IGBT定义、发展史、技术趋势、发展环境及行业壁垒分析

电力电子装置的“CPU”。

1. IGBT 是什么？

IGBT，中文全名为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应 管（MOS）组成的功率半导体器件，为第三代功率半导体技术革命的代表性产品，具有高频、 高电压、大电流，易于开关等优良性能，被业界誉为电力电子装置的“CPU”，广泛应用于 工业控制、轨道交通、白色家电、新能源发电、新能源汽车等领域。

依产品结构形式不同，IGBT 有单管、IGBT 模块和智能功率模块 IPM 三种类型。IGBT 单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域；IGBT 模块主 要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领 域（当前市场上销售的多为此类模块化产品）；智能功率模块 IPM 主要在变频空调、变频洗 衣机等白色家电领域有广泛应用。

根据应用场景的电压不同，IGBT 有超低压、低压、中压和高压等类型，其中新能源汽 车、工业控制、家用电器等使用的 IGBT 以中压为主，而轨道交通、新能源发电和智能电网 等对电压要求较高，主要使用高压 IGBT。

IGBT 多以模块形式出现，IHS 数据显示模块和单管的比例为 3:1。模块是由 IGBT 芯片 与 FWD（续流二极管芯片）通过定制化的电路桥接，并通过塑料框架、衬底及基板等封装 而成的模块化半导体产品。基础工作原理在于，以最小能量损耗实现电流转换，是一种具有 隔离栅极结构的双极晶体管；栅极自身就是 MOSFET，因此结合了双极晶体管的高载流能 力和高阻断电压的优点。

2. IGBT 的发展史

自 20 世纪 80 年代发展至今，IGBT 芯片经历了 7 代技术及工艺的升级，从平面穿通 型（PT）到微沟槽场截止型，IGBT 从芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功 率损耗等各项指标都进行了不断的优化，断态电压从 600V 提高到 7000V，关断时间从 0.5 微秒降低至 0.12 微秒，工艺线宽由 5um 降低至 0.3um。此外，由于 IGBT 产品对可靠性 和质量稳定性要求较高，下游客户认证周期较长，所以产品的生命周期较一般集成电路产品 较长，对不同代际的 IGBT 产品，由于性能和需求差异导致应用领域略有不同，目前市场上 应用最广泛的仍是 IGBT 第 4 代工艺产品。

从 IGBT 模块芯片的内部纵向结构来看，IGBT 可分为穿通型（PT，punch through)， 非穿通型（NPT，non-punch through)。PT(punch through)结构是最“古老”的 IGBT 技术， 在 1980~1990 年间占据主导地位，英飞凌第一代 IGBT 就是采用的 PT 技术。NPT(nonpunch through)结构是德国西门子公司 1987 年推出，为上世纪 90 年代的主流产品。FS （field stop）：2000 年，西门子公司研制出新的 IGBT 结构，fieldstop-IGBT(FS-IGBT)，它 同时具有 PT-IGBT 和 NPT-IGBT 的优点，至今一直居于主导地位。英飞凌第三代及以后的 IGBT，均采用了 FS 技术。

3.IGBT 的技术发展趋势

自从二十世纪八十年代中期研发出第一只 IGBT 器件以来，IGBT 技术经历了几个不同 发展阶段，这些技术都是用来平衡 IGBT 自身的各种特性的，这些特性如下所示：1）降低 导通损耗；2）降低开通和关断时的开关损耗（开关速度快）；3）器件开关的软特性；4）提 高电流密度；5）提升电压等级；6）减少半导体材料（降低成本）；7 ）提高最高工作结温； 8）扩展 SOA（安全工作区）。

随着 IGBT 的技术发展，传统场截止型结构已接近其理论极限。超结及半超结器件凭借 耐高温、低损耗和高抗短路能力在 IGBT 领域备受关注，是 IGBT 未来技术发展主要探索方 向。

4.行业发展环境及政策

自 2018 年以来，美国对我国的科技企业和产业制裁不断升级，从一开始的征收电子器 件高额关税到今年的《出口管制条例》，美国对中国输出的尖端技术封锁层层加码，中美脱 钩风险与日俱增，通过国产替代实现产业链的自主可控已上升到国家战略。近年来，国家陆 续出台一系列政府补贴和激励政策等措施，大力促进半导体行业发展，为行业 “自主、安 全、可控”的产业链发展提供了充分的燃料。

5.IGBT 的壁垒

IGBT 行业有三大壁垒，分别是技术壁垒、品牌和市场壁垒、资金壁垒，核心体现就是 芯片和模块的设计能力，产品的认证周期以及扩产能力。我们主要关注芯片和模块的设计能 力以及产品的认证周期。

5.1.IGBT 的技术壁垒

IGBT 的技术环节主要包含了 IGBT 芯片以及模组的设计、制造和封装。在设计环节， 由于 IGBT 芯片需要工作在大电流、高电压和高频率等的环境下，还要保证芯片的开通关断、 抗短路能力和导通压降的均衡，对芯片的可靠性有着很高的要求，设计和参数的调整优化十 分特殊复杂，因此 IGBT 芯片自主研发的门槛要求非常高，设计人员需要有非常多的行业 know how 的积累。在制造环节，由于芯片模块的集成度高，芯片本身的背面工艺难度高， Fabless 模式下需要与代工厂实现技术和工艺的深度磨合等因素要求，其制造环节同样有着 较高的难度。

5.2.IGBT 的市场壁垒

IGBT 是下游应用产品的核心器件，IGBT 的产品性能、可靠性以及稳定性对下游产品的 性能表现有着直接的影响。因此，客户在选择 IGBT 时往往会经过产品单体测试、整机测试、 多次小批量试用等多个环节之后，才会做出大批量采购决策、采购决策周期较长，这也就导 致客户在选择供应商时通常偏于保守，且有明显的跟随性，即下游客户往往跟随自己所在行 业的行业龙头去选择 IGBT 供应商。一旦 IGBT 供应商获得了客户的认可，则双方将进行长 时间的合作，在不发生产品质量问题以及供应链保障问题的情况下，由于替换成本高、风险 大等因素，客户一般没有进行更改和替换的动力。

5.3.IGBT 的资金壁垒

IGBT 同样属于资金密集型行业，研发投入大，各环节的生产测试设备投入大，产能扩 张是半导体重资产行业重要的决策之。一方面，需考虑扩建周期长短，是否能够顺应当前半 导体产业所处周期阶段，确保产能释放时能够被充分消化；另一方面，IGBT 对技术稳定性 及安全性要求较高，认证周期较长，前期需持续大量的研发投入，沉没成本较高，对行业玩 家有着较强的资金要求。