IGBT全球缺貨成香餑餑，對(duì)從業(yè)者來(lái)說是紅利期到了嗎？

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能光伏、高速鐵路等領(lǐng)域的高壓功率半導(dǎo)體器件，近期出現(xiàn)了嚴(yán)重的供不應(yīng)求的現(xiàn)象，不僅價(jià)格上漲，而且難以采購(gòu)。據(jù)報(bào)道，IGBT陷入大缺貨，缺貨問題至少在2024年中前難以解決。此前有消息稱，部分廠商IGBT產(chǎn)線代工價(jià)上漲10%。這究竟是什么原因?qū)е碌哪兀?/p>

一、IGBT是什么？

首先，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下IGBT。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的英文縮寫，是一種由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn) 。IGBT是電力電子裝置的核心器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子、航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域 。

IGBT的工作原理是利用MOS管的柵極溝道來(lái)控制BJT的集電極電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)。IGBT有三個(gè)電極，分別為G-柵極，C-集電極，E-發(fā)射極。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)取決于柵-射極電壓UGE和集-射極電壓UCE的大小 。當(dāng)UGE大于一定的閾值Uth時(shí)，MOS管形成溝道，BJT導(dǎo)通，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)UGE小于或等于Uth時(shí)，MOS管溝道消失，BJT關(guān)斷，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)UCE為負(fù)值時(shí)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。IGBT的開關(guān)速度受到BJT的載流子復(fù)合時(shí)間的影響，因此IGBT一般適用于中低頻率的開關(guān)應(yīng)用。

二、IGBT為什么全球缺貨？

先說結(jié)論：IGBT全球缺貨是由市場(chǎng)需求和供應(yīng)兩方面共同作用的結(jié)果，其中新能源汽車和太陽(yáng)能光伏是主要的驅(qū)動(dòng)因素。

市場(chǎng)需求方面，一是新能源汽車的快速發(fā)展。隨著全球?qū)μ贾泻偷淖非?，新能源汽車成為了未?lái)交通出行的主流選擇，各國(guó)政府也紛紛出臺(tái)了鼓勵(lì)和支持新能源汽車發(fā)展的政策和補(bǔ)貼。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球新能源汽車銷量將達(dá)到1400萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)近50%。而IGBT是新能源汽車中不可或缺的核心元件之一，一輛電動(dòng)汽車需要使用上百顆IGBT，是傳統(tǒng)燃油車的7到10倍。因此，新能源汽車的需求直接推動(dòng)了IGBT的需求增長(zhǎng)。

二是太陽(yáng)能光伏的普及。太陽(yáng)能光伏是一種清潔、可再生、低碳的能源形式，也是應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段之一。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，太陽(yáng)能光伏在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展和普及，尤其在中國(guó)、歐洲、美國(guó)等地區(qū)。而IGBT是太陽(yáng)能逆變器的關(guān)鍵元件之一，用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供給電網(wǎng)或用戶使用。據(jù)悉，目前太陽(yáng)能逆變器采用IGBT的比重已經(jīng)大幅提升，達(dá)到了80%以上。

與此同時(shí)，供應(yīng)方面，一是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體調(diào)整。由于2022年下半年以來(lái)，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)出現(xiàn)了供過于求的情況，導(dǎo)致價(jià)格下跌、庫(kù)存積壓、產(chǎn)能過剩等問題。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，許多半導(dǎo)體廠商紛紛采取了減產(chǎn)、降價(jià)、清庫(kù)存等措施，以恢復(fù)供需平衡。這也導(dǎo)致了IGBT等部分產(chǎn)品的產(chǎn)能被壓縮或轉(zhuǎn)移。

二是電動(dòng)汽車廠商搶占資源。由于電動(dòng)汽車對(duì)IGBT等功率半導(dǎo)體器件的需求量巨大且穩(wěn)定，許多電動(dòng)汽車廠商為了保證供應(yīng)鏈安全和成本控制，紛紛與IGBT供應(yīng)商簽訂了長(zhǎng)期合作協(xié)議，并提前預(yù)定了大量訂單。這也使得IGBT供應(yīng)商將優(yōu)先滿足電動(dòng)汽車廠商的需求，而其他領(lǐng)域的客戶則難以獲得足夠的供貨。

綜上，新能源汽車和太陽(yáng)能光伏都是在當(dāng)今“雙碳”目標(biāo)下高速發(fā)展的兩大領(lǐng)域。行業(yè)以超出預(yù)料的速度向前狂飆突進(jìn)，造成了如IGBT等元器件的短期缺貨。隨著IGBT產(chǎn)能的逐步上升，其技術(shù)也在同步演進(jìn)，或?qū)⒃谛阅苌线M(jìn)一步提高，如降低損耗、提高耐壓能力、增加功率密度、提高可靠性等?？梢哉f，IGBT的技術(shù)突破為新能源汽車、太陽(yáng)能光伏等行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，整體行業(yè)的高速發(fā)展又將帶動(dòng)IGBT技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。

三、當(dāng)下IGBT發(fā)展到哪一步了？

自20世紀(jì)80年代初期，在美國(guó)通用電氣公司和美國(guó)無(wú)線電公司宣布發(fā)明 IGBT 后，IGBT得到世界半導(dǎo)體廠家和研究機(jī)構(gòu)的重視。通過智慧芽研發(fā)情報(bào)庫(kù)可以看到，經(jīng)歷了80年代到1991年的初步問世階段和1992-2000年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化階段后，IGBT技術(shù)在近20年間發(fā)展迅猛，如下圖所示：

__IGBT性能提升階段 (2001-2010年)：__在這一階段，IGBT技術(shù)主要圍繞著降低導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率和安全工作區(qū)等方面進(jìn)行改進(jìn)。一方面是通過優(yōu)化正面 MOS 結(jié)構(gòu),提高靠近發(fā)射極區(qū)一端的電子注入效率,從而優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。另一方面是通過在NPT或FS結(jié)構(gòu)中引入緩沖層或注入增強(qiáng)層等新型結(jié)構(gòu)來(lái)改善載流子分布和電場(chǎng)分布，從而提高器件性能。例如，IEGT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor）結(jié)構(gòu)在柵電極之間的區(qū)域進(jìn)行EEI (Enhanced Electron Injector)進(jìn)行重?fù)诫s，稱之為N+局部摻雜，目的是減弱PNP晶體管的作用，多余的電子則會(huì)與頂部的空穴進(jìn)行復(fù)合，從而在漂移區(qū)的一側(cè)，會(huì)增強(qiáng)頂部發(fā)射極電子的注入,這種新結(jié)構(gòu)器件具有通態(tài)電壓降較小，飽和電流密度較低，開關(guān)損耗也比較小。又如CSTBT（Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor）結(jié)構(gòu)則是進(jìn)一步的將IEGT的EEI層拓展至整個(gè)P-well阱之下，再通過MOS結(jié)構(gòu)的通道層連接到發(fā)射極，進(jìn)一步的增強(qiáng)了電子的注入能力，從而改善了載流子的分布。

__IGBT創(chuàng)新突破階段 (2011年至今)：__在這一階段，IGBT技術(shù)主要針對(duì)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行差異化和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。一方面是通過使用薄晶圓及優(yōu)化背面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗，同時(shí)開關(guān)軟度更高。同時(shí)，最高允許工作結(jié)溫從第3代的125℃提高到了150℃或175℃，這無(wú)疑能進(jìn)一步增加器件的輸出電流能力。例如IGBT5使用厚銅代替了鋁作為表面金屬化層，銅的通流能力及熱容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流。另一方面是通過精細(xì)化溝槽柵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高開關(guān)頻率和低導(dǎo)通壓降的折衷。例如TRENCHSTOP?5系列產(chǎn)品針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的優(yōu)化。其中H5/F5適合高頻應(yīng)用，L5導(dǎo)通損耗最低。

四、IGBT下一個(gè)機(jī)遇點(diǎn)在哪里？

IGBT的未來(lái)機(jī)遇主要來(lái)自于新能源發(fā)電和儲(chǔ)能的快速發(fā)展，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，光伏、風(fēng)電及電化學(xué)儲(chǔ)能（光風(fēng)儲(chǔ)）的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，帶動(dòng)IGBT市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大。預(yù)計(jì)2025年全球光風(fēng)儲(chǔ)用IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到250億元。

從技術(shù)上看，IGBT的未來(lái)發(fā)展方向主要包括以下四個(gè)方面：

1）碳化硅（SiC）基IGBT的應(yīng)用，以突破硅基IGBT的性能極限；

2）更低的開關(guān)損耗、更高的電流密度以及更高的工作溫度；

3）Trench溝槽型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以提高電子注入效率和降低導(dǎo)通電阻；

4） 集成化、智能化、小型化的封裝技術(shù)，以提高功率密度、集成度和智能度。

其中，第一個(gè)方向，面對(duì)特斯拉宣布在某些車型中對(duì)碳化硅的使用減少75%的情況，或?qū)⒂瓉?lái)大爆發(fā)：“碳化硅+IGBT”混合模塊方案可能降低采用碳化硅的電驅(qū)系統(tǒng)成本，成為未來(lái)的潛在方案之一。該方案將原有的TPAK封裝中部分碳化硅器件替換為IGBT，封裝成混合模塊。目前，已有海外實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出FREEDM-PAIR混合模塊，并證實(shí)可行性。汽車廠商若采用SiC MOSFET和IGBT的混合模塊方案能夠明顯降低成本。

再者，從大環(huán)境而言，國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)需求量遠(yuǎn)大于產(chǎn)量，主要依賴進(jìn)口，市場(chǎng)主要被英飛凌、三菱、富士電機(jī)等國(guó)際巨頭壟斷。國(guó)內(nèi)主要從事IGBT研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)有斯達(dá)半導(dǎo)體、士蘭微、比亞迪、中車株洲、時(shí)代電氣等。其中，斯達(dá)半導(dǎo)體和中車株洲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第七代IGBT產(chǎn)品的研發(fā)和量產(chǎn)，分別在中低壓和高壓領(lǐng)域有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

總之，國(guó)內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等方面都已經(jīng)具備了國(guó)產(chǎn)替代的基礎(chǔ)，但仍然存在一定的技術(shù)差距和供應(yīng)鏈制約。隨著國(guó)家政策對(duì)IGBT產(chǎn)業(yè)給予了重點(diǎn)扶持和引導(dǎo)，同時(shí)下游新能源產(chǎn)業(yè)需求持續(xù)增長(zhǎng)，為國(guó)內(nèi)IGBT企業(yè)提供了巨大的市場(chǎng)空間和發(fā)展機(jī)遇，無(wú)疑對(duì)我們從業(yè)者而言也是巨大的職業(yè)發(fā)展機(jī)遇。

審核編輯：湯梓紅