2023年中国IGBT行业词条报告

2023年中国IGBT行业词条报告 作者：宋鹏 行业：头豹分类/制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业/电子器件制造/半导体分立器件制造港股分类法/信息科技/半导体 摘要：IGBT作为一种新型电力电子器件，是工业控制及自动化领域核心元器件，可根据工业装置中信号指令来调节电路中电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控目的，因此被称为电力电子行业里的“CPU”。全球IGBT市场规模有望突破80亿美元。根据Yole数据，全球IGBT市场有望于2026年达84亿美元，其中工业应用与家电占比最大，合计51.19%，电动汽车与充电桩增速最快，2020-2026年CAGR超20% 1.IGBT行业定义 IGBT=MOSFET+BJT。MOSFET就是以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管，其特点是用栅极电压来控制漏极电流，按照制作工艺可以区分为为增强型、耗尽型、P沟道、N沟道共4种类型，在实际应用中，以增强型的NMOS和增强型的PMOS为主。BJT双极结型晶体管基本结构由两个PN结组成，产生三个连接端子，并分别标记为发射器(E)、基极(B)和收集器(C)。BJT是电流调节器件，可控制从发射极流向集电极端子电流量，与施加到其基极端子的偏置电压量成比例；由于流入基极端子的小电流控制形成晶体管动作基础的更大集电极电流，因此其作用类似于电流控制开关。 2.IGBT行业分类 按照封装形式划分，IGBT产品可以分为IGBT模块、IPM模块和IGBT单管。IGBT模块即多个IGBT芯片并联集成封装在一起的模块，特点是外部电路简单，工作可靠，更适合高压和大电流连接；IPM模块即智能功率模块，集成栅极驱动电路+各保护电路的IGBT模块，增加外围电路，防止过高升温及高压冲击损害IGBT，其可靠性较高，使用简单，适合中小功率逆变器；IGBT单管封装模块较小，是体现IGBT制造商水平的核心技术，结构简单。 类型名称 类型说明 IGBT单管 分立IGBT，封装较模块小，电流通常在50A以下，结构简单，常见有TO247、TO3P等封装 IGBT模块 块化封装就是将多个IGBT集成封装在一起，即模块化封装的IGBT芯片。常见的有1in1，2in1，6in1等 IPM模块 智能功率模块，集成门级驱动及保护功能（热保护，过流保护等）的IGBT模块；可靠性高、适合中小功率逆变器 3.IGBT行业特征 功率半导体器件可根据是否可控及驱动方式进行分类，其中IGBT属于复合全控型电压驱动式功率半导体器件。目前IGBT行业主要有以下特征：市场集中度高、国内外技术差距较大、国产替代空间广阔及技术壁垒高。 市场集中度高 国外厂商占据主要市场份额，斯达半导、士兰微进入全球前十 IGBT市场竞争格局较为集中，主要竞争者包括英飞凌、三菱、富士电机等，2020年全球前三大IGBT厂商市场份额超过60%，斯达半导、士兰微等中国厂商在部分领域进入全球前十，市占率合计不及10%。 国内外技术差距较大 中国部分厂商掌握第七代技术，绝大部分处于第四代技术 历经七代，IGBT功率密度与开关频率逐代提高，导通压降下降，开关损耗降低，芯片尺寸更小。中国IGBT技术主要集中于第四代与第五代，斯达半导IGBT技术达到第七代，新洁能12寸超薄厚度650VIGBT平台开发已完成首轮流片，量产蓄势待发。现阶段中国IGBT产线主要为6、8寸线，IDM厂商中仅士兰微、华润微拥有12寸产线，且仅士兰微12寸产线达投产。 技术壁垒高 IGBT工艺与设计难度形成较高行业壁垒 自80年代初至今，IGBT芯片技术处于技术更新迭代阶段，但实现技术的突破对工艺有较高要求，如薄片减薄后极易破碎，背面退火激活难等，皆导致IGBT迭代速度慢。 4.IGBT发展历程 国产替代空间广阔 本土厂商供给率不足20%，交期超39周 中国IGBT供需缺口较大，2022年交期、价格以上涨为主，中国2021年IGBT需求量达1.32亿只，中国IGBT产量仅0.258亿只，本土厂商供给率仅为19.55%，国产替代空间广阔。根据富昌电子数据，2022年第四季度IGBT厂商交期均超39周。 20世纪60年代，双极型器件通态电阻很小，电流控制，控制电路复杂且功耗大。随着工业的发展，对学术界提出了简化驱动电路，降低制造成本和开关能耗、通态压降的要求。20世纪90年代，IGBT在MOS与BJT集成技术研究的背景下被制造出来。IGBT的出现并不是为了电动汽车服务，但是，随着全球环境的恶化，电动汽车得到了发展，IGBT逐渐开始应用在汽车、交通等领域，并随着电动汽车与IGBT的共同发展，IGBT芯片成为电动汽车不可或缺的一部分。 开始时间：1985结束时间：1988阶段：萌芽期 行业动态：初代IGBT发布，使用重掺杂的P+衬底作为起始层，在此之上依次生长N+buffer，N-base外延，最后在外延层表面形成元胞结构。 行业影响/ 阶段特征：IGBT的雏形，需要依靠提高N-drift来提高耐压，关断功耗和导通电阻都比较高，由于以上因素，第一代IGBT止步于实验室未得到普及使用。 开始时间：1988结束时间：2001阶段：启动期 行业动态：NPT(nonpunchthrough)结构是德国西门子公司1987年推出，为上世纪90年代的主流产品。FS（fieldstop）：2000年，西门子公司研制出新的IGBT结构，fieldstop-IGBT(FS-IGBT)，它同时具有PT-IGBT和NPT-IGBT的优点，英飞凌第三代及以后的IGBT，均采用了FS技术。 行业影响/ 阶段特征：第二代IGBT因N-漂移区厚度降低，饱和导通电压相比PT减少。正温度系数，利于并联，125℃工作结温，高鲁棒性。第三代IGBT沟槽栅结构：优化性能，沟道密度增加、近表面载流子浓度增加；场截止结构：降低厚度，使得通态压降降低。 开始时间：2001阶段：高速发展期 行业动态：Trench-IGBT，第四代较以往具有较大的改进，这次运用Trench结构，沟道从以前的表面移动到了垂直面上，增强了基区的PIN效应，增大了栅极附近载流子的浓度，电导调制效应有了一定的提升，导通电阻得到了降低，消除了JFET效应，栅极密度可以按需求增加。 行业影响/ 阶段特征：第四代继续继承了第三代的集电极P+implant技术，引入了PT技术作为场终止层，提高了耐压能力。英飞凌代替西门子成为引领企业，其减薄技术当时世界第一，1200V的时候，它的厚度可以做到120~140um之间，600V时可以做到70um以下。第五代到第七代是在以前四次技术的基础上对各种技术措施的重新组合。 5.IGBT产业链分析 IGBT厂商分为IDM厂商与Fabless厂商，对于IDM厂商，上游为半导体设备及材料厂商，中游为设计、制造与封测厂商，下游为各应用领域厂商。对于Fabless，上游为设计厂商、中游为制造与封测厂商，下游为各应用领域厂商。 IGBT行业上游为晶圆制造所需原材料与设备采购环节，如材料如光刻胶，硅片，抛光垫，电子特气等厂商，设备如光刻机、离子注入机及EDA与IP等厂商；对于Fabless厂商来说，其上游为晶圆制造、封装及测试等环节代工厂商。行业企业的主要客户分布于电机节能、数码相机、风光发电逆变器、轨道交通及新能源汽车等领域等领域。中游IGBT厂商主要为Fabless厂商，包括派芯科技、科达集团、新洁能、西安中车永电电气有限公司等；下游终端应用领域客户数量较多，汽车电子领域客户有比亚迪、小鹏、理想、蔚来、极氪、上汽、江淮、五菱等，光伏储能领域客户有阳光电源、固德威、德业股份、上能电气、锦浪科技、正泰电源等。 光伏+新能源汽车双轮驱动，带动IGBT需求持续增长。IGBT作为光伏逆变器（直流转交流）的重要组成部分，在光伏等领域的应用极为广泛，随着光伏装机量的持续增长，对IGBT的需求也迅速攀升；在纯电动车时代，电压、功率大幅提升，IGBT已经成为标配，由于动力电池所输出的是直流电，需要借助DC-AC（直流-交流）逆变器，将电池的直流转换成交流供给动力电机，随着新能源汽车推广，IGBT需求进一步增长。 上游环节 上游分析 上游参与方 原材料、制造设备供应商和上游主要为各类原料，包括硅片、掩膜版、光刻胶、电子特种气体、抛光材料、湿电子Synopsys、Cadence、Mentor、华大九天、 代工厂 化学品、溅射靶材及封装材料等；制造设备，如单晶炉、刻蚀机、气相沉积设备、光刻概伦电子、ARM、芯原股份、北方华创、机、涂胶显影机、清洗机、引线缝合机及检测设备等；同时还包括EDA、IP相关的专利至纯科技、长川科技、上海新阳、环球晶授权。靶材、CMP材料及湿电子化学等领域国产化率较高，光刻胶、掩膜版等赛道国产圆、江化微、台湾光罩、华特气体 化率仍显不足。2021年各类半导体晶圆制造材料中，靶材、抛光液国产化率约为30%；湿电子化学品、抛光垫国产化率约为20%；电子特气国产化率约为15%，光刻胶国产化率为10%；在硅片领域中，6英寸及以下、8英寸、12英寸国产化率分别为80%、55%及10%；掩模版国产化率最低，仅为4%。去胶设备国产替代率最高，光刻、离子注入仍为国产痛点。从设备类型来看我国在去胶、清洗、热处理、刻蚀及CMP领域内国产替代率较高，均高于20%，但在价值量较高领域内国产化率较低，如光刻、离子注入、涂胶显影等领域国产化率合计不足5%。 中游环节 中游分析 中游参与方 IDM厂商与Fabless厂商IGBT厂商分为IDM厂商与Fabless厂商，IDM厂商是指设计、制造及封测三大环节均涉芯派科技、科达集团、同芯微电子、斯达及厂商，故各环节协调效应显著，但资产较重；对于Fabless厂商来说，只负责芯片设半导、新洁能、达新半导体、时代电气、计，制造及封测环节委托相应代工厂代工，故Fabless厂商资金运用较为灵活，可迅速相华虹宏力、方正微电子、华润华晶微电应市场需求。根据ICinsights数据，从2011年到2021年，fabless的销售额增长了2.7倍子、TCL中环、华微电子、士兰微、华润 （664亿美元到1,777亿美元），而同期IDM总销售额增长了63%，从2011年的2,039亿美微电子、英飞凌、ABB、安森美、罗姆、元到2021年的3,328亿美元。Fabless以及为其提供服务的IC代工厂将继续成为整个IC行BOSCH、Vincotech 业格局中的强大力量，其在整个IC市场的份额预计将达到在未来五年内达到30%以上。 下游环节 下游分析 下游参与方 消费电子、风光发电逆变新能源汽车将成中国未来IGBT增长动力。从中国IGBT下游应用占比来看，新能源汽车小鹏、理想、蔚来、极氪、上汽、江淮、器、新能源汽车等下游应用对IGBT需求最大，当前中国IGBT在新能源汽车领域替代进度相对较慢，但车规IGBT强五菱、阳光电源、固德威、德业股份、上 企业大需求将会进一步推动IGBT国产替代进程，比亚迪半导体已实现车规IGBT大规模量能电气、锦浪科技、正泰电源产，自主研发IGBT4.0技术整体功耗较主流产品降低20%，斯达半导、时代电气等涉及 车规IGBT企业未来也有望受益于新能源汽车市场高速发展。而其他公司产品主要从工控、光伏和风电等领域进行替代，如士兰微IGBT产品主要面向电焊机、变频器、光伏逆变器、电机逆变器、家电、消费电子等领域，是首家全面掌握变频电机智能功率模块各项核心技术公司。 6.车规IGBT行业规模 核心假设：1）2022年新能源汽车销量为500万台,2025年新能源汽车销量为1,200万台。根据中汽协预测，2022年中国新能源汽车销量500万辆，同比增长47%。根据国务院发展研究中心预测，2025年中国新能源车销量有望达1,200万辆。2）：A00级、B级新能源汽车占比下降，A0级、A级占比上升明显，C级占比小幅上升。根据乘联会数据，2021年纯电动车A00级、A0级、A级、B级、C级