IGBT全球缺货成香饽饽,对从业者来说是红利期到了吗?

IGBT全球缺货成香饽饽,对从业者来说是红利期到了吗? 苏格不拉底 2023-03-28 16:48:04 840

IGBT全球缺货成香饽饽,对从业者来说是红利期到了吗?

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是一种广泛应用于电动汽车、太阳能光伏、高速铁路等领域的高压功率半导体器件,近期出现了严重的供不应求的现象,不仅价格上涨,而且难以采购。据报道,IGBT陷入大缺货,缺货问题至少在2024年中前难以解决。此前有消息称,部分厂商IGBT产线代工价上涨10%。这究竟是什么原因导致的呢?

一、IGBT是什么?

首先,我们先来认识一下IGBT。IGBT是绝缘栅双极型晶体管的英文缩写,是一种由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有高输入阻抗和低导通压降的优点 。IGBT是电力电子装置的核心器件,广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等领域,以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域 。

IGBT的工作原理是利用MOS管的栅极沟道来控制BJT的集电极电流,实现对输出功率的调节。IGBT有三个电极,分别为G-栅极,C-集电极,E-发射极。IGBT的导通和关断状态取决于栅-射极电压UGE和集-射极电压UCE的大小 。当UGE大于一定的阈值Uth时,MOS管形成沟道,BJT导通,IGBT呈导通状态;当UGE小于或等于Uth时,MOS管沟道消失,BJT关断,IGBT呈关断状态。当UCE为负值时,IGBT呈反向阻断状态。IGBT的开关速度受到BJT的载流子复合时间的影响,因此IGBT一般适用于中低频率的开关应用。

二、IGBT为什么全球缺货?

先说结论:IGBT全球缺货是由市场需求和供应两方面共同作用的结果,其中新能源汽车和太阳能光伏是主要的驱动因素。

市场需求方面,一是新能源汽车的快速发展。随着全球对碳中和的追求,新能源汽车成为了未来交通出行的主流选择,各国也纷纷出台了鼓励和支持新能源汽车发展的政策和补贴。据统计,2022年全球新能源汽车销量将达到1400万辆,同比增长近50%。而IGBT是新能源汽车中不可或缺的核心元件之一,一辆电动汽车需要使用上百颗IGBT,是传统燃油车的7到10倍。因此,新能源汽车的需求直接推动了IGBT的需求增长。

二是太阳能光伏的普及。太阳能光伏是一种清洁、可再生、低碳的能源形式,也是应对气候变化和实现碳中和的重要手段之一。随着技术进步和成本下降,太阳能光伏于全球范围内得到了快速发展和普及,尤其在中国、欧洲、美国等地区。而IGBT是太阳能逆变器的关键元件之一,用于将直流电转换为交流电,供给电网或用户使用。据悉,目前太阳能逆变器采用IGBT的比重已经大幅提升,达到了80%以上。

与此同时,供应方面,一是半导体产业整体调整。由于2022年下半年以来,全球半导体市场出现了供过于求的情况,导致价格下跌、库存积压、产能过剩等问题。为了应对市场变化,许多半导体厂商纷纷采取了减产、降价、清库存等措施,以恢复供需平衡。这也导致了IGBT等部分产品的产能被压缩或转移。

二是电动汽车厂商抢占资源。由于电动汽车对IGBT等功率半导体器件的需求量巨大且稳定,许多电动汽车厂商为了保证供应链安全和成本控制,纷纷与IGBT供应商签订了长期合作协议,并提前预定了大量订单。这也使得IGBT供应商将优先满足电动汽车厂商的需求,而其他领域的客户则难以获得足够的供货。

综上,新能源汽车和太阳能光伏都是在当今“双碳”目标下高速发展的两大领域。行业以超出预料的速度向前狂飙突进,造成了如IGBT等元器件的短期缺货。随着IGBT产能的逐步上升,其技术也在同步演进,或将在性能上进一步提高,如降低损耗、提高耐压能力、增加功率密度、提高可靠性等。可以说,IGBT的技术突破为新能源汽车、太阳能光伏等行业的发展奠定了基础,整体行业的高速发展又将带动IGBT技术持续进步。

三、当下IGBT发展到哪一步了?

自20世纪80年代初期,在美国通用电气公司和美国无线电公司宣布发明 IGBT 后,IGBT得到世界半导体厂家和研究机构的重视。可以看到,经历了80年代到1991年的初步问世阶段和1992-2000年的结构优化阶段后,IGBT在近20年间发展迅猛:

IGBT性能提升阶段 (2001-2010年):在这一阶段,IGBT技术主要围绕着降低导通压降和开关损耗,提高开关频率和安全工作区等方面进行改进。一方面是通过优化正面 MOS 结构,提高靠近发射极区一端的电子注入效率,从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。另一方面是通过在NPT或FS结构中引入缓冲层或注入增强层等新型结构来改善载流子分布和电场分布,从而提高器件性能。例如,IEGT(Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor)结构在栅电极之间的区域进行EEI (Enhanced Electron Injector)进行重掺杂,称之为N+局部掺杂,目的是减弱PNP晶体管的作用,多余的电子则会与顶部的空穴进行复合,从而在漂移区的一侧,会增强顶部发射极电子的注入,这种新结构器件具有通态电压降较小,饱和电流密度较低,开关损耗也比较小。又如CSTBT(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)结构则是进一步的将IEGT的EEI层拓展至整个P-well阱之下,再通过MOS结构的通道层连接到发射极,进一步的增强了电子的注入能力,从而改善了载流子的分布。

IGBT创新突破阶段 (2011年至今):在这一阶段,IGBT技术主要针对不同的应用需求进行差异化和创新性的设计。一方面是通过使用薄晶圆及优化背面结构,进一步降低了开关损耗,同时开关软度更高。同时,最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃或175℃,这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。例如IGBT5使用厚铜代替了铝作为表面金属化层,铜的通流能力及热容都远远优于铝,因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。另一方面是通过精细化沟槽栅技术,实现了高开关频率和低导通压降的折衷。例如TRENCHSTOP™5系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中H5/F5适合高频应用,L5导通损耗最低。

四、IGBT下一个机遇点在哪里?

IGBT的未来机遇主要来自于新能源发电和储能的快速发展,随着“双碳”目标的提出,光伏、风电及电化学储能(光风储)的需求将持续增长,带动IGBT市场规模扩大。预计2025年全球光风储用IGBT市场规模将达到250亿元。

从技术上看,IGBT的未来发展方向主要包括以下四个方面:

1)碳化硅(SiC)基IGBT的应用,以突破硅基IGBT的性能极限;

2)更低的开关损耗、更高的电流密度以及更高的工作温度;

3)Trench沟槽型结构的优化,以提高电子注入效率和降低导通电阻;

4) 集成化、智能化、小型化的封装技术,以提高功率密度、集成度和智能度。

其中,第一个方向,面对特斯拉宣布在某些车型中对碳化硅的使用减少75%的情况,或将迎来大爆发:“碳化硅+IGBT”混合模块方案可能降低采用碳化硅的电驱系统成本,成为未来的潜在方案之一。该方案将原有的TPAK封装中部分碳化硅器件替换为IGBT,封装成混合模块。目前,已有海外实验室成功研发出FREEDM-PAIR混合模块,并证实可行性。汽车厂商若采用SiC MOSFET和IGBT的混合模块方案能够明显降低成本。

再者,从大环境而言,国内IGBT市场需求量远大于产量,主要依赖进口,市场主要被英飞凌、三菱、富士电机等国际巨头垄断。国内主要从事IGBT研发和生产的企业有斯达半导体、士兰微、比亚迪、中车株洲、时代电气等。其中,斯达半导体和中车株洲已经实现了第七代IGBT产品的研发和量产,分别在中低压和高压领域有较强的竞争力。

总之,国内IGBT产业在芯片设计、晶圆制造、模块封装等方面都已经具备了国产替代的基础,但仍然存在一定的技术差距和供应链制约。随着国家政策对IGBT产业给予了重点扶持和引导,同时下游新能源产业需求持续增长,为国内IGBT企业提供了巨大的市场空间和发展机遇,无疑对我们从业者而言也是巨大的职业发展机遇。

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  • 苏格不拉底 2023-03-28 15:50:33
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