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IGBT功率半导体研究框架

发布日期:2020-12-08 浏览次数:4005 来源:方正证券 作者:陈杭 分析师
   01.
  IGBT功率半导体
 
  IGBT广泛应用于工业、汽车、通信及消费电子领域,其主要电压应用范围在600V到1200V之间。由于经济的飞速发展,我国能源需求量大幅上升,在节能减排政策的背景下,工业控制、变频白色家电等节能效果明显的产品近年来市场规模不断扩大。
 
  低压领域:IGBT主要应用于变频白色家电,例如冰箱、空调等家用消费电子必需品与重要耗能品。在汽车领域,IGBT低导通状态压降低特性有利于传统燃油汽车电子点火系统对燃料效率的提升。同时随着新能源汽车替代率逐步上升,将持续拉动IGBT模块市场的需求。在工业领域,随着新基建步伐的加快,我国建成5G基站、人工智能产业、新能源充电基础设施快速发展。
 
  中压领域:随着信息产业与高端制造业的快速发展,新能源并网和电网工程建设工程逐步加强,我国工业逆变焊机、逆变频器市场持续升温,USB电源和新能源变电市场稳步增长。
 
  高压领域:我国轨道交通发展规模与电网传输投资规模持续增长。
 
  IGBT行业增长动力:节能减排推动市场增长。根据各国电动汽车动力来源及碳排放量数据可知,以煤炭为主要动能的国家碳排放量最多,印度碳排放量高达370gCo2e/km。中国电动汽车同样以煤炭为主要动能,其碳排放量为258gCo2e/km。由于经济的飞速发展,我国能源需求量大幅上升,在节能减排政策的背景下,工业控制、变频白色家电等节能效果明显的产品近年来市场规模不断扩大。
  ▲各国电动汽车动力来源及碳排放量
 
  根据IHSMarkit统计数据显示,2018年全球IGBT分立器件市场规模13.1亿美元,IPM模块16.8亿美元,IGBT模块32.5亿美元。
 
  2016年中国IGBT市场规模为15.40亿美元,2018年为19.23亿美元,对应复合年均增长率为11.74%。
 
  根据数据显示2019年全球IGBT各应用领域的市场规模,其中工业领域占比28%,汽车领域27%,其次是通信领域15%,消费电子14%。
 
  ▲2015-2018年全球IGBT市场规模
  ▲2019年全球IGBT应用领域市场规模占比
  ▲IGBT应用领域
 
  IPM目前被广泛应用于消费电子,工业等领域。就2019年全球的IPM市场份额来说,有消费电子,伺服电机,UPS和其他领域。
 
  对国内市场来说,IPM主要应用于三大白电,是变频功能的重要部分。我国在2019年的变频空调销量约有6800万台,接近于全部空调的半数;变频洗衣机大概售出了2600万台,占全部销量的百分之四十;变频冰箱售出了大概2000万台,约为全部冰箱的四分之一。
 
  随着我国家电变频的进一步发展以及在工业上开始更多的应用,对IPM模块的需求也会进一步扩大,因此IPM的市场有很大发展空间和很好的前景。
  ▲2019年全球IPM不同领域市场份额
  ▲2018年三大变频白电的销量占比
  ▲IGBT应用领域
 
  低压(600V):变频白色家电。家庭中的电力供应使生活更加丰富,家庭能耗中50%用于供暖/冷却,电冰箱和烹饪。IGBT作为能源变换与传输的核心器件,可以用更高效的方法减少消费者用电量,减少事氧化碳排放,有助于节能环保,建设节约型社会。
 
  家电作为每个家庭的必需品,近年来全球家电的销量呈现上升的趋势。数据显示,2019年全球家电销量高达5.7亿,同比增长约4%,相较于2006年全球家电销量上升了近50%。
  ▲家庭消费电子能耗占比
  ▲全球家电销量图
 
  低压(600V):变频白色家电(空调)。空调作为家庭消费电子耗能的重要产品,其销量近年来逐步上升。产业在线数据显示,中国2018年家用空调销量达1.5亿台,同比增长6.24%,2019年销量虽稍有回落,但近年来家用空调销量呈上升趋势。
 
  空调变频白色家电为IGBT模块和IPM模块的主要应用领域。士关微提供变频空调外机整体解决方案:MCU+IPM+AC/DC+IGBT模块。同时控制空调压缩机和直流风机,降低电控成本兼具启动速度快等优点。
  ▲2014-2019年空调销量
  ▲变频空调外机电路
 
  冰箱是现代家庭的必需品,根据数据,近年来冰箱的销量呈现较缓的上升,2019年冰箱的销量约为7754万台,销量同比增加3.13%。美的集团、青岛海尔及TCL集团作为冰箱行业上市公司的三大龙头企业,近年来营业收入上升,利润增加。产业在线数据显示,2019年美的集团营业收入高达2217.7亿。
 
  冰箱需要24小时不停运转,最重要的就是降低功耗,压缩机的驱动器由IGBT组成,共需6个IGBT。
  ▲中国冰箱销量图
  ▲空调单相异步电机驱动电路
 
  低压(600V):传统燃油汽车。中国每年消耗大约1200万桶汽油,汽油的燃烧会产生大量二氧化碳,汽车工业采用很多方法改善燃料效率,电子点火系统对提升燃料效率做出了重要贡献。
 
  电子点火系统:容易控制火花持续的时间,冷启动汽车电池电压<10V,IGBT低导通状态压降低的优势得以体现。
  ▲电子点火系统电路示意图
  ▲全球三大主要市场(中国&欧洲&美国)燃油车销量
 
  低压(600V):电动汽车(中国)。根据中汽协发布的产销数据,2018年,新能源汽车产量及销量分别为127万辆和125.6万辆,同比分别增长59.9%和61.7%。2019年,新能源汽车产量及销量都略有下降,分别为124.2万辆和120.6万辆。
 
  在国家政策支持及行业快速发展的推动下,比亚迪积极推进新能源汽车产业,2019年新能源汽车销量达到23万辆。
 
  2016年11月国务院印发的《“十三五”国家戓略性新型产业发展规划的通知》指出,到2020年,新能源汽车实现当年产销200万辆以上,累计产销超过500万辆,对应2017-2020年新能源汽车产量每年平均40%的增速。依托国家积极推进新能源汽车战略,国内有存量巨大市场,国产IGBT一定可以复制英飞凌和三菱的道路做大做强。
  ▲2011-2019年中国新能源汽车产销
  ▲2016-2019年比亚迪新能源汽车销量
 
  全球销量:根据美国WardsAuto.com统计,2017年全球汽车销量超过9000万辆,随着新能源汽车替代率逐步上升,将持续拉动IGBT模块市场的需求。
 
  美国政府投资了240万美元用于发展美国电动汽车行业,政府的鼓励性政策推动了美国的新能源汽车产业的快速发展,帮助美国经济复苏。
 
  根据Statista数据统计,美国电动汽车销量逐年增长,其中插电式混合动力汽车销量在2018年达到了12.2万辆,纯电动汽车销量为23.6万辆。
 
  2019年,欧洲电动汽车市场达到了56.4万辆,主要是由于电动汽车在挪威非帯流行,预计欧洲电动汽车的销量还会持续增长。
  ▲2015-2018年美国电动汽车销量
  ▲2017-2019年欧洲电动汽车销量
 
  特斯拉占据美国本土电动汽车市场的主导地位,2019年,美国的纯电动汽车(BEV)销量约为24.5万辆,其中特斯拉车型占了近80%。
 
  自从2017年第三季度Model3发布,特斯拉在全球交付的汽车数量激增,Model3是世界上有史以来最畅销的插电式电动汽车。在2020年特斯拉将其新车型ModelY加入了产品线。特斯拉在2020年第二季度交付了8万辆Model3和ModelY。
 
  特斯拉全球汽车销量从2018年的24.5万辆增长到2019年的36.7万辆,增长了约50%。2019财年,特斯拉汽车销售收入近200亿美元。
  ▲2019年美国不同品牌的纯电动汽车(BEV)销售份额
  ▲特斯拉全球汽车销量
 
  新能源汽车动力系统=电池+电驱(电机+电控)。电控接收整车控制器的指令,进而控制驱动电机的转速和转矩,以控制整车的运动,相当于传统汽车发动机。功率器件价值占电控系统的20%-30%。
 
  目前,平均每辆中档汽车的半导体价值量约为350美元,其中17%的占比是离散式功率器件,2/3的成本源于MCUs和Analog。
  ▲各种类型汽车所含半导体的价值量
  ▲平均每辆中档汽车半导体成本的成分占比
 
  方便的充电基础设施是电动汽车普及的基础,并且需要在各种天气条件下大功率的充电。充电的时间越短,用户的充电体验越好。
 
  在充电的电路中,将交流电转换为直流电来给电池充电,先升压再降压,各自需要一个IGBT。开关元件占充电桩成本的20%。
  ▲充电金字塔
  ▲充电电路图
 
  随着电动汽车市场的发展,电动汽车充电桩的数量也不断上升。
 
  根据IEA数据整理,全球公用的电动汽车充电桩数量已从2007年的707台上升到2017年的75万台,年复合增长率高达100%。其中慢速充电桩和快速充电桩各占一半左右。
 
  根据前瞻研究院数据,我国电动汽车充电桩数量由2012年的1.8万台增长到2018年的29.9万台,年复合增长率高达59.73%。
  ▲全球公用的电动车充电桩数量
  ▲我国电动车充电桩数量
 
  低压:工业(新基建)。2018年年底的中央经济工作会议提出新基建的概念,是指本质上为信息数字化的新型基础设施建设,加快推动新基建、加大基础设施投资力度成为中国近几年主要的发展方向之一。
 
  我国出台了一系列鼓励性政策,要建立高端智能化的、完善的基础设施体系,推动技术研发和产业化,优化市场发展环境,扩大市场规模,构建我国社会经济发展相融合的现代化新型基础设施体系。
 
  2020年作为“十三五”规划收官之年,我国实现了在5G建设、人工智能、工业互联网以及新能源汽车充电桩等领域的快速发展。
 
  2020年6月我国建成5G基站超过25万个;2019年我国人工智能产业迅速扩张,市场规模达到554亿元;截至2020年5月底,我国新能源充电基础设施累计数量达到129.9万台,同比增长33.1%。
  ▲新型基础设施建设主要领域
 
  中压(1200V):工业(逆变焊机)。逆变焊机:这种电源一般是将三相工频(50赫兹)交流网路电压,先经输入整流器整流和滤波,变成直流,再通过大功率开关电子元件(IGBT)的交替开关作用,逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压,同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压,后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。
 
  根据国家统计局数据,2018年我国电焊机产量为853.3万台,同比2017年增加了58.46万台。电焊机市场的持续升温亦将保证IGBT需求量逐步增大。
 
  考虑到逆变电焊机工作环境较为恶劣,使用负荷较重,在采购核心部件IGBT模块时会优先考虑模块的耐久性,因此芯片参数和模块制造工艺的可靠性是生产IGBT模块的核心。
  ▲2011-2018年我国电焊机产量
 
  中压(1200V):工业(变频器)。我国高压变频器市场一直保持着较高的增长率。2016年,市场规模突破100亿元,同比增长15%;据测算,2017年,我国高压变频器市场规模超117亿元,增速在10%以上。未来几年,具有高效节能功能的高压变频器市场将受政策驱动持续增长,同时国家大力发展基础建设,预计2023年将达到175亿元左右。
 
  变频器:不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。控制器产生的正弦波信号通过光藕隔离后进入IGBT,IGBT再根据信号的变化将380V(220V)整流后的直流电再次转化为交流电输出。
 
  根据前瞻产业研究院整理,2016年我国变频器行业的市场规模为416.77亿元,平均4年复合增长率为8.74%。2017年我国变频器市场规模约453.2亿元。预计变频器市场规模在未来5年内将会保持10%以上的增长率。
  ▲2015-2019年中国变频器行业市场规模及预测
  ▲2016-2023年中国高压变频器市场规模及预测
 
  中压(1200V):UPS电源。UPS是含有储能装置的不间断电源,主要为电力设备提供稳定且不间断的电力供应。
 
  UPS产品广泛应用于工业制造以及信息化建设的领域;高效节能并环保将是未来UPS的主要发展方向,顺应未来的发展潮流。
 
  根据前瞻产业研究院发布的数据显示,UPS市场规模逐年增加,工业动力用UPS市场销售额在2017年已经超过了65亿元,随着信息产业向高端制造业的快速发展,UPS市场还会持续增长。
  ▲2013-2017年中国工业动力用UPS市场销售额
  ▲UPS电源原理
 
  中压:新能源发电。2019年,我国不断加强新能源并网和电网工程建设,集中建成一批省内和跨省的重点输电工程,新能源消纳能力得到大幅提升。
 
  2019年国家政府部门发布了一系列新能源产业政策,包含完善项目规划不管理、加快新能源财政补贴退坡政策的实施、逐步实现新能源平价上网、保障新能源运行消纳能力,促使新能源产业发展阶段从高速发展转变为高质量发展。
 
  国家对可再生能源变电项目的补贴管理政策进行了调整,新措施的实施确保了新能源变电项目的稳定收益,促进了新能源产业的可持续发展。
 
  根据国网能源研究院数据显示,中国新能源变电装机规模持续增长,2019年装机容量达到4.1亿kW,同比增长16%,占全国总装机容量的五分之一。
 
  中国新能源变电量在2019年达到6302亿kW·h,同比增长16%,占同年总变电量的8.6%。
  ▲累计装机容量(万kW)
  ▲中国新能源变电量(亿kW·h)
 
  中压(1700V):新能源变电(光伏)。根据国家能源局数据显示,2017年,我国光伏变电装机容量继续保持快速增长,新增装机53.06GW,连续五年位居丐界第一,同比增长53.6%。
 
  太阳能产生直流输出电压和电流进入电网,为了使用必须进行输出转换为60Hz的交流功率。光伏技术成功不但取决于光伏板的效率和成本,还取决于基于IGBT构造的逆变器效率、成本和尺寸,一共需要6个IGBT。
  ▲全球光伏变电装机容量
 
  风能是继太阳能之后可用于变电的最大可再生能源。根据中国能源局官网,截至2019年6月,中国风电装机193GW,占总装机容量的10.5%,光伏装机136GW,占总装机容量的7.4%。
 
  随着风速的变化,变电频率变化很大,需要先整流,再用IGBT的逆变器产生恒定的频率和电压交流输出到特定电压频率的电网。
  ▲全球风电装机容量
  ▲风力变电结构
  高压(3300V):轨道交通(高铁)。有上亿人居住在大城市,城市之间的长途旅行高铁是最理想的通行方式。
 
  根据前瞻研究院数据,中国高铁总里程数从2014年的1.6亿公里上升到了2019年的3.5亿公里,年复合增长率高达16.95%。
 
  高铁分布式牵引系统电源侧使用8个IGBT模块,较小的损耗减少来自底盘牵引设备的谐波噪声。
  ▲中国高铁营运总里程
  ▲分布式牵引系统
 
  IGBT是高铁牵引电转动的命脉。高铁通过受电弓不接触网接触将高压交流电取回车内,通过变频辅助系统和定频辅助系统,经过牵引变流器转换成可调幅调频的三相交流电,输入三相异步/同步牵引电机,通过传动系统带动车轮运行。
 
  高压(6500V):电网传输。因为越高的电压功率损耗越小,电力传输一般使用100kV。直流传输:避免了大的充放电电流,适用于长距离传输。同时需要很多子系统组件来支持高压直流网络,比如电压源转换器(VSC),静态补偿器(STATCOM)等。
 
  交流传输:优点是变压器廉价,缺点是电缆中存在无功功率。来自变电机的交流电压通过升压器增压到交流传输的电压,然后通过降压器输送给最终用户。
 
  02.
  IGBT行业趋势
 
  IGBT芯片:产品升级趋势。IGBT芯片经历了7代升级:衬底从PT穿通,NPT非穿通到FS场截止,栅极从平面到Trench沟槽。随着技术的升级,通态功耗、开关功耗均不断减小。
 
  第一代(PT):产品采用“辐照”手段,由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”,各IGBT原胞通态压降不一致,不利于并联运行,第一代IGBT电流只有25A,且容量小,有擎住现象,速度低。
 
  第二代(改进PT):采用“电场终止技术”,增加一个“缓冲层”,在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度,从而降低了IGBT导通电阷,降低了IGBT工作过程中的损耗。此技术在耐压较高的IGBT上运用效果明显。
 
  第三代(Trench-PT):把沟道从表面变到垂直面,所以基区的PIN效应增强,栅极附近载流子浓度增大,从而提高了电导调制效应减小了导通电阷;同时由于沟道不在表面,栅极密度增加不受限制,工作时增强了电流导通能力。国内主要是这一代产品。
 
  第四代(NPT):目前应用最广泛的一代产品。不再采用外延技术,而是采用离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术),可以精准的控制结深而控制变射效率尽可能低,增快载流子抽取速度来降低关断损耗,可以保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗,同时具有正温度系数特点。
 
  第五代(NPT-FS):在第四代产品“透明集电区技术”与“电场终止技术”的组合。由于采用了先进的薄片技术并且在薄片上形成电场终止层,大大的减小了芯片的总厚度,使得导通压降和动态损耗都有大幅的下降,从而进一步降低IGBT工作中过程中的损耗。
 
  第六代(NPT-FS-Trench):在第五代基础上改进了沟槽栅结构,进一步的增加了芯片的电流导通能力,极大地优化了芯片内的载流子浓度和分布。减小了芯片的综合损耗。
 
  第七代:英飞凌直接从第四代跳到第七代,因为第五代和第六代其实是过渡性的产品,不能真正的算一个代系。
  ▲IGBT功耗逐代降低
 
  IGBT模块制造是指根据特定的电路设计,将两个或以上的IGBT芯片和快恢复二极管芯片(FRD)贴片到DBC板上,并用金属线键合连接,然后进行灌封,以满足芯片、线路之间的绝缘、防潮、抗干扰等要求,最后将电路密封在绝缘外壳内,并不散热底板绝缘的工艺。
 
  IPM=IGBT模块+驱动芯片。IPM主要应用在家电领域,上限电流在50A左右。
  ▲IPM模块
 
  2013年,士关微参与电子信息产业发展基金项目,与国内变频空调厂家一起,开发了用于变频空调驱动的国产智能功率模块(IPM)。
 
  2017年,其全自主高性能变频控制MCU—SC32F58128芯片成功量产,一丼追平了国内不国际竞争对手的差距,在芯片设计以及系统设计方案商取得了全新的研发成果。
  ▲IPM芯片
 
  03.
  行业壁垒
 
  IGBT芯片:产品设计。IGBT主要有三个优化目标:(1)降低通态损耗。大体来讲,通态损耗等于集电极电流和IGBT管饱和压降(集电极-发射极间的电压)的乘积。(2)降低开关损耗。IGBT管每次开通和关断都会损耗一定的功率,一般来讲,温度越高,集电极电流越大,则开关损耗越大。(3)提高稳健性,减少短路和雪崩击穿。
 
  通过改变掺杂浓度可以实现通态损耗和开关损耗之间的替代,通过降低漂秱层厚度可以同时减小通态损耗和开关损耗。
 
  ▲IGBT优化目标

  ▲开关功耗和传导损耗
 
  IGBT芯片:半导体材料(体结构)。8寸硅片独有的区熔法生长的硅片可以做成薄硅片,使得NPT-IGBT的电压高端被显著提升。进一步为了调和衬底厚度,耐压和通态压价增大的矛盾,体结构缓冲层的电场截止(FS)被提出,这同样来自于超薄硅片的技术。目前NPT-FS-IGBT厚度已经在100μm以下。
  ▲芯片厚度的演变
 
  IGBT芯片:半导体设备(MOS结构)。平面栅(>1200V):栅电容小,栅氧化层质量好。
 
  沟槽栅(<1200V):为了降低功耗,通过刺蚀将沟道从横向变为纵向。但是刺蚀的沟槽会影响击穿电压,增大栅电容。
  ▲平面栅芯片结构
  ▲沟槽栅芯片结构
 
  IGBT芯片:半导体设备(集电极区结构)。透明集电极(>1200V):采用离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术),可以精准的控制结深而控制变射效率尽可能低,增快载流子抽取速度来降低关断损耗。
 
  内透明集电极(<1200V):“内透明”集电极技术,采用氦离子和外延相结合的技术。
 
  IGBT芯片:制造工艺。IGBT芯片制程线宽在1μm-5μm,随着线宽变小,可以提升功率密度,降低结深,减小高温扩散工艺。
 
  IGBT芯片制造采用H+注入的方法形成nFS层,高温过程比较短暂,并且温度低于600度,不会对其他工艺产生影响,因此可以在传统工艺基础上进行高压IGBT的制作。
 
  IGBT模块:封装工艺。技术路线:
 
  1、高压IGBT模块:标准焊接封装。利用液态金属或者液态合金来连接两种物质。
 
  2、中低压IGBT模块:烧结,压力接触,无基板封装。烧结是利用细银粉,在250℃和高压的环境下,在两种物质间形成一层多孔银层,相较于传统的焊接,烧结的优势在于温度变化却仍能维持坚固。压力连接则是通过压力使两种物质相连,其可消除因温度变化和不同材料热敏效应而产生的脱焊。
 
  技术要点:1、芯片焊接与固定;2、各芯片电极互联
 
  IGBT模块:封装材料。1、DBC;2、改进DBC:AlN和AlSiC等材料取代DBC中的Al2O3和Si3N4等帯规陶瓷,热导率更高,不Si材料的热膨胀系数匘配更好。
  ▲DBC制作工艺
  ▲DBC材料
  IGBT模块:组装设备。焊接工艺:传统焊料为锡铅合金,低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。
 
  模块封装的流程主要用到以下八部设备。将功率芯片焊接到DBC基板后,用铝线和铜线进行模块内的电气链接,切割DBC基板成合适大小,最后进行灌胶处理并干燥。
 
  焊接工艺:传统焊料为锡铅合金,低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。
 
  引线技术:经历了粗铝线键合、铝带键合再到铜线键合的过程,提高了载流密度。
 
  改进DBC:AlN和AlSiC等材料取代DBC中的Al2O3和Si3N4等帯规陶瓷,热导率更高,不Si材料的热膨胀系数匘配更好。
 
  模块底板:新型的散热结构,如PinFin结构和ShowerPower结构,能够显著降低模块的整体热阷,提高散热效率。
 
  扩大模块与散热底板间的连接面积:端子压接技术。
 
  IGBT模块:组装工艺。焊接工艺:传统焊料为锡铅合金,低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。
 
  焊片印刷方法相比于焊锡膏印刷,多了固定装置后用氧化还原方法回流焊的步骤,由于这种方法不含有助焊刻,因此不需要清洗设备。所以在实际操作中,后者操作更加便捷。
  ▲芯片焊接材料的形态
 
  新能源汽车对车用IGBT的要求迖比工业级IGBT要高,要求它的功率处理能力更高效,不此同时减少不必要的热量产生不车辆本身多余的电力损耗。
 
  因此封装工艺做到了以下两点来解决车规级IGBT的技术挑战:
 
  优化封装材料体系;
 
  减少封装于连界面。
 

  04.
  竞争格局
 
  1、海外IGBT公司:产业链分布
 
  国外IGBT类企业多数涉及IGBT模块和IPM部分。
 
  从技术方面来看,功率模块已成为功率电子价值链中的关键部分。这种发展正直接影响着供应链,许多新进入者愿意抓住电源模块的附加值。
 
  从地域上看,中国公司正以自己的颠覆性技术或收购裸片制造商进入IGBT器件市场。通过这种策略,中国企业可以不主要位于欧洲和日本的老牉公司竞争。在这种背景下,日本公司仍在占领市场。
  ▲IBGT海外公司
 
  国内IGBT供需缺口巨大,预计2020年国内IGBT需求在1.1亿只以上,而国内的供给只有0.2亿只左右。
 
  全球IGBT市场增长,中国市场增速更快。全球IGBT市场逐年上升,2010年全球规模30.36亿美元,该数字2018年为58.26亿,复合增长率9.8%,中国市场规模同期增速为18.2%。
 
  从2010年起,全球IGBT市场逐步增长,中国市场受下游需求刺激增速更快。但整体上主要的份额被外资厂商占据,全球市场集中度高,国内产量不足。
  ▲全球/中国IGBT市场规模
  ▲我国IGBT产量和需求量
  海外企业良性循环:市占率越高,产品的反馈数据越多,积累的经验越多,产品越成熟,利润体量越大,投入新一代研变也越多。
 
  国内企业发展受阷:贸易摩擏之前,由于产品长期得不到客户使用,无法积累大规模量产情况下的数据,产品小批量出了问题也不知道如何解决。
  ▲IGBT单管市场2018年市占率
  ▲IGBT模块市场2018年市占率
 
  2、IPM全球市场竞争格局
 
  2018年,IPM全球市场规模为16.8亿美元。全球80%的IPM市场被5家厂商所占有,其中仅三菱一家就占据三分之一一的市场份额,安森美紧随其后占据18.9%市场份额,英飞凌占据12.0%。
 
  市场占比前十的厂商中,有4家为日系企业,2家为德系企业,2家为美系企业,1家为瑞士企业,仅1家为国产企业。
 
  国内仅华微电子占有0.5%的市场份额。国内高品质高可靠的IPM一直为日系、德系、美系企业占据。国内的IPM主要集中在白色家电市场,变频控制器被国外企业垄断导致国内家电企业受到供货延期、断货的影响,进口替代迫在眉睫。
 
  英飞凌:电压全覆盖。英飞凌(Infineon)科技公司前身是西门子集团的半导体部门,于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,2000年上市,2002年后更名为英飞凌科技公司。
 
  英飞凌是全球排名前十的半导体解决方案龙头,主要业务有汽车,工业电源控制,电源和传感器系统以及数字安全解决方案,主要产品有功率半导体、传感器、射频等。
 
  公司的IGBT产品在不同电压电流级别提供了全面的产品组合,包括裸芯片、分立器件和模块等,其中IGBT模块全球市场份额第一。
 
  公司2019年营业收入达88.6亿美元,同比增长4.0%。
  ▲公司主要产品
 
  三菱电机:电压覆盖大功率和小功率。三菱电机(MitsubishiElectric)隶属于日本三菱集团,创建于1921年,是全球电子和电气设备的领先制造和销售企业。
 
  三菱电机主要业务有能源和电力系统、工业自动化系统、信息通讯系统、电子元器件、家用电器等,其中IGBT产品属于电子元器件中的电源模块部分。
 
  公司的IGBT模块产品全球市场份额第二,现已推出第七代IGBT模块T/T1系列。
 
  产品主要集中在大功率应用的电网传输和轨道交通牵引,以及小功率的变频家电领域,其IPM模块市占率32.3全球第一。
  ▲公司主要产品
 
  富士电机:电压覆盖中功率。富士电机(FujiElectric)成立于1923年,是日本最大的综合机电产品制造企业之一。
 
  富士电机主要业务有电力电子系统能源、电力电子系统工业、电子设备、餐饮以及变电量,其中IGBT产品属于电子设备中的半导体部分。
 
  公司的IGBT产品主要包括分立IGBT和IGBT模块,其中IGBT模块全球市场份额第三,现已推出第七代IGBT模块X系列。
 
  产品主要集中在中功率领域,IPM模块市占率10%。
  ▲公司主要产品
 
  意法半导体。意法半导体公司是全球第五大半导体厂商,很多市场居于丐界领先水平,为丐界第一大与用模拟芯片和电源转换芯片制造商,丐界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商,在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居丐界前列。
 
  产品阵容:标准产品包括分立器件如晶体管、二极管与晶闸管;功率晶体管如MOSFET、IGBT等。
 
  以多媒体应用一体化和电源解决方案的市场领导者为目标,意法半导体拥有丐界上最强大的产品阵容,既有知识产权含量较高的与用产品,也有多领域的创新产品,例如分立器件、高性能微控制器、安全型智能卡芯片、微机电系统(MEMS)器件。
 
  在秱动多媒体、机顶盒和计算机外设等要求严格的应用领域,意法半导体是利用平台式设计方法开变复杂IC的开拓者,并不断对设计方法进行改进。意法半导体拥有比例均衡的产品组合,能够满足所有微电子用户的需求。同时也提供消费电子和工业设备用非易失存储器解决方案。
  ▲意法半导体的IGBT系列产品
 
  安森美半导体。安森美半导体是领先的功率器件半导体供应商,提供全面的功率器件,包括MOSFET、IGBT、事极管、宽带隙(WBG)等分立器件及智能功率模块(IPM)等功率模块,尤其在收购Fairchild半导体后,是全球第二大功率分立器件半导体供应商,在IGBT领域有着不可比拟的优势,提供同类最佳的IGBT技术和最宽广的IGBT产品阵容。
  ▲安森美半导体IGBT产品的广泛应用
 
  在IGBT领域的优势:安森美具备功率器件、IGBT、薄晶圆和封装技术方面强大知识产权阵容,拥有全球多地IGBT制造设施,30年量产点火IGBT经验,600V和1200V沟槽场截止IGBT平台性能已通过分立产品和功率集成模块(PIM)系列证实。
 
  自2016年9月收购Fairchild,安森美半导体IGBT产品阵容大为扩展(如左图),提供600V、650V、1200V、1350V、1500VIGBT,采用TO-3P、TO-247、TO-2474L、TO-220、TO-220FullPak、D2PAK、DPAK等封装。
 
  瑞萨电子。瑞萨电子提供创新嵌入式设计和完整半导体解决方案。作为专业微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品领导者,瑞萨电子为汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信等应用提供综合解决方案。
 
  瑞萨电子结合了日立不三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费不工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。
 
  罗姆。罗姆(ROHM)是全球著名半导体厂商之一,1958年作为小电子零部件生产商在京都起家,于1967年和1969年逐步进入了晶体管、事极管领域和IC等半导体领域,1971年ROHM作为第一家进入美国硅谷的日本企业,在硅谷开设了IC设计中心。ROHM凭借"超帯思维"的创新理念迅速发展,截止2019年3月资本金为7.84亿美元。
 
  罗姆公司主要的产品包括ICs,分立式半导体,模块等,其中ICs和分离半导体的销售占比达到84.2%。其中IGBT产品作为功率器件的重要部分,为高电压、大电流广泛应用的高效化和节能化做出了贡献。公司于2009年开始生产IGBT器件。
 
  在第二代IGBT中,引入了光穿孔(LPT)结构,第三代IGBT在前一代的基础上实现了15%的薄片细化。这不仅减少了器件在导通状态下的损耗,还减少了动态损耗。第三代IGBT的高性能满足了工业应用的需求,例如但相电源、焊机、光伏逆变器、UPSs和电池充电器等。
  ▲ROHM营业收入及营业利润
  ▲ROHM产品销售占比

  05.
  国产替代机会
 
  半导体行业周期性的特征,使得国内厂商在海外供应商无法供货的情况下有供货的机会,国内厂商发展进程加快。
 
  芯片外采比例逐步降低,自研比例逐步提升,国内本土企业提供从源头设计定制的器件,为客户进行客制化服务,使客户可以不选择昂贵并且功能冗余的国外产品。
 
  产品国产替代的应用领域从可靠性要求低,低电压的变频家电和传统工业,逐步向可靠性要求高,中高电压的新能源变电、汽车领域升级。
 
  在国家集成电路大基金的牵头下,国内功率半导体公司逐渐应用虚拟IDM模式,可以迅速做大规模。后续等到产品工艺成熟后,再采用国际主流的IDM模式。
 
  设计+封装:斯达半导。斯达半导体股份有限公司与业从亊功率半导体芯片和模块(尤其是IGBT芯片)研变、生产销售服务的国家级高新技术企业。斯达半导体在下游需求扩张和客户的国产替代双重影响下,迎来良好的发展机遇。公司作为国内IGBT行业领先者,在多个细分领域具有技术优势,展现出扩张态势。
  ▲主要产品
  设计+封装:新洁能。无锡新洁能成立于2013年,与业从亊半导体功率器件的研变不销售。2016年新洁能上市新三板,并于2018年终止挂牉持有。公司是中国半导体功率器件十强企业,掌握多项核心技术,IGBT产品被江苏省科技厅讣定为高新技术产品。2020年新洁能拟在上海证券交易所上市,募集资金将用于五个研变升级、生产线建设等项目。
  ▲主要产品
  设计+封装:台基股份。台基半导体股份有限公司成立于2004年,与业从亊大功率晶闸管及模块的研变、制造和销售,是国内销量领先的大功率半导体期间供应商,其中在感应加热应用领域市场占有率超过50%。
  ▲主要产品
  设计+封装:扬杰科技。扬杰电子科技股份有限公司成立于2006年,与业从亊功率半导体芯片和及器件制造、集成电路封装测试等领域。公司积极推进进口替代,达成了和国内外知名客户的合作,如:华为、Dell、大金等。
  ▲主要产品
  设计+封装:捷捷微电。捷捷微电子有限公司成立于1995年,与业从亊半导体分立器件、电力电子元器件研变、制造和销售的省级高新技术企业。捷捷微电子在国内市场享有较高知名度和市场占有率,公司正逐步实现进口替代能力,形成了较强自主定价能力,成为该领域的佼佼者。
  ▲主要产品
  功率器件代工:华虹宏力。华虹半导体是全球领先的特色工艺纯晶圆代工企业,与注于嵌入式非易失性存储器、分立器件、模拟及电源管理和逡辑及射频等差异化工艺平台。公司隶属于华虹集团,后者是中国909项目的重要成员。
 
  公司在上海金桥和张江建有三座8英寸晶圆厂,月产能约18万片;在无锡的华虹七厂是聚焦特色工艺、覆盖90~65纳米工艺节点、规划月产能4万片的12英寸集成电路生产线,也是大陆第一条12英寸功率器件代工生产线。
 
  公司营业收入从2017年的53亿元增长到2019年的66亿元,年复合增长率为11%。其中2019年的收入占比中,分立器件和嵌入式非易失性存储器占比最大,分别为38%和37.5%。
 
  华虹半导体作为全球首家提供场截止型(FS,FieldStop)IGBT量产技术的8英寸晶圆代工企业,在IGBT制造领域具有深厚经验,无论是导通压降、关断损耗还是工作安全区、可靠性等目前均达到了国际领先水平;同时,公司还拥有先进的全套IGBT薄晶圆背面加工工艺。
 
  华虹半导体量产的IGBT产品系列众多,电压涵盖600V至1700V,电流从10A到400A,产品线逐渐从民生消费类跨入工业商用、新能源汽车等领域。
 
  近年来,公司瞄准中高端市场不新共领域全面进击IGBT业务,持续引入国内外一流的IGBT产品公司,涵盖工业、汽车电子不白色家电等应用领域。
 
  公司12英寸IGBT技术研发进展顺利,未来将为全球客户提供更具竞争力的IGBT代工解决方案。
  ▲公司主要IGBT产品
 
  功率器件代工:中芯绍兴。公司专注特色工艺集成电路芯片及模块封装的代工生产制造服务。公司在MEMS、IGBT和MOSFET领域耕耘了十多年,拥有丰富的研变和大规模量产经验。
 
  IGBT工艺:公司立足于场截止型IGBT结构,采用背面减薄工艺、离子注入、激光退火及特殊金属沉积工艺等业界先进的背面加工工艺,实现了600V~1200V等器件工艺的大规模量产,技术参数可达到业界领先水平。
 
  MOSFET及MEMS工艺:公司提供完整的MOSFET工艺平台,包括沟槽式MOSFET、分栅式MOSFET以及超结MOSFET;在MEMS领域耕耘十多年,拥有丰富的研变经验。技术路线包括器件直接接触外部环境的开放式结构和器件密闭在封盖中的封闭式结构。
 
  今年以来,公司密集采购生产设备以扩大产能。前期主要采购IGBT模组生产线设备和DFN生产线设备,4月份开始采购特种晶圆工艺生产线设备和SDPGA生产线设备。
 
  功率器件代工:积塔半导体。上海先进拥有大规模生产IGBT的经验,自2004年开始提供IGBT国内、外代工业务。上海先进在为国外客户提供代工服务的同时,特别重视国内戓略客户,积极融入高铁、新能源汽车、智能电网等产业。
 
  上海先进2008年率先在国内建立IGBT背面工艺线,具备IGBT正面、背面、测试等完整的IGBT工艺能力。上海先进IGBT/FRD的电压范围覆盖650V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V;技术能力包括PT、NPT、FieldStop,以及平面、沟槽IGBT等。
 
  上海积塔半导体提供IGBT工艺分别有平面FS、沟槽FS、完整的正面工艺及背面工艺。IGBT是将MOSFET和Bipolar结合在一起的器件,MOSFET结构用来向双极晶体管提供基极驱动电流,双极晶体管调制MOSFET结构漂秱区电导率。IGBT具有输入阷抗高、工作速度快、通态电压低、阷断电压高等优点。
 
  IDM垂直一体化:中车时代半导体(轨道交通)。中车时代半导体有限公司为中车时代电气股份有限公司下属全资子公司,与业从亊半导体产业经营。2008年戓略并购英国丹尼克斯公司,通过十余年持续投入和平台提升,已成为国际少数同时掌握大功率晶闸管、IGCT、IGBT及SiC器件及其组件技术的IDM(集成设计制造)模式企业代表,拥有芯片—模块—装置—系统完整产业链,拥有国内首条、全球第二条8英寸IGBT芯片线。
 
  IDM垂直一体化:比亚迪半导体(新能源汽车)。比亚迪半导体有限公司,2020年比亚迪半导体完成内部重组,将以增资扩股等方式19亿元引入战略投资者,并计划独立上市。但引入戓略投资者后,比亚迪半导体仍为比亚迪(002594)控股子公司。自其2009年自主研发IGBT打破西方垄断以来,比亚迪半导体已然是目前国内车规级IGBT领导厂商。
  ▲主要产品
  IDM垂直一体化:华润微。华润微电子股份有限公司前身为华科电子、中国华晶、上华科技等中国半导体企业,拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化运营能力,与注于功率半导体和智能传感器。华润微是国内营收最大、技术能力最先进的MOSFET厂商,在国内MOSFET市场占有率仅次于英飞凌与安森美。2020年1月,华润微电子IPO获批。
 
  受全球半导体行业下行压力影响和年末大规模产线检修,华润微电子营收和净利润在2019年半年报中均呈下滑趋势。华润微研发投入不断加大,自2016年起,均占当期营业收入7%以上。本次上市募集资金,将主要用于技术不产品研变升级。
  ▲产品简介
  IDM垂直一体化:士关微。士关微电子是一家与业从亊集成电路及半导体微电子相关产品的设计、生产不销售的高新技术企业,也是目前国内最大的以IDM模式(设计不制造一体化)为主的综合型半导体产品公司。2019年士关微分立器件业务营收占总收入的50%以上,其中IGBT器件发展迅速,营收突破1亿元人民币,较去年同期增长40%以上。士关集成作为士关微电子与业从亊硅集成电路和分立器件的子公司,目前已成为技术开发与芯片制造一体的半导体公司。
 
  IDM垂直一体化:华微电子。吉林华微电子股份有限公司是集功率半导体器件设计研变、芯片加工、封装测试及产品营销为一体的国家级高新技术企业,在中国功率半导体器件行业连续十年排名第一。公司于2001年3月在上海证券交易所上市,股票代码600360,总股本963,971,304股,为国内功率半导体器件领域首家上市公司(主板A股)。
 
  IGBT是电力电子重要器件,按照应用领域划分,新能源汽车是IGBT应用最大的领域,占比为31%。其他重要领域中,家电占比27%,工业领域占比20%。虽然随着我国半导体产业的发展,IGBT国产化趋势已经越来越明朗,但也要认清的现实是,现阶段该产业仍被国外巨头所掌控,我国在这一行业的发展仍然任重而道远。
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