IGBT的国产代替和技术趋势

来源 |电力电子技术与应用

功率半导体行业整体成长稳健,周期性相对小

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体细分为功率器件(分立器件的一支)和功率IC(集成电路的一支)。理想情况下,完美的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,因此功率半导体这个领域的产品和技术创新,其目标都是为了提高能量转化效率。

下图带阴影部分均是功率半导体:

据IHS统计,2019年全球功率半导体市场规模约为400亿美元,预计2019-2025年全球功率半导体CAGR 4.5%;根据华润微招股说明书,中国是全球最大的功率半导体消费国,2018年市场需求规模达到138亿美元,增速为9.5%,占全球需求比例达35.3%。

功率半导体产品梯次多,IGBT 是新一代中的典型产品

功率分立器件的演进路径基本为二极管→晶闸管→MOSFET→IGBT,其中,IGBT是功率半导体新一代中的典型产品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),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,IGBT既有MOSFET的开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点,又有BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件,也被誉为“电力电子器件里的CPU”。

根据Yole等相关统计,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%,但是其复合增速是所有产品中最快的。

IGBT 产业链与三种业务模式

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

IGBT企业有三种业务模式:

IDM:IDM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、快恢复二极管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;

模组:如丹佛斯、赛米控等;

Fabless模式:Fabless是Fabrication(制造)和less(没有)的组合。Fabless模式是集成电路行业的一种经营模式,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的模式,而芯片代工厂商负责采购硅片和加工生产。Fabless模式的企业无需投资建立晶圆制造生产线,减小了投资风险,能够快速开发出终端需要的芯片。

国外巨头大多数均采用IDM模式,而国内典型公司如斯达半导采用的Fabless+模组的模式:Fabless的模式在中国比较流行的主要原因在于,功率半导体并不是需要特别高精尖的晶圆厂代工,而单独建产线资本回收期非常长,另外大陆有较多的成熟工艺代工厂产能足够支配,因此对于国内厂商大多是后进者来说,在快速追赶期Fabless也不失为一种比较好的模式。

IGBT产品更新慢,价格稳定

从20世纪80年代至今,IGBT芯片经历了6代升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从600V提高到6500V以上。

基站射频PA在5G面临新挑战

IGBT产品更新换代慢:目前英飞凌定义的IGBT4代是市场主流,已应用了十年以上,英飞凌于18年底推出IGBT7,较4代面积减少25%,成本降低,功耗降低,预计大面积推广仍需要2-3年。IGBT更新换代相对比较慢,芯片对于产品性能起决定性作用,模块只能保证芯片性能发挥。IGBT芯片新一代和老一代各有优势,老一代损耗和面积等指标不一定好,但是稳定性是经过长时间验证的,相当一部分客户在新一代出来时候还选择使用老一代芯片。国内和国际其他公司都有布局IGBT7代技术,但是产品的验证周期较长,一般客户需要5~10年验证可靠性和应用端的问题,因此迭代速度较慢。目前最新代的IGBT斯达在和华虹共同研发,预计年底试生产。

IGBT的价格相对稳定:就算在行业下行的2019年大厂商的出厂价格都没有下降,显示出很健康的价格浮动。总结来看,IGBT芯片的更新换代相对比较慢,且是渐进式的创新,不断优化升级,具体到某款IGBT产品,可以用到10年之久;同时供给端来看,IGBT行业巨头主要是德系和日系厂商,风格相对比较保守,不会激进扩张产能和打价格战。需求稳定且价格波动相对小,即使在半导体整体需求不好的2019。

电路的设计核心在于逻辑设计,可通过EDA等软件,而功率半导体和模拟IC类似,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也更高,优秀的设计师需要10年甚至更长时间的经验。大学里功率半导体和模拟IC部分教材也基本相当于是过去几十年从业者的“经验笔记”,并没有像数字集成电路那样相对有“标准范式”,而研发也是通过研发工程师团队不断修改参数权衡性能和成本的过程。

具体来说,IGBT技术和壁垒极高,主要体现在以下几个方面:

1)、IGBT芯片设计

IGBT芯片是IGBT模块的核心:其设计工艺极为复杂,不仅要保持模块在大电流、高电压、高频率的环境下稳定工作,还需保持开闭和损耗、抗短路能力和导通压降维持平衡。快恢复二极管芯片在IGBT模块中与IGBT芯片配合使用,需要承受高电压、大电流的同时,要求具有极短的反向恢复时间和反向恢复损耗。企业只有具备深厚的技术底蕴和强大的创新能力,积累丰富的经验和知识储备,才能在行业中立足。因此,行业内的后来者往往需要经历一段较长的技术摸索和积累,才能和业内已经占据技术优势的企业相抗衡。

2)、模块设计及制造工艺

IGBT模块对产品的可靠性和质量稳定性要求较高,生产工艺复杂,生产中一个看似简单的环节往往需要长时间摸索才能熟练掌握,如铝线键合,表面看只需把电路用铝线连接起来,但键合点的选择、键合的力度、时间及键合机的参数设置、键合过程中应用的夹具设计、员工操作方式等等都会影响到产品的质量和成品率。IGBT模块作为工业产品的核心器件,需要适应不同应用领域中各种恶劣的工作环境,因此对产品质量的要求较高。如电焊机行业,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。而且IGBT和下游应用结合紧密,往往需要研发人员对下游应用行业较为了解才能生产出符合客户要求的产品。目前国内具有相关实践、经验丰富的研发技术人才仍然比较缺乏,新进入的企业要想熟练掌握IGBT芯片或模块的设计、制造工艺,实现大规模生产,需要花费较长的时间培养人才、学习探索及技术积累。

IGBT厂商的产品稳定性需要长时间验证,品牌效应和口碑的建设需要积累:

IGBT模块是下游产品中的关键部件,其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要,因此认证周期较长,替换成本高。对于新增的IGBT供应商,客户往往会保持谨慎态度,不仅会综合评定供应商的实力,而且通常要经过产品单体测试、整机测试、多次小批量试用等多个环节之后,才会做出大批量采购决策,采购决策周期较长。因此,新进入本行业者即使研发生产出IGBT产品,也需要耗费较长时间才能赢得客户的认可。

IGBT 行业驱动因素清晰,天花板上移驱动力强

IGBT在工业控制及自动化、新能源汽车、电机节能、太阳能发电、风能发电等诸多领域都有广泛的应用;用于在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率,其中在新能源车中的驱动系统是最典型的应用。

全球的IGBT应用来看,工控占比37%,为最大的应用领域,电动汽车28%,新能源发电9%,消费领域8%;而在国内,由于我国高铁发达,下游应用领域工业控制29%,轨道交通28%,新能源汽车12%,新能源发电8%,不过随着我国新能源领域的不断发展,新能车和光伏、风电这两块需求占比未来将持续上升。

2017年全球IGBT市场规模为52.55亿美元,同比2016年增长16.5%,2018年全球IGBT市场规模在58.36亿美元左右,同比增长11%,在功率半导体各个细分中属于景气度最高的。

我国IGBT行业发展至今,已取得较大进展,虽然仍需大量进口,但已有一部分企业具备规模化生产能力。2010年我国IGBT功率电器模块产量为190万只,2018年增长至1115万只。

国内的IGBT需求增长远超全球增长:根据智研咨询的数据,2018年中国IGBT市场规模为161.9亿元,同比增长22.19%,增速显著高于全球平均水平;受益于新能源车、风电和光伏等我国强势领域的持续发展,预计未来国内IGBT的复合增速继续保持20%以上。

IGBT 竞争格局:欧美日基本垄断,国产份额极低

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、安森美、瑞士ABB等,2017年全球前五大IGBT厂商的份额超过70%,国内企业目前的市场份额普遍偏小。

IGBT多以IGBT模块形式出现,国内IGBT龙头斯达半导2018年在模块领域市占率为2.2%,根据斯达半导2018年营收6.75亿元,推出2018年IGBT模块市场空间接近300亿元(其中2018年IGBT整体市场空间58.36亿美元)

国产替代空间广阔。目前国内IGBT模块打入全球前10的只有斯达半导,但也仅仅是占全球IGBT模块市场份额2.2%,由于IGBT的下游应用新能源车、光伏、风电等这些新兴领域,我国在世界上的话语权高于过去的传统燃油车领域和工控领域,因此在IGBT的增量空间中有一半以上需求都在中国,未来几年我国的IGBT市场需求占比将从2019年不35%提升到2025年的50%或以上,为我国的IGBT厂商提升份额和竞争力创造了良好的条件,国产IGBT厂商市场份额和业务量的提升潜力非常大。

确定高增:未来五年 IGBT 高景气驱动因素

IGBT 占新能源车成本近 8%,且是纯增量产品

IGBT在电动车领域主要应用分三类:

1)电控系统:IGBT模块将直流变交流后驱动汽车电机(电控模块);

2)车载空调控制系统:小功率直流/交流逆变,这个模块工作电压不高,单价相对也低一些;

3)充电桩中IGBT模块被用作开关使用:充电桩中IGBT模块的成本占比接近20%;

根据Digitimes Research的数据,目前新能车的成本结构中:

1)电池成本占比最大,一般来说可以占到约电动车总成本40%以上;

2)成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的15%~20%,而IGBT则占到电机驱动系统成本40%-50%,也就是说,IGBT占新能源车总成本接近8%的比例。

并且,对于IGBT来说,新能源汽车对IGBT需求是纯增量,因为传统燃油车功率半导体器件电压低,只需要Si基的MOSFET,而新能源汽车在600V以上MOSFET无法达到要求,必须要换成IGBT;因此IGBT是仅次于电池以外第二大受益的零部件。

每辆新能源车预计需要450美元的IGBT:根据Yole Development的测算,2016年平均每辆车消耗大约450美元IGBT,其中普通混合动力和插电式混合每辆车需要大约300美元的IGBT,纯电动车平均每辆车使用540美元的IGBT。

按照2019年单车IGBT平均用量为460美元,受益于BEV占比持续提升,预计2019-2022年单车用量逐年增长至2022年的490美元/车,2023年开始,SIC-MOS的成熟后单车平均IGBT用量逐渐下滑至2025年的430美元/车,2025年预测新能源车销量504万辆(根据国家新能源汽车产业发展规划——2025年电动乘用车渗透率约25%推算得出。)

按照以上假设思路,简单测算中国2025年车载IGBT市场规模达22亿美金,同时算个大数,届时全球新能源车数量预计为国内的3倍(即海外销量为国内的2倍),全球车载IGBT市场规模达66亿美金,相当于再造一个IGBT市场(2019年全球总的IGBT在60亿美金量级)。

IGBT 持续受益于光伏和风电在能源结构中占比提升

风电和光伏中的整流器和逆变器都需要用到 IGBT 模块。根据能源局数据,2019 年国内光伏装机 30.11GW,全球光伏装机 115GW。

国内2019年光伏发电量占总发电量3%,未来持续提升潜力大。根据联合国马德里气候变化大会的《中国2050年光伏发展展望》,从2020年至2025年这一阶段开始,中国光伏将启动加速部署;2025年至2035年,中国光伏将进入规模化加速部署时期,到2050年,光伏将成为中国第一大电源,约占当年全国用电量的40%左右,未来光伏发展的空间和潜力仍然较大。

风电和光伏2025年对应IGBT的全球需求量级在15亿美金:由前述智研咨询和英飞凌预计的IGBT总体空间和新能源发电占比可以推算出(IGBT 2018年全球市场空间58亿美金,其中光伏风电等IGBT应用占比9%),2018年光伏风电IGBT市场空间约5.22亿美金。目前的能源结构里,太阳能和风能合计占比不足10%。

在全球节能减排大背景下,降低对化石能源的依赖,增加太阳能、风能的使用已经成为世界各国的共识。据BloombergNEF预测,预计2025年全球光伏新增装机接近300GW,风电也比照光伏5年2.5倍左右的增长,则测算风电和光伏2025年对应IGBT的全球需求量级在12-15亿美金。

白色家电的变频驱动 IGBT 持续成长

IGBT是“变频器”的核心部件之一,变频白色家电的推广可以为IGBT的IPM带来稳定的市场。目前白色家电的变频渗透率还有提升空间:根据产业在线网,近年来国内白电变频渗透率在持续提升:

1)空调:2012年到2018年,国内变频空调销量从3016万台提升到6434万台,渗透率从 28.94%提升到42.70%;

2)冰箱:2012年到2018年,国内变频冰箱销量从363万台提升到1665万台,渗透率从4.80%提升到22.15%;

3)洗衣机:2012年到2018年,国内变频洗衣机销量从577万台提升到2163万台,渗透率从10.36%提升到32.97%。Yole预计2022年白色家电变频驱动IGBT市场规模达9.9亿美金,较17年增长22%。

变频白电这块的IGBT国产化低:国内仅有士兰微和华微电子有一些白电IPM模块出货,家电IPM模块虽然单价较低,替换供应商的动力不强,并且下游集中,目前龙头企业的供应商均为日本,美国的企业,例如美的主要是Sanyo、Fairchild;格力/海尔主要是Mitsubishi,还有一些IR、LS等在供应,在供应链安全因为外部环境受到威胁时,国内的IGBT厂商未来在这一块利基市场还是有比较大的替代潜力。

工控领域是IGBT应用的基本盘

IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,且已在此领域中得到广泛应用。

1)变频器行业

我国变频器行业的市场规模总体呈上升态势。IGBT模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。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。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,到2023年,高压变频器的市场将达到175亿元左右。

2)逆变焊机行业

逆变式弧焊电源,又称弧焊逆变器,是一种新型的焊接电源。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,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。

全球工控IGBT下游市场较为分散:根据集邦咨询数据,2019年全球工控市场IGBT市场规模约为140亿元,中国工控市场IGBT市场规模约为30亿元。由于工控市场下游需求分散,单一下游需求的增长难以拉动整体行业需求提升,因此工控IGBT市场需求较为稳定,假设未来每年保持3%的规模增速,预计到2025年全球工控IGBT市场规模将达到170亿元。这一块是IGBT行业的基本盘,需求稳定且波动相对较小。

市场高关注:如何看待第三代半导体材料对 IGBT的挑战

宽禁带半导体介绍

全球多家功率半导体巨头均有布局下一代基于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半导体,为在市场上与传统硅基功率半导体件进行对决奠定基础。

SiC和GaN是第三代半导体材料,与第一二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料。

高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大但是高频则用 GaN。当低频、高压的情况下用Si的

与Si相比,SiC的导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积。在新能源汽车行业,由于电池重量也比较大,那么别的器件的大幅度降低对于新能源车轻量化的帮助会比较大;比如5KW左右的DC/DC用SiC来做比Si的IGBT要轻85%左右。

受制于成本问题,未来3-5年 IGBT 仍是最重要的应用

目前局限SIC用途的原因是成本太高,产品参数也不稳定。目前SIC芯片成本是IGBT的4-5倍,但业界预计SiC 成本三年内可以下降到2倍左右。目前有使用SiC MOS的车型是特斯拉的Model 3。

目前阻碍 SiC成本下降的主要原因是基材缺陷。应用材料的战略营销总监如此评价:“这种较宽的带隙使材料具有优良的特性,例如更快的开关速度和更高的功率密度,但是主要挑战是基材缺陷,基面位错和螺钉位错会产生“致命缺陷”,SiC器件必须减少这种缺陷,才能获得商业成功所需的高产量。

成本下降和产品稳定需要时间验证,国产厂商的核心矛盾是国产替代。SiC MOSFET产品的稳定性需要进一步验证,根据英飞凌2020年功率半导体应用大会上专家披露,目前 SiC MOSFET真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用, 一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,一个高端功率半导体从客户认证到产品试应用再到产品批量应用要比较长的时间,因此,未来 3-5年 IGBT还是主流的高端功率半导体产品,SiC 会在部分高端新能源车领域有一些逐步缓慢的渗透。但是对于国内厂商来说,未来5年核心矛盾是国产替代(龙头市占率从2%到20%)。

长期视角:国内IGBT国产替代的同时,也有对SiC进行前瞻布局

第三代材料SiC等作为功率半导体技术演进的方向之一,国内IGBT也有一些研发储备和样品推出,下面以斯达半导和中车时代电气为例:

一、斯达半导:公司SiC相关的产品和技术储备在紧锣密鼓的进行

1、公司已经成功研发出碳化硅模块相关技术

根据斯达半导招股说明书的披露:公司研发出碳化硅模块相关技术主要包括:

a.银浆烧结技术:采用银浆烧结后连接层熔点可达到900度以上,为锡焊工艺连接层熔点的4倍,适合于工作温度在200度以上的应用领域;银浆烧结层的电导、热导分别是锡焊连接层的5倍和4倍;

b.铜线键合技术:铜线相较于铝线,其熔点从660C提高到1083C,可大幅度提高铝线的过流能力。同时其热导率、电阻率以及杨氏模量均大幅优于铝线,并且其热膨胀系数从铝线的23.6降为16.5,可大幅降低芯片工作时升降温的连接层应力,提高芯片的抗功率循环能力。

2、公司重点项目储备进展

招股书中对于公司在研的重点项目储备进展有介绍,其中第四项储备:

1)项目名称:宽禁带半导体器件功率模块的开发;

2)项目进展:目前已经开发出应用于光伏的SiC器件模块,供客户批量使用,车用SiC模块已经完成样品认证。

3)项目拟达到的目的:进一步完善产品系列,2019年完善光伏应用的SiC器件及应用于新能源汽车的SiC模块产品。

3、公司在未来重点攻关技术研发与开发计划:

主要提到三项重要产品开发:1、全系列FS-Trench型IGBT芯片的研发;2、新一代IGBT芯片的研发;3、SiC、GaN等前沿功率半导体产品的研发、设计及规模化生产:公司将坚持科技创新,不断完善功率半导体产业布局,在大力推广常规IGBT模块的同时,依靠自身的专业技术,积极布局宽禁带半导体模块(SiC模块、GaN模块),不断丰富自身产品种类,加强自身竞争力,进一步巩固自身行业地位。

二.中车时代电气:官网中除了展示IGBT产品,还有展示5款SiC肖特基(SIC SBD产品)

因此,目前来看,SiC产业链被国外高度垄断,未来2-3年当SiC成本由目前是Si基4-5倍下降至2倍,并且国内SIC上下游产业链也更加成熟、打破国外垄断时,预计SIC才会在国内开始提升渗透率,并且SiC只是一种基材,未来随着SiC技术的逐渐成熟,也会有SiC IGBT相关产品。

总结来看,未来3-5年Si IGBT还是应用主流,国内厂商的核心逻辑在于工控家电新能源领域进行国产替代提升份额,5年后SiC基材逐渐侵占Si基材份额的大趋势下,相信国内的技术领先优质的龙头功率半导体也能够积极储备相关技术和产品,积极拥抱迎接这一行业创新。

主营产品:管道机器人,管道潜望镜,管道切割机器人,管道封堵气囊,管道修复气囊,UV紫外光固化设备,原位局部点位修复树脂固化,非开挖内衬修复材料