IGBT和SiC這兩者的存在意義

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

但是最近關(guān)于IGBT缺貨的消息不脛而走，起因是臺(tái)媒的一則消息報(bào)道，茂迪董事長(zhǎng)葉正賢表示，IGBT漲價(jià)缺貨已不是新鮮事，不是價(jià)格多高的問題，而是根本買不到。與此同時(shí)，代工廠也跟著水漲船高，代工廠商漢磊集團(tuán)今年初調(diào)漲IGBT產(chǎn)線代工價(jià)一成左右，凸顯市場(chǎng)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(shí)緊俏。目前IGBT主要由歐、日大廠主導(dǎo)，英飛凌的全球IGBT市占率超過32%，此外，日本富士電機(jī)、安森美、東芝、意法半導(dǎo)體等也是主要供應(yīng)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(chǎng)行情報(bào)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(jià)格趨勢(shì)均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，市場(chǎng)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?cè)賮碇匦聦徱曇幌翴GBT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(chǎng)的增長(zhǎng)在很大程度上取決于特斯拉，它是第一家在電動(dòng)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(shí)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(dòng)。75%可不是一個(gè)小數(shù)字！通過減少SiC在內(nèi)的多個(gè)行動(dòng)特斯拉將在下一代電動(dòng)汽車中減少1000美元的成本。

特斯拉目前正在研發(fā)一款新的入門級(jí)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(duì)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(dòng)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(tái)使用的逆變器中相同，根據(jù) SystemPlus consulting拆解報(bào)告，Model 3的主逆變器上共有24個(gè)SiC模塊，每個(gè)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(dòng)力總成的目標(biāo)是僅使用12個(gè)SiC MOSFET。

特斯拉的這一做法有兩層深遠(yuǎn)意義：一個(gè)是，這對(duì)SiC來說是積極的消息，特斯拉此舉擴(kuò)大了SiC的潛在市場(chǎng)，使其可適用于低端市場(chǎng)；另外一個(gè)，特斯拉的做法也可能被其他原始設(shè)備制造商效仿，或再引發(fā)對(duì)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(yīng)用場(chǎng)景。SiC晶體管具有更高的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻和更高的耐壓能力等優(yōu)點(diǎn)，這使得它們非常適合高頻、高壓等應(yīng)用場(chǎng)景，在600–1,700V范圍應(yīng)用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是新能源汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經(jīng)達(dá)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(shì)在于，其價(jià)格相對(duì)較高，SiC生產(chǎn)過程也更加復(fù)雜。SiC價(jià)格較高的主因是因?yàn)镾iC襯底導(dǎo)致：SiC晶體生長(zhǎng)的速度緩慢，SiC晶體長(zhǎng)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(shí)間；SiC的硬度也很高，不僅切削時(shí)間長(zhǎng)，而且良率還低，一般來說，硅片的切割只需要幾個(gè)小時(shí)，而SiC則需要數(shù)百小時(shí)。因此，SiC產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)際控制權(quán)掌握在襯底供應(yīng)商中。除此之外，其他生產(chǎn)成本也比Si高，但相對(duì)襯底所占的比重則較小，SiC加工生產(chǎn)需要更高的溫度個(gè)更昂貴的耗材。SiC晶體管也存在一些缺點(diǎn)，比如容易受到損壞、溫度敏感等問題。綜合這些特點(diǎn)來看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場(chǎng)景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因?yàn)镮GBT使用的硅基材料成本低，生產(chǎn)技術(shù)成熟，硅的價(jià)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?yàn)镮GBT的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障率較低。同時(shí)，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(yīng)用場(chǎng)景。譬如在DC-DC這種對(duì)環(huán)境要求不是很高、對(duì)重量和空間要求也不高的充電樁領(lǐng)域，想要替代成本最具優(yōu)勢(shì)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(gè)聰明而又個(gè)性極強(qiáng)的少年，優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)同樣突出。IGBT更像一個(gè)持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重?fù)?dān)?！?/p>

英飛凌科技高級(jí)副總裁、汽車電子事業(yè)部大中華區(qū)負(fù)責(zé)人曹彥飛在近日的一次媒體溝通會(huì)上也表示：“對(duì)于許多把頂尖性能和外形因素放在次要位置的應(yīng)用，硅基仍然頗具競(jìng)爭(zhēng)力。我們認(rèn)為在汽車領(lǐng)域，Si跟SiC在中長(zhǎng)期一定會(huì)是并存的?！?/p>

事實(shí)確實(shí)如此，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作為一種新型功率半導(dǎo)體器件，是國(guó)際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)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(yīng)用場(chǎng)景中仍然是最佳選擇，IGBT被廣泛應(yīng)用于變頻器、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的發(fā)展速度非?？?，導(dǎo)致了IGBT的需求量也快速增長(zhǎng)。

市場(chǎng)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(dòng)汽車、太陽能等新能源應(yīng)用的快速發(fā)展。2022年，消費(fèi)電子應(yīng)用市場(chǎng)需求下行，但光伏和儲(chǔ)能、新能源汽車等新興應(yīng)用需求持續(xù)旺盛。

在“碳達(dá)峰“、“碳中和”背景下，太陽能光伏規(guī)?；瘧?yīng)用成為世界能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(duì)IGBT的導(dǎo)入比重大幅提升。

光伏裝機(jī)量的提升成為光伏IGBT模塊需求量增加的重要推力。這點(diǎn)從國(guó)內(nèi)廠商的營(yíng)收中也可以得到體現(xiàn)：新潔能2022年在IGBT業(yè)務(wù)上實(shí)現(xiàn)銷售收入4億元，比去年同期增長(zhǎng)了398.23%，預(yù)計(jì)2023年公司IGBT產(chǎn)品的銷售將繼續(xù)加速放量；國(guó)內(nèi)IGBT供應(yīng)廠商斯達(dá)半導(dǎo)體，在2022年業(yè)績(jī)預(yù)告中表示，IGBT模塊以及分立器件在光伏發(fā)電和儲(chǔ)能領(lǐng)域大批量裝機(jī)并迅速上量；比亞迪半導(dǎo)體在去年6月份宣布，其IGBT模塊已批量出貨于光伏領(lǐng)域。

IGBT供應(yīng)商新潔能2022年產(chǎn)品的下游應(yīng)用領(lǐng)域趨勢(shì)（來源：新潔能財(cái)報(bào)）

電動(dòng)汽車更不用多說，據(jù)悉，一輛電動(dòng)車使用的IGBT數(shù)量高達(dá)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(gè)領(lǐng)域，分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主逆變器、充電相關(guān)的車載充電器（OBC）與直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、完成輔助應(yīng)用的模塊。

據(jù)分析機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球光伏新增裝機(jī)達(dá)到244GW，國(guó)內(nèi)新能源車銷量實(shí)際達(dá)到680萬輛以上，又根據(jù)國(guó)際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，到2030年，道路上將有1.25億輛電動(dòng)汽車。

IGBT在新能源汽車上的應(yīng)用（圖源：比亞迪官網(wǎng)）

在多個(gè)綠色能源市場(chǎng)的不斷推動(dòng)之下，IGBT市場(chǎng)規(guī)模正在迅速擴(kuò)大。The Business research company的數(shù)據(jù)研究指出，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的72.7億美元增長(zhǎng)到2023年的84.2億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 為15.7%，到2027年將增長(zhǎng)至152.7億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為16.0%。

除了市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)因素之外，一眾IGBT供應(yīng)商對(duì)新產(chǎn)品的持續(xù)開發(fā)是推動(dòng)IGBT處于“不敗地位”的功臣。像英飛凌、安森美、東芝以及國(guó)內(nèi)的參與者正通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，提高IGBT的性能和穩(wěn)定性，使其更加適合各種應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)和開關(guān)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(shè)備電源和其他用例中的 PFC電路，關(guān)斷損耗與上一代設(shè)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(dòng)汽車 (EV) 逆變器開發(fā)了新一代 Si-IGBT AE5。與公司當(dāng)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(guó)內(nèi)外多個(gè)IGBT項(xiàng)目上馬

中國(guó)是IGBT需求最大的市場(chǎng)，從中長(zhǎng)期來看，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體市場(chǎng)需求仍將呈現(xiàn)較快的增長(zhǎng)勢(shì)頭。為了緩解IGBT短缺的問題，我們看到，多家IGBT供應(yīng)商正在加大生產(chǎn)力度，提高供應(yīng)量。

2022年4月，電裝（Denso）和聯(lián)電子公司聯(lián)合半導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)其面向系統(tǒng)的 IGBT 器件和工藝技術(shù)，而 USJC 將提供其300mm晶圓制造能力，計(jì)劃于2023年上半年開始。

國(guó)內(nèi)方面，2月18日，重慶涪陵區(qū)舉行2023年一季度重點(diǎn)項(xiàng)目集中開竣工儀式。其中，集中開工項(xiàng)目包括達(dá)新電子6英寸IGBT功率半導(dǎo)體生產(chǎn)線項(xiàng)目，該項(xiàng)目總投資20億元，建設(shè)一條年產(chǎn)120萬片6英寸功率半導(dǎo)體特色工藝晶圓產(chǎn)線，產(chǎn)品應(yīng)用將覆蓋新能源汽車、智能電網(wǎng)、光代儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用、白色家電等領(lǐng)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(duì)全資子公司捷捷半導(dǎo)體有限公司投建的“功率半導(dǎo)體6英寸晶圓及器件封測(cè)生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目“增加投資，由最初的5.1億元上調(diào)至8.1億元，其中設(shè)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(lǐng)域的半導(dǎo)體企業(yè)收獲融資：

2022年12月15日，吉利科技集團(tuán)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(tuán)公號(hào)發(fā)布信息，旗下浙江晶能微電子自主設(shè)計(jì)研發(fā)的首款車規(guī)級(jí) IGBT 產(chǎn)品成功流片，采用第七代微溝槽柵和場(chǎng)截止技術(shù)，綜合性能指標(biāo)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

2023年2月份，美浦森半導(dǎo)體完成A+輪融資，聚焦高功率半導(dǎo)體元器件MOSFET/IGBT領(lǐng)域；3月20日，國(guó)芯科技投資參股了國(guó)內(nèi)IGBT領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)體SiC器件開發(fā)和IGBT模塊封測(cè)廠建設(shè)。

結(jié)語

總的來說，IGBT和SiC甚至是GaN都是當(dāng)下市場(chǎng)應(yīng)用中十分重要的半導(dǎo)體器件，他們?cè)陔娏﹄娮宇I(lǐng)域和其他多個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。雖然IGBT存在一些缺陷和不足，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，SiC和IGBT在競(jìng)爭(zhēng)中互補(bǔ)，在競(jìng)爭(zhēng)中聯(lián)合。未來，IGBT將繼續(xù)為電子電力領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

審核編輯：劉清