片單顆晶圓的電壓/電流為1200V/250A，各項性能達(da)到或超過了國際領軍企業的同類產品。i20 IGBT芯片采用精細(xi)溝(gou)槽柵(zha)-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結構，并通過N型增強(qiang)層（N- Enhancement layer）、窄臺面(mian)（Narrow Mesa）、短溝(gou)道(dao)(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優化P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結構（Advanced 3D structure）等多項優化設計，進一步改善IGBT導通飽和(he)壓降(jiang)和(he)開關損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和(he)短路穩健性。

為了確保IGBT整體性能(neng)得到進(jin)(jin)一步(bu)發(fa)揮，賽晶科技同(tong)時對IGBT配套續(xu)流二極管(guan)芯片d20也進(jin)(jin)行了優(you)化(hua)(hua)設計。通過(guo)先進(jin)(jin)的(de)發(fa)射極注入(ru)效率管(guan)理(li)（Advanced Emitter efficiency management）、優(you)化(hua)(hua)陽極擴散(san)分布（Anode：Diffusion profile optimization）、陰極激光退貨工(gong)藝（Cathode：laser annealing）等技術實(shi)現較(jiao)低的(de)導通壓降和反(fan)向(xiang)恢復(fu)損耗折中平衡，同(tong)時通過(guo)電子輻照(zhao)壽(shou)命(ming)控制技術（Electron irradiation lifetime control）和薄(bo)基底調節(jie)（thin base thickness tuning）等技術實(shi)現d20信號高di/dt反(fan)向(xiang)恢復(fu)特性且(qie)無振蕩(dang)，并優(you)化(hua)(hua)d20終端設計，進(jin)(jin)一步(bu)提(ti)高二極管(guan)動態穩健性。

2.2、i20和(he)d20開關特(te)性測試

為了驗證(zheng)i20和d20芯(xin)片(pian)組(zu)開關特性(xing)(xing)優越性(xing)(xing)，賽晶科技在已經量(liang)產的1200V 750A ED系列模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)SISD0750ED120i20上與行業(ye)國(guo)際(ji)領軍(jun)(jun)企業(ye)同(tong)款IGBT4的同(tong)平臺(tai)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)進(jin)行了對(dui)比測試，需要說明的是IGBT4模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)目前最(zui)高結溫只有(you)150℃。通過對(dui)比發(fa)現兩個模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)開通損耗(hao)(hao)基(ji)本相當，關斷損耗(hao)(hao)采(cai)用i20芯(xin)片(pian)組(zu)的ED模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)略高，但飽和導(dao)通壓(ya)降的ED模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)更低。基(ji)于d20芯(xin)片(pian)組(zu)ED模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)二極(ji)管與IGBT4具有(you)相同(tong)的正向(xiang)壓(ya)降，且能夠保持更低的反向(xiang)恢復損耗(hao)(hao)，從測試來看采(cai)用i20和d20芯(xin)片(pian)組(zu)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)要優于國(guo)際(ji)領軍(jun)(jun)企業(ye)的同(tong)類第(di)4代(dai)IGBT模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)。

2.3、安(an)全(quan)工作(zuo)區(qu)測試

IGBT短路安(an)全工作區（SCSOA）

i20芯片組具有出(chu)色的短路(lu)穩健性，下(xia)圖(tu)圖(tu)4為(wei)ED模塊(kuai)在175℃殼溫，800V母線電壓下(xia)測試得到(dao)的短路(lu)波形，短路(lu)電流(liu)只(zhi)有額定電流(liu)的3倍左右，且短路(lu)波形無振蕩，模塊(kuai)短路(lu)持(chi)續(xu)時(shi)間可達(da)15us，為(wei)電路(lu)實時(shi)快速保護提供了保障。

SC模式：> 15μs @ VGE=15V，VCE= 800V

IGBT反向(xiang)偏置安全工(gong)作區（RBSOA）

與(yu)IGBT可靠(kao)性相關(guan)的(de)(de)另(ling)一方面(mian)是器件(jian)的(de)(de)反向偏置安(an)全工(gong)作(zuo)區(qu)，一般情況(kuang)下模塊(kuai)廠商給出(chu)的(de)(de)RBSOA邊(bian)界(jie)是額定(ding)電流(liu)(liu)的(de)(de)兩(liang)倍。為了(le)(le)測試i20芯(xin)片的(de)(de)RBOSA邊(bian)界(jie)，以確定(ding)破壞極(ji)限，賽晶科技對器件(jian)從額定(ding)電流(liu)(liu)的(de)(de)兩(liang)倍開始，電流(liu)(liu)逐漸(jian)增加。測試發現i20芯(xin)片在大約3倍于(yu)標稱電流(liu)(liu)的(de)(de)情況(kuang)下，器件(jian)可以安(an)全關(guan)閉。當(dang)進一步增加電流(liu)(liu)，器件(jian)將(jiang)達到飽和狀態(tai)，此(ci)時器件(jian)依然可以正常(chang)關(guan)斷(duan)，大幅拓寬了(le)(le)RBSOA工(gong)作(zuo)區(qu)。

增加電流IC=1500A （=2.5倍標稱）2000A （>3倍），VDC=800V

二極管安全工(gong)作區(qu)（DSOA）

二極管的安全工作區主要取決于二極管的開關特性。為了評估二極管的穩健性，通過將外部柵極電阻Rgon減小到最小值，然后增加柵極電壓Vge，從而(er)提(ti)高二極管的換(huan)向速度(du)(du)。對于(yu)選定的極端(duan)情況：750A的電流和900V的反向電壓，IGBT開通電壓21V，進行雙脈(mo)沖(chong)測(ce)試(shi)(shi)。實驗發(fa)現(xian)：在(zai)175°C的外殼溫度(du)(du)下，二級管的峰值功率超(chao)過800kW，di/dt超(chao)過10kA/us，器(qi)件依然可以穩定。選定的測(ce)試(shi)(shi)條件遠遠超(chao)出了任何數(shu)據表建議，進一步(bu)體現(xian)了賽晶科技d20芯片組的高可靠性。

I=750A，VR=900V，VGE_on=21V

2.4、逆(ni)變器效(xiao)率對(dui)比仿真

為了在系統應(ying)用層面(mian)驗證i20和(he)(he)d20芯片組的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能，將基(ji)于i20芯片組的(de)(de)(de)ED型(xing)750A半橋模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)與(yu)競爭對(dui)手i4-600A和(he)(he)i7-750A兩款模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)分別在整流模(mo)(mo)式和(he)(he)逆(ni)變(bian)模(mo)(mo)式進行了對(dui)比(bi)仿真。性(xing)(xing)能曲線(xian)圖反映(ying)了逆(ni)變(bian)器輸出功率（或電(dian)流）與(yu)開關(guan)頻(pin)率的(de)(de)(de)關(guan)系，仿真熱阻值取自數(shu)據表，而(er)器件的(de)(de)(de)靜態(tai)和(he)(he)動態(tai)損耗(hao)取自測量值。逆(ni)變(bian)工況下，ED-750A額定模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)在最壞的(de)(de)(de)情(qing)況下比(bi)最先進的(de)(de)(de)i7 740A模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)功耗(hao)低3%，當開關(guan)頻(pin)率直到3kHz時達到平(ping)衡(heng)。而(er)與(yu)目前應(ying)用居多的(de)(de)(de)i4-600A模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)相比(bi)，ED型(xing)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)能夠提(ti)升超過10%的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能。在整流器模(mo)(mo)式下，賽晶科技ED模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能與(yu)最新的(de)(de)(de)i7-750A模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)基(ji)本一致(zhi)，相比(bi)i4-600A模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)相比(bi)，性(xing)(xing)能同(tong)樣可(ke)以(yi)提(ti)高10%以(yi)上。

圖7:在整流與逆變模式下的性能表現 

3、國產自主芯片性(xing)能優異獲市場(chang)青睞(lai)，賽晶(jing)科技(ji)迎來銷售(shou)加速期

以上通過開關特性測試，安全工作區測試以及逆變器效率對比仿真等發現，賽晶科技i20芯片(pian)組優勢明(ming)顯，并在市場應用中，逐(zhu)漸(jian)穩住客戶。賽晶科技繼續(xu)大力(li)投入新產品研發和推廣(guang)，取得了(le)令人矚目的成(cheng)績。

2021年6月，賽晶(jing)科技具備(bei)國(guo)際一(yi)流水平、智能全自動的第一(yi)條IGBT模(mo)塊生產線竣工(gong)并實現(xian)量產。該生產線制造的ED封裝IGBT模(mo)塊系列產品已經在數家電動汽車、風電、光伏及工(gong)業電控領域企業開展測試。

2021年底，賽晶科技(ji)自主(zhu)研發(fa)的IGBT芯(xin)片，完成(cheng)了首次（以(yi)晶圓(yuan)形式）正(zheng)式向新能(neng)源乘用車市(shi)場(chang)(chang)客戶批量交付(fu)。這標志著使用賽晶i20技(ji)術的IGBT芯(xin)片，已經獲得(de)市(shi)場(chang)(chang)主(zhu)流新能(neng)源汽車廠家的認可，開始進入批量銷售階段。

2022年(nian)初，賽(sai)晶科技與國內光伏領域(yu)知(zhi)名企(qi)業簽訂涉及數萬只ED封裝IGBT模塊(kuai)的首(shou)個(ge)(ge)批(pi)(pi)量(liang)采購框(kuang)架協(xie)議。在國外IGBT產品幾乎壟斷的集(ji)中式光伏發(fa)電(dian)領域(yu)實(shi)現了國產突破。這也是(shi)賽(sai)晶科技自主技術IGBT模塊(kuai)的首(shou)個(ge)(ge)批(pi)(pi)量(liang)訂單(dan)，是(shi)取得客戶認可(ke)并開(kai)始批(pi)(pi)量(liang)銷售和應用的里程碑事件。

此外，公(gong)司碳化(hua)硅產(chan)品布(bu)局也(ye)正在(zai)(zai)啟動中，預(yu)計今年推(tui)出第一(yi)代碳化(hua)硅模(mo)(mo)塊(kuai)。據悉，賽晶研(yan)發的芯(xin)片和(he)模(mo)(mo)塊(kuai)技(ji)術將(jiang)覆蓋電動汽車、新能源發電、工業(ye)電控(kong)等(deng)IGBT模(mo)(mo)塊(kuai)市(shi)場(chang)。從(cong)中我(wo)們(men)可以看(kan)出，賽晶科技(ji)在(zai)(zai)IGBT芯(xin)片領域正在(zai)(zai)積(ji)極擴(kuo)展自身的優勢(shi)，并且(qie)還在(zai)(zai)不斷地前行，勢(shi)在(zai)(zai)完成國(guo)產(chan)化(hua)的使命，國(guo)產(chan)替代的曙光(guang)也(ye)在(zai)(zai)一(yi)步(bu)步(bu)地變得(de)更加明(ming)亮(liang)。

4、頂級研發陣(zhen)容加(jia)持，國產IGBT突出重(zhong)圍 

IGBT領域技術(shu)難(nan)度大(da)，其技術(shu)壁(bi)壘要(yao)求研(yan)(yan)發(fa)(fa)團隊擁有(you)豐富的知識儲備和(he)(he)實踐經驗。一(yi)直以(yi)來，賽(sai)晶科技始終高度重視技術(shu)研(yan)(yan)發(fa)(fa)，致力于成為(wei)國際領先的技術(shu)研(yan)(yan)發(fa)(fa)型企業。為(wei)此(ci)，賽(sai)晶科技吸納了一(yi)大(da)批在功率(lv)半導體領域有(you)著(zhu)優秀業績和(he)(he)數十(shi)年實踐經驗的行業領導者和(he)(he)研(yan)(yan)發(fa)(fa)人員。

ABB半導(dao)體是電力電子器件(jian)行業的(de)(de)領(ling)軍企業，其(qi)生產(chan)的(de)(de)IGBT等功率半導(dao)體器件(jian)專門應用于機車牽引，工(gong)(gong)業及能源傳(chuan)輸等需要高(gao)可靠(kao)性的(de)(de)領(ling)域。賽晶科(ke)技董事長和創始人項頡(jie)曾于1999年至2001年在(zai)瑞士ABB半導(dao)體總部工(gong)(gong)作(zuo)。在(zai)此期(qi)間(jian)，他(ta)不(bu)但深入IGBT第(di)一生產(chan)線的(de)(de)每個(ge)環(huan)節，還參與(yu)了設計研(yan)發(fa)、項目管理、市場分析(xi)等多(duo)個(ge)崗位的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)，對于IGBT研(yan)發(fa)生產(chan)的(de)(de)整個(ge)環(huan)節有著深入的(de)(de)了解。

項頡董事長(chang)帶領的IGBT專(zhuan)家團(tuan)(tuan)隊也以原ABB半導體技術團(tuan)(tuan)隊為主，團(tuan)(tuan)隊成(cheng)員發表了眾多技術論文并擁有幾十項專(zhuan)利(li)，真正具(ju)備(bei)了國(guo)際頂級(ji)技術實力(li)和經驗。

如(ru)Roland Villiger先(xian)生，他在功率(lv)(lv)半導(dao)體技術領(ling)域(yu)有(you)(you)著優異的(de)高(gao)管管理業(ye)績(ji)和超(chao)過25年的(de)行(xing)業(ye)經驗。Dr Sven Matthias博士，發表(biao)IGBT相(xiang)關(guan)學(xue)術論(lun)文25篇、擁(yong)有(you)(you)6項專利(li)，對功率(lv)(lv)半導(dao)體設計開發、工藝制造(zao)(zao)具有(you)(you)極高(gao)的(de)技術造(zao)(zao)詣和經驗豐富。國內方面(mian)的(de)負責人張強(qiang)先(xian)生，發表(biao)IGBT相(xiang)關(guan)論(lun)文3篇、擁(yong)有(you)(you)3項專利(li)，在IGBT工藝制造(zao)(zao)同(tong)樣具有(you)(you)豐富經驗。

像這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)優秀人才在賽(sai)晶科技不勝枚(mei)舉(ju)(ju)，賽(sai)晶科技也善于把(ba)國際上優秀的(de)(de)(de)(de)技術團隊與(yu)國內優秀人才組合起來，每年投入大量(liang)的(de)(de)(de)(de)資金專注研(yan)發。憑借項頡董(dong)事長超(chao)前的(de)(de)(de)(de)思路和(he)遠(yuan)見卓識，大家舉(ju)(ju)力(li)攜手共同開創(chuang)了(le)賽(sai)晶科技一(yi)個又一(yi)個的(de)(de)(de)(de)新突破。正(zheng)因如(ru)此(ci)優秀與(yu)成熟的(de)(de)(de)(de)團隊，也成就了(le)賽(sai)晶科技具(ju)有市場競爭力(li)的(de)(de)(de)(de)IGBT芯片和(he)模塊產品。

如今的(de)(de)賽晶科技研發(fa)團隊憑借共同超過一(yi)個(ge)世紀的(de)(de)行業經驗(yan)，積極致力于用商業激發(fa)和實(shi)施可(ke)持(chi)續(xu)解決方案，為(wei)實(shi)現未來的(de)(de)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)而奮斗。

5、蓄(xu)勢(shi)待(dai)發，一往直前

電(dian)動汽車(che)朝著(zhu)大(da)功率(lv)密度(du)、高安全性和(he)低成本的(de)方(fang)向(xiang)前進時，功率(lv)器件的(de)電(dian)流(liu)密度(du)、功率(lv)損耗(hao)以(yi)及可(ke)靠性起著(zhu)關鍵(jian)性作用。元胞、體結構優化和(he)智能集(ji)成技術(shu)是實現上(shang)述目標的(de)根(gen)本途徑。未來IGBT器件將(jiang)向(xiang)著(zhu)槽柵(zha)結構、精細化圖形、載流(liu)子注入

增強調制(zhi)、以(yi)及薄(bo)片化的加工工藝(yi)方向繼續發(fa)展。賽晶(jing)科技(ji)也將繼續同(tong)時隨著IGBT芯片技(ji)術的發(fa)展而(er)不斷(duan)自我提升(sheng)，勇往無前，蓄勢騰飛。

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