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IGBT产业链与三种业务模式以及技术趋势

来源:旺材芯片作者: 日期:2020-10-15 浏览:

功率半导体是电子设备中电能转化与电路操控的中心,首要用于改动电子设备中电压和频率、直流沟通转化等。功率半导体细分为功率器材(分立器材的一支)和功率IC(集成电路的一支)。抱负情况下,完美的转化器在翻开的时分没有任何电压丢失,在开闭转化的时分没有任何的功率损耗,因而功率半导体这个范畴的产品和技能立异,其方针都是为了进步能量转化功率。

下图带暗影部分均是功率半导体:

依据IHS计算,2019年全球功率半导体商场规划约为400亿美元,估计2019-2025年全球功率半导体CAGR 4.5%;依据华润微招股说明书,我国是全球最大的功率半导体消费国,2018年商场需求规划到达138亿美元,增速为9.5%,占全球需求比例达35.3%。

功率半导体产品梯次多,IGBT 是新一代中的典型产品

功率分立器材的演进途径根本为二极管→晶闸管→MOSFET→IGBT,其间,IGBT是功率半导体新一代中的典型产品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的全控-电压驱动的功率半导体,IGBT既有MOSFET的开关速度快、输入阻抗高、操控功率小、驱动电路简略、开关损耗小的长处,又有BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的长处,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器材不能比较的,因而是电力电子范畴较为抱负的开关器材,也被誉为“电力电子器材里的CPU”。

依据Yole等相关计算,现在全球功率半导体中约50%是功率IC,其他的一半是功率分立器材;在功率分立器材出售2017年占比中,MOSFET占比最高,约占31%,其次是二极管/整流桥占比约29%,晶闸管和BJT等占分立器材约21%,IGBT占比19%,可是其复合增速是一切产品中最快的。

IGBT工业链与三种事务方式

IGBT的工业链包含了上游的IC规划,中游的制造和封装,下流则包含了工控、新动力、家电、电气高铁等范畴;

IGBT企业有三种事务方式:

IDM:IDM方式即笔直整合制造商,是指包含电路规划、晶圆制造、封装测验以及投向消费商场全环节事务的企业方式,IGBT芯片、快康复二极管芯片规划仅仅其间的一个部分,一起企业具有自己的晶圆厂、封装厂和测验厂。该方式对企业技能、资金和商场比例要求极高,现在仅有英飞凌、三菱等少量世界巨子选用此方式;

模组:如丹佛斯、赛米控等;

Fabless方式:Fabless是Fabrication(制造)和less(没有)的组合。Fabless方式是集成电路职业的一种运营方式,即企业本身专心于芯片规划,而将芯片制造外协给代工厂商出产制造的方式,而芯片代工厂商担任收购硅片和加工出产。Fabless方式的企业无需出资树立晶圆制造出产线,减小了出资危险,可以快速开宣布终端需求的芯片。

国外巨子大多数均选用IDM方式,而国内典型公司如斯达半导选用的Fabless+模组的方式:Fabless的方式在我国比较盛行的首要原因在于,功率半导体并不是需求特别高精尖的晶圆厂代工,而独自建产线本钱回收期十分长,其他大陆有较多的老练工艺代工厂产能满足分配,因而关于国内厂商大多是后进者来说,在快速追逐期Fabless也不失为一种比较好的方式。

IGBT产品更新慢,价格安稳

从20世纪80年代至今,IGBT芯片阅历了6代晋级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱满压降、关断时刻、功率损耗等各项目标阅历了不断的优化,断态电压也从600V进步到6500V以上。

基站射频PA在5G面对新应战

IGBT产品更新换代慢:现在英飞凌界说的IGBT4代是商场干流,已运用了十年以上,英飞凌于18年末推出IGBT7,较4代面积削减25%,本钱下降,功耗下降,估计大面积推行仍需求2-3年。IGBT更新换代相对比较慢,芯片关于产品功用起决定性效果,模块只能确保芯片功用发挥。IGBT芯片新一代和老一代各有优势,老一代损耗和面积等目标纷歧定好,可是安稳性是经过长时刻验证的,适当一部分客户在新一代出来时分还挑选运用老一代芯片。国内和世界其他公司都有布局IGBT7代技能,可是产品的验证周期较长,一般客户需求5~10年验证可靠性和运用端的问题,因而迭代速度较慢。现在最新代的IGBT斯达在和华虹一起研制,估计年末试出产。

IGBT的价格相对安稳:就算在职业下行的2019年大厂商的出厂价格都没有下降,显示出很健康的价格起浮。总结来看,IGBT芯片的更新换代相对比较慢,且是渐进式的立异,不断优化晋级,详细到某款IGBT产品,可以用到10年之久;一起供给端来看,IGBT职业巨子首要是德系和日系厂商,风格相对比较保存,不会急进扩张产能和打价格战。需求安稳且价格动摇相对小,即便在半导体全体需求欠好的2019。

电路的规划中心在于逻辑规划,可经过EDA等软件,而功率半导体和模仿IC相似,需求依据实践产品参数进行不断调整与退让,因而,对工程师的阅历要求也更高,优异的规划师需求10年乃至更长时刻的阅历。大学里功率半导体和模仿IC部分教材也根本适当所以曩昔几十年从业者的“阅历笔记”,并没有像数字集成电路那样相对有“规范范式”,而研制也是经过研制工程师团队不断修正参数权衡功用和本钱的进程。

详细来说,IGBT技能和壁垒极高,首要表现在以下几个方面:

1)、IGBT芯片规划

IGBT芯片是IGBT模块的中心:其规划工艺极为杂乱,不只要坚持模块在大电流、高电压、高频率的环境下安稳作业,还需坚持开闭和损耗、抗短路才干和导通压降坚持平衡。快康复二极管芯片在IGBT模块中与IGBT芯片合作运用,需求接受高电压、大电流的一起,要求具有极短的反向康复时刻和反向康复损耗。企业只要具有深沉的技能底蕴和强壮的立异才干,堆集丰厚的阅历和常识储藏,才干在职业中安身。因而,职业界的后来者往往需求阅历一段较长的技能探究和堆集,才干和业界现已占有技能优势的企业相抗衡。

2)、模块规划及制造工艺

IGBT模块对产品的可靠性和质量安稳性要求较高,出产工艺杂乱,出产中一个看似简略的环节往往需求长时刻探究才干熟练掌握,如铝线键合,外表看只需把电路用铝线衔接起来,但键合点的挑选、键合的力度、时刻及键合机的参数设置、键合进程中运用的夹具规划、职工操作方法等等都会影响到产品的质量和成品率。IGBT模块作为工业产品的中心器材,需求习惯不同运用范畴中各种恶劣的作业环境,因而对产品质量的要求较高。如电焊机职业,考虑到逆变电焊机。

作业环境较为恶劣,运用负荷较重,在收购中心部件IGBT模块时会优先考虑模块的耐久性,因而芯片参数和模块制造工艺的可靠性是出产IGBT模块的中心。而且IGBT和下流运用结合严密,往往需求研制人员对下流运用职业较为了解才干出产出契合客户要求的产品。现在国内具有相关实践、阅历丰厚的研制技能人才依然比较缺少,新进入的企业要想熟练掌握IGBT芯片或模块的规划、制造工艺,完结大规划出产,需求花费较长的时刻培养人才、学习探究及技能堆集。

IGBT厂商的产品安稳性需求长时刻验证,品牌效应和口碑的建造需求堆集:

IGBT模块是下流产品中的要害部件,其功用表现、安稳性和可靠性对下流客户来说至关重要,因而认证周期较长,替换本钱高。关于新增的IGBT供货商,客户往往会坚持慎重情绪,不只会归纳鉴定供货商的实力,而且一般要经过产品单体测验、整机测验、屡次小批量试用等多个环节之后,才会做出大批量收购决议方案,收购决议方案周期较长。因而,新进入本职业者即便研宣布产出IGBT产品,也需求耗费较长时刻才干赢得客户的认可。

IGBT 职业驱动要素明晰,天花板上移驱动力强

IGBT在工业操控及自动化新动力轿车电机节能、太阳能发电、风能发电等许多范畴都有广泛的运用;用于在各种电路中进步功率转化、传送和操控的功率,其间在新动力车中的驱动体系是最典型的运用。

全球的IGBT运用来看,工控占比37%,为最大的运用范畴,电动轿车28%,新动力发电9%,消费范畴8%;而在国内,因为我国高铁兴旺,下流运用范畴工业操控29%,轨道交通28%,新动力轿车12%,新动力发电8%,不过跟着我国新动力范畴的不断开展,新能车和光伏、风电这两块需求占比未来将继续上升。

2017年全球IGBT商场规划为52.55亿美元,同比2016年添加16.5%,2018年全球IGBT商场规划在58.36亿美元左右,同比添加11%,在功率半导体各个细分中归于景气量最高的。

我国IGBT职业开展至今,已取得较大开展,尽管仍需很多进口,但已有一部分企业具有规划化出产才干。2010年我国IGBT功率电器模块产值为190万只,2018年添加至1115万只。

国内的IGBT需求添加远超全球添加:依据智研咨询的数据,2018年我国IGBT商场规划为161.9亿元,同比添加22.19%,增速明显高于全球均匀水平;获益于新动力车、风电和光伏等我国强势范畴的继续开展,估计未来国内IGBT的复合增速继续坚持20%以上。

IGBT 竞赛格式:欧美日根本独占,国产比例极低

IGBT商场竞赛格式较为会集,首要竞赛者包含英飞凌、三菱、富士电机、安森美、瑞士ABB等,2017年全球前五大IGBT厂商的比例超越70%,国内企业现在的商场比例遍及偏小。

IGBT多以IGBT模块方式呈现,国内IGBT龙头斯达半导2018年在模块范畴市占率为2.2%,依据斯达半导2018年营收6.75亿元,推出2018年IGBT模块商场空间挨近300亿元(其间2018年IGBT全体商场空间58.36亿美元)

国产代替空间宽广。现在国内IGBT模块打入全球前10的只要斯达半导,但也仅仅是占全球IGBT模块商场比例2.2%,因为IGBT的下流运用新动力车、光伏、风电等这些新式范畴,我国在世界上的话语权高于曩昔的传统燃油车范畴和工控范畴,因而在IGBT的增量空间中有一半以上需求都在我国,未来几年我国的IGBT商场需求占比将从2019年不35%进步到2025年的50%或以上,为我国的IGBT厂商进步比例和竞赛力发明了杰出的条件,国产IGBT厂商商场比例和事务量的进步潜力十分大。

确认高增:未来五年 IGBT 高景气驱动要素

IGBT 占新动力车本钱近 8%,且是纯增量产品

IGBT在电动车范畴首要运用分三类:

1)电控体系:IGBT模块将直流变沟通后驱动轿车电机(电控模块);

2)车载空调操控体系:小功率直流/沟通逆变,这个模块作业电压不高,单价相对也低一些;

3)充电桩中IGBT模块被用作开关运用:充电桩中IGBT模块的本钱占比挨近20%;

依据Digitimes Research的数据,现在新能车的本钱结构中:

1)电池本钱占比最大,一般来说可以占到约电动车总本钱40%以上;

2)本钱占比第二大的是电机驱动体系,可以到达电动车总本钱的15%~20%,而IGBT则占到电机驱动体系本钱40%-50%,也便是说,IGBT占新动力车总本钱挨近8%的比例。

而且,关于IGBT来说,新动力轿车对IGBT需求是纯增量,因为传统燃油车功率半导体器材电压低,只需求Si基的MOSFET,而新动力轿车在600V以上MOSFET无法到达要求,必需求换成IGBT;因而IGBT是仅次于电池以外第二大获益的零部件。

每辆新动力车估计需求450美元的IGBT:依据Yole Development的测算,2016年均匀每辆车耗费大约450美元IGBT,其间一般混合动力和插电式混合每辆车需求大约300美元的IGBT,纯电动车均匀每辆车运用540美元的IGBT。

依照2019年单车IGBT均匀用量为460美元,获益于BEV占比继续进步,估计2019-2022年单车用量逐年添加至2022年的490美元/车,2023年开端,SIC-MOS的老练后单车均匀IGBT用量逐步下滑至2025年的430美元/车,2025年猜测新动力车销量504万辆(依据国家新动力轿车工业开展规划——2025年电动乘用车浸透率约25%计算得出。)

依照以上假定思路,简略测算我国2025年车载IGBT商场规划达22亿美金,一起算个大数,到时全球新动力车数量估计为国内的3倍(即海外销量为国内的2倍),全球车载IGBT商场规划达66亿美金,适当于再造一个IGBT商场(2019年全球总的IGBT在60亿美金量级)。

IGBT 继续获益于光伏和风电在动力结构中占比进步

风电和光伏中的整流器和逆变器都需求用到 IGBT 模块。依据动力局数据,2019 年国内光伏装机 30.11GW,全球光伏装机 115GW。

国内2019年光伏发电量占总发电量3%,未来继续进步潜力大。依据联合国马德里气候变化大会的《我国2050年光伏开展展望》,从2020年至2025年这一阶段开端,我国光伏将发动加快布置;2025年至2035年,我国光伏将进入规划化加快布置时期,到2050年,光伏将成为我国榜首大电源,约占当年全国用电量的40%左右,未来光伏开展的空间和潜力依然较大。

风电和光伏2025年对应IGBT的全球需求量级在15亿美金:由前述智研咨询和英飞凌估计的IGBT全体空间和新动力发电占比可以计算出(IGBT 2018年全球商场空间58亿美金,其间光伏风电等IGBT运用占比9%),2018年光伏风电IGBT商场空间约5.22亿美金。现在的动力结构里,太阳能和风能算计占比缺乏10%。在全球节能减排大布景下,下降对化石动力的依托,添加太阳能、风能的运用现已成为世界各国的一致。据BloombergNEF猜测,估计2025年全球光伏新增装机挨近300GW,风电也对比光伏5年2.5倍左右的添加,则测算风电和光伏2025年对应IGBT的全球需求量级在12-15亿美金。

白色家电的变频驱动 IGBT 继续生长

IGBT是“变频器”的中心部件之一,变频白色家电的推行可以为IGBT的IPM带来安稳的商场。现在白色家电的变频浸透率还有进步空间:依据工业在线网,近年来国内白电变频浸透率在继续进步:1)空调:2012年到2018年,国内变频空调销量从3016万台进步到6434万台,浸透率从 28.94%进步到42.70%;2)冰箱:2012年到2018年,国内变频冰箱销量从363万台进步到1665万台,浸透率从4.80%进步到22.15%;3)洗衣机:2012年到2018年,国内变频洗衣机销量从577万台进步到2163万台,浸透率从10.36%进步到32.97%。Yole估计2022年白色家电变频驱动IGBT商场规划达9.9亿美金,较17年添加22%。 

变频白电这块的IGBT国产化低:国内仅有士兰微和华微电子有一些白电IPM模块出货,家电IPM模块尽管单价较低,替换供货商的动力不强,而且下流会集,现在龙头企业的供货商均为日本,美国的企业,例如美的首要是Sanyo、Fairchild;格力/海尔首要是Mitsubishi,还有一些IR、LS等在供给,在供给链安全因为外部环境遭到要挟时,国内的IGBT厂商未来在这一块利基商场仍是有比较大的代替潜力。

工控范畴是IGBT运用的根本盘

IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业操控及电源职业的中心元器材,且已在此范畴中得到广泛运用。

1)变频器职业

我国变频器职业的商场规划全体呈上升态势。IGBT模块在变频器中不只起到传统的三极管的效果,亦包含了整流部分的效果。依据前瞻工业研究院收拾,2016年我国变频器职业的商场规划为416.77亿元,均匀4年复合添加率为8.74%。2017年我国变频器商场规划约453.2亿元。未来几年,具有高效节能功用的高压变频器商场将受方针驱动继续添加,到2023年,高压变频器的商场将到达175亿元左右。

2)逆变焊机职业

逆变式弧焊电源,又称弧焊逆变器,是一种新式的焊接电源。这种电源一般是将三相工频(50赫兹)沟通网路电压,先经输入整流器整流和滤波,变成直流,再经过大功率开关电子元件(IGBT)的替换开关效果,逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频沟通电压,依据国家计算局数据,2018年我国电焊机产值为853.3万台,同比2017年添加了58.46万台。电焊机商场的继续升温亦将确保IGBT需求量逐步增大。

全球工控IGBT下流商场较为涣散:依据集邦咨询数据,2019年全球工控商场IGBT商场规划约为140亿元,我国工控商场IGBT商场规划约为30亿元。因为工控商场下流需求涣散,单一下流需求的添加难以拉动全体职业需求进步,因而工控IGBT商场需求较为安稳,假定未来每年坚持3%的规划增速,估计到2025年全球工控IGBT商场规划将到达170亿元。这一块是IGBT职业的根本盘,需求安稳且动摇相对较小。

商场高重视:怎么看待第三代半导体资料对 IGBT的应战

宽禁带半导体介绍

全球多家功率半导体巨子均有布局下一代依据氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半导体,为在商场上与传统硅基功率半导体件进行对决奠定根底。

SiC和GaN是第三代半导体资料,与榜首二代半导体资料比较,第三代半导体资料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱满速率及更高的抗辐射才干,更适合于制造高温、高频、抗辐射及大功率器材,一般又被称为宽禁带半导体资料。

高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大可是高频则用 GaN。当低频、高压的情况下用Si的

与Si比较,SiC的导通电阻可以做的更低,表现在产品上面,便是尺度下降,然后缩小体积。在新动力轿车职业,因为电池分量也比较大,那么其他器材的大起伏下降关于新动力车轻量化的协助会比较大;比方5KW左右的DC/DC用SiC来做比Si的IGBT要轻85%左右。

受制于本钱问题,未来3-5年 IGBT 仍是最重要的运用

现在限制SIC用处的原因是本钱太高,产品参数也不安稳。现在SIC芯片本钱是IGBT的4-5倍,但业界估计SiC 本钱三年内可以下降到2倍左右。现在有运用SiC MOS的车型是特斯拉的Model 3。

现在阻止 SiC本钱下降的首要原因是基材缺点。运用资料的战略营销总监如此点评:“这种较宽的带隙使资料具有优秀的特性,例如更快的开关速度和更高的功率密度,可是首要应战是基材缺点,基面位错和螺钉位错会发生“丧命缺点”,SiC器材有必要削减这种缺点,才干取得商业成功所需的高产值。”

本钱下降和产品安稳需求时刻验证,国产厂商的中心对立是国产代替。SiC  MOSFET产品的安稳性需求进一步验证,依据英飞凌2020年功率半导体运用大会上专家发表,现在 SiC MOSFET真实落地的时刻还十分短,在车载范畴才刚开端商用, 一些比如短路耐受时刻等技能目标没有供给满足多的验证,一个高端功率半导体从客户认证到产品试运用再到产品批量运用要比较长的时刻,因而,未来 3-5年 IGBT仍是干流的高端功率半导体产品,SiC 会在部分高端新动力车范畴有一些逐步缓慢的浸透。可是关于国内厂商来说,未来5年中心对立是国产代替(龙头市占率从2%到20%)。

长时间视角:国内IGBT国产代替的一起,也有对SiC进行前瞻布局

第三代资料SiC等作为功率半导体技能演进的方向之一,国内IGBT也有一些研制储藏和样品推出,下面以斯达半导和中车年代电气为例:

一、斯达半导:公司SiC相关的产品和技能储藏在紧锣密鼓的进行

1、公司现已成功研宣布碳化硅模块相关技能

依据斯达半导招股说明书的发表:公司研宣布碳化硅模块相关技能首要包含:

a.银浆烧结技能:选用银浆烧结后衔接层熔点可到达900度以上,为锡焊工艺衔接层熔点的4倍,适合于作业温度在200度以上的运用范畴;银浆烧结层的电导、热导分别是锡焊衔接层的5倍和4倍;

b.铜线键合技能:铜线相较于铝线,其熔点从660C进步到1083C,可大起伏进步铝线的过流才干。一起其热导率、电阻率以及杨氏模量均大幅优于铝线,而且其热膨胀系数从铝线的23.6降为16.5,可大幅下降芯片作业时升降温的衔接层应力,进步芯片的抗功率循环才干。

2、公司要点项目储藏开展

招股书中关于公司在研的要点项目储藏开展有介绍,其间第四项储藏:

1)项目名称:宽禁带半导体器材功率模块的开发;

2)项目开展:现在现已开宣布运用于光伏的SiC器材模块,供客户批量运用,车用SiC模块现已完结样品认证。

3)项目拟到达的意图:进一步完善产品系列,2019年完善光伏运用的SiC器材及运用于新动力轿车的SiC模块产品。

3、公司在未来要点攻关技能研制与开发方案:

首要说到三项重要产品开发:1、全系列FS-Trench型IGBT芯片的研制;2、新一代IGBT芯片的研制;3、SiC、GaN等前沿功率半导体产品的研制、规划及规划化出产:公司将坚持科技立异,不断完善功率半导体工业布局,在大力推行惯例IGBT模块的一起,依托本身的专业技能,活跃布局宽禁带半导体模块(SiC模块、GaN模块),不断丰厚本身产品品种,加强本身竞赛力,进一步稳固本身职业位置。

二.中车年代电气:官网中除了展现IGBT产品,还有展现5款SiC肖特基(SIC SBD产品)

因而,现在来看,SiC工业链被国外高度独占,未来2-3年当SiC本钱由现在是Si基4-5倍下降至2倍,而且国内SIC上下流工业链也愈加老练、打破国外独占时,估计SIC才会在国内开端进步浸透率,而且SiC仅仅一种基材,未来跟着SiC技能的逐步老练,也会有SiC IGBT相关产品。

总结来看,未来3-5年Si IGBT仍是运用干流,国内厂商的中心逻辑在于工控家电新动力范畴进行国产代替进步比例,5年后SiC基材逐步侵吞Si基材比例的大趋势下,信任国内的技能抢先优质的龙头功率半导体也可以活跃储藏相关技能和产品,活跃拥抱迎候这一职业立异。

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