IGBT（绝缘栅双极型晶体管）

7国外主要IGBT厂商
8国内主要IGBT厂商

缘栅双极型晶体管IGBT是什么

IGBT(绝缘栅双极型晶体管，InsulatedGate Bipolar Transistor)由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的全控-电压驱动的功率半导体，是最重要的功率半导体之一，功率半导体指的是处理电路功率的半导体器件。IGBT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与处理电路信息，进行运算执行的CPU等信息半导体不同，功率半导体主要用于改变电路功率，实现电能转换功能，主要包括电源开关和电源转换，其中电源开关用于实现电路的导通与关断，而电源转换指的是进行直流(DC)和交流电(AC)的转换，包括AC-AC(变压器，如传输电网的变压)、AC-DC(整流器，如家用电器将市交流电整流为直流电)、DC-AC(逆变器，如新能源汽车将电池直流电转换为电机驱动需要的交流电)、DC-DC(稳压器，常用在仪器仪表中)。

IGBT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，在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的，因而是电力电子领域较为理想的开关器件，也被誉为“电力电子器件里的CPU”。

IGBT技术发展历程

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 )。

(1)早期设计:穿通型(PT，PunchThrough)

使用重掺杂的P+衬底作为起始层，在此之上依次生长N+buffer，N-base外延，最后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。工艺复杂，成本高，而且需要载流子寿命控制，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，于80年代后期被逐渐取代。

(2)IGBT2:平面栅(Planar)+非穿通型(NPT，NonPunchThrough)

相比PT，NPT使用低掺杂的N-衬底作为起始层，先在N-漂移区的正面做成MOS结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到IGBT电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成P+collector。在截止时电场没有贯穿N漂移区，因名非穿通型。部分IGBT2产品在高频开关应用领域仍有一定销量。

(3)IGBT3:沟槽栅(Trench)+场截止(Field-Stop)

1)栅极结构变为沟槽型，电子沟道垂直于硅片表面，消除了JFET结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，性能更加优化。2)纵向结构方面，场截止的起始材料和NPT相同，都是低掺杂的N-衬底；场截止在背面多注入了一个Nbuffer层，它的掺杂浓度略高于N衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，使所需的N-漂移区厚度大大减小；Nbuffer还可以降低Р发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。在中低压领域基本已经被IGBT4取代，但在高压领域依然占主导地位，比如330ov，4500v，6500V的主流产品仍然在使用IGBT3。

(4)IGBT4:沟槽栅+场截止+薄晶圆

和IGBT3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但IGBT4优化了纵向结构，漂移区厚度更薄，背面Р发射极及Nbuffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术，电压包含600V，1200V，1700v，电流从10A到3600A具有涉及。

(5)IGBT5

沟槽栅+场截止+表面覆铜:使用厚铜代替了铝，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。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。铜的成本高于铝，IGBT5未得到广泛应用，目前只封装在PrimePACKTM里，电压也只有1200V，1700v.

(6)IGBT6

沟槽栅+场截止:器件结构和IGBT4类似，但是优化了背面P+注入，从而得到了新的折衷曲线。IGBT6未得到广泛应用，只有单管封装的产品。

(7)IGBT7

微沟槽栅+场截止:IGBT7作为最新一代技术，其沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能。目前，IGBT7尚未得到广泛应用，但发展前景广阔。英飞凌的相关产品中，T7用于电机驱动器，E7应用于电动商用车主驱，光伏逆变器等。随着光伏产业、新能源汽车产业的发展，IGBT7有望进一步推广^[1]。

目前使用最广泛的是IGBT4。IGBT芯片迭代的主要优化方向包括:沟道密度提高、电流密度提高、最大工作温度提高、芯片厚度减薄、导通压降降低、开关损耗降低、开关频率提高(以及与短路能力取舍平衡)等。

IGBT分类

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的应用领域

IGBT主要应用在新能源车的电机控制系统、热管理系统、车载充电机，在主逆变器中IGBT将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电，在车载充电机中IGBT将220V交流电转换为直流电并为高压电池充电，在DC-DC变换器中IGBT将高压电池输出的高电压转化成低电压后供汽车低压供电网络使用；此外，IGBT也广泛应用在PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中，完成小功率DC-AC转换。

IGBT是光伏逆变器、储能逆变器的核心器件，集中式光伏主要采用IGBT模块，分部式光伏主要采用IGBT单管或模块(单相一般采用IGBT单管，三相可选择IGBT单管或模块)。

白电领域:IGBT主要应用于变频空调、变频冰箱、变频洗衣机，主要产品为IPM和IGBT单管。工业及其他领域:2020年全球IGBT市场规模达67亿美元(折合人民币459亿元)，中国IGBT市场规模达26亿美元(折合人民币179亿元)，扣除新能源车、光伏储能、白电领域市场需求，其他领域(主要包括工业、轨交、电源等领域)全球市场规模达303亿元、中国市场规模达81亿元，预计未来全球、中国其他领域以4%、6%的增速稳健增长，对应2025、2030年全球市场规模达369、449亿元，中国市场规模达109、146亿元。

工控领域:主要应用领域涵盖变频器、逆变焊机、UPS

IGBT芯片

IGBT核心技术为IGBT芯片的设计和制造以及IGBT模块的设计、制造和测试。芯片设计端，芯片参数优化对工程师的知识储备和经验积累要求极高；芯片制造端，生产流程长、生产设备多、工艺流程要求高；模块封装端，工程师需要对针对不同客户需求对封装进行细微调整；IGBT行业对人才、设备要求极高。

IGBT芯片的结构设计包括元胞结构、橘极结构、纵向结构、终端结构等。其中主要迭代对象为栅极结构和纵向结构，IGBT芯片的不同代系通常以“棚极结构+纵向结构”来命名。

IGBT芯片的栅极结构主要包括平面栅(PlanarGate)、沟槽栅(TrenchGate)，其中沟槽栅又进一步衍生为精细化沟槽栅、微沟槽栅。

IGBT芯片的纵向结构逐步由穿通型(Punch Through)演变为非穿通型( Non Punch Through)，而后向场截止型(Field-Stop)方向发展。

IGBT企业的业务模式

(1)IDM:IDM模式即垂直整合制造商，是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试以及投向消费市场全环节业务的企业模式，IGBT芯片、快恢复二极管芯片设计只是其中的一个部门，同时企业拥有自己的晶圆厂、封装厂和测试厂。该模式对企业技术、资金和市场份额要求极高，目前仅有英飞凌、三菱等少数国际巨头采用此模式；

(2)模组:如丹佛斯、赛米控等；

(3)Fabless模式:Fabless是Fabrication(制造)和less(没有)的组合。Fabless模式是集成电路行业的一种经营模式，即企业自身专注于芯片设计，而将芯片制造外协给代工厂商生产制造的模式，而芯片代工厂商负责采购硅片和加工生产。Fabless模式的企业无需投资建立晶圆制造生产线，减小了投资风险，能够快速开发出终端需要的芯片。

国外巨头大多数均采用IDM模式，而国内典型公司如斯达半导采用的Fabless+模组的模式:Fabless的模式在中国比较流行的主要原因在于，功率半导体并不是需要特别高精尖的晶圆厂代工，而单独建产线资本回收期非常长，另外大陆有较多的成熟工艺代工厂产能足够支配，因此对于国内厂商大多是后进者来说，在快速追赶期Fabless也不失为一种比较好的模式^[3]。

国外主要IGBT厂商

(1)英飞凌科技公司(InfineonTec hnologies)

德国企业，前身是西门子集团的半导体部门，于1999年独立。公司总部位于德国慕尼黑，是全球领先的半导体公司之一。英飞凌科技公司作为行业龙头，是IGBT技术领导者，根据IHSMarkit2018年报告，2017年全球市场占有率为22.40%，对于低电压、中电压和高电压IGBT领域，英飞凌均占据领先地位。

(2)三菱电机株式会社(MitsubishiE lectricCorpor ation)

日本企业，是三菱集团的核心企业之一，成立于1921年。三菱电机半导体产品包括功率模块(IGBT、IPM、MOSFET等)、微波/射频和高频光器件、光模块和标准工业用的TFTLCD等。作为全球领先的IGBT企业，三菱电机在中等电压、高电压IGBT领域处于领先地位。根据IHSMarkit2018年报告，2017年全球市场占有率为17.90%，仅次于英飞凌。

(3)富士电机株式会社(FujiElectric)

日本企业，成立于1923年，旗下的富士电机电子技术株式会社负责半导体元件的生产和销售。富士电机在全球生产和销售IGBT、MOSFET等功率半导体。作为业内领先的IGBT企业，富士电机主要生产IGBT模块和IPM模块，产品在工业控制和变频家电中广泛使用。根据IHSMarkit2018年报告，2017年全球市场占有率为9.00%，位列第三。

(4)赛米控(SEMIKRON)

德国企业，成立于1951年，总部位于德国纽伦堡全球领先的电力电子制造商，发明了全球第一款带绝缘设计的功率模块，主要生产中等功率输出范围(约2KW至10MW)中广泛应用的电力电子组件和系统。生产产品包括芯片、分立器件、二极管、晶闸管、IGBT功率模块和系统功率组件。赛米控在低电压消费级IGBT领域具备一定优势，根据IHSMarkit2018年报告，2017年全球市场占有率为8.30%，位列第四。