IGBT行業(yè)發(fā)展概況及市場發(fā)展前景分析

IGBT行業(yè)發(fā)展概況及市場發(fā)展前景分析

一、IGBT行業(yè)概覽

1、IGBT是什么？

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）,中文名為絕緣柵雙極型晶體管,是半導(dǎo)體領(lǐng)域里分立器件中特別重要的一個分支.分立器件主要以功率半導(dǎo)體器件為主,本質(zhì)上就是進(jìn)行功率處理的,具有處理高電壓、大電流能力的器件,主要用途包括電壓/電流的變頻、變壓、變相、整流、逆變、開關(guān)等.IGBT是半導(dǎo)體分立器件中特別重要的分支

功率半導(dǎo)體器件按照控制種類可以分為不可控型、半可控型、全控型三大類產(chǎn)品,其中：不可控型：主要為二極管相關(guān)產(chǎn)品,為兩端器件,分別為陽極和陰極,二極管的開關(guān)狀態(tài)完全取決于加在陽極和陰極之間的電壓.當(dāng)所加電壓確定后,二極管的開通和關(guān)閉不能通過器件本身進(jìn)行控制,故稱之為不可控型器件；半可控型：主要為晶閘管產(chǎn)品,為三端器件,除了陽極、陰極之外,還增加了一個控制門極.這種產(chǎn)品的開通除了在陽極和陰極之間加一定的電壓之外,還需要在門極和陰極之間輸入可控功率.這類產(chǎn)品一旦開通就無法再通過門極來關(guān)斷,因此被稱為半可控型器件；全控型：主要為BJT、MOSFET、IGBT等類產(chǎn)品,為三端器件,這類產(chǎn)品可以同時控制開通與關(guān)斷,稱之為全控型器件.不可控型、半可控型、全可控型功率器件

由于其開關(guān)完全可控的特點(diǎn),全控型功率器件被廣泛使用,主要包括BJT、MOSFET、IGBT等,其中：BJT即BipolarJunctionTransistor（雙極結(jié)型晶體管）,屬于電流控制器件,BJT主要特點(diǎn)是飽和壓降低,通態(tài)電流大,耐壓高,并且雙極型晶體管體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性高,應(yīng)用十分廣泛.但是雙極型晶體管開關(guān)速度慢,輸入阻抗低,功耗大,限制了其在大規(guī)模集成電路中的應(yīng)用.目前BJT已廣泛用于廣播、電視、通信、雷達(dá)、計算機(jī)、自控裝臵、電子儀器、家用電器等領(lǐng)域,起放大、振蕩、開關(guān)等作用；MOSFET即Metal-Oxide-SemiFieldEffectTransistor（金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)管）,屬于電壓控制器件,MOSFET主要特點(diǎn)就是驅(qū)動電路簡單,驅(qū)動功率低,開關(guān)速度快,高頻特性好,最高工作頻率可以達(dá)到1MHz以上,適用于開關(guān)電源和高頻感應(yīng)加熱等高頻場合,且安全工作區(qū)廣,沒有二次擊穿問題,耐破壞性強(qiáng).但是MOSFET也因為電流容量小,耐壓低,飽和壓降高,不適用于大功率裝臵.目前MOSFET主要應(yīng)用于電壓低于1000V,功率從幾瓦到數(shù)千瓦的場合,廣泛應(yīng)用于充電器,適配器,電機(jī)控制,PC電源,通信電源,新能源發(fā)電,UPS,充電樁等場合；IGBT即InsulatedGateBipolar（絕緣柵雙極晶體管）,屬于電壓控制器件,是由BJT和MOSFET組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件.IGBT結(jié)合了MOSFET和BJT的結(jié)構(gòu)而成

IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn),既有MOSFET的開關(guān)速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn),又有BJT導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn),在高壓、大電流、飛速等方面是其他功率器件不能比擬的,因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件,是未來應(yīng)用發(fā)展的主要方向.IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)參數(shù)BJTMOSFETIGBT驅(qū)動斱式電流電壓電壓導(dǎo)電電荷電子、空穴電子電子導(dǎo)通損耗低高中通流能力大小中開關(guān)速度低高中使用頻率低頻（<10KHz)高頻（100-500KHz)中頻（10-100KHz)驅(qū)動電路復(fù)雜簡單簡單

當(dāng)然,IGBT并不能完全替代BJT、MOSFET,三者根據(jù)各自的器件性能優(yōu)勢,都有適合的應(yīng)用領(lǐng)域.BJT更強(qiáng)調(diào)工作功率,MOSFET更強(qiáng)調(diào)工作頻率,而IGBT是工作功率和頻率兼具.功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用分布

從2017年WSTS統(tǒng)計的功率器件市場上來看,二極管、晶閘管、BJT、MOSFET、IGBT都占據(jù)較大的份額,其中MOSFET占比最多31%,其次是二極管和整流橋,占比29%,BJT和晶閘管占比21%,IGBT占比19%.全球功率半導(dǎo)體器件的細(xì)分產(chǎn)品銷售占比

IGBT從封裝形式分類可以分為IGBT分立器件、IGBT模塊和IPM三大類產(chǎn)品：IGBT分立器件：一個IGBT單管和一個反向并聯(lián)二極管組成的器件,電流通常在100A以下,結(jié)構(gòu)相對簡單,封裝體積較小,但是缺點(diǎn)也很明顯,接線復(fù)雜,可靠性低,分布電感較大；IGBT模塊：是將多個（兩個及以上）IGBT芯片和二極管芯片以絕緣方式組裝到DBC基板上,進(jìn)行模塊化封裝；

IGBT模塊的主要優(yōu)勢有：多個IGBT芯片并聯(lián),電流規(guī)格更大；多個IGBT芯片可以按照特定的電路形式組合,如半橋、全橋等,可以減少外部電路連接的復(fù)雜性；多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上,散熱效果更均勻,可靠性更高；模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進(jìn)行外部連接相比,電路布局更好,引線電感更好；模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接,模塊的最高電壓等級一般比單管高1-2個等級；IPM：即智能功率模塊（IntelligentPowerModule）,就是將功率器件（組要是IGBT）和驅(qū)動電路、過壓和過流保護(hù)電路、溫度監(jiān)視和超溫保護(hù)電路等外圍電路集成在一起生產(chǎn)的一種“組合”型器件；IPM的主要優(yōu)勢有：設(shè)計“傻瓜式”,用戶使用方便;可靠性高,適合制作中小功率的逆變器.IGBT分立器件、模塊及IPM對比

2017年全球IGBT分立器件、模塊、IPM的市場規(guī)模來看,IGBT分立器件、模塊、IPM市場規(guī)模分別為11億美金、26.29億美金、15.7億美金,占比分別為20.76%、49.61%、29.63%.全球IGBT分立器件、模塊、IPM的市場規(guī)模占比

2、IGBT應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

IGBT作為工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心元器件,被稱為能量轉(zhuǎn)換的CPU,IGBT能夠根據(jù)工業(yè)裝臵中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控,因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域.IGBT應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛

按照使用電壓范圍,可以將IGBT分為超低壓、低壓、中壓和高壓幾大類產(chǎn)品,不同電壓范圍對應(yīng)著不同的應(yīng)用場景：超低壓：工作電壓范圍為400-500V,主要是應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火裝臵,IGBT已經(jīng)成為點(diǎn)火系統(tǒng)不可或缺的一部分.此領(lǐng)域的IGBT電壓等級主要是400V,電流等級在10-150A,關(guān)斷損耗在200-300mJ,工作頻率最高在幾KHZ,全球排名第一的供應(yīng)商是安森美；低壓：工作電壓在600-1350V,IGBT在低壓領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛,主要有電焊機(jī)、家電（變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱、洗碗機(jī)、電磁爐）、電動汽車（混動、純電動等等）、UPS、太陽能電池、風(fēng)電等,在此領(lǐng)域,IGBT的工作頻率在2-100KHz范圍,全球排名第一的供應(yīng)商是英飛凌；中壓：工作電壓在1400-2500V,主要應(yīng)用于主UPS、風(fēng)能、太陽能電池、地鐵/城軌電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域,在此領(lǐng)域,IGBT的工作頻率在10-50KHz范圍,全球排名第一的供應(yīng)商是依然是英飛凌；高壓：工作電壓在2500-6500V,主要應(yīng)用于諸如軌道牽引（高鐵、動車組）、電網(wǎng)（柔性直流輸電、特高壓直流輸電）、大型工業(yè)裝備（軋鋼機(jī)）等大電壓、大電流、低頻的領(lǐng)域,在此領(lǐng)域,IGBT的工作頻率在5KHz以內(nèi),全球排名第一的供應(yīng)商是三菱電機(jī).IGBT的應(yīng)用分布（按照電壓范圍來分）IGBT的應(yīng)用分布（按照電壓范圍來分）電壓等級電壓范圍主要應(yīng)用領(lǐng)域工作頻率全球領(lǐng)先企業(yè)超低壓400-500V內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火器幾KHz安森美低壓600-1350V電動汽車、UPS、家電、電焊機(jī)、太陽能電池、風(fēng)電2-100KHz英飛凌中壓1400-2500VUPS、地鐵/城軌電機(jī)驅(qū)動、風(fēng)電、太陽能電池10-50KHz英飛凌高壓2500-6500V軌道牽引（高鐵、動車組）、電網(wǎng)、大型工業(yè)裝備5KHz三菱電機(jī)

3、IGBT技術(shù)發(fā)展歷程

從20世紀(jì)80年代至今,IGBT芯片經(jīng)歷了5-6代產(chǎn)品升級：第一代：PT-IGBT,平面柵穿通型IGBT,使用重?fù)诫s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(jié)構(gòu).它因為截止時電場貫穿整個N-base區(qū)而得名.它工藝復(fù)雜,成本高,而且需要載流子壽命控制,飽和壓降呈負(fù)溫度系數(shù),不利于并聯(lián),目前已經(jīng)很少有這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品；第二代：NPT-IGBT,平面柵非穿通型IGBT,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(jié)構(gòu),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),因此稱為“非穿通”型IGBT；第三代：Trench-FSIGBT,溝槽柵-場截止型IGBT,柵極從平面型變成了溝槽型.

溝槽型IGBT中,電子溝道垂直于硅片表面,消除了JFET結(jié)構(gòu),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,并同時推出了場截止結(jié)構(gòu),目標(biāo)在于盡量減少漂移區(qū)厚度,從而降低飽和電壓.場截止（FieldStop）IGBT起始材料和NPT相同,都是低摻雜的N-襯底,不同在于FSIGBT背面多注入了一個Nbuffer層,它的摻雜濃度略高于N-襯底,因此可以迅速降低電場強(qiáng)度,使整體電場呈梯形,從而使所需的N-漂移區(qū)厚度大大減??；第四代：Trench-FS-TWIGBT,溝槽柵-場截止-薄晶圓型IGBT,相比較第三代IGBT,優(yōu)化了背面結(jié)構(gòu),漂移區(qū)厚度更薄,背面P發(fā)射極及Nbuffer的摻雜濃度及發(fā)射效率都有優(yōu)化,通過使用薄晶圓及優(yōu)化背面結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗,同時,最高允許工作結(jié)溫從第3代的125℃提高到了150℃,這無疑能進(jìn)一步增加器件的輸出電流能力；第五代：Trench-FS-CuIGBT,溝槽柵-場截止-銅金屬化型IGBT,使用厚銅代替了鋁,銅的通流能力及熱容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁,因此第五代IGBT允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流.同時芯片結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化,芯片厚度進(jìn)一步減??；IGBT工藝技術(shù)發(fā)展史IGBT工藝技術(shù)發(fā)展史IGBT系列IGBT1IGBT2IGBT3IGBT4IGBT5IGBT名稱平面穿通型（IGBT）PT-平面非穿通型（NPT-IGBT）溝槽-場截止型（Trench-FS）溝槽-場截止-薄晶圓型（Trench-FS-TW）溝槽-場截止-銅金屬化型（Trench-FS-Cu）主要特征平面柵、穿通型平面柵、非穿通型溝槽柵、場截止型溝槽柵、場截止型、晶圓減薄溝槽柵、場截止型、晶圓減薄、銅金屬化優(yōu)點(diǎn)-不需要載流子壽命控制、低飽和壓降、正溫度系數(shù)、高魯棒性低導(dǎo)通壓降、電流導(dǎo)通能力增強(qiáng)、高魯棒性導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低、動態(tài)損耗低、電流導(dǎo)通能力增強(qiáng)、高魯棒性電流導(dǎo)通能力增強(qiáng)、高魯棒性、工作結(jié)溫更高、飽和壓降更低缺點(diǎn)需要載流子壽命控制、負(fù)溫度系數(shù)、不利于并聯(lián)高器件損耗、不利于高壓工作工藝復(fù)雜工藝復(fù)雜工藝復(fù)雜

從平面穿通型（PT）到溝槽型電場—截止型（FS-Trench）,各方面指標(biāo)都得到了不斷的優(yōu)化.芯片面積縮小為最初的四分之一,工藝線寬從5微米降到0.5微米,通態(tài)飽和壓降從3伏降到1伏,關(guān)斷時間也更快,從0.5微秒降到0.15微秒,功率損耗也更低,斷態(tài)電壓也從600V提高到了6500V以上.

二、IGBT下游需求

作為工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心器件,IGBT模塊在電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.

1、新能源汽車如火如荼,車用IGBT需求旺

新能源汽車產(chǎn)業(yè)如火如荼,IGBT模塊作為核心器件需求顯著提升：2016年11月國務(wù)院印發(fā)的“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知指出,到2020年,新能源汽車實(shí)現(xiàn)當(dāng)年產(chǎn)銷200萬輛以上,累計產(chǎn)銷超過500萬輛,對應(yīng)2017-2020年新能源汽車產(chǎn)量每年平均40%的增速.IGBT模塊是新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵墓β拾雽?dǎo)體器件,電動汽車高壓系統(tǒng)中關(guān)鍵電路均需要開關(guān)元器件來實(shí)現(xiàn),電驅(qū)動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、高壓充電機(jī)等部件都會用到IGBT器件,提高用電效率以實(shí)現(xiàn)高續(xù)航一直是各個新能源汽車廠商追求的目標(biāo),新能源汽車產(chǎn)業(yè)如火如荼,車用IGBT模塊需求快速提升.

IGBT模塊在新能源汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器、車載空調(diào)、充電樁等設(shè)備.

IGBT模塊的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換,同時IGBT模塊還承擔(dān)電壓的高低轉(zhuǎn)換的功能.新能源汽車外界充電的時候是交流電,需要通過IGBT模塊轉(zhuǎn)變成直流電然后給電池,同時要把交流電壓轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷阂院蟛拍芙o電池組充電.新能源汽車電池放電的時候,把通過IGBT模塊直流電轉(zhuǎn)變成交流電機(jī)使用的交流電,同時起到對交流電機(jī)的變頻控制.電能的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性,直接決定了新能源汽車的充電效率、電能利用率、電流輸出穩(wěn)定性等性能.綜上,IGBT模塊是新能源汽車的的核心器件,IGBT的性能直接影響新能源汽車功率的釋放速度.2018年全球新能源汽車的滲透率為2%,而中國是滲透比例最高的國家,比例為4%.全球新能源汽車銷量及同比增速（萬輛；%）

中國新能源汽車銷量及同比增速（萬輛；%）

全球新能源汽車滲透率（%）

主要國家新能源汽車滲透率（%）

2015年11月,工業(yè)和信息化部等四個部委聯(lián)合發(fā)布了電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南的通知,其中明確提到,為滿足全國500萬輛電動汽車的充電需求,新建了超過12,000個集中式電池充電站,預(yù)計到2020年將增加480萬個新的去中心充電樁.預(yù)計2018年中國IGBT市場規(guī)模為153億元人民幣,同比增長19.91％.隨著HEV/EV需求和工業(yè)需求的大幅增長,中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長,預(yù)計到2025年將達(dá)到522億元人民幣,復(fù)合年增長率為19.11％.其中,IGBT約占充電樁成本的20％,預(yù)測到2025年,全球充電樁用IGBT的市場規(guī)模將達(dá)到100億元人民幣；IGBT大約占HEV/EV成本的10％,預(yù)計到2025年,中國HEV/EV所用IGBT的市場規(guī)模將達(dá)到210億元人民幣.按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分,EV/HEV是IGBT應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域占比為31%,電子占比27%,工業(yè)領(lǐng)域占比20%.2018年中國IGBT下游應(yīng)用（%）

2018年中國IGBT各應(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）

2、變頻家電加速普及,孕育IPM模塊需求

IPM模塊是變頻技術(shù)的核心電子元器件,也是變頻白色家電的核心電子元器件.當(dāng)前,中國經(jīng)濟(jì)由飛速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,家電行業(yè)處在加速向“家電強(qiáng)國”目標(biāo)前進(jìn),“綠色技術(shù)進(jìn)步、綠色轉(zhuǎn)型升級和綠色制造”是全行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主線之一.

家用電器能耗是家庭總能耗的主要組成部分,在節(jié)能環(huán)保全球化的趨勢下,家用電器的高效節(jié)能和環(huán)保已成為家電制造商關(guān)注的重要指標(biāo),高效節(jié)能家電的市場份額不斷攀升.經(jīng)過最近十多年的發(fā)展,空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等主要家用電器的能耗降低30%-50%.隨著世界各國不斷升級的家用電器能效標(biāo)準(zhǔn),以及中國對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高,變頻家電市場前景廣闊.中國作為全球最大的家電市場和生產(chǎn)基地,亦孕育著大規(guī)模的IPM市場.以空調(diào)行業(yè)為例,2019年家用空調(diào)產(chǎn)量達(dá)15280萬臺,銷量達(dá)15063萬臺,其中內(nèi)銷9216萬臺,出口5846萬臺.隨著節(jié)能環(huán)保的大力推行,具有變頻功能的白色家電將逐漸替代傳統(tǒng)家電,且家電市場身處消費(fèi)行業(yè),市場需求較為穩(wěn)定將具有廣闊的市場前景.但同時也應(yīng)看到,目前國內(nèi)變頻家電所用的IPM智能功率模塊主要依賴進(jìn)口,國產(chǎn)化率極低且市場供不應(yīng)求.2017-2019年中國家用空調(diào)內(nèi)銷和外銷數(shù)量（萬臺）

消費(fèi)升級成為推動中國智能變頻家電發(fā)展的主要紅利,超過16億臺的家電存量規(guī)模,使持續(xù)穩(wěn)定的更新需求成為提升變頻家電銷量的重要驅(qū)動力量.2020年智能變頻家電產(chǎn)品的滲透率將進(jìn)一步提升,白電、廚電、生活電器等智能家電的占比將分別達(dá)到45%、25%和28%.IPM（智能功率模塊）作為變頻技術(shù)的核心電子元器件,隨著智能變頻家電滲透率提升而需求不斷增加.2018年全球IPM市場規(guī)模為168億美元,其中三菱占比最高為32.3%,安森美為18.9%,國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)份額超過0.5%的公司,進(jìn)口替代迫在眉睫.2018年IPM供應(yīng)商市場份額（%）

3、工業(yè)控制及電源行業(yè)支撐IGBT市場穩(wěn)步發(fā)展

IGBT模塊是變頻器、逆變焊機(jī)等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件,且已在此領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用.目前,隨著工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的逐步回暖,預(yù)計IGBT模塊在此領(lǐng)域的