IGBT全球缺貨成香餑餑，對從業(yè)者來(lái)說(shuō)是紅利期到了嗎？

蘇格不拉底

IGBT全球缺貨成香餑餑，對從業(yè)者來(lái)說(shuō)是紅利期到了嗎？

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種廣泛應用于電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能光伏、高速鐵路等領(lǐng)域的高壓功率半導體器件，近期出現了嚴重的供不應求的現象，不僅價(jià)格上漲，而且難以采購。據報道，IGBT陷入大缺貨，缺貨問(wèn)題至少在2024年中前難以解決。此前有消息稱(chēng)，部分廠(chǎng)商IGBT產(chǎn)線(xiàn)代工價(jià)上漲10%。這究竟是什么原因導致的呢？

一、IGBT是什么？

首先，我們先來(lái)認識一下IGBT。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的英文縮寫(xiě)，是一種由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應管）組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件，具有高輸入阻抗和低導通壓降的優(yōu)點(diǎn) 。IGBT是電力電子裝置的核心器件，廣泛應用于工業(yè)、通信、計算機、消費電子、汽車(chē)電子、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)等戰略性新興產(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)現對輸出功率的調節。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UGE大于一定的閾值Uth時(shí)，MOS管形成溝道，BJT導通，IGBT呈導通狀態(tài)；當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UCE為負值時(shí)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。IGBT的開(kāi)關(guān)速度受到BJT的載流子復合時(shí)間的影響，因此IGBT一般適用于中低頻率的開(kāi)關(guān)應用。

二、IGBT為什么全球缺貨？

先說(shuō)結論：IGBT全球缺貨是由市場(chǎng)需求和供應兩方面共同作用的結果，其中新能源汽車(chē)和太陽(yáng)能光伏是主要的驅動(dòng)因素。

市場(chǎng)需求方面，一是新能源汽車(chē)的快速發(fā)展。隨著(zhù)全球對碳中和的追求，新能源汽車(chē)成為了未來(lái)交通出行的主流選擇，各國政府也紛紛出臺了鼓勵和支持新能源汽車(chē)發(fā)展的政策和補貼。據統計，2022年全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將達到1400萬(wàn)輛，同比增長(cháng)近50%。而IGBT是新能源汽車(chē)中不可或缺的核心元件之一，一輛電動(dòng)汽車(chē)需要使用上百顆IGBT，是傳統燃油車(chē)的7到10倍。因此，新能源汽車(chē)的需求直接推動(dòng)了IGBT的需求增長(cháng)。

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，也是應對氣候變化和實(shí)現碳中和的重要手段之一。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和成本下降，太陽(yáng)能光伏在全球范圍內得到了快速發(fā)展和普及，尤其在中國、歐洲、美國等地區。而IGBT是太陽(yáng)能逆變器的關(guān)鍵元件之一，用于將直流電轉換為交流電，供給電網(wǎng)或用戶(hù)使用。據悉，目前太陽(yáng)能逆變器采用IGBT的比重已經(jīng)大幅提升，達到了80%以上。

與此同時(shí)，供應方面，一是半導體產(chǎn)業(yè)整體調整。由于2022年下半年以來(lái)，全球半導體市場(chǎng)出現了供過(guò)于求的情況，導致價(jià)格下跌、庫存積壓、產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。為了應對市場(chǎng)變化，許多半導體廠(chǎng)商紛紛采取了減產(chǎn)、降價(jià)、清庫存等措施，以恢復供需平衡。這也導致了IGBT等部分產(chǎn)品的產(chǎn)能被壓縮或轉移。

二是電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商搶占資源。由于電動(dòng)汽車(chē)對IGBT等功率半導體器件的需求量巨大且穩定，許多電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商為了保證供應鏈安全和成本控制，紛紛與IGBT供應商簽訂了長(cháng)期合作協(xié)議，并提前預定了大量訂單。這也使得IGBT供應商將優(yōu)先滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商的需求，而其他領(lǐng)域的客戶(hù)則難以獲得足夠的供貨。

綜上，新能源汽車(chē)和太陽(yáng)能光伏都是在當今“雙碳”目標下高速發(fā)展的兩大領(lǐng)域。行業(yè)以超出預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(zhù)IGBT產(chǎn)能的逐步上升，其技術(shù)也在同步演進(jìn)，或將在性能上進(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(shuō)，IGBT的技術(shù)突破為新能源汽車(chē)、太陽(yáng)能光伏等行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎，整體行業(yè)的高速發(fā)展又將帶動(dòng)IGBT技術(shù)持續進(jìn)步。

三、當下IGBT發(fā)展到哪一步了？

自20世紀80年代初期，在美國通用電氣公司和美國無(wú)線(xiàn)電公司宣布發(fā)明 IGBT 后，IGBT得到世界半導體廠(chǎng)家和研究機構的重視。通過(guò)智慧芽研發(fā)情報庫可以看到，經(jīng)歷了80年代到1991年的初步問(wèn)世階段和1992-2000年的結構優(yōu)化階段后，IGBT在近20年間發(fā)展迅猛，如下圖所示：

高清大圖獲取方法↑↑↑

__IGBT性能提升階段 (2001-2010年)：__在這一階段，IGBT技術(shù)主要圍繞著(zhù)降低導通壓降和開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率和安全工作區等方面進(jìn)行改進(jìn)。一方面是通過(guò)優(yōu)化正面 MOS 結構,提高靠近發(fā)射極區一端的電子注入效率,從而優(yōu)化導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。另一方面是通過(guò)在NPT或FS結構中引入緩沖層或注入增強層等新型結構來(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）結構在柵電極之間的區域進(jìn)行EEI (Enhanced Electron Injector)進(jìn)行重摻雜，稱(chēng)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)行復合，從而在漂移區的一側，會(huì )增強頂部發(fā)射極電子的注入,這種新結構器件具有通態(tài)電壓降較小，飽和電流密度較低，開(kāi)關(guān)損耗也比較小。又如CSTBT（Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor）結構則是進(jìn)一步的將IEGT的EEI層拓展至整個(gè)P-well阱之下，再通過(guò)MOS結構的通道層連接到發(fā)射極，進(jìn)一步的增強了電子的注入能力，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)主要針對不同的應用需求進(jìn)行差異化和創(chuàng )新性的設計。一方面是通過(guò)使用薄晶圓及優(yōu)化背面結構，進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)開(kāi)關(guān)軟度更高。同時(shí)，最高允許工作結溫從第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遠優(yōu)于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結溫及輸出電流。另一方面是通過(guò)精細化溝槽柵技術(shù)，實(shí)現了高開(kāi)關(guān)頻率和低導通壓降的折衷。例如TRENCHSTOP™5系列產(chǎn)品針對不同的應用進(jìn)行了通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)化。其中H5/F5適合高頻應用，L5導通損耗最低。

四、IGBT下一個(gè)機遇點(diǎn)在哪里？

IGBT的未來(lái)機遇主要來(lái)自于新能源發(fā)電和儲能的快速發(fā)展，隨著(zhù)“雙碳”目標的提出，光伏、風(fēng)電及電化學(xué)儲能（光風(fēng)儲）的需求將持續增長(cháng)，帶動(dòng)IGBT市場(chǎng)規模擴大。預計2025年全球光風(fēng)儲用IGBT市場(chǎng)規模將達到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的應用，以突破硅基IGBT的性能極限；

2）更低的開(kāi)關(guān)損耗、更高的電流密度以及更高的工作溫度；

3）Trench溝槽型結構的優(yōu)化，以提高電子注入效率和降低導通電阻；

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，面對特斯拉宣布在某些車(chē)型中對碳化硅的使用減少75%的情況，或將迎來(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系統成本，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)驗室成功研發(fā)出FREEDM-PAIR混合模塊，并證實(shí)可行性。汽車(chē)廠(chǎng)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，國內IGBT市場(chǎng)需求量遠大于產(chǎn)量，主要依賴(lài)進(jìn)口，市場(chǎng)主要被英飛凌、三菱、富士電機等國際巨頭壟斷。國內主要從事IGBT研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)有斯達半導體、士蘭微、比亞迪、中車(chē)株洲、時(shí)代電氣等。其中，斯達半導體和中車(chē)株洲已經(jīng)實(shí)現了第七代IGBT產(chǎn)品的研發(fā)和量產(chǎn)，分別在中低壓和高壓領(lǐng)域有較強的競爭力。

總之，國內IGBT產(chǎn)業(yè)在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等方面都已經(jīng)具備了國產(chǎn)替代的基礎，但仍然存在一定的技術(shù)差距和供應鏈制約。隨著(zhù)國家政策對IGBT產(chǎn)業(yè)給予了重點(diǎn)扶持和引導，同時(shí)下游新能源產(chǎn)業(yè)需求持續增長(cháng)，為國內IGBT企業(yè)提供了巨大的市場(chǎng)空間和發(fā)展機遇，無(wú)疑對我們從業(yè)者而言也是巨大的職業(yè)發(fā)展機遇。