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國產IGBT,實力究竟如何?

點擊次數:??更新時間:2020-03-16 10:45:36

隨著國內IGBT行業龍頭企業斯達半導的上市网信彩票|官网登录,并擠進全球IGBT模塊供應商TOP 10,國產替代技術已經達到門檻。功率半導體是半導體行業的細分領域,雖不像集成電路一樣被大眾熟知网信彩票|官网登录,但其重要性不可忽視网信彩票|官网登录。1990-2010年,這20年時間內网信彩票|官网登录,IGBT節能效果為全球客戶累計節省了約18萬億美元网信彩票|官网登录,減少了約100萬億磅的二氧化碳排放。IGBT作為電子電力裝置和系統中的“CPU”,高效節能減排的主力軍,有著強大的生命力,我們現在還離不開IGBT!那么我國的上游IGBT企業實力究竟如何呢网信彩票|官网登录?


IGBT的本土市場機遇


什么是IGBT呢?IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫,即絕緣柵雙極型晶體管,是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品,是工業控制及自動化領域能源變換和傳輸的核心元器件。簡單來說,IGBT可以理解為“非通即斷”的開關,它可以將直流電壓逆變成頻率可調的交流電网信彩票|官网登录,主要用于變頻逆變和其他逆變電路,被稱為是電力電子裝置的“CPU”。

進入21世紀以后,全球能源日趨緊張,各國都在積極采用開源節流的方式控制能源网信彩票|官网登录。由于IGBT在電能轉換中扮演的重要角色,它能夠為各種高電壓和大電流應用提供更高的效率和節能效果网信彩票|官网登录,被廣泛應用于工業控制、新能源、變頻家電等領域网信彩票|官网登录。特別是在新能源汽車中网信彩票|官网登录,IGBT 模塊占電動車整車成本約5%左右,是除電池之外成本第二高的元件。根據IHS預測网信彩票|官网登录,全球汽車電動化用IGBT模塊未來5年復合增長率高達23.5%。目前國內IGBT供需差距巨大,國產量僅為市場銷量的七分之一。

2018 年國內市場 IGBT 模塊需求量為7898萬只,但是國內產量只有1115萬只网信彩票|官网登录,供需缺口巨大。據業內人士透露,IGBT整體市場規模會保持每年10%以上的增長速度,主要受益于新能源汽車行業的發展网信彩票|官网登录。但是國產IGBT的增長速度會遠高于此网信彩票|官网登录,以上市公司斯達半導體為例网信彩票|官网登录,2016年至2018年,連續保持45%以上的增長率。國內諸多公司以IGBT為主營業務的公司實現了高速增長。

尤其在經過貿易戰的洗禮后,越來越多的下游廠商主動開始嘗試接受國產IGBT网信彩票|官网登录,這就給了國產IGBT更多的試錯機會,從而促進了國產IGBT的技術迭代,讓國產IGBT進入了一個良性的迭代循環的過程网信彩票|官网登录。IGBT的國產替代已經進入了高速增長期,越來越多的中小型客戶已經完成了高比例的國產化,在工業領域以及部分細分領域,國產化率已經達到50%以上。

雖然新能源汽車的需求潛力巨大,但在這個領域,普通IGBT企業想要分一杯羹并不容易网信彩票|官网登录。當下,國產IGBT進入的主要領域還是工業領域,這個領域對國產IGBT的接受度已經非常高。變頻白色家電也具有廣闊市場前景,以空調為例,按照國家政策,2020年停止生產非變頻空調网信彩票|官网登录,2021年停止銷售非變頻空調。而目前變頻空調的市場占比只有50%,這就意味著未來短短半年的時間內變頻空調要增產一倍。而變頻空調的核心器件就是IGBT為核心的IPM模塊网信彩票|官网登录,變頻空調的壓縮機网信彩票|官网登录、內機風扇网信彩票|官网登录、外機風扇均需IPM來實現變頻控制。

國內IGBT軍團崛起


IGBT是事關國家經濟發展的基礎性產品,如此重要的IGBT网信彩票|官网登录,長期以來我國卻不得不面對依賴進口的尷尬局面网信彩票|官网登录,市場主要被英飛凌、三菱、富士電機為首的國際巨頭壟斷网信彩票|官网登录网信彩票|官网登录。自2005年開始,大量海外IGBT人才紛紛歸國投入國產IGBT芯片和模塊產業的發展,尤其是以美國國際整流器公司(IR)回國人員最多网信彩票|官网登录。

從IR歸國主要從事芯片開發的專家有斯達半導湯藝博士、達新半導體陳智勇博士、陸芯科技張杰博士等,以上幾家公司都已成為以自產IGBT芯片為主的產品公司。另外IR歸國從事模塊開發的專家還有銀茂微電子莊偉東博士。中科院微電子所較早涉足IGBT行業,主要由無錫中科君芯承擔IGBT研發工作,中科君芯的研發團隊先后有微電子所、IR、日本電裝网信彩票|官网登录、成電等技術團隊的加入。

斯達半導作為國內IGBT行業的領軍企業网信彩票|官网登录,成立于2005年网信彩票|官网登录,于2020年2月4日在上交所主板成功上市网信彩票|官网登录网信彩票|官网登录。公司自主研發設計的IGBT芯片和快恢復二極管芯片是公司的核心競爭力之一。據IHSMarkit報告數據顯示,在2018年度IGBT模塊供應商全球市場份額排名中,斯達半導排名第8位,在中國企業中排名第1位,成為世界排名前十中唯一一家中國企業网信彩票|官网登录。其中斯達半導自主研發的第二代芯片(國際第六代芯片FS-Trench)已實現量產,成功打破了國外企業常年對IGBT芯片的壟斷网信彩票|官网登录。

成立于2013年的寧波達新,主要從事IGBT、MOSFET、FRD等功率半導體芯片與器件的設計、制造和銷售。公司在8寸及6寸晶圓制造平臺成功開發600V-3300V IGBT芯片產品,芯片電流等級涵蓋10A~200A。采用自主IGBT芯片,達新推出了系列化的滿足工業應用、消費電子、新能源的IGBT模塊,模塊電壓涵蓋600V~1700V,電流等級涵蓋10A ~ 800A。

上海陸芯電子科技聚焦于功率半導體(IGBT、SJMOS & SiC)的設計和應用,包括芯片、單管和模塊网信彩票|官网登录。具有以下優勢:通過優化耐壓終端環,實現IGBT高阻斷電壓,有效減少芯片面積,達到工業級和汽車級可靠性標準;通過控制少子壽命网信彩票|官网登录,優化飽和壓降和開關速度网信彩票|官网登录;實現安全操作區(SOA)和短路電流安全操作區域SCSOA性能最優;改善IGBT有源區元胞設計可靠性网信彩票|官网登录网信彩票|官网登录,抑制IGBT的閂鎖效應;調節背面減薄网信彩票|官网登录网信彩票|官网登录、注入网信彩票|官网登录、退火、背金等工藝网信彩票|官网登录;實現60um~180um晶圓厚度的大規模量產。

南京銀茂微電子(SilverMicro)成立于2007年网信彩票|官网登录,專注于工業和其他應用的功率IGBT和MOSFET模塊產品的設計和制造。通過采用現代化的設備來處理和表征高達3.3kV的電源模塊,南京銀茂微已經建立了先進的電源模塊制造能力网信彩票|官网登录,還能夠執行電源模塊鑒定測試。產品已廣泛用于工業逆變器,焊接機,UPS,電源和新能源應用。

江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發的中外合資高科技企業,成立于2011年底网信彩票|官网登录。君芯科技是國內率先開發出溝槽柵場截止型(Trench FS)技術并真正實現量產的企業。公司推出的IGBT芯片网信彩票|官网登录网信彩票|官网登录、單管和模塊產品從600V至6500V,覆蓋了目前主要電壓段及電流段,已批量應用于感應加熱、逆變焊機、工業變頻、新能源等領域。君芯科技獨創的DCS技術將應用于最新的汽車級IGBT芯片中。

隨著行業景氣度逐漸好轉和政策的推動网信彩票|官网登录,亦有不少新進入者搶奪市場。據集邦咨詢分析,目前市場新入者主要有三類网信彩票|官网登录,一是向IGBT等高端產品擴展業務的功率半導體企業网信彩票|官网登录,如揚杰科技、華微電子等;二是出于為滿足自身需求及出于供應鏈安全考慮向上游涉足的,如中車時代和比亞迪等网信彩票|官网登录;三是看好市場而進場的新公司,如瑞能半導體、廣東芯聚能以及富能半導體等。

在IGBT方面揚杰科技于2018年3月控股了一條位于宜興的6英寸晶圓線网信彩票|官网登录,目前該生產線已經量產IGBT芯片网信彩票|官网登录,主要應用于電磁爐等小家電領域网信彩票|官网登录。另外揚杰科技也在積極推進IGBT新模塊產品的研發進程网信彩票|官网登录,50A/75A/100A-1200V半橋規格的IGBT開發成功。此外公司也積極規劃8英寸線建設,儲備8英寸線晶圓和IGBT技術人才。

老牌功率半導體器件廠商吉林華微電子于2019年4月,發布配股說明書,擬募投建設 8 英寸生產線項目。此次募投項目的主要產品技術先進,達到了英飛凌、ABB 等廠家的水平网信彩票|官网登录。華微電子于2001年上市,為國內功率半導體器件領域首家上市公司网信彩票|官网登录。目前已形成IGBT、MOSFET网信彩票|官网登录、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產品网信彩票|官网登录,產品種類基本覆蓋功率半導體器件全部范圍。公司的IGBT薄片工藝、Trench工藝网信彩票|官网登录、壽命控制和終端設計技術等國內領先,達到國際同行業先進水平。

在IDM模式廠商中,中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績。

株洲中車時代半導體有限公司(簡稱:中車時代半導體)作為中車時代電氣股份有限公司下屬全資子公司,全面負責公司半導體產業經營。從1964年開始投入功率半導體技術的研發與產業化,2008年戰略并購英國丹尼克斯公司,目前已成為國際少數同時掌握大功率晶閘管网信彩票|官网登录、IGCT网信彩票|官网登录、IGBT及SiC器件及其組件技術的IDM(集成設計制造)模式企業代表,擁有芯片—模塊—裝置—系統完整產業鏈网信彩票|官网登录。

中車時代半導體擁有國內首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線,全系列高可靠性IGBT產品已全面解決軌道交通核心器件受制于人的局面,基本解決了特高壓輸電工程關鍵器件國產化的問題,并正在解決我國新能源汽車核心器件自主化的問題网信彩票|官网登录。

比亞迪是在2005年進入IGBT產業,于2009年推出首款車規級IGBT 1.0技術,打破了國際廠商壟斷,實現了我國在車用IGBT芯片技術上零的突破网信彩票|官网登录。2018年其推出的IGBT 4.0產品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環壽命等許多關鍵指標上超越了英飛凌等主流企業的產品网信彩票|官网登录,且產能已達5萬片网信彩票|官网登录,并實現了對外供應网信彩票|官网登录。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的車企,包括IGBT芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等部分网信彩票|官网登录,還有仿真測試以及整車測試。好消息是网信彩票|官网登录,據長沙晚報近日報道,長沙比亞迪IGBT項目日前已正式啟動建設,計劃建設集成電路制造生產線网信彩票|官网登录。

在IGBT新進玩家中网信彩票|官网登录,振華科技參股20%的成都森未科技有限公司是一家由清華大學和中國科學院博士團隊創立的高科技企業,公司成立于2017年,主要從事IGBT等功率半導體芯片及產品的設計、開發、銷售。森未科技IGBT芯片產品性能已可以對標英飛凌產品。公司主營產品電壓等級為600V-1700V网信彩票|官网登录,單顆芯片電流規格5A-200A,覆蓋工業控制、變頻家電、電動汽車、風電伺服驅動、光伏逆變器等領域。

據了解,出身于恩智浦功率產品線的瑞能半導體,也有意進入IGBT的賽道。其實瑞能也非常有做IGBT的優勢,首先网信彩票|官网登录,瑞能是所有重要白電制造商的供應商网信彩票|官网登录,對市場應用及客戶需求有深刻的理解,產品未來會在性價比上有優勢网信彩票|官网登录;再者,瑞能也是國內唯一家分銷網絡遍布全球的中國功率半導體公司网信彩票|官网登录;最后,瑞能有著50多年的功率器件技術積累,IGBT最講究可靠性,依托瑞能南昌國家級可靠性及失效分析實驗室,未來會形成在質量可靠性的競爭優勢。

成立于2018年11月的廣東芯聚能半導體,也看重了IGBT這個市場。芯聚能半導體于2019年9月20日在廣州南沙舉行了奠基儀式,項目總投資達25億元网信彩票|官网登录。據了解网信彩票|官网登录,其項目第一階段將建設用于新能源汽車的IGBT和SiC功率器件與模塊生產基地,同時實現工業級功率器件規;a。第二階段將面向新能源汽車和自動駕駛的汽車功率模塊、半導體器件和系統產品,延伸并形成從芯片到封裝、模塊的產業鏈聚集。

除了上述提到的企業,國內的IGBT在芯片設計网信彩票|官网登录、晶圓制造、模塊封裝等整個產業鏈基本都已有布局网信彩票|官网登录。整體來看,中國IGBT產業鏈正逐步具備國產替代能力。

國內的IGBT整個產業鏈梳理(制表:半導體行業觀察)

IGBT產業鏈配套還不足网信彩票|官网登录,與國外差距明顯


目前中國IGBT行業已經能夠具備一定的產業鏈協同能力,但國內IGBT技術在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等環節目前均處于起步階段。晶圓制造、背板減薄和封裝工藝是IGBT制造技術的主要難點网信彩票|官网登录,在這些方面我們與國外企業差距較為明顯。

目前IGBT發展面臨的最大問題是上游對IGBT的技術和產能支持的不足网信彩票|官网登录,且下游對國產IGBT的信任度不高。而且國內IGBT企業規模偏小网信彩票|官网登录,投入也不足。

IGBT從業人士表示,目前國內IGBT主要受制于晶圓生產的瓶頸,首先是沒有專業的代工廠進行IGBT的代工网信彩票|官网登录,原8寸溝槽IGBT產品主要在華虹代工网信彩票|官网登录,但是IGBT并非華虹主營業務,產品配額極其匱乏,且價格偏高。但是隨著中芯國際紹興工廠和青島芯恩半導體的晶圓廠的落成网信彩票|官网登录,相信這個局面會有很大改觀。

其次,與國外廠商相比,國內公司在大尺寸晶圓生產商工藝仍落后于全球龍頭,晶圓越大,單片晶圓產出的芯片就越多网信彩票|官网登录,在制造加工流程相同的條件下网信彩票|官网登录,單位芯片的制造成本會更低。目前,IGBT 產品最具競爭力的生產線是8英寸和12英寸,最為領先的廠商是英飛凌,國內晶圓生產企業此前絕大部分還停留在6英寸產品的階段网信彩票|官网登录。目前國內實現8英寸產品量產的有比亞迪、株洲中車時代、上海先進、華虹宏力网信彩票|官网登录、士蘭微,并且士蘭微12寸晶圓產線預計2020年底量產。

IGBT對背面工藝和減薄工藝技術要求高。其中背面工藝中的退火激活難度極大;在減薄工藝上,我國還相對落后,目前國內普遍可以將晶圓減薄到175μm,2018年12月份比亞迪公布能將晶圓減薄到120μm。而英飛凌制造的IGBT芯片最低可減薄到40um。在同尺寸產線橫向比較上,國內的晶圓產線良率與國際龍頭相比還存在一定差距网信彩票|官网登录。

除了晶圓生產方面,在封裝方面也存在制約。車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多,逆變器內溫度最高可達120℃,同時還要考慮強振動條件网信彩票|官网登录。因此封裝要求遠高于工業級別。而IGBT封裝的主要目的是散熱,其關鍵是材料。在IGBT封裝材料方面网信彩票|官网登录,日本在全球遙遙領先,德國和美國處于跟隨態勢,我國的材料科學則相對落后。

所以,可以看出,IGBT是一個對產線工藝細節依賴性極強的公司,以英飛凌自己報告為例,同樣的設計,在6寸和8寸晶圓生產線上產出的產品性能差異極大网信彩票|官网登录,同樣兩條8寸晶圓生產線上產出的產品同樣性能差異極大。這就意味著設計公司不能跳出代工廠的支持獨立存在网信彩票|官网登录。所以,最好的路線就是IDM,這也是IGBT企業走向大而強的必經之路。

SiC是新的挑戰者?


對于IGBT的發展,業界一直有個隱憂,隨著IGBT漸逼硅材料的性能極限,第三代半導體材料 SiC 被看作是IGBT在未來電動車的新挑戰者。業內人士分析到,“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年,優點突出,缺點同樣突出网信彩票|官网登录。IGBT更像一個持重而成熟的青年,可以扛起功率器件的重擔!

SiC具有更高的效率,可以工作在更高的頻率、更高的溫度下。但是他的高價格、低可靠性、低魯棒性等諸多問題難以在短時間內全部解決。IGBT在大部分大功率應用場景下具有更高的性價比和成熟度。當然SiC有其獨特之處网信彩票|官网登录,在很多對效率有極高的需求或者對電能質量有極高的需求的應用場景中他廣闊的應用前景。SiC能將新能源車的效率再提高10%网信彩票|官网登录,這是新能源車提高效率最有效的技術。

所以,還是那句話,當下我們還離不開IGBT!總體來看,我國在IGBT領域已基本解決了0到1的問題,未來需要經歷的或者說正在經歷的是1到100的漫長過程。國產IGBT廠商只需埋頭苦干,不斷提高性能和品質,未來可期!



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