打不死的IGBT！

近年來，以SiC（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料為代表的化合物半導體因其寬禁帶、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等優(yōu)異的性能而飽受關注。SiC和Si來競爭制造功率半導體無論是在科學和實踐上都得到了實力上的體現(xiàn)，尤其是隨著新能源電動車的普及和發(fā)展，主機廠開始轉(zhuǎn)向800V高壓平臺，對SiC的需求量越來越大，其在汽車上的應用步伐也在加快。這就對硅基的IGBT帶來了一定的沖擊。

但是最近關于IGBT缺貨的消息不脛而走，起因是臺媒的一則消息報道，茂迪董事長葉正賢表示，IGBT漲價缺貨已不是新鮮事，不是價格多高的問題，而是根本買不到。與此同時，代工廠也跟著水漲船高，代工廠商漢磊集團今年初調(diào)漲IGBT產(chǎn)線代工價一成左右，凸顯市場火熱。

而從全球幾大IGBT廠商的交期來看，似乎也顯示出IGBT確實緊俏。目前IGBT主要由歐、日大廠主導，英飛凌的全球IGBT市占率超過32%，此外，日本富士電機、安森美、東芝、意法半導體等也是主要供應商，這幾大IGBT廠商的交貨期也平均在50周左右。據(jù)富昌電子2023年2月17日發(fā)布的《2023 Q1芯片市場行情報告》數(shù)據(jù)顯示，安森美的IGBT交貨期為39-62周，英飛凌的IGBT貨期為39-50周，IXYS（艾賽斯）的IGBT交期為50-54周，Microsemi的IGBT 貨期為42-52周，ST的IGBT貨期為47-52周。不過，這些廠商的交期和價格趨勢均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，市場比較健康。

在SiC如日中天的大環(huán)境下，IGBT又為何還能如此香？聯(lián)想近日特斯拉的一些做法，讓我們再來重新審視一下IGBT和SiC這兩者的存在意義。

特斯拉減少SiC，繼續(xù)擁抱硅

SiC上車的第一槍是特斯拉打響的，在過去五年中，SiC市場的增長在很大程度上取決于特斯拉，它是第一家在電動汽車中使用SiC材料的汽車制造商，也是現(xiàn)在最大的買家。但是由于成本太高的問題，特斯拉在前段時間召開的AI投資日上宣布在下一代車型上將SiC含量減少75%，這引起了行業(yè)的一波震動。75%可不是一個小數(shù)字！通過減少SiC在內(nèi)的多個行動特斯拉將在下一代電動汽車中減少1000美元的成本。

圖源：特斯拉

特斯拉目前正在研發(fā)一款新的入門級車型——Model 2或Model Q，它將比現(xiàn)有車輛更便宜、更緊湊，在特斯拉看來，對于這種功能較少的小型汽車將不需要那么多的SiC器件來為其提供動力。

行業(yè)分析，特斯拉將采取的做法是，采用低功率硅基IGBT+SiC MOSFET的方法來替代之前的SiC，用于低端車型。目前，特斯拉Model S/X和Model 3/Y平臺使用的逆變器中相同，根據(jù) SystemPlus consulting拆解報告，Model 3的主逆變器上共有24個SiC模塊，每個模塊包含2顆SiC裸片（Die），共48顆SiC MOSFET，這48顆SiC MOSFET替代了84顆IGBT。特斯拉的新動力總成的目標是僅使用12個SiC MOSFET。

特斯拉的這一做法有兩層深遠意義：一個是，這對SiC來說是積極的消息，特斯拉此舉擴大了SiC的潛在市場，使其可適用于低端市場；另外一個，特斯拉的做法也可能被其他原始設備制造商效仿，或再引發(fā)對IGBT的需求。Yole Intelligence的分析師表示，2023年，硅基IGBT用于EV逆變器在容量和成本方面在行業(yè)內(nèi)處于有利地位。

SiC MOSFET為何替代不了IGBT？

誠然，SiC雖然具有一些優(yōu)越的特性，但并不適用于所有應用場景。SiC晶體管具有更高的開關速度、更低的導通電阻和更高的耐壓能力等優(yōu)點，這使得它們非常適合高頻、高壓等應用場景，在600–1,700V范圍應用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢，尤其是新能源汽車領域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經(jīng)達到了材料的物理極限，所以新能源汽車開始紛紛擁抱SiC。

但是，SiC晶體管的劣勢在于，其價格相對較高，SiC生產(chǎn)過程也更加復雜。SiC價格較高的主因是因為SiC襯底導致：SiC晶體生長的速度緩慢，SiC晶體長1cm大約需要7天，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時間；SiC的硬度也很高，不僅切削時間長，而且良率還低，一般來說，硅片的切割只需要幾個小時，而SiC則需要數(shù)百小時。因此，SiC產(chǎn)業(yè)鏈的實際控制權(quán)掌握在襯底供應商中。除此之外，其他生產(chǎn)成本也比Si高，但相對襯底所占的比重則較小，SiC加工生產(chǎn)需要更高的溫度個更昂貴的耗材。SiC晶體管也存在一些缺點，比如容易受到損壞、溫度敏感等問題。綜合這些特點來看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應用場景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因為IGBT使用的硅基材料成本低，生產(chǎn)技術成熟，硅的價格僅為寬禁帶材料的三分之一至四分之一。其次，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因為IGBT的結(jié)構(gòu)相對簡單，故障率較低。同時，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過壓能力，適用于大功率、大電流的應用場景。譬如在DC-DC這種對環(huán)境要求不是很高、對重量和空間要求也不高的充電樁領域，想要替代成本最具優(yōu)勢的IGBT有很大的難度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。

此前有業(yè)內(nèi)人士也告訴過筆者，“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年，優(yōu)點突出，缺點同樣突出。IGBT更像一個持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重擔?！?/p>

英飛凌科技高級副總裁、汽車電子事業(yè)部大中華區(qū)負責人曹彥飛在近日的一次媒體溝通會上也表示：“對于許多把頂尖性能和外形因素放在次要位置的應用，硅基仍然頗具競爭力。我們認為在汽車領域，Si跟SiC在中長期一定會是并存的?！?/p>

事實確實如此，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作為一種新型功率半導體器件，是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領域的核心元器件，IGBT 被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。IGBT在很多應用場景中仍然是最佳選擇，IGBT被廣泛應用于變頻器、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等領域，而這些領域的發(fā)展速度非?？?，導致了IGBT的需求量也快速增長。

市場需求高漲的IGBT

業(yè)內(nèi)人士分析，這一輪IGBT需求的高漲主要是由于全球電動汽車、太陽能等新能源應用的快速發(fā)展。2022年，消費電子應用市場需求下行，但光伏和儲能、新能源汽車等新興應用需求持續(xù)旺盛。

在“碳達峰“、“碳中和”背景下，太陽能光伏規(guī)?；瘧贸蔀槭澜缒茉窗l(fā)展的必然趨勢。光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的“心臟”，而IGBT模塊則是光伏逆變器的核心組件，占到逆變器成本的10%~15%，隨著太陽能模組發(fā)電效率不斷發(fā)展，逐漸切換至高功率模組，因此對IGBT的導入比重大幅提升。

光伏裝機量的提升成為光伏IGBT模塊需求量增加的重要推力。這點從國內(nèi)廠商的營收中也可以得到體現(xiàn)：新潔能2022年在IGBT業(yè)務上實現(xiàn)銷售收入4億元，比去年同期增長了398.23%，預計2023年公司IGBT產(chǎn)品的銷售將繼續(xù)加速放量；國內(nèi)IGBT供應廠商斯達半導體，在2022年業(yè)績預告中表示，IGBT模塊以及分立器件在光伏發(fā)電和儲能領域大批量裝機并迅速上量；比亞迪半導體在去年6月份宣布，其IGBT模塊已批量出貨于光伏領域。

IGBT供應商新潔能2022年產(chǎn)品的下游應用領域趨勢（來源：新潔能財報）

電動汽車更不用多說，據(jù)悉，一輛電動車使用的IGBT數(shù)量高達上百顆，是傳統(tǒng)燃油車的七到十倍，IGBT 在汽車中主要用于三個領域，分別是電機驅(qū)動的主逆變器、充電相關的車載充電器（OBC）與直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、完成輔助應用的模塊。

據(jù)分析機構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年全球光伏新增裝機達到244GW，國內(nèi)新能源車銷量實際達到680萬輛以上，又根據(jù)國際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，到2030年，道路上將有1.25億輛電動汽車。

IGBT在新能源汽車上的應用（圖源：比亞迪官網(wǎng)）

在多個綠色能源市場的不斷推動之下，IGBT市場規(guī)模正在迅速擴大。The Business research company的數(shù)據(jù)研究指出，全球IGBT市場規(guī)模將從2022年的72.7億美元增長到2023年的84.2億美元，復合年增長率 (CAGR) 為15.7%，到2027年將增長至152.7億美元，復合年增長率為16.0%。

除了市場的驅(qū)動因素之外，一眾IGBT供應商對新產(chǎn)品的持續(xù)開發(fā)是推動IGBT處于“不敗地位”的功臣。像英飛凌、安森美、東芝以及國內(nèi)的參與者正通過不斷創(chuàng)新和改進，提高IGBT的性能和穩(wěn)定性，使其更加適合各種應用場景。例如：

• 2022年11月，英飛凌科技研發(fā)出一款用于1500V逆變器的新型單體IGBT功率模塊。

• 2023年3月20日，安森美推出一系列新的超高效1200 V 的VII (FS7) IGBT，新器件具有更小的傳導和開關損耗。

• Toshiba Electronics Europe GmbH發(fā)布了一款新的650V額定分立式 IGBT，用于空調(diào)、家用電器、工業(yè)設備電源和其他用例中的 PFC電路，關斷損耗與上一代設備相比至少改善了 40%。

• 2022年9月，瑞薩電子公司為下一代電動汽車 (EV) 逆變器開發(fā)了新一代 Si-IGBT AE5。與公司當前一代的AE4產(chǎn)品相比，用于IGBT的硅基 AE5工藝可將功率損耗降低 10%。瑞薩電子將于2023年上半年在其位于日本中科的工廠的200和300毫米晶圓生產(chǎn)線上量產(chǎn)AE5代IGBT。

國內(nèi)外多個IGBT項目上馬

中國是IGBT需求最大的市場，從中長期來看，國內(nèi)半導體市場需求仍將呈現(xiàn)較快的增長勢頭。為了緩解IGBT短缺的問題，我們看到，多家IGBT供應商正在加大生產(chǎn)力度，提高供應量。

2022年4月，電裝（Denso）和聯(lián)電子公司聯(lián)合半導體日本有限公司(USJC)宣布，兩家公司將在USJC的300毫米晶圓廠合作生產(chǎn)功率半導體，USJC 的晶圓廠將安裝一條IGBT生產(chǎn)線，這將是日本第一家在300毫米晶圓上生產(chǎn)IGBT 的工廠。Denso將貢獻其面向系統(tǒng)的 IGBT 器件和工藝技術，而 USJC 將提供其300mm晶圓制造能力，計劃于2023年上半年開始。

國內(nèi)方面，2月18日，重慶涪陵區(qū)舉行2023年一季度重點項目集中開竣工儀式。其中，集中開工項目包括達新電子6英寸IGBT功率半導體生產(chǎn)線項目，該項目總投資20億元，建設一條年產(chǎn)120萬片6英寸功率半導體特色工藝晶圓產(chǎn)線，產(chǎn)品應用將覆蓋新能源汽車、智能電網(wǎng)、光代儲能、風力發(fā)電、工業(yè)應用、白色家電等領域。

2月22日，江蘇捷捷微電子股份有限公司發(fā)布公告稱，擬對全資子公司捷捷半導體有限公司投建的“功率半導體6英寸晶圓及器件封測生產(chǎn)線建設項目“增加投資，由最初的5.1億元上調(diào)至8.1億元，其中設備投資5.23億元。

后續(xù)伴隨全球廠商產(chǎn)能逐漸釋放，在供需調(diào)整下IGBT貨期將逐漸回落至正常水位，缺貨情況將有所緩解。

資本也一直活躍在IGBT這一賽道，近半年以來，就有多家IGBT領域的半導體企業(yè)收獲融資：

2022年12月15日，吉利科技集團旗下浙江晶能微電子有限公司宣布完成Pre-A輪融資。3月16日，吉利科技集團公號發(fā)布信息，旗下浙江晶能微電子自主設計研發(fā)的首款車規(guī)級 IGBT 產(chǎn)品成功流片，采用第七代微溝槽柵和場截止技術，綜合性能指標達到行業(yè)領先水平。

2023年2月份，美浦森半導體完成A+輪融資，聚焦高功率半導體元器件MOSFET/IGBT領域；3月20日，國芯科技投資參股了國內(nèi)IGBT領域的初創(chuàng)公司上海睿驅(qū)微電子科技有限公司，投資金額1500萬元，占股4.87%，專注于第七代IGBT芯片及IPM智能模塊的研發(fā)；3月25日，安建半導體獲1.8億元B輪融資，募集資金將主要用于高、低壓MOS和IGBT全系列產(chǎn)品開發(fā)、第三代半導體SiC器件開發(fā)和IGBT模塊封測廠建設。

結(jié)語

總的來說，IGBT和SiC甚至是GaN都是當下市場應用中十分重要的半導體器件，他們在電力電子領域和其他多個領域中都有著廣泛的應用。雖然IGBT存在一些缺陷和不足，但隨著技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，SiC和IGBT在競爭中互補，在競爭中聯(lián)合。未來，IGBT將繼續(xù)為電子電力領域發(fā)光發(fā)熱。