編者注：2018年在半導體領域發生的一系列不尋常的事件教育了我們在半導體關鍵器件上一定要實現從設計到製造、封測和應用的完整閉環，我們應該對那些在關鍵器件研發和量產的企業多投些關注的目光，本文對比亞迪在IGBT上的突破做了全面回顧和揭示，這是比亞迪連續十年不斷投入研發的成果，也是我國功率器件的大突破，比亞迪是中國唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的企業，但比亞迪做十年IGBT，也被人罵了十年，為什麼？文中為你揭曉緣由。歡迎指正並轉發出去。
一
2002年，在中國國務院18號文件（特指2000年國務院印發《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》這是開啟本土C新時代的綱領性文件，不瞭解的可以去搜索瞭解）的激勵下，臺灣留美博士馮明憲來到寧波造芯，創辦了中緯積體電路有限公司，公司董事長馮明憲曾任大茂電子董事長、亞太科技公司執行長、臺灣交通大學材料所所長與臺灣毫微米實驗室副主任等數職，總經理兼營運長餘水陽曾任上海宏力半導體執行副總經理、上海新茂總經理，雖然兩人都是半導體領域經驗豐富的老將，但是名氣還是比不過張忠謀和曹興誠，即便這樣，寧波政府還是對中緯項目給予了極大的支持。
於是，2002年初，註冊於開曼群島的中緯積體電路有限公司在寧波保稅區的中緯電路工廠正式動工，公司於2003年年底開始量產，之後公司先後累計投資2.49億美元，但該公司引進的卻是臺積電淘汰的6寸半導體生產線，這倒也不奇怪，當時長三角地區有大量臺積電或者歐美公司的二手晶圓設備，因為從2000年到2003年是中國一個造芯小高潮，據統計到2003年上半年長三角地區芯片製造業新增投資在25億美元以上，芯片代工企業增加到11家，已建和在建的生產線共有18條，其中10條為8寸生產線，佔全國的70%以上。
但當時中國的IC設計公司只有463家（2018年暴增到1698家），2003年中國IC設計業產值總產值僅有44.9億元(約5.42億美元),只有11家公司營收過億元，可以想象，當時的本土IC設計公司不僅數量少，而且規模也不大，自身發展還處於嬰幼兒時期，一下上馬那麼多晶圓廠，根本就是粥多僧少，所以很多晶圓廠開建之初就面臨產能嚴重吃不飽的局面。
因此，寧波中緯號稱年產6英寸芯片24萬片的目標自建成到破產業沒有實現過！其效益最好時的月產量也僅為一萬多片！這相差也太大！
另外，由於建廠時多以進口設備充資，實際貨幣出資很少，雖合法律規定，但造成出資結構先天缺陷，導致流動資金不足，加之生產線老化（寧波中緯的機臺設備來自臺積電80年代的設備，一般半導體設備使用壽命為15年左右，超過年限維護風險很大，成本高(每小時約100~150美元服務費)，備件也存在難題。）導致寧波中緯的產能一直無法有效擴大，在此期間，又發生了部分臺灣高管套取公司資產事件，進一步加劇了公司經營困境。
終於到了2008年下半年，寧波中緯資不抵債宣佈破產。2008年9月，寧波中緯正式將相關資產包括工業房地產及電子設備、機器設備、運輸設備和專有技術項目轉讓等打包拍賣，由於其設備嚴重老舊，其他晶圓廠對其毫無興趣，因此第一次拍賣以流標收場。（以上部分內容來自21世紀經濟報道）
在一個月後的第二次拍賣中，當時跟半導體沒交集的比亞迪閃亮登場了！最終比亞迪股份以1.71億人民幣的價格拍得寧波中緯廠房、設備等資產。寧波中緯項目累計投資近2.5億美元約合RMB15億元，比亞迪只以不到2億元拿到，這本是一比好買賣，但業界卻是罵聲一片，質疑比亞迪造芯的能力及運營能力，導致其股票大跌
比亞迪公司董事長兼總裁王傳福
但是，正是有了寧波中緯，比亞迪才開始了真正的半導體垂直整合之路，因為國內IBGT的瓶頸就是製造和封裝，可以說，有了中緯這個家底才有了2018年12月比亞迪發佈的IGBT4.0！才有了本土IGBT的大突破！但從收購之初到後來近10年間，中緯項目一直被某些分析人士和媒體詬病，但在這十年當中，比亞迪一直在默默地做垂直整合，要實現中國人自己造IGBT的夢想！看看下圖這是專家簽發的比亞迪IGBT芯片的鑑定書！時間是2009年！這是中國人自己造的第一代IGBT
比亞迪IGBT成果鑑定書
很多人認為王傳福在豪賭，其實現在回頭看看，人家那是在戰略佈局！只是很多人沒有看清楚，同樣的例子還有面板王京東方，十幾年累計投資面板3000多億卻被人罵了十幾年，但京東方現在一舉在小尺寸面板和AMOLED突破後大家又對它敬佩有加。所以，有眼光的戰略是要被經常捱罵的，否則，隨便什麼人都能看懂，那還是戰略嗎？
這是當時媒體的一些報道
二
有了寧波中緯，比亞達電動汽車夢想終於可以一飛沖天了，因為電動汽車的核心部件終於可以不用被卡脖子了！這個核心部件就是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫，中文名稱為絕緣柵雙極型晶體管）， IGBT號稱電動汽車的"CPU"！因為IGBT約佔汽車電機驅動系統成本的一半，而電機驅動系統佔整車成本的15-20%，也就是說IGBT佔整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。
IGBT就是一個高速開關，在汽車發動機和電池中間，通過調節開關速度可以實現對汽車電機的轉速控制下圖黃色部分就是使用IGBT的部分。我們都知道，電動汽車逆變器用於控制汽車主電機為汽車運行提供動力，而IGBT功率模塊正是電動汽車逆變器的核心功率器件。
電動車電控原理圖
實際上，不僅電機驅動要用IGBT，新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。不僅是新能源車，直流充電樁和機車（高鐵）的核心也是IGBT管，直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。電力機車一般需要 500 個IGBT 模塊，動車組需要超過100個IGBT模塊，一節地鐵需要50-80個 IGBT 模塊電動車為例，Model X使用132個IGBT管，由英飛凌提供，其中後電機為96個，前電機為36個，每個單管的價格大約4-5美元，合計大約650美元。
2016年全球電動車銷量大約200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約450美元！IGBT是電動車裡除電池外最昂貴的部件。
說它是核心一點不過分！
而目前的現狀是國內90%以上IGBT器件主要被英飛凌、ABB、三菱等歐美及日本企業把持，其中，英飛凌主打電動汽車，而三菱的IGBT主要用在高鐵上。
去年我們半導體領域一個熱門詞彙是卡脖子，說IGBT被卡脖子一點都不過分，一個生動例子是由於IGBT的產量有限，2018年很多IGBT大漲價，某個筆者認識的青年才俊囤貨IGBT模塊，輕鬆年入數百萬！
閒話少扯，再回到IGBT的挑戰上，有人回說，我們國家能把嫦娥四號送到月球背面，造個IGBT真那麼難嗎？
是的，真難，其實IGBT就是一高壓大電流高速開關，它的原理很簡單，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
IGBT結構圖
一些需要高開關頻率的場景也適合使用IGBT，IGBT的特點是能提供高的動態性能、轉換效率，同時具有低的可聽到的噪音。它也適用於諧振模式的轉換/逆變電路。IGBT並不是一個新器件，上世紀80年代IGBT在通用電氣工作的B•賈揚•巴利加（B. Jayant Baliga）——曾經的IEEE榮譽勳章獲得者發明這款風靡全球的半導體功率器件，通用公司當時是要提高電機的驅動效率，他們沒想到這個款產品幾十年後在電動汽車、高鐵、太陽能領域大放異彩。
IGBT的的應用場景
在我們日常使用的電子產品中，很多都是在弱電下工作，就是低電壓低電流狀態，例如手機、平板電腦、MP3播放器等，其工作電壓可以低到1V左右 ，電流低至毫安級別，這類電子設備也需要高速開關例如很多邏輯判斷都是需要晶體管導通或者關斷的，不過MOSFET雖然開關頻率高但不能工作在高壓大電流狀態，在高電壓領域就需要IGBT了。IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。
三種開關器件的比較
這就是比亞迪的IGBT模塊
其實IGBT芯片並不大，這個模塊很大部分是樹脂外蓋，用於安全保護、散熱，如果將這個模塊打開，大家可以看到的是這個，芯片只是很少一部分。
IGBT模塊內部結構
IGBT的挑戰主要是製造和封測，在製造工藝方面，IGBT的製程正面和標準BCD的LDMOS沒差，只是背面挑戰很大，主要難題主是：
1、IGBT背面工藝、減薄工藝技術要求高。一般來說，特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到200-100μm;對於要求較高的產品，甚至需要減薄到80μm。當硅片厚度減到 200-100μm 的量級，硅片就極易破碎和翹曲，給整個加工流程帶來較大困難。目前國內普遍可以將晶圓減薄到175μm，2018年12月份比亞迪公佈能將晶圓減薄到 120μm。英飛凌製造的IGBT芯片最低可心減薄到40um。
2、背面工藝，包括背面離子注入，退火激活，背面金屬化等工藝步驟，由於正面金屬的熔點的限制，背面工藝必須在低溫下進行(不超過450°C)，其中退火激活這一步難度極大。
3、IGBT封裝的主要目的在於散熱，而散熱的關鍵是材料。自第六代技術以後，各大廠商開始重視IGBT的封裝技術研究。在IGBT封裝材料方面，日本在全球遙遙領先，德國和美國處於跟隨態勢，我國的材料科學則相對落後。車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多，逆變器內溫度最高可達 120°C，同時還要考慮強振動條件，車軌級的IGBT要求遠在工業級之上。
4、國內設備配套困難。國內IGBT工藝設備購買、配套十分困難。每道製作工藝都有專用設備配套。其中有些設備國內沒有，或技術水平達不到。如：德國的真空焊接機，能把芯片焊接空洞率控制在低1%，而國產設備空洞率高達20%到50%。國外設備出口還有限制，例如薄片加工設備，日本產的表面噴砂設備等，並不對中國出口。IGBT生產過程要求高標準的空氣淨化系統，世界一流的高純水處理系統。這些都給IGBT製造帶來了非常大的難度，國內起步晚，經驗不足，想製造出合格的產品非常不易。
5、IGBT的製造必須有集產品設計、芯片製造、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等成套技術。並且需要具備高自動化、專業化和規模化程度大功率IGBT製造設備。
往往一個IGBT項目投資額需高達數十億元人民幣，這只是投資額，在後續的市場中仍需面對國際廠商的競爭壓力。以上部分內容來自《科技最前沿》微信號郭震文章《IGBT國家之痛，技術與國外差距大》。另外，在IGBT製造過程中，還有個學習曲線問題，IGBT需要更多的經驗去積累才能達到一個好的良率，這個積累過程是沒法從別人那裡學到的，只有靠自己的去摸索。
一個完整的IGBT模塊開發過程是這樣的
完整IGBT模塊開發過程
三
前面說了，比亞迪12月發佈的是第四代IGBT了，這個代數是比亞迪內部的稱呼，和國際IGBT技術相比是怎樣的呢？我們知道IGBT的發展總趨勢就是降低損耗降低成本，沿著這個方向從柵極機構、工藝、材料進行改進，國際上目前分出六代產品，各代產品參數如下：
各代IGBT對比
而比亞迪第四代IGBT相當於國際第五代（F5），在比亞迪發佈會上，比亞迪第六事業部兼太陽能事業部總經理陳剛通過數據對比了比亞迪第四代IBGT和競品的性能。
可以看到此次推出的比亞迪IGBT4.0，在諸多關鍵技術指標上都優於當前市場主流產品，例如：
1.電流輸出能力較當前市場主流的IGBT高15%，支持整車具有更強的加速能力和更大的功率輸出能力。
2.同等工況下，綜合損耗較當前市場主流的IGBT降低了約20%。這意味著電流通過IGBT器件時，受到的損耗降低，使得整車電耗顯著降低。以比亞迪全新一代唐為例，在其他條件不變的情況下，僅此一項技術，就成功將百公里電耗降低約3%。
3.溫度循環壽命可以做到當前市場主流IGBT的10倍以上。這意味著比亞迪電動車在應對各種極端氣候、路況時，能有更高的可靠性和更長的使用壽命。此前，比亞迪電動車就以其優異的性能與穩定的可靠性，完成了從新疆吐魯番的高溫，到北歐的極寒、再到西藏高原的高海拔等全球最嚴苛自然環境的測試，並在全球300多個市場成功經歷了各種氣候、路況、駕駛習慣的考驗，得到廣泛認可。
這麼優秀的性能讓很多人驚訝，所以這個消息發佈以後，很多人竟然不相信是比亞迪自己造的IGBT，看看下面的留言：
比亞迪IGBT4.0晶圓
讀者留言，除了震驚就是不相信
在活動現場，中國半導體行業協會IC設計分會副理事長周生明指出：“比亞迪依靠自身強大的研發實力、人才的聚集、產業鏈的配套，在汽車功率半導體領域有了非常核心的突破，這個突破不是今天想，明天投入就能實現的，是積累了十多年的技術、人才和產業鏈才能實現的。”
四
讓人震驚的還不止這些，在發佈會上，我們瞭解到比亞迪已投入巨資佈局性能更加優異的第三代半導體材料碳化硅，有望於2019年推出搭載SiC電控的電動車。
因為當下的IGBT也將逼近硅材料的性能極限。尋求更低芯片損耗、更強電流輸出能力、更耐高溫的全新半導體材料，已成為學界和業界的普遍共識，國外功率器件廠商紛紛佈局碳化硅，比亞迪當然也不落後，陳剛透露比亞迪已投入巨資佈局第三代半導體材料SiC，並將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業鏈，致力於降低SiC器件的製造成本，加快其在電動車領域的應用。
第三代半導體材料SiC
比亞迪SiC晶圓
相比普通硅功率器件，碳化硅器件的工作頻率更高，也能夠耐受更高的環境溫度，相對於硅器件，碳化硅器件在降低導通電阻和減小開關損耗等方面具有優勢。比如，由二極管和開關管組成的逆變電路中，僅將二極管材料由硅換成碳化硅，逆變器的電能損失就可以降低15～30%左右，如果開關管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。因此在高壓功率市場，碳化硅器件簡直是IGBT的完美替代者。與普通硅相比，採用碳化硅的元器件有如下特性：
1、高壓特性--碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍、碳化硅肖特基管耐壓可達2400V、碳化硅場效應管耐壓可達數萬伏，且通態電阻並不很大。
2、高頻特性--硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。碳化硅MOSFET不僅適合於從600V到10kV的廣泛電壓範圍，同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比於硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。
3、高溫特性（（最高可達1600℃））--在硅材料已經接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。
利用碳化硅製作的電力電子器件具備三個能使電力轉換器實現小型化的特性：更高的開關速度、更低的損耗和更高的工作溫度，這將有利於比亞迪進一步提升電動車領域的優勢，
比亞迪在發佈現場展示IGBT研發歷程
在功率半導體等核心技術的加持下，比亞迪在過去的三年位居全球電動車銷量第一，並助推我國電動車行業高速發展——正是在這三年，我國電動車產銷量持續領跑全球、保有量全球佔比達到50%，展望未來，陳剛表示比亞迪已經在規劃投資寧波中緯二期工廠，進一步擴大產能，按照規劃，明年可以滿足50萬輛電動車的IGBT需求。
十多年前，比亞迪打破國際巨頭對IGBT的技術壟斷，助力我國電動車的快速發展；現在，比亞迪推出了全新的車規級IGBT4.0，為我國汽車產業的換道超車，提供強大的“中國芯”。未來，伴隨著比亞迪SiC的推出與大規模應用，我國汽車產業的“再向上”將獲得新的助推力。
加油，比亞迪！
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