近年我国IGBT下游应用广泛，需求逐步扩大。加之全球能源紧缺现况和国际市场供货紧张影响，车规芯片的国产替代就显得至关重要。

回顾：IGBT迎新发展契机，中国市场需求旺盛

近年来，国家政策、技术研发、新能源汽车的高速发展以及我国企业的积极推动等多方合力下，我国IGBT迎来新发展契机。

政策上，尽管中国企业与世界龙头差距较大，但我国对于推动国产IGBT发展的决心明显。2021年3月11日，第十四个五年规划和2035年远景目标纲要发布，鼓励半导体产业发展。2020年9月，国家发改委等四部门联合印发的《关于扩大战略性新兴产业投资 培育壮大新增长点增长极的指导意见》，明确提出要“聚焦新能源装备制造卡脖子问题，加快IGBT等核心技术部件研发”。

在技术层面，IGBT芯片发展至今，经历了一系列的迭代过程，包括从PT向NPT，再到FS的升级，以及IEGT、CSTBT和MPT的引入等，都使得IGBT器件性能更优。加之近年“芯片荒”的爆发和第三代半导体SiC的崛起，让中国企业得到了千载难逢的发展良机。

需求方面，新能源汽车是IGBT发展的重要推手，而中国是世界上最大的新能源汽车市场。全球市场研究机构TrendForce集邦咨询研究显示，2021年前三个季度（1～9月）新能源车市场销量（包含BEV 及PHEV）共计达420万辆。据中国汽车工业协会统计，2020年1~11月中国新能源汽车销量已达299万辆，约占全球新能源汽车的五成。

在政策、技术、以及需求的多重推动下，比亚迪半导体、中车时代电气、斯达半导、士兰微等国产半导体企业纷纷加大力度投资IGBT产业。目前，国内企业在IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等整个产业链基本都已有布局，甚至在工业领域以及部分细分领域，国产化率已经达到50%以上。

整体来看，中国IGBT产业链正逐步具备国产替代能力。万事俱备，东风已至，属于中国车规芯片企业的时代正在到来。

IGBT芯片被垄断 国产IGBT实现突围

在当前芯片领域，我国对IGBT芯片有着极高需求，因为IGBT具有能源转换和高效节能的优点，所以，在汽车行业、消费电子行业、新能源行业等都需要利用IGBT芯片来提高能源的使用效率。

但由于IGBT芯片涉及的技术壁垒高，同时，还涉及电磁学、热学以及力学等多个学术领域，所以，导致我国在IGBT芯片领域，一直受制于人，长期以来进口。

随着我国新型产业产能的高速发展，在IGBT芯片方面的缺口也越来越明显，对于海外企业的依赖程度更高。

根据海关公布的进口数据，我国有95%的高端IGBT芯片需要依赖进口，主要集中在日德等IGBT企业，其中日本的三菱和富士电机，德国的英飞凌，几乎垄断了国内超过90%的高端IGBT市场。

更值得一提的是，日本和德国的IGBT企业垄断了国内不同领域，其中日本的三菱主要垄断我国高铁IGBT芯片市场，而德国的英飞凌则垄断国内车规级IGBT芯片。

也正是因为如此，IGBT芯片成为了我国进口芯片的重灾区。

那么，我国为何在IGBT芯片方面落后？

除了上述所说，该领域技术壁垒较高之外，还有一方面的原因，则是我国半导体产业起步晚，相关产业链严重落后于海外，加上国内没能在短时间内形成规模产业，使得海外企业有机会垄断国内IGBT市场。

不过，IGBT芯片关乎高铁和新能源汽车的发展，所以，IGBT芯片已经被列为国家02专项计划。

为此，国内不少企业已经开始在IGBT方面进行技术攻关，并取得一定的成绩，比如时代电气，其自主研发的IGBT芯片，在性能方面已经达到了德国英飞凌同样的水准，同时，时代电气也是国内唯一一家掌握高铁IGBT芯片的企业；再比如比亚迪，其自主研发的车规级IGBT芯片已经实现商用。

11月19日，我国IGBT芯片再次传来好消息。根据TechWeb报道，赛晶科技公司旗下的子公司赛晶半导体自主研发的IGBT芯片，已经成功完成首批订单交付。

这标志着，我国在IGBT芯片领域，又一次实现重大突破。

从报道中了解到，赛晶半导体量产的IGBT芯片名为i20 IGBT，这款产品于2020年9月发布，现如今看来，i20 IGBT芯片的量产速度也是非常迅速。

值得一提的是，根据赛晶半导体介绍，这款已经量产的i20 IGBT芯片在各项性能方面的表现，已经全面与国际领军企业的同类产品并肩，甚至某些参数已经实现了超越。

国产化机遇

海外企业 IGBT 产品电压覆盖范围较广，本土企业多集中在中低压市场。中低压 IGBT 主 要可用于新能源汽车、家电、电焊机等领域，需求较为广阔，本土厂商布局也相对较多， 士兰微、华润微、新洁能、华微电子的 IGBT 产品均集中在 1350V 以下的 IGBT 市场。 斯达半导、时代电气则在高压 IGBT 产品中也有所布局。

海外企业占据国内大部分新能源汽车 IGBT 模块市场。相比消费类与工控类 IGBT 产品， 车规级 IGBT 产品对性能要求更高，且认证时间更长。海外企业凭借多年的积累，在车规 级 IGBT 产品市场占据了一定的先发优势。在中国新能源汽车 IGBT 模块市场中，英飞凌 市占率超过了一半，达到 58.20%。比亚迪通过向自供，在新能源汽车 IGBT 模块市场中 市占率也达到了 18%。此外，斯达半导、时代电气等国内厂商近年来通过积极投入研发， 也成功在国内新能源汽车用 IGBT 模块市场中占取到了一定份额。

国内企业积极开拓 IGBT 产品线，积极技术升级，紧抓国产替代机遇。由于新能源汽车是 IGBT 市场增长的主要驱动力之一，国内厂商纷纷积极布局车载 IGBT 业务。士兰微车载 IGBT 产品已在部分客户处批量供货；时代电气 750V 车规级逆导 IGBT 芯片已处于样件 试验阶段；斯达半导基于第七代 IGBT 技术的车规级 650/750V IGBT 芯片已研发成功， 并预计于 2022 年开始批量供货；宏微科技 750V 车规级 IGBT 预计于 2022 年开始起量。

IGBT未来发展趋势

1、IGBT 结构不断升级，协同第三代半导体技术创新

IGBT 是一个电路开关，透过开关控制改变电压。IGBT（绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）是一个三端器件，也是重要的分立器件分支，属于分立器件中 的全控型器件，可以同时控制开通与关断，具有自关断的特征，即是一个非通即断的开关。 IGBT 拥有栅极 G（Gate）、集电极 C（Collector）和发射极 E（Emitter），其开通和关 断由栅极和发射极间的电压 UGE 决定；在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压， PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通。

IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势。IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优点，既有 MOSFET 的开关速度快，输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点， 又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，此外为了提升 IGBT 耐压，减小拖 尾电流，结构相对复杂。IGBT 被各类下游市场广泛使用，是电力电子领域较为理想的开 关器件。

IGBT 工艺与设计难度高，产品生命周期长。IGBT 芯片结构分为正面（Emitter side）和 背面（Collectoer side）。从 80 年代初到现在，IGBT 正面技术从平面栅（Planar）迭代 至沟槽栅(Trench)，并演变为微沟槽（Micro Pattern Trench）；背面技术从穿通型（PT, Punch Through）迭代至非穿通型（NPT, Non Punch Through），再演变为场截止型（FS, Field Stop）。技术的迭代对改善 IGBT 的开关性能和提升通态降压等性能上具有较大帮助， 但是实现这些技术对于工艺有着相当高的要求，尤其是薄片工艺（8 英寸以上的硅片当减 薄至 100~200um 后极易破碎）以及背面工艺（因正面金属熔点的限制，所以背面退火激 活的难度大），这也是导致 IGBT 迭代速度较慢。

此外，IGBT 产品具有生命周期长的特点， 以英飞凌 IGBT 产品为例，该产品已迭代至第七代，但其发布于 2000 年代初的第三代 IGBT 芯片技术在 3300V、4500V、6500V 等高压应用领域依旧占据主导地位，其发布 于 2007 年的第四代 IGBT 则依旧为目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术，其 IGBT4 产品 的收入增长趋势甚至持续到了第 15 年。

高密度、高可靠性、更好的集成散热功能是 IGBT 未来发展趋势。英飞凌作为全球 IGBT 龙头企业，产品技术已成为本土厂商的对标。截至 2021 年，英飞凌产品已迭代至第七代。 其中，第五代与第六代均属于第四代的优化版（第五代属于大功率版第四代，第六代属于 高频版第四代）。IGBT 器件需要承受高电压和大电流，对于稳定性、可靠性要求较高。未 来，IGBT 会朝着更小尺寸、更大晶圆、更薄厚度发展，并通过成本、功率密度、结温、 可靠性等方面的提升来实现整个芯片结束的进步。此外，IGBT 模块的未来趋势也将朝着 更高的热导率材料、更厚的覆铜层、更好的集成散热功能和更高的可靠性发展。

第三代半导体物理特性相较于 Si 在工作频率、抗高温和抗高压具备较强的优势。半导体 材料领域至今经历了多个发展阶段，相较而言，第三代半导体在工作频率、抗高温和抗高 压等方面更具优势。第一代半导体材料主要包括硅（Si）和锗（Ge），于 20 世纪 40 年代 开始登上舞台，目前主要应用于大规模集成电路中。但硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率 低，且属于间接带隙结构，在光电子器件和高频高功率器件的应用上存在较大瓶颈，因此 其性能已难以满足高功率和高频器件的需求。

新材料推进新产品发展，高压高频领域适用 SiC。碳化硅在绝缘破坏电场界强度为硅的 10 倍，因此 SiC 可以以低电阻、薄膜厚的漂移层实现高耐压，意味着相同的耐压产品 SiC 的面积会比 Si 还要小，比如 900V SiC-MOSFET 的面积是 Si-MOSFET 的 1/35。因 此，硅基的 SJ-MOSFET 只有 900V 左右的产品，SiC 可以做到 1700V 以上且低导通 电阻。Si 为了改善高耐压化所带来的导通电阻增大主要采用 IGBT 结构，但由于其存在开关损耗大产生发热、高频驱动受到限制等问题，所以需借由改变材料提升产品性能。SiC 在 MOSFET 的结构就可实现高耐压，因此可同时实现高耐压、低导通电阻、高速，即使 在 1200 V 或更高的击穿电压下也可以制造高速 MOSFET 结构。

SiC MOSFET 具备一定优势，但成本较高。就器件类型而言，SiC MOSFET 与 Si MOSFET 相似。但是，SiC 是一种宽带隙（WBG）材料，其特性允许这些器件在与 IGBT 相同的高功率水平下运行，同时仍然能够以高频率进行开关。这些特性可转化为系统优势， 包括更高的功率密度、更高的效率和更低的热耗散。然而，受制于制造成本和产品良率影 响，SiC 产品价格较高。由于 Si 越是高耐压的组件、每单位面积的导通电阻变高(以耐压 的约 2～2.5 倍增加)，因此 600V 以上的电压则主要使用 IGBT。

但是 IGBT 是藉由注入 少数载子之正孔于漂移层内，比 MOSFET 可降低导通电阻，另一方面由于少数载子的累 积，断开时产生尾电流、造成开关的损耗。SiC 由于漂移层的电阻比 Si 组件低，不须使用 传导度调变，可用高速组件构造之 MOSFET 以兼顾高耐压与低电阻，可实现开关损耗的 大幅削减与冷却器的小型化。SiC 在制造和应用方面又面临很高的技术要求，因此 SiC Mosfet 价格较 Si IGBT 高。

根据功率器件的特性，不同功率器件的应用领域各有不同。虽然 IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势，但三者根据各自的器件性能优势，都有适合的应用领域。BJT 更强调工 作功率，MOSFET 更强调工作频率，IGBT 则是工作功率与频率兼具。BJT 因其成本优 势，常被用于低功率低频率应用市场，MOSFET 适用于中功率高频率应用市场，IGBT 适用于高功率中频率应用市场。高功率密度的 IGBT 在性能、可靠性等方面将继续发展， 因此在较长一段时间内仍会是汽车电动化的主流器件。SiC 组件具有高压、高频和高效率 的优势，在缩小体积的同时提高了效率，相关产品则主要用于高压高频领域。

部分 IGBT 厂商已开始布局 SiC 产业。SiC 具有较大发展潜力，已吸引多家功率器件厂商 进行布局。英飞凌于 2018 年收购德国厂商 Siltectra，弥补自身晶体切割工艺，又于 2018 年 12 月与 Cree 签署长期协议，保证自身光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应，旗 下 CoolSiC 系列产品已走入量产。2019 年，意法半导体与 Cree 签署价值 2.5 亿美元的 长单协议，且收购了瑞典 SiC 晶圆厂商 Norstel AB，以满足汽车和工业客户对 MOSFET 与二极管的需求。2021 年，意法半导体宣布造出 8 英寸 SiC 晶圆。此外，斯达半导、华 润微、等本土厂商也已在 SiC 领域布局。

2、模块封装为核心竞争力之一，适用于各种高电压场景

IGBT 根据使用电压范围可分为低压、中压和高压 IGBT。按照使用电压范围，可以将 IGBT 分为低压、中压和高压三大类产品，不同电压范围对应着不同的应用场景。低压通常为 1200V 以 下 ， 主 要 用 于 低 消 耗 的 消 费 电 子 和 太 阳 能 逆 变 器 领 域 ； 中 压 通 常 为 1200V~2500V，主要用于新能源汽车、风力发电等领域；高压通常为 2500V 以上，主 要用于高压大电流的高铁、动车、智能电网、工业电机等领域。

IGBT 根据封装形式可分为 IGBT 分立器件、IGBT 模块以及 IPM。从封装形式上来看， IGBT 可以分为 IGBT 分立器件、IGBT 模块和 IPM 三大类产品。IGBT 分立器件指一个 IGBT 单管和一个反向并联二极管组成的器件；IGBT 模组指将多个（两个及以上）IGBT 芯片和二极管芯片以绝缘方式组装到 DBC 基板上，并进行模块化封装；IPM 则指将功率 器件（主要为 IGBT）和驱动电路、过压和过流保护电流、温度监视和超温保护电路等外 围电路集成再一起生产的一种组合型器件。

IGBT 模块的封装工艺主要分为焊接式和压接式。IGBT在工作过程中或产生一定的损耗， 当每个 IGBT 芯片在工作过程中产生的损耗只集中在 1 平方厘米左右的面积向外传播时， 这样的高热流密度对器件的安全有效工作而言则成为一个巨大的挑战，所以，IGBT 需要依靠一定的封装形式以便进行散热，从而保证产品可靠性。IGBT 模块的封装工艺主要分 为焊接式与压接式。高压 IGBT 模块一般以标准焊接式封装为主，中低压 IGBT 模块则多 采用压接式封装工艺。压接式 IGBT 结构与焊接式 IGBT 结构差别较大，且压接式 IGBT 封装结构还可细分为凸台式和弹簧式，弹簧式压接型封装结构的专利由 ABB 公司持有， 东芝、Westcode、Dynex 等公司则采用凸台式封装结构。

3、制造工艺正从 8 英寸晶圆朝向 12 英寸升级迭代

特色工艺需要工艺与设计的积累，海外企业以 IDM 为主。功率半导体主要以特色工艺为 主，器件的技术迭代像逻辑、存储芯片依靠尺寸的缩小，因此特色工艺的要求更多需要行 业的积累与 know-how，包括工艺、产品、服务、平台等多个维度；功率器件产品性能与 应用场景密切相关，导致平台多、产品类型多，因此更注重工艺的成熟度和稳定性，工艺 平台的多样性。

在这样的背景下，由于 IDM 可以按需生产不同电性功能的功率器件，加 速技术及应用积累，在深度及广度上覆盖客户不同的需求，因此 IGBT 海外的企业大多的 生产模式以 IDM 为主，国内相比海外发展较晚，因此催生出 Fabless 找代工厂生产的模 式，专业化分工加速对海外的追赶。代表 IDM 型 IGBT 厂商包括英飞凌、瑞萨、Vishay、 罗姆、安森美、富士电机、士兰微、华微电子等；Fabless 型 IGBT 厂商包括斯达半导、 新洁能、宏微科技等。IGBT 代工厂则包括高塔、华虹、东部高科等厂商。

IGBT 主要采用成熟制程，目前生产大多以 8 英寸晶圆为主。IGBT 产品对产线工艺依赖 性较强，目前国际 IGBT 大厂主要采用 8 英寸生产线。为进一步提升产品性能与可靠性， IGBT 制造厂正积极布局可用于 12 英寸晶圆的相关工艺。英飞凌作为 IGBT 龙头企业， 已于 2018 年推出以 12 英寸晶圆生产的 IGBT 器件。同时，斯达半导 12 英寸 IGBT 产能 也已实现量产。未来，随着各家 IGBT 厂商工艺的进步，IGBT 产品也将转向 12 英寸晶 圆，并采用更先进的制程。

IGBT 需求增长扩厂计划持续推进，朝向 300mm（12 英寸）晶圆发展。英飞凌 2021 年 9 月公告其位于奥地利菲拉赫的 300 毫米薄晶圆功率半导体芯片工厂正式启动运营，随着数 字化和电气化进程的加快，公司预计未来几年全球对功率半导体器件的需求将持续增长，因此当前正是新增产能的最好时机。2021 年 3 月东芝公告准备开工建设 300mm 晶圆制造 厂，由于功率器件是控制和降低汽车、工业和其他电气设备功耗的重要部件，公司预计电 动汽车、工厂自动化和可再生能源领域的增长将继续推动功率器件的需求增长。

2020 年 12 月士兰微 12 英寸芯片生产线项目由厦门士兰集科微电子有限公司负责实施运营，第一 条 12 英寸产线，总投资 70 亿元，工艺线宽 90 纳米，计划月产 8 万片。本次投产的产线 就是其中的一期项目，总投资 50 亿元，规划月产能 4 万片；项目二期将继续投资 20 亿元， 规划新增月产能 4 万片。第二条 12 英寸生产线预计总投资 100 亿元，将建设工艺线宽 65 纳米至 90 纳米的 12 英寸特色工艺芯片生产线。

文章来源：全球半导体观察，芯片观察室，未来智库