IGBT業(yè)者正積極搶進(jìn)600伏特以下的低電壓應(yīng)用。全球經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)定,，加上主要應(yīng)用市場競爭日益激烈,，使得IGBT產(chǎn)業(yè)近來成長趨緩。為開創(chuàng)成長新契機(jī),，IGBT業(yè)者遂致力研發(fā)適合低電壓應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)與產(chǎn)品方案,，甚至朝向12寸晶圓制造發(fā)展。

受到全球政府降低再生能源及運(yùn)輸支出的影響,，絕緣閘雙極電晶體（IGBT）元件及模組制造商紛紛陷入艱困處境,。據(jù)Yole Developpement統(tǒng)計(jì)，大多IGBT制造商,、封裝公司和相關(guān)的被動(dòng)元件制造廠在2012年出現(xiàn)衰退（圖1）,，因而促使相關(guān)業(yè)者改變IGBT晶圓、封裝等生產(chǎn)策略,，期將產(chǎn)業(yè)帶回先前快速的成長軌道上,。

現(xiàn)階段,，幾乎所有 IGBT制造商都在600伏特（V）以上相關(guān)電力電子應(yīng)用市場競爭，范圍由太陽能逆變器（Inverter）到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)有主要業(yè)者如位于德國的英飛凌（Infineon）,、日本東京的三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric），以及具備可提供阻擋高達(dá)3,，300伏特電壓元件優(yōu)勢(shì)的富士電機(jī)（Fuji Electric）,。這些業(yè)者同時(shí)也跨足1，700伏特以下中電壓應(yīng)用領(lǐng)域,；此一市場,，可謂業(yè)界競爭最激烈的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)閹缀跛须娏﹄娮釉焐?，皆可提?,，700伏特以下應(yīng)用的IGBT元件。不過,，若以營收計(jì)算,，600～900伏特的產(chǎn)品才是市場產(chǎn)值最大的貢獻(xiàn)來源。

隨著主流市場競爭日益嚴(yán)峻,，有些公司開始想進(jìn)入超越傳統(tǒng)范圍下緣的新領(lǐng)域,，積極往200～600伏特低電壓區(qū)間移轉(zhuǎn)，以達(dá)到更大量的應(yīng)用,，如白色家電產(chǎn)品和相機(jī)閃光燈,。然而，超級(jí)接面高效能金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（Super Junction MOSFET）已應(yīng)用于此電壓區(qū)間,，意味著IGBT產(chǎn)品要進(jìn)入市場將有一些挑戰(zhàn),，且制造商也將面臨極大的價(jià)格競爭壓力。

如果IGBT業(yè)者鎖定普通的低電壓商品應(yīng)用,，成本必然成為重要的驅(qū)動(dòng)力,，不過，產(chǎn)品持續(xù)降價(jià)后,，盡管整體市場規(guī)模成長,，但也意味著利潤率更低。能夠在此電壓區(qū)間競爭,，部分是因?yàn)镮GBT制造商在元件世代發(fā)展中所做的改善,，他們?cè)诿總€(gè)新世代都改進(jìn)其設(shè)計(jì)、縮小晶片尺寸,，因而省下成本（圖2）,。舉例來說，英飛凌第五代IGBT 產(chǎn)品的尺寸已比第一代減少60～70%,，其藉由現(xiàn)今的場截止溝槽式（Field Stop Trench）元件,，使晶圓厚度可降到50～70微米（μm）,，甚至下探40微米。同時(shí),，三菱也持續(xù)縮減產(chǎn)品溝槽尺寸,，以在同一晶片中放入更多電晶體，進(jìn)而能微縮晶片體積,。

圖1　2006～2020年功率元件市場產(chǎn)值預(yù)測；其中,，2009年與2012年皆因全球經(jīng)濟(jì)因素出現(xiàn)衰退,。

未來，制造商還會(huì)運(yùn)用其他電力電子電晶體的低成本制造策略,，加強(qiáng)IGBT在一般應(yīng)用的競爭力,。舉例來說，為讓IGBT順利轉(zhuǎn)向低電壓應(yīng)用領(lǐng)域,，制造商正移向較大晶圓直徑的平臺(tái),，其中，英飛凌即積極移往12寸生產(chǎn),，跳脫現(xiàn)在大多IGBT都在6寸和8寸晶圓上制造的模式,，尋求更好的量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。盡管目前尚不確定在12寸晶圓上制造IGBT的商用產(chǎn)品問世時(shí)程,，但相關(guān)廠商確實(shí)已開始投入MOSFET制造,，亟欲切入低電壓市場,。支援12寸平臺(tái)　柴氏晶圓方案崛起

由于IGBT在電力電子市場是很安全,、成熟的技術(shù)，因此改善成本遂成為廠商最重要的考量,，當(dāng)然,，每個(gè)新世代元件的目標(biāo)都是減少損失及改進(jìn)效能，只要合乎工程師的預(yù)期,，就能持續(xù)獲得選用,。

圖2　IGBT技術(shù)演進(jìn)藍(lán)圖

在一般電力電子系統(tǒng)成本方面,，業(yè)界均可接受IGBT技術(shù)創(chuàng)新,，因?yàn)榭蓽p少尺寸或重量，或是能改善系統(tǒng)的效率或可靠性,。因此,，包括油電混合車（HEV）、電壓很高的應(yīng)用如電網(wǎng)電力供應(yīng),，以及低電壓消費(fèi)應(yīng)用方面,，終端用戶皆愿意負(fù)擔(dān)創(chuàng)新的代價(jià),。

目前IGBT業(yè)者已開始運(yùn)用柴氏法（Czochralski Method）將傳統(tǒng)磊晶附著于由晶體切成的矽晶圓上，而另一種浮動(dòng)區(qū)中子質(zhì)化（NTD）晶圓做法,，則在核子反應(yīng)器中以磷做為矽的摻入雜質(zhì),，更廣泛的用于 IGBT生產(chǎn)。由于NTD晶柱帶著遍布晶圓的同質(zhì)電阻率回來,，因此可取得電壓更高,、效能更好的IGBT；此外,，一旦切割后就不需要磊晶,，可顯著減少晶圓的厚度，當(dāng)晶圓變薄就可在每一晶柱做出更多晶圓,，因而降低成本,。

事實(shí)上，浮動(dòng)區(qū)NTD晶圓只用在符合其效能優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用上,，且目前沒有轉(zhuǎn)至直徑12寸晶圓的趨勢(shì),，因?yàn)榉磻?yīng)器都不接受8寸以上的晶柱。相形之下,，可使用12寸平臺(tái)的柴氏長晶法對(duì)低電壓,、大量的應(yīng)用頗為可行，因此大部分業(yè)者想以柴氏法加上磊晶做低電壓產(chǎn)品,，浮動(dòng)區(qū)晶圓則用于高電壓應(yīng)用,。

大陸晶圓廠來勢(shì)洶洶　傳統(tǒng)IGBT廠加碼封裝研發(fā)

由于成本如此重要，中國大陸新興的半導(dǎo)體制造商對(duì)IGBT產(chǎn)業(yè)的沖擊將愈來愈明顯,。其中,，位于北京的火車制造商中國南車購并英國林肯Dynex Semiconductor后取得IGBT專業(yè)技術(shù)，該公司亦已和深圳車廠比亞迪合作,，宣稱已能做出二極體（Diodes）,，并將于2013年第三季推出自行研發(fā)的IGBT。

盡管英飛凌,、三菱電機(jī),、富士電機(jī)和其他歷史悠久的制造商在自家工廠進(jìn)行所有IGBT技術(shù)、制造及研發(fā),，并以持續(xù)性的技術(shù)創(chuàng)新在市場上存活下來,，但是，中國大陸業(yè)者卻嘗試以較低價(jià)位的產(chǎn)品進(jìn)入市場,，而非試著做出最佳的元件,，將為整個(gè)市場競爭帶來新的變化。目前計(jì)劃發(fā)展 IGBT制程的中國大陸晶圓廠包括江蘇的華潤上華，以及上海的中芯國際,、宏力半導(dǎo)體和華宏NEC,。

隨著中國大陸晶圓代工廠做出來的元件商品化后，囊括IGBT從上到下自行生產(chǎn)的制造商將承受更大的市場競爭壓力,。尤其是傳統(tǒng)的歐美及日本IGBT大廠要跟隨這個(gè)趨勢(shì)頗困難,，他們的存亡大多要看在晶片層面的創(chuàng)新程度，因此,，目前除晶圓技術(shù)外,，亦正致力投入研發(fā)模組層次的新封裝方案。

事實(shí)上,，封裝技術(shù)的重要性正在IGBT產(chǎn)業(yè)快速攀升,。著眼于許多電力電子元件廠商逐漸從TO-220及TO-247轉(zhuǎn)向更小的表面黏著封裝，如DPAK及D2PAK,，IGBT業(yè)者也正研擬導(dǎo)入這種小型封裝,，進(jìn)一步改善模組、系統(tǒng)的成本及體積等問題,。

無庸置疑,，IGBT封裝創(chuàng)新的增加已是近來最出人意料的發(fā)展之一。現(xiàn)階段,，部分新技術(shù)已落實(shí)到模組開發(fā)上,，廠商可在同一個(gè)模組使用幾種類型的元件，例如 IGBT及超級(jí)接面高效能場效電晶體,，或IGBT及碳化矽（SiC）二極體,，藉以優(yōu)化產(chǎn)品。這些元件在固晶銅箔基板、固晶和打線層面均導(dǎo)入創(chuàng)新方案，故能承受各種溫度變化的考驗(yàn)，并支援不同頻率。

隨著封裝技術(shù)快速演進(jìn),，未來IGBT業(yè)者還會(huì)繼續(xù)用帶式接合（Ribbon Bonding）嗎？若是這樣,，仍會(huì)用鋁做為基板材料還是轉(zhuǎn)而使用銅,，或運(yùn)用新的銅柱方案，這些均是后續(xù)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題,。

2013年IGBT市場回溫可期

綜上所述,，在IGBT晶圓、封裝技術(shù)及低電壓應(yīng)用領(lǐng)域迭有突破之下,，今年市場可望逐漸恢復(fù)成長力道,。在2011年，包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī),、再生能源市場成長放緩,，影響IGBT需求,，而且相關(guān)元件和模組均有庫存，交貨期又長,，因而也連帶沖擊2012年的IGBT市場,。不過，這一波市場不景氣應(yīng)不致擴(kuò)大影響到 2013年IGBT的市場規(guī)模,，因目前全球經(jīng)濟(jì)情況已較為樂觀,。

據(jù)Yole Developpement統(tǒng)計(jì)，2011年IGBT分離式元件及模組總銷售額為35億美元,，但未來幾年產(chǎn)值成長可能有波動(dòng),，將呈現(xiàn)鋸齒狀的變化。如果全球景氣回升并持穩(wěn)的話,，2013年可望有些復(fù)蘇,，2014年將小幅放緩，2015年成長則將趨于穩(wěn)定,。

IGBT市場還能再次增長嗎,？

各國政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，因此IGBT器件和模塊的制造商面臨著一場考驗(yàn),。

大部分IGBT制造商都在整個(gè)功率電子領(lǐng)域展開了競爭,。英飛凌、三菱電機(jī),、富士電機(jī)等大企業(yè)在絕緣電壓高達(dá)3300V的產(chǎn)品方面實(shí)力很強(qiáng),。從收益方面來看，600～900V的產(chǎn)品所占市場最大,。

幾家企業(yè)還瞄準(zhǔn)了白色家電及相機(jī)閃光燈等銷量大的用途,，還準(zhǔn)備涉足低壓（200～600V）市場。這些都是面向普通消費(fèi)者的用途,，因此IGBT廠商的苦惱除了與超結(jié)MOSFET（SJ-MOSFET）的競爭以外,，還有價(jià)格壓力。但是,，市場整體將實(shí)現(xiàn)增長,。

成本的削減可通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和縮小芯片尺寸來實(shí)現(xiàn),。英飛凌的IGBT芯片尺寸從第1代到第5代已縮小了60～70％,。最新的Field Stop Trench（場截止溝道）型器件也減小了晶圓厚度。英飛凌準(zhǔn)備將晶圓厚度減至50～70μm,，甚至40μm,。而三菱電機(jī)則為在一個(gè)芯片上集成更多單元， 減小了溝道尺寸。另外,，IGBT廠商還將通過把現(xiàn)在的150mm和200mm晶圓增至300mm來削減成本,。

技術(shù)人員選擇IGBT并不 一定是為了確保性能，而是因?yàn)镮GBT能夠滿足他們的期待,。在以減小尺寸,、減輕重量以及提高系統(tǒng)效率和可靠性為目的、高成本被認(rèn)為具有合理性的情況下,，革 新型IGBT就會(huì)被采用,。比如高檔混合動(dòng)力車等。另外,，IGBT還會(huì)被用于輸電網(wǎng)供電等高壓用途以及低壓消費(fèi)類電子產(chǎn)品,。另一方面，基本配置的純電動(dòng)汽車 會(huì)使用中國廠商生產(chǎn)的質(zhì)量達(dá)到平均水平的模塊,。

通常的IGBT是利用硅外延片制造的,，硅外延片是利用Czochralski法生長出晶 體、將其切片制成硅晶圓,、再在硅晶圓上生長出外延層制成的,。最近，利用垂直懸浮區(qū)熔法制備的NTD（中子嬗變摻雜）硅晶圓越來越多地被用來制造IGBT,。 NTD是利用核反應(yīng)使單晶硅中的Si30嬗變成磷原子而實(shí)現(xiàn)在硅中摻雜磷的方法,。由于NTD硅錠的電阻率均一，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高性能高壓IGBT,。切出硅晶 片后不需要外延,，因此能大幅削減晶圓厚度。這樣,，一個(gè)硅錠可生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量增加,，從而可以削減成本。現(xiàn)在,，NTD晶圓只在能夠大幅提高性能時(shí)采用,，因?yàn)?其價(jià)格還很高。由于還沒有可處理大于200mm硅錠的反應(yīng)堆,，因此沒有出現(xiàn)過渡到300mm晶圓的趨勢(shì),。

由此可以看出，削減成本越來越 重要,，因此中國很快會(huì)給IGBT領(lǐng)域帶來影響,。株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司通過收購丹尼克斯半導(dǎo)體公司 （Dynex Semiconductor）獲得了IGBT相關(guān)技術(shù)。比亞迪已具備制造二極管的能力,，將于2013年第三季度之前開始制造自主開發(fā)的IGBT。在中國其 他地區(qū)，IGBT將以聞所未聞的制造模式開始生產(chǎn),，也就是高質(zhì)量制造出基礎(chǔ)器件,，然后委托代工企業(yè)生產(chǎn)的模式。發(fā)展藍(lán)圖中包含了IGBT工藝的中國代工企 業(yè)有華潤上華,、中芯國際,、宏力半導(dǎo)體及華虹NEC等公司。這將給自行制造IGBT的廠商帶來一定壓力,，他們能否生存下去主要取決于芯片級(jí)別的技術(shù)革新和模 塊級(jí)別的封裝技術(shù),。

由于模塊發(fā)展迅速，封裝技術(shù)的重要性正在以驚人的速度提高,。因?yàn)榉庋b技術(shù)能使多種器件在一個(gè)模塊中使用,。比 如，IGBT與SJ- MOSFET組合及IGBT與SiC二極管組合等,。這些器件的耐溫和支持頻率不同,，因此在芯片鍵合后的Cu基板階段、冷卻階段及芯片安裝階段需要技術(shù)革 新,。另外,，在布線階段也需要技術(shù)革新。存在的課題包括,，要繼續(xù)使用引線鍵合嗎,？如果是的話，是使用鋁線還是銅線,？是采用帶式焊接（Ribbon Bonding）還是銅凸點(diǎn),？

這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步將使IGBT再次走上增長之路。由于風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī),、可再生能源及鐵路領(lǐng)域在2011 年表現(xiàn)低迷,，IGBT市場在 2012年出現(xiàn)了減速。之所以在一年后才表現(xiàn)出影響,，是因?yàn)檫@些器件和模塊有庫存而且這些器件的生產(chǎn)周期長,。各種IGBT器件和IGBT模塊的銷售額在 2011年為35億美元，未來的增長趨勢(shì)將出現(xiàn)不規(guī)則變化,。預(yù)計(jì)2013年將有一定程度的復(fù)蘇,，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后,，從2015年開 始將穩(wěn)定增長,。