作者：Bodo’s功率系統雜志編輯部
1、最強功率半導體之IGBT及國內領軍者
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】。
據華經產業研究院資料顯示，隨著近年來全球IGBT行業發展向好，市場規模也隨之逐年遞增。2021年，全球IGBT市場規模約為70.9億美元，同比增長6.6%。集邦咨詢（TrendForce）的數據也顯示，中國市場為39.6億美元，占比達到59%，是全球最大的IGBT市場。
縱觀IGBT領域，幾乎被美國、歐洲及日本等企業壟斷。其重要原因在于，IGBT芯片的設計和制造以及IGBT模塊的設計、制造和測試，對人才、設備要求極高，是一個難以彎道超車的產業。而我國在該領域一直面臨“卡脖子”問題，雖然IGBT壁壘高，但國產功率半導體的唯一出路就是自主創新，尋求國產替代。
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芯片組，優于國際上主流的其它廠商的第4代芯片。且實測表明，與同行企業同樣規格的芯片相比，賽晶科技的芯片功率為250A，性能提高10%以上。
2、賽晶科技自研i20 IGBT核心技術橫空出世
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，各項性能達到或超過了國際領軍企業的同類產品。i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型（Fine Pattern Trench- Field Stop）結構，并通過N型增強層（N- Enhancement layer）、窄臺面（Narrow Mesa）、短溝道(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導通飽和壓降和開關損耗折中性能，同時大大增加了電流可控性（di/dt controllability）和短路穩健性。
為了確保IGBT整體性能得到進一步發揮，賽晶科技同時對IGBT配套續流二極管芯片d20也進行了優化設計。通過先進的發射極注入效率管理（Advanced Emitter efficiency management）、優化陽極擴散分布（Anode：Diffusion profile optimization）、陰極激光退貨工藝（Cathode：laser annealing）等技術實現較低的導通壓降和反向恢復損耗折中平衡，同時通過電子輻照壽命控制技術（Electron irradiation lifetime control）和薄基底調節（thin base thickness tuning）等技術實現d20信號高di/dt反向恢復特性且無振蕩，并優化d20終端設計，進一步提高二極管動態穩健性。
2.2、i20和d20開關特性測試
為了驗證i20和d20芯片組開關特性優越性，賽晶科技在已經量產的1200V 750A ED系列模塊SISD0750ED120i20上與行業國際領軍企業同款IGBT4的同平臺模塊進行了對比測試，需要說明的是IGBT4模塊目前最高結溫只有150℃。通過對比發現兩個模塊開通損耗基本相當，關斷損耗采用i20芯片組的ED模塊略高，但飽和導通壓降的ED模塊更低。基于d20芯片組ED模塊二極管與IGBT4具有相同的正向壓降，且能夠保持更低的反向恢復損耗，從測試來看采用i20和d20芯片組模塊要優于國際領軍企業的同類第4代IGBT模塊。
2.3、安全工作區測試
IGBT短路安全工作區（SCSOA）
i20芯片組具有出色的短路穩健性，下圖圖4為ED模塊在175℃殼溫，800V母線電壓下測試得到的短路波形，短路電流只有額定電流的3倍左右，且短路波形無振蕩，模塊短路持續時間可達15us，為電路實時快速保護提供了保障。
SC模式：> 15μs @ VGE=15V，VCE= 800V
IGBT反向偏置安全工作區（RBSOA）
與IGBT可靠性相關的另一方面是器件的反向偏置安全工作區，一般情況下模塊廠商給出的RBSOA邊界是額定電流的兩倍。為了測試i20芯片的RBOSA邊界，以確定破壞極限，賽晶科技對器件從額定電流的兩倍開始，電流逐漸增加。測試發現i20芯片在大約3倍于標稱電流的情況下，器件可以安全關閉。當進一步增加電流，器件將達到飽和狀態，此時器件依然可以正常關斷，大幅拓寬了RBSOA工作區。
增加電流IC=1500A （=2.5倍標稱）2000A （>3倍），VDC=800V
二極管安全工作區（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，從而提高二極管的換向速度。對于選定的極端情況：750A的電流和900V的反向電壓，IGBT開通電壓21V，進行雙脈沖測試。實驗發現：在175°C的外殼溫度下，二級管的峰值功率超過800kW，di/dt超過10kA/us，器件依然可以穩定。選定的測試條件遠遠超出了任何數據表建議，進一步體現了賽晶科技d20芯片組的高可靠性。
I=750A，VR=900V，VGE_on=21V
2.4、逆變器效率對比仿真
為了在系統應用層面驗證i20和d20芯片組的性能，將基于i20芯片組的ED型750A半橋模塊與競爭對手i4-600A和i7-750A兩款模塊分別在整流模式和逆變模式進行了對比仿真。性能曲線圖反映了逆變器輸出功率（或電流）與開關頻率的關系，仿真熱阻值取自數據表，而器件的靜態和動態損耗取自測量值。逆變工況下，ED-750A額定模塊在最壞的情況下比最先進的i7 740A模塊功耗低3%，當開關頻率直到3kHz時達到平衡。而與目前應用居多的i4-600A模塊相比，ED型模塊能夠提升超過10%的性能。在整流器模式下，賽晶科技ED模塊的性能與最新的i7-750A模塊基本一致，相比i4-600A模塊相比，性能同樣可以提高10%以上。
圖7:在整流與逆變模式下的性能表現
3、國產自主芯片性能優異獲市場青睞，賽晶科技迎來銷售加速期
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芯片組優勢明顯，并在市場應用中，逐漸穩住客戶。賽晶科技繼續大力投入新產品研發和推廣，取得了令人矚目的成績。
2021年6月，賽晶科技具備國際一流水平、智能全自動的第一條IGBT模塊生產線竣工并實現量產。該生產線制造的ED封裝IGBT模塊系列產品已經在數家電動汽車、風電、光伏及工業電控領域企業開展測試。
2021年底，賽晶科技自主研發的IGBT芯片，完成了首次（以晶圓形式）正式向新能源乘用車市場客戶批量交付。這標志著使用賽晶i20技術的IGBT芯片，已經獲得市場主流新能源汽車廠家的認可，開始進入批量銷售階段。
2022年初，賽晶科技與國內光伏領域知名企業簽訂涉及數萬只ED封裝IGBT模塊的首個批量采購框架協議。在國外IGBT產品幾乎壟斷的集中式光伏發電領域實現了國產突破。這也是賽晶科技自主技術IGBT模塊的首個批量訂單，是取得客戶認可并開始批量銷售和應用的里程碑事件。
此外，公司碳化硅產品布局也正在啟動中，預計今年推出第一代碳化硅模塊。據悉，賽晶研發的芯片和模塊技術將覆蓋電動汽車、新能源發電、工業電控等IGBT模塊市場。從中我們可以看出，賽晶科技在IGBT芯片領域正在積極擴展自身的優勢，并且還在不斷地前行，勢在完成國產化的使命，國產替代的曙光也在一步步地變得更加明亮。
4、頂級研發陣容加持，國產IGBT突出重圍
IGBT領域技術難度大，其技術壁壘要求研發團隊擁有豐富的知識儲備和實踐經驗。一直以來，賽晶科技始終高度重視技術研發，致力于成為國際領先的技術研發型企業。為此，賽晶科技吸納了一大批在功率半導體領域有著優秀業績和數十年實踐經驗的行業領導者和研發人員。
ABB半導體是電力電子器件行業的領軍企業，其生產的IGBT等功率半導體器件專門應用于機車牽引，工業及能源傳輸等需要高可靠性的領域。賽晶科技董事長和創始人項頡曾于1999年至2001年在瑞士ABB半導體總部工作。在此期間，他不但深入IGBT第一生產線的每個環節，還參與了設計研發、項目管理、市場分析等多個崗位的工作，對于IGBT研發生產的整個環節有著深入的了解。
項頡董事長帶領的IGBT專家團隊也以原ABB半導體技術團隊為主，團隊成員發表了眾多技術論文并擁有幾十項專利，真正具備了國際頂級技術實力和經驗。
如Roland Villiger先生，他在功率半導體技術領域有著優異的高管管理業績和超過25年的行業經驗。Dr Sven Matthias博士，發表IGBT相關學術論文25篇、擁有6項專利，對功率半導體設計開發、工藝制造具有極高的技術造詣和經驗豐富。國內方面的負責人張強先生，發表IGBT相關論文3篇、擁有3項專利，在IGBT工藝制造同樣具有豐富經驗。
像這樣的優秀人才在賽晶科技不勝枚舉，賽晶科技也善于把國際上優秀的技術團隊與國內優秀人才組合起來，每年投入大量的資金專注研發。憑借項頡董事長超前的思路和遠見卓識，大家舉力攜手共同開創了賽晶科技一個又一個的新突破。正因如此優秀與成熟的團隊，也成就了賽晶科技具有市場競爭力的IGBT芯片和模塊產品。
如今的賽晶科技研發團隊憑借共同超過一個世紀的行業經驗，積極致力于用商業激發和實施可持續解決方案，為實現未來的可持續發展而奮斗。
5、蓄勢待發，一往直前
電動汽車朝著大功率密度、高安全性和低成本的方向前進時，功率器件的電流密度、功率損耗以及可靠性起著關鍵性作用。元胞、體結構優化和智能集成技術是實現上述目標的根本途徑。未來IGBT器件將向著槽柵結構、精細化圖形、載流子注入
增強調制、以及薄片化的加工工藝方向繼續發展。賽晶科技也將繼續同時隨著IGBT芯片技術的發展而不斷自我提升，勇往無前，蓄勢騰飛。
參考資料：
[1]張金平，肖翔，張波。超結IGBT的結構特點及研究進展[J]. 機車電傳動，2021，9(5)：12-20．