半導體設計/制造
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IGBT的國產替代之路還有多遠

2020-11-28 來源:EEWORLD

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心,主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。功率半導體細分為功率器件(分立器件的一支)和功率IC(集成電路的一支)。理想情況下,完美的轉化器在打開的時候沒有任何電壓損失,在開閉轉換的時候沒有任何的功率損耗,因此功率半導體這個領域的產品和技術創新,其目標都是為了提高能量轉化效率。

下圖帶陰影部分均是功率半導體:


根據IHS統計,2019年全球功率半導體市場規模約為400億美元,預計2019-2025年全球功率半導體CAGR 4.5%;根據華潤微招股說明書,中國是全球最大的功率半導體消費國,2018年市場需求規模達到138億美元,增速為9.5%,占全球需求比例達35.3%。

率半導體產品梯次多,IGBT 是新一代中的典型產品

功率分立器件的演進路徑基本為二極管→晶閘管→MOSFET→IGBT,其中,IGBT是功率半導體新一代中的典型產品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOSFET(絕緣柵型場效應管)組成的全控-電壓驅動的功率半導體,IGBT既有MOSFET的開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點,又有BJT導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點,在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的,因而是電力電子領域較為理想的開關器件,也被譽為“電力電子器件里的CPU”。


根據Yole等相關統計,目前全球功率半導體中約50%是功率IC,其余的一半是功率分立器件;在功率分立器件銷售2017年占比中,MOSFET占比最高,約占31%,其次是二極管/整流橋占比約29%,晶閘管和BJT等占分立器件約21%,IGBT占比19%,但是其復合增速是所有產品中最快的。

IGBT 產業鏈與三種業務模式

IGBT的產業鏈包括了上游的IC設計,中游的制造和封裝,下游則包括了工控、新能源、家電、電氣高鐵等領域;

IGBT企業有三種業務模式:

IDM:IDM模式即垂直整合制造商,是指包含電路設計、晶圓制造、封裝測試以及投向消費市場全環節業務的企業模式,IGBT芯片、快恢復二極管芯片設計只是其中的一個部門,同時企業擁有自己的晶圓廠、封裝廠和測試廠。該模式對企業技術、資金和市場份額要求極高,目前僅有英飛凌、三菱等少數國際巨頭采用此模式;

模組:如丹佛斯、賽米控等;

Fabless模式:Fabless是Fabrication(制造)和less(沒有)的組合。Fabless模式是集成電路行業的一種經營模式,即企業自身專注于芯片設計,而將芯片制造外協給代工廠商生產制造的模式,而芯片代工廠商負責采購硅片和加工生產。Fabless模式的企業無需投資建立晶圓制造生產線,減小了投資風險,能夠快速開發出終端需要的芯片。

國外巨頭大多數均采用IDM模式,而國內典型公司如斯達半導采用的Fabless+模組的模式:Fabless的模式在中國比較流行的主要原因在于,功率半導體并不是需要特別高精尖的晶圓廠代工,而單獨建產線資本回收期非常長,另外大陸有較多的成熟工藝代工廠產能足夠支配,因此對于國內廠商大多是后進者來說,在快速追趕期Fabless也不失為一種比較好的模式。

IGBT產品更新慢,價格穩定

從20世紀80年代至今,IGBT芯片經歷了6代升級,從平面穿通型(PT)到溝槽型電場—截止型(FS-Trench),芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優化,斷態電壓也從600V提高到6500V以上。


基站射頻PA在5G面臨新挑戰

IGBT產品更新換代慢:目前英飛凌定義的IGBT4代是市場主流,已應用了十年以上,英飛凌于18年底推出IGBT7,較4代面積減少25%,成本降低,功耗降低,預計大面積推廣仍需要2-3年。IGBT更新換代相對比較慢,芯片對于產品性能起決定性作用,模塊只能保證芯片性能發揮。IGBT芯片新一代和老一代各有優勢,老一代損耗和面積等指標不一定好,但是穩定性是經過長時間驗證的,相當一部分客戶在新一代出來時候還選擇使用老一代芯片。國內和國際其他公司都有布局IGBT7代技術,但是產品的驗證周期較長,一般客戶需要5~10年驗證可靠性和應用端的問題,因此迭代速度較慢。目前最新代的IGBT斯達在和華虹共同研發,預計年底試生產。

IGBT的價格相對穩定:就算在行業下行的2019年大廠商的出廠價格都沒有下降,顯示出很健康的價格浮動。總結來看,IGBT芯片的更新換代相對比較慢,且是漸進式的創新,不斷優化升級,具體到某款IGBT產品,可以用到10年之久;同時供給端來看,IGBT行業巨頭主要是德系和日系廠商,風格相對比較保守,不會激進擴張產能和打價格戰。需求穩定且價格波動相對小,即使在半導體整體需求不好的2019。

電路的設計核心在于邏輯設計,可通過EDA等軟件,而功率半導體和模擬IC類似,需要根據實際產品參數進行不斷調整與妥協,因此,對工程師的經驗要求也更高,優秀的設計師需要10年甚至更長時間的經驗。大學里功率半導體和模擬IC部分教材也基本相當于是過去幾十年從業者的“經驗筆記”,并沒有像數字集成電路那樣相對有“標準范式”,而研發也是通過研發工程師團隊不斷修改參數權衡性能和成本的過程。

具體來說,IGBT技術和壁壘極高,主要體現在以下幾個方面:

1)、IGBT芯片設計

IGBT芯片是IGBT模塊的核心:其設計工藝極為復雜,不僅要保持模塊在大電流、高電壓、高頻率的環境下穩定工作,還需保持開閉和損耗、抗短路能力和導通壓降維持平衡。快恢復二極管芯片在IGBT模塊中與IGBT芯片配合使用,需要承受高電壓、大電流的同時,要求具有極短的反向恢復時間和反向恢復損耗。企業只有具備深厚的技術底蘊和強大的創新能力,積累豐富的經驗和知識儲備,才能在行業中立足。因此,行業內的后來者往往需要經歷一段較長的技術摸索和積累,才能和業內已經占據技術優勢的企業相抗衡。

2)、模塊設計及制造工藝

IGBT模塊對產品的可靠性和質量穩定性要求較高,生產工藝復雜,生產中一個看似簡單的環節往往需要長時間摸索才能熟練掌握,如鋁線鍵合,表面看只需把電路用鋁線連接起來,但鍵合點的選擇、鍵合的力度、時間及鍵合機的參數設置、鍵合過程中應用的夾具設計、員工操作方式等等都會影響到產品的質量和成品率。IGBT模塊作為工業產品的核心器件,需要適應不同應用領域中各種惡劣的工作環境,因此對產品質量的要求較高。如電焊機行業,考慮到逆變電焊機。

工作環境較為惡劣,使用負荷較重,在采購核心部件IGBT模塊時會優先考慮模塊的耐久性,因此芯片參數和模塊制造工藝的可靠性是生產IGBT模塊的核心。而且IGBT和下游應用結合緊密,往往需要研發人員對下游應用行業較為了解才能生產出符合客戶要求的產品。目前國內具有相關實踐、經驗豐富的研發技術人才仍然比較缺乏,新進入的企業要想熟練掌握IGBT芯片或模塊的設計、制造工藝,實現大規模生產,需要花費較長的時間培養人才、學習探索及技術積累。

IGBT廠商的產品穩定性需要長時間驗證,品牌效應和口碑的建設需要積累:
IGBT模塊是下游產品中的關鍵部件,其性能表現、穩定性和可靠性對下游客戶來說至關重要,因此認證周期較長,替換成本高。對于新增的IGBT供應商,客戶往往會保持謹慎態度,不僅會綜合評定供應商的實力,而且通常要經過產品單體測試、整機測試、多次小批量試用等多個環節之后,才會做出大批量采購決策,采購決策周期較長。因此,新進入本行業者即使研發生產出IGBT產品,也需要耗費較長時間才能贏得客戶的認可。

IGBT 行業驅動因素清晰,天花板上移驅動力強

IGBT在工業控制及自動化、新能源汽車、電機節能、太陽能發電、風能發電等諸多領域都有廣泛的應用;用于在各種電路中提高功率轉換、傳送和控制的效率,其中在新能源車中的驅動系統是最典型的應用。

全球的IGBT應用來看,工控占比37%,為最大的應用領域,電動汽車28%,新能源發電9%,消費領域8%;而在國內,由于我國高鐵發達,下游應用領域工業控制29%,軌道交通28%,新能源汽車12%,新能源發電8%,不過隨著我國新能源領域的不斷發展,新能車和光伏、風電這兩塊需求占比未來將持續上升。
2017年全球IGBT市場規模為52.55億美元,同比2016年增長16.5%,2018年全球IGBT市場規模在58.36億美元左右,同比增長11%,在功率半導體各個細分中屬于景氣度最高的。

我國IGBT行業發展至今,已取得較大進展,雖然仍需大量進口,但已有一部分企業具備規模化生產能力。2010年我國IGBT功率電器模塊產量為190萬只,2018年增長至1115萬只。


國內的IGBT需求增長遠超全球增長:根據智研咨詢的數據,2018年中國IGBT市場規模為161.9億元,同比增長22.19%,增速顯著高于全球平均水平;受益于新能源車、風電和光伏等我國強勢領域的持續發展,預計未來國內IGBT的復合增速繼續保持20%以上。


IGBT 競爭格局:歐美日基本壟斷,國產份額極低

IGBT市場競爭格局較為集中,主要競爭者包括英飛凌、三菱、富士電機、安森美、瑞士ABB等,2017年全球前五大IGBT廠商的份額超過70%,國內企業目前的市場份額普遍偏小。

IGBT多以IGBT模塊形式出現,國內IGBT龍頭斯達半導2018年在模塊領域市占率為2.2%,根據斯達半導2018年營收6.75億元,推出2018年IGBT模塊市場空間接近300億元(其中2018年IGBT整體市場空間58.36億美元)
國產替代空間廣闊。目前國內IGBT模塊打入全球前10的只有斯達半導,但也僅僅是占全球IGBT模塊市場份額2.2%,由于IGBT的下游應用新能源車、光伏、風電等這些新興領域,我國在世界上的話語權高于過去的傳統燃油車領域和工控領域,因此在IGBT的增量空間中有一半以上需求都在中國,未來幾年我國的IGBT市場需求占比將從2019年不35%提升到2025年的50%或以上,為我國的IGBT廠商提升份額和競爭力創造了良好的條件,國產IGBT廠商市場份額和業務量的提升潛力非常大。

確定高增:未來五年 IGBT 高景氣驅動因素

IGBT 占新能源車成本近 8%,且是純增量產品

IGBT在電動車領域主要應用分三類:

1)電控系統:IGBT模塊將直流變交流后驅動汽車電機(電控模塊);

2)車載空調控制系統:小功率直流/交流逆變,這個模塊工作電壓不高,單價相對也低一些;

3)充電樁中IGBT模塊被用作開關使用:充電樁中IGBT模塊的成本占比接近20%;

根據Digitimes Research的數據,目前新能車的成本結構中:

1)電池成本占比最大,一般來說可以占到約電動車總成本40%以上;

2)成本占比第二大的是電機驅動系統,可以達到電動車總成本的15%~20%,而IGBT則占到電機驅動系統成本40%-50%,也就是說,IGBT占新能源車總成本接近8%的比例。

并且,對于IGBT來說,新能源汽車對IGBT需求是純增量,因為傳統燃油車功率半導體器件電壓低,只需要Si基的MOSFET,而新能源汽車在600V以上MOSFET無法達到要求,必須要換成IGBT;因此IGBT是僅次于電池以外第二大受益的零部件。

每輛新能源車預計需要450美元的IGBT:根據Yole Development的測算,2016年平均每輛車消耗大約450美元IGBT,其中普通混合動力和插電式混合每輛車需要大約300美元的IGBT,純電動車平均每輛車使用540美元的IGBT。

按照2019年單車IGBT平均用量為460美元,受益于BEV占比持續提升,預計2019-2022年單車用量逐年增長至2022年的490美元/車,2023年開始,SIC-MOS的成熟后單車平均IGBT用量逐漸下滑至2025年的430美元/車,2025年預測新能源車銷量504萬輛(根據國家新能源汽車產業發展規劃——2025年電動乘用車滲透率約25%推算得出。)

按照以上假設思路,簡單測算中國2025年車載IGBT市場規模達22億美金,同時算個大數,屆時全球新能源車數量預計為國內的3倍(即海外銷量為國內的2倍),全球車載IGBT市場規模達66億美金,相當于再造一個IGBT市場(2019年全球總的IGBT在60億美金量級)。

IGBT 持續受益于光伏和風電在能源結構中占比提升

風電和光伏中的整流器和逆變器都需要用到 IGBT 模塊。根據能源局數據,2019 年國內光伏裝機 30.11GW,全球光伏裝機 115GW。


國內2019年光伏發電量占總發電量3%,未來持續提升潛力大。根據聯合國馬德里氣候變化大會的《中國2050年光伏發展展望》,從2020年至2025年這一階段開始,中國光伏將啟動加速部署;2025年至2035年,中國光伏將進入規模化加速部署時期,到2050年,光伏將成為中國第一大電源,約占當年全國用電量的40%左右,未來光伏發展的空間和潛力仍然較大。

風電和光伏2025年對應IGBT的全球需求量級在15億美金:由前述智研咨詢和英飛凌預計的IGBT總體空間和新能源發電占比可以推算出(IGBT 2018年全球市場空間58億美金,其中光伏風電等IGBT應用占比9%),2018年光伏風電IGBT市場空間約5.22億美金。目前的能源結構里,太陽能和風能合計占比不足10%。在全球節能減排大背景下,降低對化石能源的依賴,增加太陽能、風能的使用已經成為世界各國的共識。據BloombergNEF預測,預計2025年全球光伏新增裝機接近300GW,風電也比照光伏5年2.5倍左右的增長,則測算風電和光伏2025年對應IGBT的全球需求量級在12-15億美金。

白色家電的變頻驅動 IGBT 持續成長

IGBT是“變頻器”的核心部件之一,變頻白色家電的推廣可以為IGBT的IPM帶來穩定的市場。目前白色家電的變頻滲透率還有提升空間:根據產業在線網,近年來國內白電變頻滲透率在持續提升:1)空調:2012年到2018年,國內變頻空調銷量從3016萬臺提升到6434萬臺,滲透率從 28.94%提升到42.70%;2)冰箱:2012年到2018年,國內變頻冰箱銷量從363萬臺提升到1665萬臺,滲透率從4.80%提升到22.15%;3)洗衣機:2012年到2018年,國內變頻洗衣機銷量從577萬臺提升到2163萬臺,滲透率從10.36%提升到32.97%。Yole預計2022年白色家電變頻驅動IGBT市場規模達9.9億美金,較17年增長22%。 

變頻白電這塊的IGBT國產化低:國內僅有士蘭微和華微電子有一些白電IPM模塊出貨,家電IPM模塊雖然單價較低,替換供應商的動力不強,并且下游集中,目前龍頭企業的供應商均為日本,美國的企業,例如美的主要是Sanyo、Fairchild;格力/海爾主要是Mitsubishi,還有一些IR、LS等在供應,在供應鏈安全因為外部環境受到威脅時,國內的IGBT廠商未來在這一塊利基市場還是有比較大的替代潛力。

工控領域是IGBT應用的基本盤

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,且已在此領域中得到廣泛應用。

1)變頻器行業

我國變頻器行業的市場規模總體呈上升態勢。IGBT模塊在變頻器中不僅起到傳統的三極管的作用,亦包含了整流部分的作用。根據前瞻產業研究院整理,2016年我國變頻器行業的市場規模為416.77億元,平均4年復合增長率為8.74%。2017年我國變頻器市場規模約453.2億元。未來幾年,具有高效節能功能的高壓變頻器市場將受政策驅動持續增長,到2023年,高壓變頻器的市場將達到175億元左右。

2)逆變焊機行業

逆變式弧焊電源,又稱弧焊逆變器,是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻(50赫茲)交流網路電壓,先經輸入整流器整流和濾波,變成直流,再通過大功率開關電子元件(IGBT)的交替開關作用,逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓,根據國家統計局數據,2018年我國電焊機產量為853.3萬臺,同比2017年增加了58.46萬臺。電焊機市場的持續升溫亦將保證IGBT需求量逐步增大。

全球工控IGBT下游市場較為分散:根據集邦咨詢數據,2019年全球工控市場IGBT市場規模約為140億元,中國工控市場IGBT市場規模約為30億元。由于工控市場下游需求分散,單一下游需求的增長難以拉動整體行業需求提升,因此工控IGBT市場需求較為穩定,假設未來每年保持3%的規模增速,預計到2025年全球工控IGBT市場規模將達到170億元。這一塊是IGBT行業的基本盤,需求穩定且波動相對較小。

市場高關注:如何看待第三代半導體材料對 IGBT的挑戰

寬禁帶半導體介紹

全球多家功率半導體巨頭均有布局下一代基于氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半導體,為在市場上與傳統硅基功率半導體件進行對決奠定基礎。

SiC和GaN是第三代半導體材料,與第一二代半導體材料相比,第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,通常又被稱為寬禁帶半導體材料。

高頻低壓用Si-IGBT,高頻高壓用SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用 GaN。當低頻、高壓的情況下用Si的

與Si相比,SiC的導通電阻可以做的更低,體現在產品上面,就是尺寸降低,從而縮小體積。在新能源汽車行業,由于電池重量也比較大,那么別的器件的大幅度降低對于新能源車輕量化的幫助會比較大;比如5KW左右的DC/DC用SiC來做比Si的IGBT要輕85%左右。

受制于成本問題,未來3-5年 IGBT 仍是最重要的應用

目前局限SIC用途的原因是成本太高,產品參數也不穩定。目前SIC芯片成本是IGBT的4-5倍,但業界預計SiC 成本三年內可以下降到2倍左右。目前有使用SiC MOS的車型是特斯拉的Model 3。

目前阻礙 SiC成本下降的主要原因是基材缺陷。應用材料的戰略營銷總監如此評價:“這種較寬的帶隙使材料具有優良的特性,例如更快的開關速度和更高的功率密度,但是主要挑戰是基材缺陷,基面位錯和螺釘位錯會產生“致命缺陷”,SiC器件必須減少這種缺陷,才能獲得商業成功所需的高產量。”

成本下降和產品穩定需要時間驗證,國產廠商的核心矛盾是國產替代。SiC  MOSFET產品的穩定性需要進一步驗證,根據英飛凌2020年功率半導體應用大會上專家披露,目前 SiC MOSFET真正落地的時間還非常短,在車載領域才剛開始商用, 一些諸如短路耐受時間等技術指標沒有提供足夠多的驗證,一個高端功率半導體從客戶認證到產品試應用再到產品批量應用要比較長的時間,因此,未來 3-5年 IGBT還是主流的高端功率半導體產品,SiC 會在部分高端新能源車領域有一些逐步緩慢的滲透。但是對于國內廠商來說,未來5年核心矛盾是國產替代(龍頭市占率從2%到20%)。

長期視角:國內IGBT國產替代的同時,也有對SiC進行前瞻布局

第三代材料SiC等作為功率半導體技術演進的方向之一,國內IGBT也有一些研發儲備和樣品推出,下面以斯達半導和中車時代電氣為例:

一、斯達半導:公司SiC相關的產品和技術儲備在緊鑼密鼓的進行

1、公司已經成功研發出碳化硅模塊相關技術

根據斯達半導招股說明書的披露:公司研發出碳化硅模塊相關技術主要包括:
a.銀漿燒結技術:采用銀漿燒結后連接層熔點可達到900度以上,為錫焊工藝連接層熔點的4倍,適合于工作溫度在200度以上的應用領域;銀漿燒結層的電導、熱導分別是錫焊連接層的5倍和4倍;

b.銅線鍵合技術:銅線相較于鋁線,其熔點從660C提高到1083C,可大幅度提高鋁線的過流能力。同時其熱導率、電阻率以及楊氏模量均大幅優于鋁線,并且其熱膨脹系數從鋁線的23.6降為16.5,可大幅降低芯片工作時升降溫的連接層應力,提高芯片的抗功率循環能力。

2、公司重點項目儲備進展

招股書中對于公司在研的重點項目儲備進展有介紹,其中第四項儲備:
1)項目名稱:寬禁帶半導體器件功率模塊的開發;
2)項目進展:目前已經開發出應用于光伏的SiC器件模塊,供客戶批量使用,車用SiC模塊已經完成樣品認證。
3)項目擬達到的目的:進一步完善產品系列,2019年完善光伏應用的SiC器件及應用于新能源汽車的SiC模塊產品。

3、公司在未來重點攻關技術研發與開發計劃:

主要提到三項重要產品開發:1、全系列FS-Trench型IGBT芯片的研發;2、新一代IGBT芯片的研發;3、SiC、GaN等前沿功率半導體產品的研發、設計及規模化生產:公司將堅持科技創新,不斷完善功率半導體產業布局,在大力推廣常規IGBT模塊的同時,依靠自身的專業技術,積極布局寬禁帶半導體模塊(SiC模塊、GaN模塊),不斷豐富自身產品種類,加強自身競爭力,進一步鞏固自身行業地位。

二.中車時代電氣:官網中除了展示IGBT產品,還有展示5款SiC肖特基(SIC SBD產品)


因此,目前來看,SiC產業鏈被國外高度壟斷,未來2-3年當SiC成本由目前是Si基4-5倍下降至2倍,并且國內SIC上下游產業鏈也更加成熟、打破國外壟斷時,預計SIC才會在國內開始提升滲透率,并且SiC只是一種基材,未來隨著SiC技術的逐漸成熟,也會有SiC IGBT相關產品。

總結來看,未來3-5年Si IGBT還是應用主流,國內廠商的核心邏輯在于工控家電新能源領域進行國產替代提升份額,5年后SiC基材逐漸侵占Si基材份額的大趨勢下,相信國內的技術領先優質的龍頭功率半導體也能夠積極儲備相關技術和產品,積極擁抱迎接這一行業創新。


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