IGBT—功率半导体皇冠上的明珠

什么是功率半导体？

大家在股票市场上炒芯片的时候，会经常看到“功率半导体”、“IGBT”的字眼。关于芯片，小颜之前已经写过很多篇文章了。这次讲讲功率半导体是什么？IGBT又是什么？与芯片有什么不同呢？
我们先来看看功率半导体的定义：
功率半导体：是电子装置中，电能转换与电路控制的核心，它利用半导体单向导电的特性改变电子装置中电压、频率、相位和直流交流转换等。
什么意思？举个简单的例子——
小明买了一辆特斯拉，出门前，要先通过充电桩给汽车充电，电池充满电后，放电驱动电机，特斯拉才能上路行驶。
充电过程：充电桩将家用220V的交流电，通过功率器件（IGBT模块）转换为36V的直流电，以直流电的形式将电能存储到锂电池当中。这里涉及到了220V降压到36V的电压转换，以及交流电转换成直流电的过程。
放电过程：驱动汽车电机需要特定频率的高压交流电。汽车内部的功率器件（IGBT模块），将电池中的36V直流电，转换为特定频率的600V的三相交流电，驱动电机工作。这里涉及到了将36V电压增幅到600V、将直流电转换为单相交流电、将单相交流电转换为三相交流电这三个过程。
在充电和放电的过程中，需要功率器件（IGBT模块）进行电能的转换以适用不同的应用场景。
这就是功率半导体处理电流电压的一个例子。在其它应用上也是类似的功能，只不过是电压、电流、频率的区别而已。
我们再来看看分类：

图1：半导体分类与功率器件，来源：华润微招股说明书，摸鱼的小颜
功率半导体是半导体的一种，可以分为功率IC 和功率分立器件两大类，其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品。
功率半导体和数字芯片，都是利用半导体单向导电的特性在工作，都是通过设计晶圆上的线路来实现某些功能。区别是功率半导体是利用半导体开关的通断控制电流的方向、电压与频率，数字芯片通过半导体的通断来模拟二进制的0或者1，以此来达到计算的目的。

什么是IGBT？

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，中文名称绝缘栅双极型晶体管（只需要记住叫IGBT就行），是由BJT（只需要知道是一种功率半导体）和MOSFET（只需要知道是另一种功率半导体）组成的复合功率半导体器件，同时具备MOSFET开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点，和BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。IGBT在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率半导体主流发展方向。

IGBT作为一种新型电力电子器件，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。
在众多IGBT产品当中，根据封装的复杂程度可以分为四种产品，由简到繁分别为：

1.由晶圆切割而成的IGBT裸片DIE：
将一片晶圆进行工艺加工可以生产出许多颗裸片，英文称作DIE。一个8英寸的晶圆可以切割出800到1000片耐受电流在100毫安以内的DIE，或者是200到300片耐受电流在200毫安左右的DIE。

2.由单颗DIE封装而成的IGBT分立器件：
DIE会对应不同的封装形式，一种就是比较常用的针对中小功率用分立器件，里面只封装一颗 DIE 。封装对应电流能力较小，它适用在消费、工业家电这种领域比较多。

3.由多颗DIE并联封装而成的IGBT模块：
功率更大、散热能力更强的、适用于高压大功率平台的IGBT模块。现在新能源汽车、主流光伏、高铁、电力传输比较多的大功率场合都是用这种模块。

4.在IGBT模块外围增加其他功能的智能功率模块（IPM）：
把 IGBT 模块加上外面的组件、散热器、电容，就可以组成一个功能较为复杂的智能功率模块（简称IPM）。

各个产品的技术难度自上游到下游依次递减，价值量也是依次递减。自研DIE的厂家毛利净利水平都要高于外购DIE自己组装的厂家。越靠近应用终端应用厂商的环节，议价能力也是越弱。这与电子产品中SOC的价值分布也是一致的。

图2：IGBT各产品形态（硅棒-硅片-晶圆-DIE-分立器件-模块-IPM）

作为电力与能源领域的CPU，IGBT的评价指标与电脑手机CPU是相似的，即在同等体积下的速度与能耗。处理速度越快，就可以适用更高频率的领域。功耗越低，电能损耗越小，越有利于节电。当然还有在追求速度与能耗的同时，也在追求器件的小型化与轻量化。
为了使速度和能耗这两个特性达到极致，各厂家主都在致力于三方面的突破：
1. 晶圆制造工艺的提升：

晶圆制造虽然属于高科技产业，但他的生产目标与做玩具是完全一样的：降本增效。因为电路设计与工艺的差异，耗损就会差很多，同样8英寸的晶圆，有的厂家就可以生产更多的750V电压等级的DIE，有的厂家就苦苦地在650V停滞不前。据调研中整车企业反应，国产晶圆的电能损耗要高于进口的产品，相应的汽车行驶过程中也会更加耗电。

2. 晶圆衬底材料的优化：

将硅基衬底换成能够承受更大电压、更高频率、更强辐射的第三代半导体材料，碳化硅SIC、氮化镓GAN等新型半导体材料是目前IGBT的一个发展趋势。优点非常明显，器件的稳定性、效率和功耗方面都比硅基衬底要好；但缺点也很明显：技术难，价格贵。

但是，随着技术的发展与规模效应的扩大，三代材料的成本也是在逐年下降的，再过几年，就会进入价格与性能的平衡点。现阶段，特斯拉已经在使用意法半导体的SIC功率器件（相应的整车价格也是高不少）。

3. 更好的封装技术：

提高封装技术，减少外围的损耗。固然DIE在IGBT模块的性能中起到了决定性作用，但是在应用的终端产品上还需要进行封装，加工成模块或者IPM。在这些后续环节上涉及到机械结构设计、电路布局设计、热设计、电磁设计等方面，这些过程的优化也将大大减少模块的损耗。

IGBT模块的应用领域

图3：不同电压功率IGBT模块的应用场景

前面说到IGBT的应用领域，包括工业控制及自动化、新能源汽车、新能源发电、电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等众多领域。国内涉足功率半导体的厂家众多，但大多集中于二极管、晶闸管、MOS管等低端领域。在IGBT领域，涉足的厂家因为技术积累不足，大多数依靠向国外厂商外购裸片，自己加工成模组，只是赚个辛苦钱。
但近些年来，功率半导体产业在国家政策的扶持下慢慢地由低端产品开始向高端产品进行国产化替代演变，这过程中开始涌现出众多优秀的企业。例如在轨道交通方面，中车株洲在高压（3300V以上）IGBT领域实现突破，但仍需要时间来验证产品可靠性。光伏领域，华为异军突起，开始占领国内市场，随着光伏出海份额的增大，相关IGBT的器件也会爆发。

IGBT代表公司

1、车规级IGBT代表—斯达半导：
车规级IGBT模块方面，因为担心国内厂商的竞争，国外厂商在750V电压等级芯片等高端裸片领域对国内厂家进行限量供应。近两年来，比亚迪和斯达半导研发出了自己的750V的产品。比亚迪的IGBT主要用于自己的产线，斯达半导的自研IGBT裸片与模块已经批量进入长安、长城、吉利等品牌生产线。
斯达半导2019年营收70%来自工控电网领域，20%来自新能源车辆。虽然新能源车IGBT模块在公司整体营收中占比不大，但是在现阶段，斯达已经占据了国内30%的新能源车IGBT的份额，配套超过20家整车厂商。受疫情影响，原本属于国外厂商的IGBT份额因为供货不足也逐渐被斯达拿下了，一旦用上斯达的产品且验证没有问题的话，这个替代趋势就是不可逆转了。

另外，大家试想一下，在斯达半导和比亚迪之间，特斯拉IGBT的国产化替代会选哪家，国家大基金扶持车规级IGBT模块厂家会选择哪家。
2、白电IGBT模块（IPM）代表—士兰微：
士兰微是国内较早布局智能功率模块IPM产品的厂家，因为先发优势，相关产品已经得到格力、美的、海尔、海信、三星等客户的认可。2019年，士兰微IGBT器件成品和内置IGBT的IPM产品销售额双双过1亿元人民币，成为国内白电TOP客户的半导体供应商。

2020年7月1日，号称“史上最严”空调新能效标准GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》已经正式执行。这也意味着，增量的变频空调都会应用IPM模块来达到能耗要求，IPM的市场空间将逐步打开。
3、 光伏与风电领域—华为与阳光电源：
风电以及光伏发电所产生的的电能，需要经过逆变器（逆变器的核心器件为IGBT模块）进行处理后才能并网传输。随着光伏与风电装机量的逐年爆发增长，IGBT模块的需求也一起爆发。目前，以华为、阳光电源为主的本土厂商在逆变器市场持续突破。根据Solaredge的数据，2018年华为在全球逆变器市场的份额达22%，市占率位列全球第一。阳光电源的市场份额是 15%，位居全球第二。
（补充一句，阳光电源逆变器中IGBT模块采购自斯达半导，华为是自研。对比阳光电源和斯达半导的毛利与净利，可见自研与外购利润率的差异）

IGBT模块无论是在家电、汽车还是工控电网方面的应用，除了速度和能耗，还有一个重要特征就是稳定，不会轻易出故障是终端应用厂商最重视的指标。因此，许多厂家在采用IGBT模块时候，最先想到的是国外的产品，因为国外产品是经过时间与市场验证过的，贸然更换成国产器件会有很大的风险，这也是国产化替代仍然在初级阶段的一个重要原因。

但IGBT本质上还是半导体，相信随着国内半导体产业集群的发展与技术的成熟，国内厂家的产品在经过时间与市场的验证后，终将跨过各种认证门槛，逐渐实现国产替代。