IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）-三個皮匠報告百科

緣柵雙極型晶體管IGBT是什么

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管，InsulatedGate Bipolar Transistor)由BJT(雙極型三極管)和MOSFET(絕緣柵型場效應管)組成的全控-電壓驅動的功率半導體，是最重要的功率半導體之一，功率半導體指的是處理電路功率的半導體器件。IGBT可以同時控制開通與關斷，具有自關斷的特征，即是一個非通即斷的開關。IGBT擁有柵極G(Gate)、集電極C(Collector)和發射極E(Emitter)，其開通和關斷由柵極和發射極間的電壓UGE決定；在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通。

IGBT與處理電路信息，進行運算執行的CPU等信息半導體不同，功率半導體主要用于改變電路功率，實現電能轉換功能，主要包括電源開關和電源轉換，其中電源開關用于實現電路的導通與關斷，而電源轉換指的是進行直流(DC)和交流電(AC)的轉換，包括AC-AC(變壓器，如傳輸電網的變壓)、AC-DC(整流器，如家用電器將市交流電整流為直流電)、DC-AC(逆變器，如新能源汽車將電池直流電轉換為電機驅動需要的交流電)、DC-DC(穩壓器，常用在儀器儀表中)。

IGBT既有MOSFET的開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點，又有BJT導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領域較為理想的開關器件，也被譽為“電力電子器件里的CPU”。

IGBT技術發展歷程

IGBT工藝與設計難度高，產品生命周期長。IGBT芯片結構分為正面(Emitter side )和背面(Collectoer side)。從80年代初到現在，IGBT正面技術從平面柵(Planar)迭代至溝槽柵(Trench)，并演變為微溝槽(Micro Pattern Trench )；背面技術從穿通型(PT，Punch Through)迭代至非穿通型(NPT，Non Punch Through)，再演變為場截止型(FS，Field Stop )。

(1)早期設計:穿通型(PT，PunchThrough)

使用重摻雜的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長N+buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。它因為截止時電場貫穿整個N-base區而得名。工藝復雜，成本高，而且需要載流子壽命控制，飽和壓降呈負溫度系數，不利于并聯，于80年代后期被逐漸取代。

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

相比PT，NPT使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區的正面做成MOS結構，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到IGBT電壓規格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+collector。在截止時電場沒有貫穿N漂移區，因名非穿通型。部分IGBT2產品在高頻開關應用領域仍有一定銷量。

(3)IGBT3:溝槽柵(Trench)+場截止(Field-Stop)

1)柵極結構變為溝槽型，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結構，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，性能更加優化。2)縱向結構方面，場截止的起始材料和NPT相同，都是低摻雜的N-襯底；場截止在背面多注入了一個Nbuffer層，它的摻雜濃度略高于N襯底，因此可以迅速降低電場強度，使整體電場呈梯形，使所需的N-漂移區厚度大大減??；Nbuffer還可以降低Р發射極的發射效率，從而降低了關斷時的拖尾電流及損耗。在中低壓領域基本已經被IGBT4取代，但在高壓領域依然占主導地位，比如330ov，4500v，6500V的主流產品仍然在使用IGBT3。

(4)IGBT4:溝槽柵+場截止+薄晶圓

和IGBT3一樣，都是場截止+溝槽柵的結構，但IGBT4優化了縱向結構，漂移區厚度更薄，背面Р發射極及Nbuffer的摻雜濃度及發射效率都有優化。IGBT4是目前使用最廣泛的IGBT芯片技術，電壓包含600V，1200V，1700v，電流從10A到3600A具有涉及。

(5)IGBT5

溝槽柵+場截止+表面覆銅:使用厚銅代替了鋁，銅的通流能力及熱容都遠遠優于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結溫及輸出電流。同時芯片結構經過優化，芯片厚度進一步減小。銅的成本高于鋁，IGBT5未得到廣泛應用，目前只封裝在PrimePACKTM里，電壓也只有1200V，1700v.

(6)IGBT6

溝槽柵+場截止:器件結構和IGBT4類似，但是優化了背面P+注入，從而得到了新的折衷曲線。IGBT6未得到廣泛應用，只有單管封裝的產品。

(7)IGBT7

微溝槽柵+場截止:IGBT7作為最新一代技術，其溝道密度更高，元胞間距也經過精心設計，并且優化了寄生電容參數，從而實現5kv/us下的最佳開關性能。目前，IGBT7尚未得到廣泛應用，但發展前景廣闊。英飛凌的相關產品中，T7用于電機驅動器，E7應用于電動商用車主驅，光伏逆變器等。隨著光伏產業、新能源汽車產業的發展，IGBT7有望進一步推廣^[1]。

目前使用最廣泛的是IGBT4。IGBT芯片迭代的主要優化方向包括:溝道密度提高、電流密度提高、最大工作溫度提高、芯片厚度減薄、導通壓降降低、開關損耗降低、開關頻率提高(以及與短路能力取舍平衡)等。

IGBT分類

IGBT根據使用電壓范圍可分為低壓、中壓和高壓IGBT。按照使用電壓范圍，可以將IGBT分為低壓、中壓和高壓三大類產品，不同電壓范圍對應著不同的應用場景。低壓通常為1200V以下，主要用于低消耗的消費電子和太陽能逆變器領域；中壓通常為1200V~2500V，主要用于新能源汽車、風力發電等領域；高壓通常為2500V以上，主要用于高壓大電流的高鐵、動車、智能電網、工業電機等領域。

IGBT根據封裝形式可分為IGBT分立器件、IGBT模塊以及IPM。從封裝形式上來看，IGBT可以分為IGBT分立器件、IGBT模塊和IPM三大類產品。IGBT分立器件指一個IGBT單管和一個反向并聯二極管組成的器件；IGBT模組指將多個(兩個及以上)IGBT芯片和二極管芯片以絕緣方式組裝到DBC基板上，并進行模塊化封裝；IPM則指將功率器件(主要為IGBT)和驅動電路、過壓和過流保護電流、溫度監視和超溫保護電路等外圍電路集成再一起生產的一種組合型器件[]。

IGBT的應用領域

IGBT主要應用在新能源車的電機控制系統、熱管理系統、車載充電機，在主逆變器中IGBT將高壓電池的直流電轉換為驅動三相電機的交流電，在車載充電機中IGBT將220V交流電轉換為直流電并為高壓電池充電，在DC-DC變換器中IGBT將高壓電池輸出的高電壓轉化成低電壓后供汽車低壓供電網絡使用；此外，IGBT也廣泛應用在PTC加熱器、水泵、油泵、空調壓縮機等輔逆變器中，完成小功率DC-AC轉換。

IGBT是光伏逆變器、儲能逆變器的核心器件，集中式光伏主要采用IGBT模塊，分部式光伏主要采用IGBT單管或模塊(單相一般采用IGBT單管，三相可選擇IGBT單管或模塊)。

白電領域:IGBT主要應用于變頻空調、變頻冰箱、變頻洗衣機，主要產品為IPM和IGBT單管。工業及其他領域:2020年全球IGBT市場規模達67億美元(折合人民幣459億元)，中國IGBT市場規模達26億美元(折合人民幣179億元)，扣除新能源車、光伏儲能、白電領域市場需求，其他領域(主要包括工業、軌交、電源等領域)全球市場規模達303億元、中國市場規模達81億元，預計未來全球、中國其他領域以4%、6%的增速穩健增長，對應2025、2030年全球市場規模達369、449億元，中國市場規模達109、146億元。

工控領域:主要應用領域涵蓋變頻器、逆變焊機、UPS

IGBT芯片

IGBT核心技術為IGBT芯片的設計和制造以及IGBT模塊的設計、制造和測試。芯片設計端，芯片參數優化對工程師的知識儲備和經驗積累要求極高；芯片制造端，生產流程長、生產設備多、工藝流程要求高；模塊封裝端，工程師需要對針對不同客戶需求對封裝進行細微調整；IGBT行業對人才、設備要求極高。

IGBT芯片的結構設計包括元胞結構、橘極結構、縱向結構、終端結構等。其中主要迭代對象為柵極結構和縱向結構，IGBT芯片的不同代系通常以“棚極結構+縱向結構”來命名。

IGBT芯片的柵極結構主要包括平面柵(PlanarGate)、溝槽柵(TrenchGate)，其中溝槽柵又進一步衍生為精細化溝槽柵、微溝槽柵。

IGBT芯片的縱向結構逐步由穿通型(Punch Through)演變為非穿通型( Non Punch Through)，而后向場截止型(Field-Stop)方向發展。

IGBT企業的業務模式

(1)IDM:IDM模式即垂直整合制造商，是指包含電路設計、晶圓制造、封裝測試以及投向消費市場全環節業務的企業模式，IGBT芯片、快恢復二極管芯片設計只是其中的一個部門，同時企業擁有自己的晶圓廠、封裝廠和測試廠。該模式對企業技術、資金和市場份額要求極高，目前僅有英飛凌、三菱等少數國際巨頭采用此模式；

(2)模組:如丹佛斯、賽米控等；

(3)Fabless模式:Fabless是Fabrication(制造)和less(沒有)的組合。Fabless模式是集成電路行業的一種經營模式，即企業自身專注于芯片設計，而將芯片制造外協給代工廠商生產制造的模式，而芯片代工廠商負責采購硅片和加工生產。Fabless模式的企業無需投資建立晶圓制造生產線，減小了投資風險，能夠快速開發出終端需要的芯片。

國外巨頭大多數均采用IDM模式，而國內典型公司如斯達半導采用的Fabless+模組的模式:Fabless的模式在中國比較流行的主要原因在于，功率半導體并不是需要特別高精尖的晶圓廠代工，而單獨建產線資本回收期非常長，另外大陸有較多的成熟工藝代工廠產能足夠支配，因此對于國內廠商大多是后進者來說，在快速追趕期Fabless也不失為一種比較好的模式^[3]。

國外主要IGBT廠商

(1)英飛凌科技公司(InfineonTec hnologies)

德國企業，前身是西門子集團的半導體部門，于1999年獨立。公司總部位于德國慕尼黑，是全球領先的半導體公司之一。英飛凌科技公司作為行業龍頭，是IGBT技術領導者，根據IHSMarkit2018年報告，2017年全球市場占有率為22.40%，對于低電壓、中電壓和高電壓IGBT領域，英飛凌均占據領先地位。

(2)三菱電機株式會社(MitsubishiE lectricCorpor ation)

日本企業，是三菱集團的核心企業之一，成立于1921年。三菱電機半導體產品包括功率模塊(IGBT、IPM、MOSFET等)、微波/射頻和高頻光器件、光模塊和標準工業用的TFTLCD等。作為全球領先的IGBT企業，三菱電機在中等電壓、高電壓IGBT領域處于領先地位。根據IHSMarkit2018年報告，2017年全球市場占有率為17.90%，僅次于英飛凌。

(3)富士電機株式會社(FujiElectric)

日本企業，成立于1923年，旗下的富士電機電子技術株式會社負責半導體元件的生產和銷售。富士電機在全球生產和銷售IGBT、MOSFET等功率半導體。作為業內領先的IGBT企業，富士電機主要生產IGBT模塊和IPM模塊，產品在工業控制和變頻家電中廣泛使用。根據IHSMarkit2018年報告，2017年全球市場占有率為9.00%，位列第三。

(4)賽米控(SEMIKRON)

德國企業，成立于1951年，總部位于德國紐倫堡全球領先的電力電子制造商，發明了全球第一款帶絕緣設計的功率模塊，主要生產中等功率輸出范圍(約2KW至10MW)中廣泛應用的電力電子組件和系統。生產產品包括芯片、分立器件、二極管、晶閘管、IGBT功率模塊和系統功率組件。賽米控在低電壓消費級IGBT領域具備一定優勢，根據IHSMarkit2018年報告，2017年全球市場占有率為8.30%，位列第四。