IGBT
GBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由(BJT)雙極型三極管和絕緣柵型場效應管(MOS)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有(MOSFET)金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管(GTR)的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。
GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;(因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大(跟PN結材料和厚度有關))MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。(因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導致Vds很大)
IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
IGBT最主要的作用就是把高壓直流變?yōu)榻涣?，以及變頻(所以用在電動車上比較多)。
IGBT是電子電力行業(yè)的“CPU”
1.1 IGBT 是功率器件中的“結晶”
(1)功率半導體根據集成度可以分為分立器件中的功率器件和集成電路IC中的功率IC兩個大類。半導體產品的分類是一個十分復雜困難的過程，國際上多種分類方法都不可能完美區(qū)分出來各種產品種類與規(guī)模，目前較多采用 WSTS(世界半導體貿易協會)的分類方法。在下圖的半導體產品中，功率半導體是包含了功率器件與功率IC兩大類，功率IC相對來說集成芯片的小功率、小電壓產品，功率IC集成度較高，是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護電路等集成在同一芯片的集成電路，主要應用于手機等小電壓產品。功率器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場規(guī)模最大，晶體管又細分為IGBT、MOSFET、雙極型晶體管等。功率器件是指體積較大，用來處理較大功率、大電壓的產品，IGBT屬于功率器件的一類產品。
(2)IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管(BJT)和絕緣柵型場效應管(MOS)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。下圖顯示了一種N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構。IGBT是一個三端器件，正面有兩個電極，分別為發(fā)射極(Emitter)和柵極(Gate)背面為集電極(Collector)。IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通;反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。
(3)IGBT是功率半導體中的核心器件，兼具MOSFET及BJT兩類器件優(yōu)勢，驅動功率小而飽和壓降低。金氧半場效晶體管(MOSFET)輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快;而雙極型三極管(BJT)飽和壓降低，BJT更強調工作功率，MOSFET更強調工作頻率，因此IGBT兼有以上兩種器件的優(yōu)點，性能優(yōu)勢顯著。
(4)功率半導體的兩大功能是開關與電能轉換，主要可以依據工作頻率與功率大小將功率半導體分為不同類型，IGBT屬于功率半導體領域中高電壓低頻率應用的一種。功率器件通過調節(jié)改變電子元器件的功率來實現電源開關和電能轉換的功能，主要體現在變頻、整流、變壓、開關等方面。其應用范圍廣泛，包括工控、風電、光伏、電動汽車與充電樁、軌交、消費電子等領域。IGBT屬于其中偏向高電壓、中低頻率應用場景的一類產品。一般低壓IGBT常用于變頻白色家電、新能源汽車零部件等領域;中壓IGBT常用于工業(yè)控制、新能源汽車等領域;高壓IGBT常用于軌道交通、電網等領域。
(5)IGBT 通常應用形式是模塊或者單管，內部的核心組件就是 IGBT 芯片。如下圖所示的IGBT模塊型號為：FF1400R17IP4，模塊的長寬高為：25cmx8.9cmx3.8cm，模塊內部包含兩個IGBT模組，也就是我們常說的半橋模塊。IGBT模塊內部主要包含3個部件，散熱基板、DBC(Direct Bonding Copper-直接覆銅陶瓷板)基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料層和互連導線，用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來。DBC的主要功能需要保證硅芯片和散熱基板之間的電氣絕緣能力以及良好的導熱能力，同時還要滿足一定的電流傳輸能力。DBC基板類似2層PCB電路板，DBC 常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)。如下右圖所示，半橋結構IGBT模塊內部有6個DBC，每個DBC上有4個IGBT芯片和2個Diode(二極管)芯片。無論是內部的芯片還是最終形成的模組，IGBT的每一個環(huán)節(jié)技術壁壘均較高。
(6)IPM(Intelligent Power Module，智能功率模塊)是一種功能強大的集成電路模塊，可以用于控制和驅動高功率電子設備，如交流電機驅動器、變頻器、逆變器等。由于IGBT器件的固有特性，當出現過流?短路?過壓時如不能及時保護，往往在十幾微秒乃至數微秒內就會導致IGBT損壞，造成電力變換系統停機事故。為了解決IGBT在驅動保護?可靠性方面的不足IPM把驅動和多種保護電路封裝在同一模塊，IPM應用過程中，不再需要用戶自己設計驅動保護電路，IGBT的驅動及保護由IPM內部電路來完成。IPM模塊通常包括一個功率MOSFET、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或SiC(碳化硅)等開關器件，以及一個驅動電路，用于控制這些開關器件的導通和截止。此外，IPM模塊還通常集成有電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等功能，可以提供全面的保護措施，以保證高功率電子設備的安全和可靠性。
(7)IGBT 應用范圍按照領域的不同主要可以分為三大類：消費類，工業(yè)類，汽車類。IGBT單管主要應用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器;IGBT模塊主要應用于大功率工業(yè)變頻器、電焊機、新能源汽車(電機控制器、車載空調、充電樁)等領域;而IPM模塊應用于變頻空調、變頻冰箱等白色家電產品。
(8)相比工控與消費類 IGBT，車規(guī)級 IGBT 對產品安全性和可靠性提出更高要求。作為汽車電氣化變革的關鍵制程，IGBT產品在智能汽車中具有不可替代的作用。由于汽車電子本身使用環(huán)境較為復雜，一旦失效可能引發(fā)嚴重后果，所以市場對于車規(guī)級IGBT產品的要求要高于工控類與消費類IGBT產品。對比之下，車規(guī)級IGBT對于溫度的覆蓋要求更高、對出錯率的容忍度更低且要求使用時間也更長、工藝處理和電路設計方面對可靠性和散熱性要求更高。具體體現為：1)車規(guī)級IGBT的工作溫度范圍廣，IGBT需適應“極熱”、“極冷”的高低溫工況;2)需承受頻繁啟停、加減速帶來的電流沖擊，導致IGBT結溫快速變化，對IGBT耐高溫和散熱性能要求更高;3)汽車行駛中可能會受到較大的震動和顛簸，要求IGBT模塊的各引線端子有足夠強的機械強度，能夠在強震動情況下正常運行;4)需具備長使用壽命，要求零失效率。
1.2 IGBT 技術不斷迭代，產品推陳出新
(1)IGBT 產品的技術路徑在于不斷降低導通損耗、降低開關損耗、提升安全工作區(qū)這樣三個相互矛盾的方面來進行。IGBT產品作為一個商業(yè)化的產品，長期目標是不斷提升性能，同時不斷降低成本。能夠評價IGBT性能的指標有很多個，比較關鍵指標有三個，其一是降低開關損耗，是指在滿足高頻率的開關功能條件下，提升轉換能量效率;其二是導通損耗，是指電路導通后降低熱損耗，提升電能轉換效率;其三是提升安全工作區(qū)，是指盡可能保證器件在更大的溫度、電壓、電流范圍內穩(wěn)定工作。除了以上三個核心維度之外，提升電流密度、提高阻斷電壓、提高結溫、減少耗材等性能指標也很重要。通常來說，各個產品性能指標之間是相互矛盾的，同時提升所有性能指標是理想的目的，長期來看是可以實現這一過程的，但短期設計過程往往需要根據下游應用側重考慮某些重要指標。IGBT經過30余年的不斷發(fā)展，整體性能不斷提升，核心指標來看，功率密度已經提高了3倍，能耗不斷降低只有剛開始的1/3，IGBT的新技術依然在不斷迭代中。
(3)IGBT 柵極結構從平面柵向 Trench 溝槽型結構發(fā)展，再發(fā)展到最新的微溝槽型。在平面柵IGBT中，在電子流通方向上，包含溝道電阻 Rkanal，JFET 電阻RJFET，與漂移區(qū)電阻 Rn-，通過刺蝕將溝道從橫向變?yōu)榭v向，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結構，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，從而使性能更加優(yōu)化。另一方面，相比于平面柵極IGBT，溝槽IGBT的垂直結構省去了在硅表面上制作導電溝道的面積，更有利于設計緊湊的元胞，即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導電溝道的寬度，降低溝道電阻。微溝槽型柵極結構進一步降低溝槽間距至亞微米級，使得溝道密度更高，高密度的溝槽柵能夠有效的調節(jié)出最合適的電容比率，在開關過程中較小的開關損耗以及較優(yōu)的開關特性，同時采用了虛擬陪柵結構和非有源區(qū)以提高元胞通態(tài)時發(fā) 射極端載流子濃度。
(4)IGBT 縱向結構發(fā)展方向從帶緩沖層的 PT 型發(fā)展到 NPT 型再到 FS 型。PT型使用重摻雜的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長N+buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。工藝復雜，成本高，飽和壓降呈負溫度系數，不利于并聯，在80年代后期逐漸被NPT取代，目前IGBT產品已不使用PT技術。NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結構，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到IGBT電壓規(guī)格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+collector。在截止時電場沒有貫穿N-漂移區(qū)，NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層，這意味著飽和導通電壓Vce(sat)也會隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。為了進一步調和襯底厚度、耐壓和通態(tài)壓價增大的矛盾，體結構緩沖層的電場截止(FS)被提出，當背面減薄后，先制作一層重摻雜的N型電場截止層，使得硅片更薄。
(5)IGBT 芯片隨著每一代產品的升級，各項性能指標均有提升，考慮成本后，當前性價比較高、應用廣泛的是第四代產品。如下所表示，全球IGBT龍頭企業(yè)英飛凌有史以來誕生了七代不同的產品，每一代產品在結構上有較大的差異，在關鍵性能指標上也都有較大的提升，相對來說越是先進的產品，性能效果越高，能夠將產品研發(fā)到第幾代技術，某種程度上也說明了企業(yè)在絕對技術上的研發(fā)實力。如果考慮到成本等因素，IGBT目前性價比較高的產品屬于第四代產品。
IGBT
IGBT 搭乘新能源快車打開增長空間天花板
2.1 新能源汽車市場成為 IGBT 增長最充足動力
(1)新能源汽車市場快速發(fā)展，從2021年以來，市場銷量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢。根據中國汽車協會數據，2021年中國新能源車銷量達到352.1萬輛，同比增速為157.57%，2022年持續(xù)大幅增長達688.7萬輛，同比增長95.60%，2019-2022年CAGR達到78.74%，增速處于高位，2023年市場余熱未消，繼續(xù)保持增長勢頭，可以預見，未來幾年新能源車市場將一直處于繁榮上升期，高景氣度持續(xù)。
(2)IGBT 是電動汽車和直流充電樁等設備的核心器件，直接影響電動汽車的動力釋放速度、車輛加速能力和高速度，相對來說汽車芯片認證周期高達3-5年。IGBT主要應用于電動汽車電機驅動、DC/DC升壓變換器、雙向DC/AC逆變器，以及充電端的DC/DC降壓變換器。對于電動控制系統，作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機的驅動;對于車載空調控制系統，作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆變;對于充電樁，在智能充電樁中被作為開關元件使用。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。汽車IGBT的技術認證標準極高，IGBT要進入到汽車供應商行列，需要滿足新汽車級標準LV324/AQG324的要求，同時還要滿足中國IGBT聯盟和中關村寬禁帶聯盟等團體標準。認證指標中主要體現在溫度沖擊、功率循環(huán)、溫度循環(huán)、結溫等與全生命周期可靠性。最后，汽車IGBT還要通過終端汽車客戶的認證，一般來說，認證周期在3-5年。
(3)新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模測算：
模型假設：(1)全球和中國汽車總銷量2023、2024年分別保持2%和5%左右低速增長，與全球和中國經濟增速保持一致，2025、2026年市場較為飽和，增速放緩;(2)全球新能源汽車銷量與全球知名電動汽車市場研究網站保持一致，中國新能源汽車銷量與我國國家發(fā)展工作規(guī)劃保持一致;(3)根據ICV報告中數據，2022年新能源車單車IGBT價值量為1902元，隨著新能源汽車電動化程度加深，IGBT單車價值量維持緩慢增長。
我們根據IGBT單車價值量、全球與中國新能源汽車銷量數據，測算出2026年全球新能源汽車IGBT市場規(guī)模有望達到655.72億元，中國新能源汽車IGBT市場規(guī)模2026年有望達到億 407.84億元，2022-2026年CAGR為32.84%，IGBT在新能源汽車應用市場保持較高增速。
2.2 新能源發(fā)電前景廣闊驅動 IGBT 增長
(1)IGBT 是光伏逆變器的“心臟”，在光伏領域中市場需求提速較快。IGBT等功率器件作為光伏逆變器、風電變流器及儲能變流器的核心半導體部件，對電能起到整流、逆變等作用，以實現新能源發(fā)電的交流并網、儲能電池的充放電等功能。其中光伏逆變器是最主要的應用場景，光伏IGBT對于可靠性的要求非常高，新能源發(fā)電輸出的電能需要通過光伏逆變器將整流后的直流電逆變?yōu)榉想娋W要求的交流電后輸入電網，這種線路需要將IGBT模塊性能的可用性實現最大化以保持電網的穩(wěn)定性。
(2)新能源發(fā)電主要包括風電、光伏、儲能三部分，目前風光儲裝機量大幅提升，發(fā)展勢頭強勁，同時帶動 IGBT 需求增長。光伏逆變器原材料主要由結構件、電感、半導體器件等構成，半導體器件和集成電路材料主要為IGBT元器件、IC半導體等。在碳中和背景下，光伏和風力等新能源的應用已成為指向標，中國光伏發(fā)電新增裝機容量趨勢保持逐年上升態(tài)勢，根據國家能源局數據，2023年1-8月份光伏裝機容量跳躍式增長至11316萬千瓦，超過2022年全年新增裝機容量8741萬千瓦，隨著光伏裝機量的持續(xù)增長，對IGBT的需求也迅速攀升。逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10年-15年，而光伏組件的運營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內至少需要更換一次，這也進一步擴大了IGBT在光伏系統中的使用量。
(3)中國光伏逆變器和風電變流器 IGBT 市場規(guī)模測算：
模型假設：(1)全球和國內新增光伏裝機量與中國光伏行業(yè)協會預測保持一致性，我國光伏行業(yè)駛入快車道，而全球發(fā)展不確定性因素更高，因此設定同比增速低于我國;(2)光伏組件和光伏逆變器的容配比為1.25;(3)根據SMM數據測算出2022年光伏逆變器單瓦價格為0.20元/W，在降價大趨勢下預計2023年降至0.16元/W，在技術迭代與競爭加劇下逐年持續(xù)降低，2026年下降至0.13元/W;(4)根據固德威招股說明書IGBT在采購金額中占比數據，我們設定IGBT占光伏逆變器成本比例維持在10%。
我們根據光伏新增裝機量預測、光伏逆變器需求量和逆變器單位價格等數據定量分析，測算出全球和國內光伏逆變器IGBT國內市場規(guī)模將從2022年的36.80億元和13.99億元逐年增長至2026年的71.95億元和27.30億元，2022-2026年復合增速分布為18.25%和18.20%。
模型假設：(1)全球風電新增裝機量分為陸上和海上兩大類，陸上和海上新增裝機量與全球風能理事會預測保持一致，國內新增風電裝機量與國家發(fā)展規(guī)劃和全球風能理事會預測保持一致;(2)風電變流器2022年單價參考龍頭公司招標結果公告為0.17元/W，以后年度保持穩(wěn)定;(3)根據禾望電氣招股說明書功率器件在采購金額中占比，我們設定IGBT占風電變流器成本比例維持在10%。
根據風電變流需求量、單瓦價格，我們測算出全球和國內風電變流器IGBT市場規(guī)模從2022年13.19億元和6.40億元翻倍增長至2026年的25.53億元和16.89億元，2022-2026年復合增長率分別為17.94%和27.47%
2.3 工業(yè)控制平穩(wěn)發(fā)展支撐 IGBT 行業(yè)需求
(1)IGBT在工業(yè)控制領域的應用范圍較大，主要是在變頻器、UPS電源以及逆變焊機等設備的使用。變頻器依靠內部IGBT的開關來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，變頻器產業(yè)的快速發(fā)展勢必導致IGBT需求提升。逆變焊機的工作原理主要是通過將低頻交流電經過整流濾波變成直流，再通過IGBT將直流逆變成千赫茲到萬赫茲的中頻交流電，同時經變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，再次整流并經過濾波輸出平穩(wěn)的直流電，進行焊接工作。UPS即不間斷電源(Uninterruptible Power Supply)，是一種含有儲能裝置的不間斷電源，主要用于給部分對電源穩(wěn)定性要求較高的設備，提供不間斷的電源。在UPS電源內部有整流器與逆變器，進行電能轉換過程需要用到IGBT。
(2)工業(yè)控制 IGBT 市場規(guī)模測算：
模型假設：(1)變頻器、逆變焊機、UPS電源IGBT市場規(guī)模與ICV報告測算數據保持一致;(2)全球市場增速維持在4%，中國是工業(yè)制造大國，制造業(yè)規(guī)模居世界首位，因此國內市場同比增速高于全球市場，其中國內變頻器和UPS電源市場規(guī)模同比增速超過全球市場增速的2倍;(3)根據前瞻產業(yè)研究院數據，變頻器、逆變焊機、UPS電源IGBT價值量占比分別為12%、10%、15%，考慮到工控市場發(fā)展較為成熟，IGBT使用價值比例在未來維持穩(wěn)定。
通過變頻器、逆變焊機、UPS電源市場規(guī)模以及IGBT在各領域占比數據，我們測算出2026年全球及國內工控IGBT市場規(guī)模有望分別達到297.74億元和123.52億元，復合增長率為4%和10.48%，保持低速穩(wěn)定增長，是下游應用領域中最穩(wěn)健的存量市場。
2.4 家電智能化催生 IGBT 模塊增長
(1)白色家電中實現電能轉換均需要功率半導體，其中變頻家電中智能模塊(IPM)主要會用到IGBT。白色家電中變頻功能實現均需要IPM模塊，變頻白電主要包括變頻空調、變頻冰箱和變頻洗衣機，這些是應用最廣泛的消費家電產品。如下圖所示是用于空調的IPM模塊的結構示意圖，藍色框部分表示用到多個IGBT芯片或者單管，變頻器IPM用于驅動空調壓縮機及室外風扇。
(2)變頻白電 IGBT 市場規(guī)模測算：
模型假設：(1)空調、冰箱、洗衣機銷量同比增速分別為6%、4%、4%;(2)變頻空調、冰箱、洗衣機滲透率根據歷史數據變化，設定逐年上升1%、5%、3%;(3)根據ICV報告數據，變頻空調、冰箱、洗衣機用IPM模塊數量分別為2,1,1個;(5)家電類IPM模塊均價通過ICV報告中2022年已知市場規(guī)模和變頻白色家電IPM模塊需求量倒推出平均價格為28.39元，價格與市面主要品牌廠商的經銷渠道價格差距不大，同時每年以穩(wěn)定低速降低;(4)中國變頻白色家電IPM模塊在全球市場中份額占比逐年低速提升，以同比增速增加 0.10pcts增長。
根據變頻空調、冰箱、洗衣機銷量與單機IPM模塊數量，我們測算出2026年全球和中國變頻白色家電IPM模塊市場規(guī)模穩(wěn)健增長至210.49億元和103.85億元。2022-2026年復合增速分別為7.41%和7.68%，國內與全球白色家電IGBT市場規(guī)模增速相差不大，每年占據全球市場份額的50%左右。
2.5 軌道交通助力 IGBT 市場增長
(1)IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT 又是牽引變流器最核心的器件之一。
牽引逆變器將1500VDC直流轉化成變頻變壓的交流電，通過IGBT完成逆變電源輸出，此為地鐵車輛最常見的變流系統。牽引變流器輸入端為三重四象限變流器(網側變流器)，直接連接到主變壓器的3個牽引繞組輸出端：牽引變流器輸出端為三相逆變器(電機側變流器)，直接與牽引電機連接。
動車組中的列車供電、冷卻風扇電機、牽引通風機電機都需要應用逆變器，以及交流輔助發(fā)電機通過整流模塊進行電流轉換。
(2)為了適應大功率牽引應用工況和鐵路運輸環(huán)境，軌道交通用IGBT模塊要求更高的功率密度和集成度、更高的工作結溫等性能。對于使用環(huán)境苛刻，可靠性要求更高的應用領域，選擇的材料及封裝工藝具有更好的綜合性能和可靠性。例如，工業(yè)IGBT采用鋁線(Al)鍵合線鍵合的電氣、熱力學性能較差，膨脹系數失配大，影響IGBT使用壽命，而軌道交通使用銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學性能優(yōu)良等優(yōu)點，可靠性高，適用于高功率密度、高效散熱的模塊;標準錫基軟釬焊料的熔化溫度為220℃，而在更大的功率密度應用需求下，相應的芯片結溫可達175℃甚至200℃，同系溫度>0.8將導致焊接層在熱應力負載下很快疲勞失效，因此軌道交通IGBT 使用擴散焊接技術來解決此問題。
(3)軌道交通 IGBT 市場規(guī)模測算：
模型假設：(1)中國高鐵營業(yè)里程、城市軌道交通運營里程根據歷史數據以穩(wěn)定5%和9%的增速逐年增長;(2)動車組密度分別以每年20標準組/萬公里增加，城軌運營車輛密度保持穩(wěn)定不變;(3)動車組、城市軌交用IGBT單價以采招網中標金額為依據。
根據當年新增動車組、新增城市軌道交通運營車輛、動車組和城市軌交用IGBT單價，我們測算出2026年國內軌道交通用IGBT市場規(guī)模達6.38億元，2022-2026年復合增長率達 17.04%，是下游應用中增長相對較快的領域。
2.6 國內 IGBT 市場乘風新能源領域迅速擴張
(1)受益于新能源汽車和新能源發(fā)電的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長，根據我們的測算結果的合計，到2026年，中國IGBT市場規(guī)模將有望達到685.78億人民幣，年復合增長率達21.48%。在各下游市場中，新能源汽車市場依然是增速最快的部分，其市場規(guī)模2022-2026年復合增速高達32.84%;而新能源發(fā)電市場也將獲得21.34%的行業(yè)增速，成為第二大市場規(guī)模增速較高的領域;軌道交通市場的增速也相對較快達17.04%，由于其體量較小，對IGBT市場規(guī)模擴張?zhí)峁┑呢暙I相對較小，但仍然是具有良好發(fā)展前景的應用領域;工控市場發(fā)展較為成熟，波動較小成為下游市場穩(wěn)健支撐，工控IGBT市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長;變頻白電雖然增速最低，但其體量大、應用滲透率高，也是不可或缺的重要助力。
(2)從下游占比來看，2026年預計新能源汽車、工業(yè)控制、變頻白電、新能源發(fā)電、軌道交通分別為60%、18%、15%、6%以及1%。下游應用領域中規(guī)模占比最大的前三大領域始終為新能源汽車、工業(yè)控制和變頻白電，新能源汽車市場將在雙碳政策和技術升級雙輪驅動下繼續(xù)保持旺盛需求，其主導地位未來有望得到進一步鞏固，市場占比從2022年的42%有望在2026年提升至60%，占據IGBT市場一半以上的份額。
IGBT
國產 IGBT 崛起有望重塑海外寡頭壟斷格局
3.1 行業(yè)壁壘成為 IGBT 集中度高的內在因素
3.1.1 技術壁壘
(1)IGBT的核心生產過程也包括芯片設計、晶圓制造、封測與模塊設計三個主要部分，各有其技術難點。
?芯片設計方面，IGBT芯片由于考慮到處在大電流、高電壓、高頻率工作環(huán)境的特性，對芯片的可靠性要求也相對較高，同時芯片設計需保證開通關斷、抗短路能力和導通壓降(控制熱量)三者處于動態(tài)均衡狀態(tài)，芯片設計與參數調整優(yōu)化十分特殊和復雜。芯片設計環(huán)節(jié)的主要技術難點有：1.終端設計在小尺寸滿足高耐壓的基礎上須保證其高可靠性;2.元胞設計實現高電流密度的同時須保證其較寬泛的安全工作區(qū)和足夠的短路能力。
?晶圓制造方面，IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS區(qū)別相差不大，其背面工藝較為復雜，要求嚴苛，主要包括三大技術難點：背板減薄、激光退火、離子注入，通過背面薄片工藝的重復性和一致性來確保批量生產的連續(xù)性。背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬Al層的基礎上，將硅片通過機械減薄或特殊減薄工藝(如 Taiko、Temporary Bonding技術)進行減薄處理，然后對減薄硅片進行背面離子注入，如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子，在此過程中還引入了激光退火技術來精確控制硅片面的能量密度。特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到100-200μm，對于要求較高的器件，甚至需要減薄到60~80μm。當硅片厚度減到100-200μm的量級，后續(xù)的加工處理非常困難，硅片極易破碎和翹曲。從8寸到12寸有兩個關鍵門檻：減薄要求從120μm轉成80μm，翹曲更嚴重，背面高能離子注入(氫離子注入)，設備單價高。
?模塊封裝方面，分為模塊設計、模塊制造，其中模塊設計包括機械結構設計、電路布局設計、熱設計、電磁設計等，一款IGBT模塊的開發(fā)需要進行機、電、熱、磁等方面的優(yōu)化并兼顧模塊工藝的可實現性等方面因素。模塊設計環(huán)節(jié)的主要難點在于保證可靠性和散熱性能：1.在不影響器件參數的前提下，不同封裝形式其工藝路線的設計須保證內部器件的長期可靠性;2.在保證良好的均流散熱等性能的前提下，不同封裝形式內部布局的設計須實現低雜散電感并避免內部各器件的相互干擾。而模塊制造則是指根據特定的電路設計，將兩個或以上的IGBT芯片和其他芯片貼片到DBC板上，并用金屬線鍵合連接，然后進行灌封或塑封，以滿足芯片、線路之間的絕緣、防潮、抗干擾等要求，最后將電路密封在絕緣外殼內，并與散熱底板絕緣的工藝。不同下游應用對封裝技術要求存在差異，其中車規(guī)級由于工作溫度高同時還需考慮強振動條件，其封裝要求高于工業(yè)級和消費級
(2)與其他半導體不同的是，在封測與模塊上IGBT的技術壁壘極高并且擁有較高的毛利率。一般來說，所有的半導體核心工藝都有芯片設計、晶圓代工、封裝測試三個環(huán)節(jié)，相對來說芯片設計的附加值極高。但是，對于IGBT企業(yè)來說，IGBT封測與模塊是一個技術壁壘極高的工作，在高電壓、大功率的環(huán)境下，需要解決很多功能損耗、高溫度范圍、高壓高流等諸多復雜問題，某種程度上來說模塊設計也是體現企業(yè)的核心價值一部分，一般來說毛利率也相對較高。
3.1.2 市場壁壘
客戶認可度是IGBT廠商的主要市場壁壘。IGBT模塊是下游產品中的關鍵部件，其性能表現、穩(wěn)定性和可靠性對下游客戶來說至關重要，下游客戶將供應鏈安全穩(wěn)定作為所考慮首要因素，更傾向于和IGBT供應商保持長期合作關系，一旦合作后客戶粘性大大提升，變更已有長期合作的供應商的意愿較。IGBT模塊認證周期較長，替換成本高，下游客戶會對于新入場的IGBT供應商保持相對謹慎的態(tài)度，不僅要考慮供應商的實力，產品還要經過單機測試、整機測試、多次小批量試用等多個環(huán)節(jié)之后才會做出大批量采購決策，采購決策周期較長。IGBT模塊的驗證測試項目繁多，其中可靠性測試最為重要，是客戶關注度最高的性能指標。
3.2 海外龍頭主導 IGBT 市場
(1)從整個IGBT的產業(yè)鏈來看，核心環(huán)節(jié)幾乎都是海外企業(yè)為主，但在每一個產業(yè)鏈環(huán)節(jié)，我國均有企業(yè)在積極布局。IGBT的核心產業(yè)鏈中，我國有多個企業(yè)積極參與布局，主要分為Fabless、foundry、IDM三種運作模式。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、模塊等全環(huán)節(jié)業(yè)務的企業(yè)模式;Fabless模式是芯片設計與銷售經營模式，即企業(yè)自身專注于芯片設計與銷售，而將芯片制造外協給代工廠商生產制造的模式;Foundry模式主要負責制造生產環(huán)節(jié)，根據客戶的產品設計，采購原材料來進行加工制造。
海外龍頭企業(yè)多為IDM模式，如英飛凌、安森美等企業(yè)，國內IDM模式的公司較少，絕大多數為上市公司，但在全球市場中占據一定的市場份額，如比亞迪半導、士蘭微、中車時代電氣等公司。國內主流的芯片生產是采用Fabless的代工模式，典型公司有斯達半導、宏微科技等，而代工廠根據公司提供的工藝流程和設計版圖，生產出各項參數符合設計指標的芯片，華虹宏力目前是國內最先進，最全面的半導體功率器件代工廠。
(2)全球IGBT市場呈現出集中度高，海外廠商英飛凌、富士電機、三菱這TOP3大企業(yè)占據了超過50%的市場份額。根據Omdia數據，2021年全球IGBT單管市場中，中國大陸企業(yè)只有士蘭微進入前十大廠商中，占據4%的市場份額;2021年全球IGBT模塊市場中，中國大陸只有斯達半導和中車時代進入前十大廠商，分別占據3%和2%。國外巨頭英飛凌無論在單管還是模塊都處于絕對龍頭地位，而國內廠商市場份額較低，且只在某一產品上具備競爭優(yōu)勢。國內廠商和國外廠商存在差距的原因主要是國外廠商成立時間早，比如富士電機成立于1923年，三菱電機成立于1921年，技術積累豐富，同時與海外汽車、工控等大型企業(yè)合作十分緊密，在技術與生態(tài)上優(yōu)勢顯著。國內的幾大廠商主要集中在1997—2005年，技術追趕較慢，產業(yè)資源十分稀缺，但國內企業(yè)已經完成 0-1的技術突破,先從消費級、工業(yè)級中低端產品入手逐步打開市場，目前已經有一些企業(yè)帶來車規(guī)級高端
產品市場，隨著國產化不斷深入，國內企業(yè)未來迎來加速發(fā)展期。
(3)國內IGBT產量穩(wěn)步提升，國產化率長期不斷上升。根據中商產業(yè)研究院預計，2023年中國IGBT產量有望快速增長達到3624萬只，自給率也將達到32.90%，近年來，隨著我國IGBT技術的不斷更新迭代，國產廠商逐步突破產能受限問題，加速產能布局，目前正處于國產替代的增長階段。
(4)全球海外IGBT企業(yè)大多是全球知名的芯片企業(yè)，歷史悠久，總體收入規(guī)模巨大。我們梳理了全球的IGBT龍頭企業(yè)，根據下表中的數據可以看出全球龍頭標的的一些特征。全球IGBT龍頭企業(yè)均為知名芯片巨頭企業(yè)，這些龍頭企業(yè)營收規(guī)模都在幾百億上千億元，功率器件只占據業(yè)務的一部分，一方面因為功率器件規(guī)模相對有限，當企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模后會通過橫向發(fā)展、協同發(fā)展其他芯片賽道業(yè)務，另一方面也體現了功率器件與下游客戶綁定程度較深，具有半定制化的特征，很難形成寡頭壟斷格局。這也給國內企業(yè)長期發(fā)展提供一定參考，創(chuàng)業(yè)期可以專注于功率器件、IGBT業(yè)務，后期成長發(fā)展可能也需要橫向發(fā)展與協同發(fā)展來擴張企業(yè)規(guī)模。
3.3 海外龍頭短期內交貨周期與價格維持穩(wěn)定態(tài)勢
(1)全球半導體周期下行趨勢下，短期IGBT全球價格保持相對穩(wěn)定。2023年第二季度，海外主要IGBT廠商英飛凌及意法半導體交貨周期和價格保持平穩(wěn)態(tài)勢。交付貨期方面，與第一季度相比較，英飛凌貨期維持在39-50周，意法半導體維持47-52周;價格趨勢方面，英飛凌與意法半導體均環(huán)比持平?，F階段下游需求持續(xù)高景氣度，而上游海外廠商產能釋放有限，IGBT市場面臨短期內供不應求的狀態(tài)，這為國產企業(yè)提供了機遇。如今，本土IGBT產品性能已經逐漸成熟，且部分產品性能可對標海外IGBT大廠產品，加速國產化IGBT產品市場滲透，逐步切入高端市場，助力應用新能源車與發(fā)電領域的IGBT市場保持向好態(tài)勢。
(2)國內企業(yè)在全球規(guī)模較小，海外巨頭企業(yè)的價格是國內企業(yè)產品定價的錨，短期內國內企業(yè)產品價格預計保持穩(wěn)定。由于國內企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，在全球不具備產品定價權，同類產品上多參考海外巨頭產品的價格，在此基礎上根據與客戶的協商定價。全球巨頭產品的價格有所調整，國內企業(yè)價格理論上也會同方向上調整。2021年受到全球缺芯價格影響，國內企業(yè)的功率器件產品大幅度漲價，2022年缺芯逐步緩解，價格企穩(wěn)下降，到目前為止，功率器件的供貨周期穩(wěn)定，價格相對穩(wěn)定。
3.4 國內廠商產能逐步釋放加速國產替代
國內晶圓產能分布以代工廠產能占據主導，同時多家IDM廠商在自建產線上擴產，生產的晶圓規(guī)格主要集中于6、8和12英寸上，12英寸難度較大產能相對較低。國內生產IGBT芯片的企業(yè)主要有代工廠以及IDM模式的功率器件企業(yè)，我們從以下圖表可知，Fabless、IDM、Foundry的企業(yè)都有擴張產能計劃，按照面積初步估算國內企業(yè)擴產后的總產能相比于目前產能增加幅度在50%以內，并且產能規(guī)劃在1-3年內完成，因此我國企業(yè)IGBT的總產能增加在全球對比來看依然不高。產能增長后，企業(yè)的產能利用率也有一個爬坡期，最終的銷量到客戶也需要一個過程。此外，IGBT模塊與IPM模塊也需要相關的產線來制造，根據斯達半導與宏微科技的公告來看，模塊的產能增長相對更加簡單，但目前IGBT芯片的自給率都還有空間。綜合來看，我國IGBT芯片的產能擴產相對積極，但總產能在全球占比依然不高，國產化空間依然較大。
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