IGBT行业专题报告功率半导体再获生机,
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1、功率半导体再获生机，IGBT成为工业“CPU”
1.1、功率半导体及IGBT发展历程
IGBT作为一种新型电力电子器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。
虽然IGBT是芯片家族的成员，但它和处理信息或存储数据的芯片是不同的，IGBT的主要工作是控制和传输电能，指甲盖大小的芯片组成的IGBT可以处理W以上的超高电压，IGBT芯片工作时可以在短短1秒的时间内，实现10万次电流开关动作，从而驱动高铁飞速行驶。
IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由BJT(双极结型晶体三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。
IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。
至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。回顾IGBT的发展历程，其主要从三方面发展演变：器件纵向结构，栅极结构以及硅片的加工工艺。
1.2、IGBT技术原理与生产模式
IGBT在生产工艺上具有诸多难点，同时其生产所需专用设备技术门槛较高。
IGBT技术与工艺复杂
（1）芯片设计：IGBT芯片结构虽已确定，但芯片的设计仍较为复杂，需考虑应用场景、工艺能力和参数平衡等综合因素。
（2）芯片制造：功率半导体工艺分正面和背面，改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上需要进行大量的工作。相关工艺上实现难度较大，尤其是薄片工艺和背面工艺。
工艺难点：
1.薄片工艺：IGBT芯片厚度一般在-微米，有的甚至在80微米以下，在磨到此厚度时，特别是对于8寸以上的大硅片，晶圆减薄后容易在加工过程中发生碎裂；
2.背面工艺：包括了背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属的熔点的限制，这些背面工艺必须在低温下进行(不超过°C)，退火激活难度极相对较大。背面注入以及退火工艺难度也较大，虽然国外某些公司可代加工，但是他们一旦与客户签订协议，就不再给中国客户代提供加工服务，代工风险较大。
（3）封装：IGBT封装工艺是能否实现IGBT最佳性能的关键之一，同样具备相当的门槛。IGBT发展至今，依靠优化芯片设计提升性能已经到了瓶颈，在模块封装技术方面，国内基本掌握了传统的焊接式封装技术，其中中低压模块封装厂家较多，高压模块封装主要集中在中车。与国外公司相比，技术上的差距依然存在。
IGBT工艺生产设备专业化程度高
国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难，每道制作工艺都有专用设备配套。其中有的国内无法生产，有的技术水平无法达到要求。
（1）真空焊接机：德国的真空焊接机，能将芯片焊接空洞率控制在低于1%，而国产设备空洞率高达20%到50%，国内外技术差异明显。
（2）表面喷砂设备：日本生产的表面喷砂设备，工艺先进，但是日本政府禁止出口。国内设备虽然便宜，但是无法满足IGBT的高要求。
（3）自动化测试设备：IGBT生产过程对环境要求十分苛刻，要求高标准的空气净化系统，世界一流的高纯水处理系统。因此所用测试设备，须为自动化测试设备，但是该设备价格高昂。
IGBT芯片作为半导体芯片，根据是否自建晶圆生产线，可分为三种运作模式，分别为IDM、Fabless和Foundry模式。
（1）IDM（IntegratedDeviceManufacture）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）Fabless模式即无晶圆厂的集成电路设计企业，该模式下的企业仅专注于集成电路设计，没有自己的工厂，芯片的制造由外包工厂完成。由于无需投资建立晶圆制造生产线，减小了投资风险，且能较快速开发出终端需要的芯片。
（3）Foundry（代工厂）模式，只负责制造、封装或测试的其中一个环节，不负责芯片设计；可以同时为多家设计公司提供服务，但受制于公司间的竞争关系。Foundry主要的优势是：不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险；主要的劣势是：投资规模较大，维持生产线正常运作费用较高，需要持续投入维持工艺水平，一旦落后追赶难度较大。
2、IGBT工业应用广泛，国产化替代前景巨大
2.1、IGBT主要应用市场
作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT已广泛应用于工业、4C(通信、计算机、家电、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。
IGBT电压适用范围宽广，工业应用广泛：作为大功率半导体器件，IGBT最具特色的是其耐高压的优点，它不仅可以在V以下的低压家用电器使用，也可在电动汽车及新能源发电中使用，IGBT最高可承受V的高压电流，因此在高压直流输电及高铁电力牵引中成为不可或缺的大功率器件。年IGBT的应用领域中，新能源汽车占比最高，达到31%，其他重要领域包括家电、工业控制、电网输电及轨道交通。
2.1.1、工控和家电IGBT市场，国产化价格优势明显
在中国IGBT应用市场中，工控、汽车、家电为最大的三个市场。工控和家电用IGBT的技术要求通常低于汽车级IGBT，工业和家电类客户对价格较敏感，且注重供货稳定性和服务响应速度，本土企业在价格上更有优势，且可就近为客户服务，在未来的竞争中有望不断挤压海外企业的市场份额。
工控市场：IGBT模块是变频器、电焊机工业控制系统的核心
（1）变频器：变频器是工控调速和节能的主要装置，可应用于电梯、起重机、冶金、油气管网建设、清洁能源等领域。变频器市场原由ABB、西门子等外资企业占据，后其市场份额逐步被汇川、英威腾等蚕食，带动国内IGBT企业的发展。目前外资企业市场占比仍在70%以上，国产替代有较大增长空间。
（2）电焊机：电焊机主要用于钢铁行业行业增速稳定但有结构性调整，我国逆变焊割设备产量每年以大约20%的速度增长，其发展速度大大高于传统焊割设备，替代传统焊割设备的趋势明显。欧美等发达国家逆变焊割设备的比重约为60%70%当前我国逆变焊割设备的使用比重约为28%，尚有巨大的上升空间。
家电市场：市场仍被外资企业占据，国产IPM替代空间较大
（1）中国是全球家电产品的最大制造地区，家电变频化带动IPM（IGBT模块）需求。中国地区家电产量占全球比例较大，空调产量占比73%、彩电62%，冰箱冰柜53%，洗衣机38%。中国是全球电子产品制造大国，预计未来仍将对IGBT等功率器件产生大量需求。
（2）目前国内IPM模块主要依赖进口，国产化率较低。IPM市场主要被国际厂商占据，其中三菱、英飞凌、安森美合计市占率超60%。考虑到成本与服务响应，国产替代要求强烈。同时国际大厂逐步退出该领域，国内厂商在中低压功率产品迎来替代良机。国内目前进入家电领域的IPM企业除了格力、美的部分自供外，唯一的第三方供应商是士兰微，国产化率较低（不足10%）。另外，斯达、江苏宏微等也国内企业也在消费领域持续发力，有望提升国内企业的市场份额。
2.1.2、轨道交通平稳发展，IGBT成为轨交电力牵引关键
IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。
IGBT主要用于动车组列车的“牵引变流器”，牵引变流器是驱动动车组列车行驶最关键的部件，每个动车组列车装有4台牵引变流器，每台搭载了32个IGBT模块，一共个。不同类型的动车组类车需要的IGBT数量是不一样的，少的有80个，多的达到个。
我们通过分别预测-年动车组、机车与城轨市场规模，结合单个产品所需IGBT模块数及单价，预测出动车组、机车与城轨IGBT的市场规模。-年，中国轨道交通市场总规模分别为17.09亿元、19.71亿元。
2.1.3、智能电网砥砺前行，IGBT增添新能源并网新思路
交直流输电百年争论不休，直流输电终成直达万吨“巨轮”
其实，早在19世纪末，科学界就曾上演过一场“交、直流之争”。当时，围绕使用交流输电还是直流输电，科学家划分为截然不同的两派：美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直流输电；而美国发明家威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输电。争论的结果是，交流输电以其组网和便捷的升压优势，成为电力系统大发展的起点。
如今，电力技术经过多年发展，已同当年不可同日而语，而直流输电的优势也并未被忽视。目前，世界各国几乎都采用了大范围交直流混合电网技术。随着电压等级从10千伏、千伏到千伏，再到0千伏的不断升高，电网规模也在不断扩大，相应的交、直流输电技术始终同步发展，在工程应用上也实现了高度融合。
新能源并网蓬勃发展，IGBT成为柔性直流输电“干将”
柔性直流输电技术是采用IGBT等全控器件，并以换流阀调制技术为基础的一种高压直流输电技术。VSC可以达到控制换流站输出电压幅值和相位的效果，进而可以控制换流站与交流系统之间有功功率和无功功率的交换。从交流系统的角度来看，VSC可以等效成一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时地在PQ平面四个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制，这是VSC的基本特性之一。目前VSC-HVDC已经在风电场的并网，电网互联，孤岛和弱电网供电，以及城市供电中发挥了重要的作用。
可靠性方面，就目前来看柔直的可靠性高。IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。
从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。
（1）从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。
（2）从输电端来看，特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。
（3）从变电端来看，IGBT是电力电子变压器（PET）的关键器件。
（4）从用电端来看，家用白电、微波炉、LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。
年度光伏发电使用柔性输电工程并网比例为53%，根据国家能源局要求，柔性输电工程并网比例将不断提升，从CPIA获悉的数据，可以看出，-年，光伏新增装机容量将会从年的谷底不断攀升，而风电新增装机容量将会保持一个轻微下降的态势预期。至年，中国新能源发电通过柔性输电并网比例将会提升至71%，中国新能源发电IGBT市场规模将会增加到14.4亿元。
2.1.4、新能源汽车前景广阔，IGBT成为电动之芯
IGBT在电动车中存在广泛的应用，除了电动控制系统外，在车载空调控制系统及充电桩中也有着应用。
从成本上看，新能源电动车成本结构中最大者为电池，占比约40~50%，其次为电机驱动系统，约占全车成本15%至20%。其中，IGBT占驱动系统一半左右，即IGBT占电动车约8%至10%成本，成电动车降价第二关键零组件，以特斯拉ModelX为例，其使用了英飞凌提供的个IGBT管，所花费用大约在美元。
车规级IGBT相对于工业级IGBT，对诸多耐受指标要求更为严格：与工业IGBT模块相比，车规级IGBT在耐高温、电气可靠性、强振动下稳定性等方面具有更高的要求。
（1）车辆运行时，容易在路况拥堵时发生频繁启停，电机会出现堵转，此时控制器的IGBT模块工作电流会出现急速的突变，导致IGBT的温度快速变化，IGBT模块的寿命面临考验；
（2）由于车况的不确定性，汽车级IGBT模块在车辆行驶中会受到较大的震动和冲击，这对于IGBT模块的抗震机械强度提出了更高的要求；
（3）车体的大小限制，对于控制器的大小以及IGBT模块的功率密度提出了更高的要求。
2.2、IGBT市场格局
从市场竞争格局来看，美国功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商，例如TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS和Vishay等厂商。欧洲拥有Infineon、ST和NXP三家全球半导体大厂，产品线齐全，无论是功率IC还是功率分离器件都具有领先实力。
日本功率器件厂商主要有Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、FujiElectric等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好，但在功率芯片方面，虽然厂商数量众多，但很多厂商的核心业务并非功率芯片，从整体市场份额来看，日本厂商落后于美国厂商。德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一，年其IGBT功率晶体以31%的市场占有率位居第一。-年功率半导体细分领域中，新能源汽车增速最快，达到8%，其次是工业领域，达到7%。
近年来，中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。总体来看，台湾功率厂商的发展较快，技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和LCD等设备。
由于IGBT对设计及工艺要求较高，而国内缺乏IGBT相关技术人才、工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚，因此IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断，国内市场产品供应较不稳定；随着国内市场需求量逐步增大，供需矛盾愈发突显。
中国功率半导体市场规模占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。在国内新能源汽车IGBT模块市场中，英飞凌公司中是绝对的龙头老大，市场占比58.2%，相比年33%的市场占比，其市场地位有了进一步的巩固。比亚迪微电子则在多年的技术积累中，逐渐成长为中国IGBT市场份额第二大企业。中车时代电气则以轨交IGBT为市场切入点，不断拓展业务至电动汽车及智能电网市场，年市场份额逐渐攀升至0.3%
2.3、SiC已成后起之秀，IGBT短期仍是市场主流
2.3.1、下一代半导体SiC技术优势明显
SIC的前世今生：SiC（碳化硅）由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途。此外，SiC（碳化硅）的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
IGBT即将逼近硅基材料的性能极限，SiC芯片成为电动汽车技术革新的必经之路：SiC能将新能源车的效率再提高10%,可以有效提升新能源车的效率。相比硅材器件，SiC功率器件具有三大优势：
（1）高压特性。SiC器件是同等Si器件耐压的10倍；
（2）高频、高效特性，SiC器件的工作频率一般是Si器件的10倍。
（3）耐高温、低损耗，SiC芯片可在°C下工作，而一般的Si器件最多为°C；同时SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%左右，发热量也约为其50%。
电控模块所用功率器件的进化，直接关系到电动汽车的整车性能。比亚迪在混动和纯电动上对SiC和Si的性能进行测算，结果显示，SiC后电机控制器的损耗下降5%，电驱动系统整体NEDC平均效率提升3.6%，整车NEDC续航提升30KM，里程增幅5.8%。如果车企不考虑从电驱动系统的高效率入手，而依赖于电池，那么它必须承担大如KWh电池的高昂成本，才可以将续航里程提升6%。这对于车辆的空间、冷却系统、电池管理系统都是一个沉重的负担。
国际市场风流涌动，
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