“ IGBT被譽(yù)為功率半導(dǎo)體的皇冠明珠，是電能控制和轉(zhuǎn)換（變壓、變流、變頻等）的“CPU”，可廣泛應(yīng)用于軍工、高鐵、可再生能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車及家電中，是一種極其重要的芯片，隨著下游行業(yè)的逐步放量，對IGBT的需求也大幅增長。
另外，作為第三代半導(dǎo)體材料SiC和GaN的直接競爭對手，IGBT有著悠久的歷史，也在良率、成本及可靠性上有著短期內(nèi)不可被替代的優(yōu)勢。梧桐樹作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的專業(yè)投資機(jī)構(gòu)，對IGBT長期保持關(guān)注。
本文內(nèi)容源自梧桐樹資本產(chǎn)業(yè)投資部投資總監(jiān)郭睿的行研報(bào)告《IGBT行業(yè)研究》。”
作者介紹
郭睿，梧桐樹資本投資總監(jiān)。獲得美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）材料學(xué)碩士學(xué)位，師從電子封裝泰斗King-Ning TU院士；曾任職于Renesas（瑞薩電子），負(fù)責(zé)芯片后道塑封工作；曾任職于熔拓資本，負(fù)責(zé)先進(jìn)制造領(lǐng)域的投資與并購（包括半導(dǎo)體方向），在半導(dǎo)體與投資領(lǐng)域有豐富經(jīng)驗(yàn)。
「報(bào)告結(jié)論」
IGBT為絕緣柵雙極晶體管，為半導(dǎo)體功率器件中的全控器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低等優(yōu)勢。IGBT是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。IGBT的開關(guān)特性可以實(shí)現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，小到家電、數(shù)碼產(chǎn)品，大到軌道交通、航空航天，以及清潔發(fā)電、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)都會(huì)用到IGBT。
按電壓分布來看，消費(fèi)電子領(lǐng)域運(yùn)用的IGBT產(chǎn)品為600V以下；太陽能逆變器、白色家電、新能源汽車所需的IGBT在600-1700V之間；動(dòng)車組常用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700V-6500V之間。IGBT在新能源汽車中主要運(yùn)用于電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和充電樁。
2017-2020年IGBT平均每年市場容量為102億元。IGBT技術(shù)壁壘為芯片的設(shè)計(jì)能力，模塊封裝雖然技術(shù)門檻不高，但是出于下游市場規(guī)模的考慮，自建封裝廠有利于提高整體收益。IGBT制造的核心工藝為背面制造工藝，這是一個(gè)相對獨(dú)立的工藝，主要包括背面減薄、背面注入、背面清洗、背面金屬化、背面退火。
全球IGBT 市場中最主要的供應(yīng)廠商包括英飛凌、三菱、富士電機(jī)、東芝、ABB、仙童。其中，仙童等企業(yè)在消費(fèi)級IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位；ABB、英飛凌、三菱電機(jī)在中等電壓的工業(yè)級IGBT領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢；在3300V以上高電壓等級的領(lǐng)域，英飛凌、ABB、三菱三家公司占據(jù)壟斷地位，代表著國際IGBT技術(shù)的最高水平。中國企業(yè)以斯達(dá)為代表憑借政策和下游市場的優(yōu)勢，正在迎頭趕上，縮短與國際巨頭的差距。
IGBT的概念和分類
功率半導(dǎo)體器件指能夠耐受高電壓或承受大電流的半導(dǎo)體分立器件，主要用于電能變換和控制。
按照是否能通過外界條件控制器件的開通和關(guān)斷的分類標(biāo)準(zhǔn)可分為：不可控型功率器件（普通功率二極管）、半控型功率器件（晶閘管等）、全控型功率器件（MOSFET、IGBT等）。二極管是最簡單的功率半導(dǎo)體分立器件，單向?qū)?，可以?shí)現(xiàn)整流；晶閘管為半控型功率器件，只能觸發(fā)導(dǎo)通，不能觸發(fā)關(guān)斷；IGBT為絕緣柵雙極晶體管，可以觸發(fā)導(dǎo)通，也可以觸發(fā)關(guān)斷，所以稱為全控器件。
圖1. 功率半導(dǎo)體器件分類
IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)-絕緣柵雙極晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。
IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。
IGBT是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。
IGBT的開關(guān)特性可以實(shí)現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用，可以應(yīng)用于逆變器、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
IGBT最常見的應(yīng)用形式是模塊，而不是單管。IGBT模塊是IGBT芯片封裝后的產(chǎn)品，將多個(gè)芯片以絕緣方式組裝在金屬基板上，再用空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料。模塊的主要優(yōu)勢在于：
1）多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大，減少了外部電路連接的復(fù)雜性，模塊的參數(shù)一致性比分立元件要好。
2）模塊與分立形式的單管進(jìn)行外部連接相比，器件之間的連線被大大縮短，引線電感更小。
3）更適合于大功率應(yīng)用。模塊的最高電壓等級一般會(huì)比IGBT單管高1-2個(gè)等級，如果單管產(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)品。
圖2. IGBT 模塊各應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品
IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域
IGBT應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，小到家電、數(shù)碼產(chǎn)品，大到軌道交通、航空航天，以及清潔發(fā)電、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)都會(huì)用到IGBT。按電壓分布來看，消費(fèi)電子領(lǐng)域運(yùn)用的IGBT產(chǎn)品為600V以下；太陽能逆變器、白色家電、新能源汽車所需的IGBT在600-1700V之間；動(dòng)車組常用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700V-6500V之間。
IGBT是新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心元件，包括車載空調(diào)控制系統(tǒng)和充電樁中也需要用到IGBT。
IGBT的發(fā)展史
第一代：平面穿通型（PT）
第二代：改進(jìn)的平面穿通型（PT）
第三代：溝槽型（Trench）
第四代：非穿通型（NPT）
第五代：電場截止型（FS）
第六代：溝槽型-電場截止型（FS-Trench）
第七代：逆導(dǎo)IGBT（RC-IGBT）
IGBT的市場容量
1、未來增長主要來自于新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈
IGBT主要運(yùn)用于電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和充電樁。①電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛，并能夠在電動(dòng)汽車減速制動(dòng)時(shí)，將車輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能充入電池，是控制電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的部分；電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電子控制器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)逆變器、傳感器、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪組成，IGBT在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中用于逆變器模塊，將動(dòng)力電池的直流電逆變成交流電提供給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。②充電樁中，IGBT主要運(yùn)用于直流快充充電樁，直流電樁通過三相電網(wǎng)輸入交流電，經(jīng)過三相橋式不可控整流電路整流變成直流電，濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，進(jìn)而輸出需要的直流，為電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池充電。③車載空調(diào)系統(tǒng)中也會(huì)用到IGBT，實(shí)現(xiàn)小功率的DC/AC逆變，從而驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。
新能源汽車：兩驅(qū)所使用的IGBT為1個(gè)電機(jī)加1個(gè)三項(xiàng)全橋模塊，模塊市場價(jià)格為1,200-2,600元/只，四驅(qū)所使用的IGBT為2個(gè)電機(jī)2個(gè)模塊，市場價(jià)格為2,400-5,200元/只，再加上空調(diào)部分最少要4,000-6,000元，從2017-2020新能源汽車新增500萬輛來計(jì)算，新能源汽車IGBT市場空間為200億-300億，平均按250億來計(jì)算，則每年的市場規(guī)模為63億元。
充電樁：目前我國充電樁市場存量約為20萬座，十三五期間仍有近500萬充電樁的建設(shè)需求，1個(gè)充電樁用到3-6只IGBT，市場價(jià)格為600元/只，則平均1個(gè)充電樁IGBT成本為2,500元，綜上2017-2020年，充電樁所帶動(dòng)的IGBT市場規(guī)模將達(dá)到125億元，平均每年為31億元。
2、高鐵與地鐵市場相對平緩
高鐵：CRH1、CRH2一輛高鐵需要80個(gè)IGBT，CRH3一輛高鐵需要128個(gè)IGBT，CRH5需要150個(gè)IGBT，平均每輛高鐵需要115個(gè)IGBT，十三五高鐵里程達(dá)3萬公里，按當(dāng)前密度高鐵0.12輛/km計(jì)算（2,586輛/2.2萬km），十三五還需要新建里程8,000公里，需要高鐵960輛， 按每年交付300-350臺動(dòng)車組，每個(gè)IGBT模塊按10,000元/塊計(jì)算，市場規(guī)模為11億元，平均每年市場規(guī)模為3億元。
地鐵：每輛地鐵需求25個(gè)IGBT模塊，2016年地鐵擁有量2.18萬輛，運(yùn)營里程3168公里，保有量為6.88輛/公里，預(yù)計(jì)十三五新增3000公里，若保持當(dāng)前的密度，則需要新增地鐵20,644輛，按照IGBT模塊5000元/個(gè)計(jì)算，市場容量為25億元，平均每年市場容量為5億元。
綜上，預(yù)計(jì)2019-2020年IGBT平均每年市場容量為102億元。
技術(shù)壁壘與核心工藝
IGBT技術(shù)壁壘為芯片的設(shè)計(jì)能力，其設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，既要保持在高電壓、大電流、高頻環(huán)境下穩(wěn)定工作，還要保持開關(guān)損耗、抗短路能力及導(dǎo)通壓降平衡。模塊封裝是另一個(gè)需要考慮的壁壘，第一，出于下游市場規(guī)模的考慮，自建封裝廠有利于提高整體收益；另外，IGBT模塊對于可靠性要求極高，需要模塊能適應(yīng)不同的甚至惡劣的工作環(huán)境，這就對進(jìn)入者在產(chǎn)品質(zhì)量上提出了非常高的要求。
IGBT制造的核心工藝為背面制造工藝，這是一個(gè)相對獨(dú)立的工藝，主要包括背面減薄、背面注入、背面清洗、背面金屬化、背面退火。
國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)的
1、國外企業(yè)
全球IGBT 市場中最主要的供應(yīng)廠商包括英飛凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士電機(jī)(Fuji Electric)、東芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)。其中，仙童等企業(yè)在消費(fèi)級IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位；ABB、英飛凌、三菱電機(jī)在中等電壓的工業(yè)級IGBT領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢；在3300V以上高電壓等級的領(lǐng)域，英飛凌、ABB、三菱三家公司占據(jù)壟斷地位，代表著國際IGBT技術(shù)的最高水平。
根據(jù)英飛凌年報(bào)，2015年英飛凌以27.6%的市占率穩(wěn)坐全球IGBT市場頭把交椅，其次為三菱電機(jī)和富士電機(jī)，分別占20.6%和12.5%的市場份額；全球CR5達(dá)到73.2%，集中度較高。
2、國內(nèi)企業(yè)
國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)起步較晚，產(chǎn)業(yè)鏈中主要有16家企業(yè)，其中IDM模式企業(yè)有6家，封裝模塊企業(yè)6家，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)4家。包括斯達(dá)半導(dǎo)、中車時(shí)代電氣、比亞迪、杭州士蘭微以及吉林華微等上市企業(yè)。其中斯達(dá)半導(dǎo)2018年全球市占率達(dá)2.2%，已經(jīng)成為全球第八大IGBT模塊供應(yīng)商，其產(chǎn)品涵蓋大功率模塊、小功率模塊、工業(yè)級中等功率模塊、車用模塊以及SiC模塊。
目前，中國的一些廠商已經(jīng)研發(fā)出第六代FS-Trench IGBT，并在第七代RC IGBT上具備相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)隨著政府對中國IGBT企業(yè)的政策支持，疊加中國下游市場對產(chǎn)品的大量需求，中國企業(yè)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的國產(chǎn)替代，后來居上與國際巨頭正面競爭。
