到底什么是功率半导体？ - pcim电子展

2023上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将行于8月29日至8月31日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

今天我们先来简单聊一聊功率半导体中的IGBT，这是目前半导体产业链中非常热门的一个赛道。

功率半导体属于整个产业里的核心环节，位于半导体材料和设备之后。这里常提到一个词，叫功率器件，有人觉得这俩是一回事，其实不是相同。

功率半导体包括两部分：功率器件和功率IC，功率器件是功率半导体分立器件的分支，而功率IC则是将功率半导体分立器件与各种功能的外围电路集成而得来。

功率半导体的功能主要是对电能进行转换，对电路进行控制，改变电子装置中的电压和频率，直流或交流等，均具有处理高电压，大电流的能力。

理想情况下，转化器在打开的时候没有任何电压损 失，在开闭转换的时候没有任何的功率损耗，因此功率半导体的产品和技术创新，主要是为了提高能量转化效率。

功率器件率里，率先发展的是功率二极管和三极管，随后晶闸管开始快速发展。

现在，MOSFET和IGBT逐渐崛起，也曾经历了平面型、沟槽型等转变，至今依然是价值含量最高，技术壁垒最高的功率器件。

不过目前绝大多数分立器件和集成电路都是硅基材质，前文提到的碳化硅和氮化镓材质的功率器件是未来的趋势。感兴趣可以看看前文《碳化硅产业链最全分析》。

IGBT学名为绝缘栅双极型晶体管，是由 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。

因此IGBT同时具备两者优点，在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的，它是电力电子领域较为理想的开关器件。

根据 Yole 统计，目前全球功率半导体中约 50%是功率 IC，其余的一半是功率分立器件。

在功率分立器件销售 2017 年占比中，MOSFET 占比最高，约占 31%，其次是二极管/整流桥占比约 29%，晶闸管和 BJT 等占分立器件约 21%，IGBT 占比19%，但是其复合增速是最快的。

IGBT 的产业链包括了上游的 IC 设计，中游的制造和封装，下游应用则包括工控、新能源、家电、电气高铁等领域。

根据封装形式可分为 IGBT 分立器件、IGBT 模块以及 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。

目前模块封装已成为IGBT核心竞争力之一，适用于各种高电压场景。

此外，IGBT企业主要有三种业务模式：IDM、设计和模组。

IDM模式即垂直整合制造商，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。这种模式对企业的技术、资金和市场份额要求极高。

设计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，而芯片代工厂负责采购硅片和加工生产。这种模式对资金要求降低，减少了投资风险，能够快速开发出终端需要的芯片。

国外巨头大多采用IDM模式，国内企业典型如斯达半导，采用 Fabless+模组的模式。

中国企业比较倾向于Fabless模式，主要因为功率半导体并不需要特别高精尖的晶圆代工，单独建产线资本回收期很长，而且国内有较多工艺成熟的代工厂，因此作为后进者，国内企业采用Fabless有利于快速追赶。

IGBT行业具备技术壁垒，由于功率半导体和模拟IC类似，不像数字电路可通过 EDA 等软件进行设计，功率半导体需要根据实际产品参数进行不断调整与妥协，因此对工程师的经验要求更高。

而且由于IGBT工作环境恶劣，使用负荷较重，对其性能稳定性和可靠性要求较高，所以设计和制造的方面都存在较高壁垒。

除提高可靠性外，IGBT未来也会朝着更高密度、更大晶圆、更薄厚度发展。此外，更高热导率的材料、更厚的覆铜层、更好的集成散热功能也是IGBT模块的发展方向。

IGBT产品生命周期较长，以英飞凌为例，虽然现在更新到第七代，但20年前发布的第三代产品在3300V、4500V、6500V等高压领域依然占据主导地位，第四代产品仍是目前使用最广泛的IGBT芯片技术。

而且新产品的稳定性通常需要时间验证，所以很多客户即使知道有新产品，依然选择购买老产品。这导致业内大厂产品的替换成本高，具有明显的竞争优势。

作为制造业大国，功率半导体器件在我国的工业、新能源、军工等领域都有着广泛应用，具有很高的战略地位。

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，可以说是半导体行业非常重要的细分领域。今天呢，飞鲸投研来详细介绍一下功率半导体行业。

一、功率半导体行业概况

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能，具体用途包括变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等。

1.功率半导体分类

功率半导体按照封装形式和集成化程度可分为功率分立器件、功率模组及功率IC。

①功率半导体分立器件：指二极管、晶闸管等用于处理电能的器件，其本身在功能上不能再进行细分。

②功率模块：由两个或两个以上半导体分立器件芯片按一定电路连接并进行模块化封装，主要应用于高压大电流场合，如新能源汽车主驱逆变、高铁/动车组等。

③功率IC：指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路。

在功率器件中，晶体管份额最大，常见的晶体管主要有BJT、MOSFET和IGBT。

①MOSFET：是金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，更适用于高频场景。

②IGBT：是绝缘栅双极晶体管，是同时具备MOSFET的栅电极电压控制特性和BJT的低导通电阻特性的全控型功率半导体器件，更适用于高压场景。

2.功率半导体产业链

功率半导体上游为原材料，包括硅片（研磨片、抛光片和外延片）、钼片、引线框架、管壳及散热器等，涉及材料工业、装备制造业、化学工业等行业，原材料价格直接影响到下游企业整体成本。功率半导体下游应用广泛，几乎涵盖所有电子制造业，包括为消费电子、工业控制、电力传输和新能源等领域。

3、功率半导体应用范围

功率半导体下游应用广泛，基本上涉及到电力系统的地方都会使用功率器件。下游应用领域主要可分为几大部分：消费电子、新能源汽车、可再生能源发电及电网、轨道交通、白色家电、工业控制，市场规模呈现稳健增长态势。基于不同应用场景所对应的功率和频率，人们选择使用相应的功率器件和基材。

    文章来源：汽车半导体情报局

2023上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2023年8月29日至8月31日在在上海新国际博览中心举行；上海电子展更多资讯，详情请登陆官网 https://pcim.gymf.com.cn