igbt最新发展动态「智能时代新能源的机遇与挑战」

汇能金属 2023-07-09 12:15:02

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(报告出品方/作者:中信证券,徐涛、夏胤磊)

1. 行业概览

1.1 什么是功率半导体?

功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电压和频率。主要用途包括变频、 整流、变压、功率放大、功率控制等,同时具有节能功效。功率半导体器件广泛应用于移动通讯、 消费电子、新能源交通、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域,涵盖低、中、高 各个功率层级。

1.2 什么是IGBT?

IGBT属于双极型、硅基功率半导体,具 有耐高压特性。融合了BJT(Bipolar junction transistor,双极型三极管)和 MOSFET 的性能优势 , 结构为 MOSFET 一个BJT,兼具BJT大电流增 益和MOS压控易于驱动的优势,自落地 以来在工业领域逐步替代MOSFET和 BJT,目前广泛应用于650-6500V的中高 压领域,属于功率器件领域最具发展前 景的赛道。

1.3 70%的IGBT具体应用形式为模块

IGBT最常见的应用形式是模块。大电流和大电压环境多使用IGBT模块,IHS数据显示模块和 单管比例为3:1。而IPM是特殊的IGBT模块,主要应用于中小功率变频系统。IGBT模块主要有五种结构。以2 in 1模块为例,模块中封装了两组芯片,根据电流或功率要求 不同每组可并联多颗IGBT芯片( IGBT芯片与FRD一一对应)

IGBT模块的优势:与单管相比,IGBT模块:1)集成度更高,更节约体积,2)多IGBT芯片 并联,电流规格更大,3)减少外部电路连接的复杂性,4)散热性更好,可靠性提升

2. 技术路径

2.1 产业环节拆分

IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节,其中设计环节技术突 破难度略高于其他功率器件,制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发,封装环节对产品可靠 性要求高,应用环节客户验证周期长,综合看IGBT属于壁垒较高的细分赛道。

2.2 芯片设计:已迭代7代,核心是高功率密度和高稳定性

由于IGBT 芯片工作在大电流、高电压的环境下,对可靠性要求较高,同时芯片设计需保证开通 关断、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于均衡状态,芯片设计与参数调整优化十分特 殊和复杂,因而对于新进入者而言研发门槛较高(看重研发团队的设计经验)GBT应用端迭代节奏慢于研发端,目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。由于IGBT属于电 力电子领域的核心元器件,客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期,且 并非所有应用场景都追求极致性能,因此每一代IGBT芯片都拥有较长的生命周期。

2.3 晶圆制造:背板减薄、激光退火、离子注入是难点

IGBT制造的三大难点:背板减薄、激光退火、离子 注入。IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大, 但背面工艺要求严苛(为了实现大功率化)。具体 来说,背面工艺是在基于已完成正面Device和金属 Al层的基础上,将硅片通过机械减薄或特殊减薄工 艺(如Taiko、Temporary Bonding 技术)进行减薄 处理,然后对减薄硅片进行背面离子注入,如N型掺 杂P离子、P型掺杂B离子,在此过程中还引入了激 光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。

特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到 100-200μm,对于要求较高的器件,甚至需要减薄 到60~80μm。当硅片厚度减到100-200μm的量级, 后续的加工处理非常困难,硅片极易破碎和翘曲。从8寸到12寸有两个关键门槛:减薄要求从120um转成80um,翘曲更严重,国内 能解决 , 背面高能离子注入(氢离子注入),设备单价高

2.4 模块封装:散热和可靠性是关键

GBT模块重视散热及可靠性,封装环节附加值高。IGBT模块在实际应用中高度重视散热性能及 产品可靠性,对模块封装提出了更高要求。此外,不同下游应用对封装技术要求存在差异,其中 车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件,其封装要求高于工业级和消费级。

3. 市场空间

3.1 电动车—电控—IGBT模块—IGBT晶圆的价值量分布

1个8寸晶圆可以产出259颗相应规格芯片,对应10个80KW的车规模块(PS:包含了 FRD芯片)结论:一颗8寸晶圆可以满足10辆A00级车的电控需求(80KW以下),5辆160KW的 A级车的电控需求

3.2 下游之光伏风电:IGBT需求增速约15~20 %

光伏:光伏逆变器中IGBT单位成本约0.02元/W。我们测算2019/20年全球光伏行业IGBT需求约 23/27亿元,我们预计2025年将伴随光伏装机增长至70亿元(国内占比约60%,对应42亿元),5 年CAGR超过20%。

风电:预计“十四五”期间国内风电年均装机超50GW,年复合增速10%-15%。以1.5MW双馈型 风机为例,其中变流器中IGBT用量约21个(1700V/2400A);目前风电变流器中IGBT单位成本约 为0.025元/W。根据我们测算,2020年国内风电行业IGBT需求约9亿元,预计2025年增长至17.5 亿元,5年CAGR接近15%。(报告来源:未来智库)

光伏 风电整体需求增速约15~20%;若考虑储能需求,实际增速更高。

3.3 下游之工业控制:行业增速10~15%

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,下游增速约10~15%细分市场包括变频器、工业电源、电焊机 、伺服器等。工控领域IGBT需求相对分散,国内市场空间约70~80亿元,预计未来维持10~15%增速。

3.4 下游之变频家电:行业增速约15~20%

2020年初国家推出新能效标准加速家电的变频化,行业增速约20%。以空调为例,国内2022年 完全淘汰定频空调,定速空调和变频3级能效产品以下均不符合新国标,将淘汰目前在售的90% 以上的定速空调型号和50%的变频空调型号。IHS预计全球2017~22年变频家电出货量CAGR达 到19%。变频家电多使用IPM,全球空间有望达百亿级别。IPM(智能功率模块)是一种特殊的IGBT模块, 集成了驱动、保护电路等。空调使用2颗IPM(内外机),其他家电使用1颗IPM,单颗ASP在 10~30元。基于IHS预测的变频家电出货量测算,2017年到2022年全球家电用IPM总需求将由49 亿元增长至117亿元。

3.5 下游之电网轨交:国内需求接近20亿,市场相对封闭

电网:近年落地的柔性直流(张北±500kV柔性直流工程)或直流混合项目(乌东德工程),开 始较大批量的采购高压IGBT产品,单条线路平均用量约5000~6000万元。预计“十四五”期间, 柔性直流项目有望逐渐稳定落地并扩大商用规模。

轨交:轨道交通市场对于IGBT的需求可根据应用场景,大致分为铁路市场与地铁市场。具体IGBT 单位用量,主要根据车型设计使用的电压等级及变流器数量决定,电力机车平均用量在60~90个 左右,电压等级在2400V~6500V之间;动车组平均用量为80~150个,电压等级在3300V~6500V之间; 地铁受型号影响,平均用量在30~80个不等,电压等级在1700V~3300V之间。以2018年中国轨道交 通招标采购量为例,经测算预计全年轨交IGBT采购需求约为15亿元。

4. SiC的影响几何

4.1 应用场景:导电型SiC主要应用于中高压功率器件

目前 SiC 功率器件主要定位于功率在 1kw-500kw 之间、工作频率在 10KHz-100MHz之间的场景,特 别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。

4.2 行业痛点:价格远高于Si基器件,目前仍处于 普及初期

尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化,但可靠性和高成本限制了行业普及。SiC功率器件成本远高于Si基功率器件,成本降低驱动逐步渗透:SiC 二极管:应用相对容易,和 Si 基产品价格差在3~5倍。在比特币的蚂蚁挖矿机的电源中有批 量的商业应用,在高效能的(数据中心)电源、 PV、充电桩中已有不少应用。SiC MOSFET :应用相对较难,和 Si基产品价格差在~5倍,在 PV 逆变器、充电桩、电动汽车 充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。

4.3 空间:18年SiC器件需求约4亿$,10年35倍扩张

根据IHS Markit数据,2018年SiC功率器件市场规模约3.9亿美元。预计到2027年将超过100亿美 元,对应9年CAGR为43%。驱动力包括:需求端:1)特斯拉引领下,新能源汽车逐步开始使用SiC MOS,拉动庞大需求(预计是最大也 是最重要的市场),2)电力设备等领域的带动 。供给端:1)产品技术升级,SiC衬底尺寸从4寸转向6寸,再向8寸升级;2)产能扩张后产生规 模效应。

4.4 电动车:SiC优点在于可降低综合成本

直接成本增加:在逆变器中用SiC MOS替换IGBT,会增加约1~200美金的器件成本。其他成本降低:1)SiC 可使控制器效率提升 2%~8,进而降低电池成本。根据CASA,电动车每百 公里电耗减少1kWh,电池成本节约1500元(反之,同样的电池成本续航能力更强)。 2)由于高 频特性,配套的变压器、电感等磁性元件成本降低(电感成本与频率成反比)。3)逆变器体积减 小,降低其他材料成本。4)低功耗、高工作结温降低散热要求。电池容量更大的高端车型或电动大巴车,更容易率先引入SiC MOSFET

报告节选:











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精选报告来源:【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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