IGBT全球缺貨成香餑餑，對從業者來說是紅利期到了嗎？

蘇格不拉底

IGBT全球缺貨成香餑餑，對從業者來說是紅利期到了嗎？

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種廣泛應用于電動汽車、太陽能光伏、高速鐵路等領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，不僅價格上漲，而且難以采購。據報道，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產線代工價上漲10%。這究竟是什么原因導致的呢？

一、IGBT是什么？

首先，我們先來認識一下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（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有高輸入阻抗和低導通壓降的優點 。IGBT是電力電子裝置的核心器件，廣泛應用于工業、通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等領域，以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域 。

IGBT的工作原理是利用MOS管的柵極溝道來控制BJT的集電極電流，實現對輸出功率的調節。IGBT有三個電極，分別為G-柵極，C-集電極，E-發射極。IGBT的導通和關斷狀態取決于柵-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，MOS管形成溝道，BJT導通，IGBT呈導通狀態；當UGE小于或等于Uth時，MOS管溝道消失，BJT關斷，IGBT呈關斷狀態。當UCE為負值時，IGBT呈反向阻斷狀態。IGBT的開關速度受到BJT的載流子復合時間的影響，因此IGBT一般適用于中低頻率的開關應用。

二、IGBT為什么全球缺貨？

先說結論：IGBT全球缺貨是由市場需求和供應兩方面共同作用的結果，其中新能源汽車和太陽能光伏是主要的驅動因素。

市場需求方面，一是新能源汽車的快速發展。隨著全球對碳中和的追求，新能源汽車成為了未來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發展的政策和補貼。據統計，2022年全球新能源汽車銷量將達到1400萬輛，同比增長近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汽車需要使用上百顆IGBT，是傳統燃油車的7到10倍。因此，新能源汽車的需求直接推動了IGBT的需求增長。

二是太陽能光伏的普及。太陽能光伏是一種清潔、可再生、低碳的能源形式，也是應對氣候變化和實現碳中和的重要手段之一。隨著技術進步和成本下降，太陽能光伏在全球范圍內得到了快速發展和普及，尤其在中國、歐洲、美國等地區。而IGBT是太陽能逆變器的關鍵元件之一，用于將直流電轉換為交流電，供給電網或用戶使用。據悉，目前太陽能逆變器采用IGBT的比重已經大幅提升，達到了80%以上。

與此同時，供應方面，一是半導體產業整體調整。由于2022年下半年以來，全球半導體市場出現了供過于求的情況，導致價格下跌、庫存積壓、產能過剩等問題。為了應對市場變化，許多半導體廠商紛紛采取了減產、降價、清庫存等措施，以恢復供需平衡。這也導致了IGBT等部分產品的產能被壓縮或轉移。

二是電動汽車廠商搶占資源。由于電動汽車對IGBT等功率半導體器件的需求量巨大且穩定，許多電動汽車廠商為了保證供應鏈安全和成本控制，紛紛與IGBT供應商簽訂了長期合作協議，并提前預定了大量訂單。這也使得IGBT供應商將優先滿足電動汽車廠商的需求，而其他領域的客戶則難以獲得足夠的供貨。

綜上，新能源汽車和太陽能光伏都是在當今“雙碳”目標下高速發展的兩大領域。行業以超出預料的速度向前狂飆突進，造成了如IGBT等元器件的短期缺貨。隨著IGBT產能的逐步上升，其技術也在同步演進，或將在性能上進一步提高，如降低損耗、提高耐壓能力、增加功率密度、提高可靠性等。可以說，IGBT的技術突破為新能源汽車、太陽能光伏等行業的發展奠定了基礎，整體行業的高速發展又將帶動IGBT技術持續進步。

三、當下IGBT發展到哪一步了？

自20世紀80年代初期，在美國通用電氣公司和美國無線電公司宣布發明 IGBT 后，IGBT得到世界半導體廠家和研究機構的重視。通過智慧芽研發情報庫可以看到，經歷了80年代到1991年的初步問世階段和1992-2000年的結構優化階段后，IGBT在近20年間發展迅猛，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技術主要圍繞著降低導通壓降和開關損耗，提高開關頻率和安全工作區等方面進行改進。一方面是通過優化正面 MOS 結構,提高靠近發射極區一端的電子注入效率,從而優化導通壓降與關斷損耗的折中關系。另一方面是通過在NPT或FS結構中引入緩沖層或注入增強層等新型結構來改善載流子分布和電場分布，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行EEI (Enhanced Electron Injector)進行重摻雜，稱之為N+局部摻雜，目的是減弱PNP晶體管的作用，多余的電子則會與頂部的空穴進行復合，從而在漂移區的一側，會增強頂部發射極電子的注入,這種新結構器件具有通態電壓降較小，飽和電流密度較低，開關損耗也比較小。又如CSTBT（Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor）結構則是進一步的將IEGT的EEI層拓展至整個P-well阱之下，再通過MOS結構的通道層連接到發射極，進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創新突破階段 (2011年至今)：__在這一階段，IGBT技術主要針對不同的應用需求進行差異化和創新性的設計。一方面是通過使用薄晶圓及優化背面結構，進一步降低了開關損耗，同時開關軟度更高。同時，最高允許工作結溫從第3代的125℃提高到了150℃或175℃，這無疑能進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。另一方面是通過精細化溝槽柵技術，實現了高開關頻率和低導通壓降的折衷。例如TRENCHSTOP™5系列產品針對不同的應用進行了通態損耗和開關損耗的優化。其中H5/F5適合高頻應用，L5導通損耗最低。

四、IGBT下一個機遇點在哪里？

IGBT的未來機遇主要來自于新能源發電和儲能的快速發展，隨著“雙碳”目標的提出，光伏、風電及電化學儲能（光風儲）的需求將持續增長，帶動IGBT市場規模擴大。預計2025年全球光風儲用IGBT市場規模將達到250億元。

從技術上看，IGBT的未來發展方向主要包括以下四個方面：

1）碳化硅（SiC）基IGBT的應用，以突破硅基IGBT的性能極限；

2）更低的開關損耗、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，以提高功率密度、集成度和智能度。

其中，第一個方向，面對特斯拉宣布在某些車型中對碳化硅的使用減少75%的情況，或將迎來大爆發：“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，已有海外實驗室成功研發出FREEDM-PAIR混合模塊，并證實可行性。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，從大環境而言，國內IGBT市場需求量遠大于產量，主要依賴進口，市場主要被英飛凌、三菱、富士電機等國際巨頭壟斷。國內主要從事IGBT研發和生產的企業有斯達半導體、士蘭微、比亞迪、中車株洲、時代電氣等。其中，斯達半導體和中車株洲已經實現了第七代IGBT產品的研發和量產，分別在中低壓和高壓領域有較強的競爭力。

總之，國內IGBT產業在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等方面都已經具備了國產替代的基礎，但仍然存在一定的技術差距和供應鏈制約。隨著國家政策對IGBT產業給予了重點扶持和引導，同時下游新能源產業需求持續增長，為國內IGBT企業提供了巨大的市場空間和發展機遇，無疑對我們從業者而言也是巨大的職業發展機遇。