igbt最新發展動態「智能時代新能源的機遇與挑戰」

匯能金屬 2023-07-09 12:15:02

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（報告出品方/作者：中信證券，徐濤、夏胤磊）

1. 行業概覽

1.1 什么是功率半導體?

功率器件是電子裝置電能轉換與電路控制的核心，主要用于改變電壓和頻率。主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等，同時具有節能功效。功率半導體器件廣泛應用于移動通訊、消費電子、新能源交通、軌道交通、工業控制、發電與配電等電力、電子領域，涵蓋低、中、高各個功率層級。

1.2 什么是IGBT?

IGBT屬于雙極型、硅基功率半導體，具有耐高壓特性。融合了BJT（Bipolar junction transistor，雙極型三極管）和 MOSFET 的性能優勢，結構為 MOSFET 一個BJT，兼具BJT大電流增益和MOS壓控易于驅動的優勢，自落地以來在工業領域逐步替代MOSFET和 BJT，目前廣泛應用于650-6500V的中高壓領域，屬于功率器件領域最具發展前景的賽道。

1.3 70%的IGBT具體應用形式為模塊

IGBT最常見的應用形式是模塊。大電流和大電壓環境多使用IGBT模塊，IHS數據顯示模塊和單管比例為3:1。而IPM是特殊的IGBT模塊，主要應用于中小功率變頻系統。IGBT模塊主要有五種結構。以2 in 1模塊為例，模塊中封裝了兩組芯片，根據電流或功率要求不同每組可并聯多顆IGBT芯片（ IGBT芯片與FRD一一對應）

IGBT模塊的優勢：與單管相比，IGBT模塊：1）集成度更高，更節約體積，2）多IGBT芯片并聯，電流規格更大，3）減少外部電路連接的復雜性，4）散熱性更好，可靠性提升

2. 技術路徑

2.1 產業環節拆分

IGBT產業大致可分為芯片設計、晶圓制造、模塊封裝、下游應用四個環節，其中設計環節技術突破難度略高于其他功率器件，制造環節資本開支相對大同時更看重工藝開發，封裝環節對產品可靠性要求高，應用環節客戶驗證周期長，綜合看IGBT屬于壁壘較高的細分賽道。

2.2 芯片設計：已迭代7代，核心是高功率密度和高穩定性

由于IGBT 芯片工作在大電流、高電壓的環境下，對可靠性要求較高，同時芯片設計需保證開通關斷、抗短路能力和導通壓降（控制熱量）三者處于均衡狀態，芯片設計與參數調整優化十分特殊和復雜，因而對于新進入者而言研發門檻較高（看重研發團隊的設計經驗）GBT應用端迭代節奏慢于研發端，目前市場主流水平相當于英飛凌第4代。由于IGBT屬于電力電子領域的核心元器件，客戶在導入新一代IGBT產品時同樣需經過較長的的驗證周期，且并非所有應用場景都追求極致性能，因此每一代IGBT芯片都擁有較長的生命周期。

2.3 晶圓制造：背板減薄、激光退火、離子注入是難點

IGBT制造的三大難點：背板減薄、激光退火、離子注入。IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS區別不大，但背面工藝要求嚴苛（為了實現大功率化）。具體來說，背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬 Al層的基礎上，將硅片通過機械減薄或特殊減薄工藝（如Taiko、Temporary Bonding 技術）進行減薄處理，然后對減薄硅片進行背面離子注入，如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子，在此過程中還引入了激光退火技術來精確控制硅片面的能量密度。

特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到 100-200μm，對于要求較高的器件，甚至需要減薄到60~80μm。當硅片厚度減到100-200μm的量級，后續的加工處理非常困難，硅片極易破碎和翹曲。從8寸到12寸有兩個關鍵門檻：減薄要求從120um轉成80um，翹曲更嚴重，國內能解決，背面高能離子注入（氫離子注入），設備單價高

2.4 模塊封裝：散熱和可靠性是關鍵

GBT模塊重視散熱及可靠性，封裝環節附加值高。IGBT模塊在實際應用中高度重視散熱性能及產品可靠性，對模塊封裝提出了更高要求。此外，不同下游應用對封裝技術要求存在差異，其中車規級由于工作溫度高同時還需考慮強振動條件，其封裝要求高于工業級和消費級。

3. 市場空間

3.1 電動車—電控—IGBT模塊—IGBT晶圓的價值量分布

1個8寸晶圓可以產出259顆相應規格芯片，對應10個80KW的車規模塊（PS：包含了 FRD芯片）結論：一顆8寸晶圓可以滿足10輛A00級車的電控需求（80KW以下），5輛160KW的 A級車的電控需求

3.2 下游之光伏風電：IGBT需求增速約15~20 %

光伏：光伏逆變器中IGBT單位成本約0.02元/W。我們測算2019/20年全球光伏行業IGBT需求約 23/27億元，我們預計2025年將伴隨光伏裝機增長至70億元（國內占比約60%，對應42億元），5 年CAGR超過20%。

風電：預計“十四五”期間國內風電年均裝機超50GW，年復合增速10%-15%。以1.5MW雙饋型風機為例，其中變流器中IGBT用量約21個（1700V/2400A）；目前風電變流器中IGBT單位成本約為0.025元/W。根據我們測算，2020年國內風電行業IGBT需求約9億元，預計2025年增長至17.5 億元，5年CAGR接近15%。（報告來源：未來智庫）

光伏風電整體需求增速約15~20%；若考慮儲能需求，實際增速更高。

3.3 下游之工業控制：行業增速10~15%

IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統工業控制及電源行業的核心元器件,下游增速約10~15%細分市場包括變頻器、工業電源、電焊機、伺服器等。工控領域IGBT需求相對分散，國內市場空間約70~80億元，預計未來維持10~15%增速。

3.4 下游之變頻家電：行業增速約15~20%

2020年初國家推出新能效標準加速家電的變頻化，行業增速約20%。以空調為例，國內2022年完全淘汰定頻空調，定速空調和變頻3級能效產品以下均不符合新國標，將淘汰目前在售的90% 以上的定速空調型號和50%的變頻空調型號。IHS預計全球2017~22年變頻家電出貨量CAGR達到19%。變頻家電多使用IPM，全球空間有望達百億級別。IPM（智能功率模塊）是一種特殊的IGBT模塊，集成了驅動、保護電路等。空調使用2顆IPM（內外機），其他家電使用1顆IPM，單顆ASP在 10~30元。基于IHS預測的變頻家電出貨量測算，2017年到2022年全球家電用IPM總需求將由49 億元增長至117億元。

3.5 下游之電網軌交：國內需求接近20億，市場相對封閉

電網：近年落地的柔性直流（張北±500kV柔性直流工程）或直流混合項目（烏東德工程），開始較大批量的采購高壓IGBT產品，單條線路平均用量約5000~6000萬元。預計“十四五”期間，柔性直流項目有望逐漸穩定落地并擴大商用規模。

軌交：軌道交通市場對于IGBT的需求可根據應用場景，大致分為鐵路市場與地鐵市場。具體IGBT 單位用量，主要根據車型設計使用的電壓等級及變流器數量決定，電力機車平均用量在60~90個左右，電壓等級在2400V~6500V之間；動車組平均用量為80~150個，電壓等級在3300V~6500V之間；地鐵受型號影響，平均用量在30~80個不等，電壓等級在1700V~3300V之間。以2018年中國軌道交通招標采購量為例，經測算預計全年軌交IGBT采購需求約為15億元。

4. SiC的影響幾何

4.1 應用場景：導電型SiC主要應用于中高壓功率器件

目前 SiC 功率器件主要定位于功率在 1kw-500kw 之間、工作頻率在 10KHz-100MHz之間的場景，特別是一些對于能量效率和空間尺寸要求較高的應用。

4.2 行業痛點：價格遠高于Si基器件，目前仍處于普及初期

盡管1990s SiC襯底就已經實現產業化，但可靠性和高成本限制了行業普及。SiC功率器件成本遠高于Si基功率器件，成本降低驅動逐步滲透：SiC 二極管：應用相對容易，和 Si 基產品價格差在3~5倍。在比特幣的螞蟻挖礦機的電源中有批量的商業應用，在高效能的(數據中心)電源、 PV、充電樁中已有不少應用。SiC MOSFET ：應用相對較難，和 Si基產品價格差在~5倍，在 PV 逆變器、充電樁、電動汽車充電與驅動、電力電子變壓器等逐步開始應用。

4.3 空間：18年SiC器件需求約4億$，10年35倍擴張

根據IHS Markit數據，2018年SiC功率器件市場規模約3.9億美元。預計到2027年將超過100億美元，對應9年CAGR為43%。驅動力包括：需求端：1）特斯拉引領下，新能源汽車逐步開始使用SiC MOS，拉動龐大需求（預計是最大也是最重要的市場），2）電力設備等領域的帶動。供給端：1）產品技術升級，SiC襯底尺寸從4寸轉向6寸，再向8寸升級；2）產能擴張后產生規模效應。

4.4 電動車：SiC優點在于可降低綜合成本

直接成本增加：在逆變器中用SiC MOS替換IGBT，會增加約1~200美金的器件成本。其他成本降低：1）SiC 可使控制器效率提升 2%~8，進而降低電池成本。根據CASA，電動車每百公里電耗減少1kWh，電池成本節約1500元（反之，同樣的電池成本續航能力更強）。 2）由于高頻特性，配套的變壓器、電感等磁性元件成本降低（電感成本與頻率成反比）。3）逆變器體積減小，降低其他材料成本。4）低功耗、高工作結溫降低散熱要求。電池容量更大的高端車型或電動大巴車，更容易率先引入SiC MOSFET

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