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电力电子行业心脏IGBT,为何能快速成长为百亿级赛道?

时间:2020/11/23 7:36:39浏览次数:195

在制造业技术浪潮推动下,中国传统制造行业趋向电动化和智能化升级,对能源的转换效率和电能利用效率均提出了更高的要求。中国IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术提升的推进以及下游应用领域覆盖广泛对需求的拉动,都促进 IGBT 行业的快速发展。

中国IGBT 行业市场规模由 2014 年的 79.8 亿元增长到2018 年的 159.6 亿元,年复合增长率为 18.9%。未来中国 IGBT 行业市场将持续增长,预计到 2023 年中国 IGBT 行业市场规模有望达到 290.8 亿元,市场前景广阔。

下面就对IGBT行业展开分析。

电力电子行业心脏「IGBT」,为何能快速成长为百亿级赛道?

一、 IGBT行业市场研究综述

(一) IGBT定义及分类

1. 定义

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),即绝缘栅双极型晶体管,是一种由双极性晶体管(BJT)和绝缘栅场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼并了BJT的导通电压低、通态电流大、损耗小等优点和MOS的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等优点,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件。

2. 分类

(1)按电压范围分类

按照使用电压范围,可以将IGBT 分为超低压、低压、中压和高压几大类产品,不同电压范围对应着不同的应用场景。

(2)按产品类型分类

IGBT从封装形式分类可以分为IGBT单管(分立器件)、IGBT模块和IGBT-IPM智能功率模块三大类产品。

(二) IGBT行业发展历程

IGBT 芯片是 IGBT 模组或分立器件的核心,经历了六代产品升级。第一代 IGBT 芯片研发于 1988 年,IGBT 芯片从第一代平面穿通型(PT)发展到第六代沟槽型电场-截止型(FS-Trench),经过近三十年发展。

1. IGBT初步问世阶段(1980s-1991年)

20世纪80年代至90年代初期间,IGBT芯片研发问世并经历两代技术更迭。20 世纪 80 年代初期,在美国通用电气公司和美国无线电公司宣布发明 IGBT 后,得到世界半导体厂家和研究机构的重视。1988年第一代平面穿通型(PT)型的 IGBT 芯片(PT-IGBT)问世,但这一时期的 PT-IGBT 芯片导通电阻和关断功耗较高,具有负温度系数,不利于器件的并联使用,易造成器件的短路能力较差,因此第一代平面穿通型(PT)的 IGBT 芯片未能得到普及使用。而后1990年,IGBT 研究人员在第一代基础上发明第二代改进后的平面穿通型(PT)IGBT 芯片,不但可以降低器件的通态降压,还可降低晶体管发射结的注入系数,运用效果显著。

2. IGBT指标优化阶段(1992-2003年)

这一阶段,IGBT从第三代沟槽型(Trench)到第六代沟槽型电场—截止型(FS-Trench),各方面指标都得到了不断的优化。芯片面积缩小为最初的四分之一,工艺线宽从5微米降到0.5微米,通态饱和压降从3伏降到1伏,关断时间也更快,从0.5微秒降到0.15微秒,功率损耗也更低,断态电压也从600V提高到了6500V以上。

3. IGBT应用普及阶段(2003年至今)

经历六代技术更迭之后,IGBT发展态势良好,应用领域广泛。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路,其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。IGBT产品的制造成本、可靠性和性能方面得到大幅度改善,成为了电力电子技术第三代平台性器件,被广泛用于家用电器和交通运输等各个领域,推动了 IGBT 行业发展。

(三) IGBT行业市场规模

1.全球IGBT行业市场规模

受益于工业控制及电源行业市场的逐步回暖,以及下游的变频家电、新能源汽车等领域的迅速发展,IGBT 市场有望持续增长。根据英飞凌年报披露,2016-2018年,全球IGBT市场规模分别达到 45.1、52.6、62.2 亿美元,同比增速分别为 6.6%、16.5%、18.4%,全球市场加速增长;预计2023年全球 IGBT 市场规模将达到约120亿美元,并且未来市场规模有望保持稳定增长。

2.中国IGBT行业市场规模

在中国“工业 4.0”趋势和“中国制造 2025”发展规划的带动下,中国制造业进入了快速发展阶段。在制造业技术浪潮推动下,中国传统制造行业趋向电动化和智能化升级,如汽车发展到新能源汽车、铁路发展到磁悬浮高铁、电网发展到智能电网,对能源的转换效率和电能利用效率均提出了更高的要求。由于 IGBT 具有能源转换和高效节能等优点,因此在电力电子设备应用的比例也在不断提高,为中国 IGBT 行业的发展带来了良好发展机遇。根据头豹数据显示,中国 IGBT 行业市场规模由 2014 年的 79.8 亿元增长到 2018 年的 159.6 亿元,年复合增长率为 18.9%。未来中国 IGBT 行业市场将持续增长,预计到2023 年中国 IGBT 行业市场规模有望达到 290.8 亿元,市场前景广阔。

(四) IGBT行业产业链分析

中国 IGBT 行业产业链由上至下可分为上游基础资源供应商,中游 IGBT 生产商,下游应用领域终端用户。

1.上游分析

中国 IGBT 行业的上游参与者为EDA软件、IP授权的设计工具,硅晶圆、封装材料等原材料供应商和光刻机、检测设备等设备供应商。硅晶圆是 IGBT 生产的主要原材料之一,在 IGBT 材料生产成本中占比达到30%左右。除此之外,封装材料是 IGBT 生产的另一种主要原料,可分为塑料封装、环氧树脂封装、陶瓷封装和金属封装四种。整体而言,中国 IGBT 生产商对进口材料依赖性较大,因此在上游原材料环节的议价能力较弱。在 IGBT 设备供应商方面,IGBT 芯片是 IGBT 模组或分立器件的核心,光刻机是 IGBT芯片制造的核心设备之一,而高端光刻机市场已经被荷兰 ASML垄断。由此可见,中国在光刻机市场方面的优势不明显,竞争能力较弱,国外光刻机厂商的议价空间相对较大。

2.中游分析

中国 IGBT 行业的中游是 IGBT 生产商,主要负责 IGBT 模组或分立器件产品的设计、制造、测试和销售。由于 IGBT 产品设计和制造工艺精密,这不仅要求 IGBT 生产商需要具备一定的生产工艺水平,也要求 IGBT 生产商的研发人员具有电力电子、力学、热学等多学科的知识和制造、测试的操作经验。

目前全球 IGBT 生产商主要以德国英飞凌、德国赛米控和日本三菱电机、富士电机为主,且这些厂商生产的 IGBT 产品覆盖应用面广。中国 IGBT 生产商主要是以具体某个应用领域为主,如斯达半导体的 IGBT 在大功率轨道交通领域已得到突破,比亚迪的 IGBT 在自家新能源汽车上已实现运用。中国 IGBT 行业领先的企业拥有较强向上游渗透的意愿,未来,产业链中游规模较大的 IGBT 生产商发展空间将逐步增大。

3.下游分析

中国 IGBT 产业的下游应用广泛,可大致分为民用领域和工业领域。民用领域包括电压力锅、电烤箱、电视机等变频白色家电行业;工业领域包括工业电机、汽车电子、电力设备等行业。随着中国国民收入水平的提升和消费水平的提高,以及中国制造4.0的推进,IGBT在民用领域和工业领域的需求及要求不断提升。下游应用领域不仅要求 IGBT 生产商能够提供种类较全的 IGBT 产品,也要求 IGBT 生产商具有能够与下游应用产品融合的能力。整体而言,下游应用领域的需求对 IGBT 生产商技术研发具有重要的推动作用,因此在产业链中的议价能力也将不断提高。

二、 IGBT行业驱动因素分析

(一) 下游应用领域覆盖广泛,拉动行业需求

IGBT下游应用广泛,下游需求逐步扩大,促进 IGBT行业的快速发展。IGBT下游应用领域广泛,汽车行业、消费电子行业、能源行业、电机行业等都需要利用 IGBT来提高能源使用效率。同时,对于高功耗损耗的电子制造设备,IGBT不仅能够保障设备工作时的可靠性和安全性,还能对设备起到节能减排作用。此外,得益于中国经济的快速发展,中国电源、能源等行业发展环境良好,为 IGBT 行业带来更大的需求。新能源汽车领域需求的快速增长是高端 IGBT 市场规模增长最重要的驱动因素之一,根据中国产业信息网统计,2018 年应用于新能源汽车的车规级IGBT市场规模已达IGBT整体市场规模的 31%。

(二) “中国制造 2025”驱动下游转型升级,带动行业需求

目前中国制造业正逐渐从低端加工向高端附加值转变,驱动了 IGBT 行业下游转型升级。2015 年 5 月,中国国务院发布《中国制造 2025》,指出要全面提升中国制造业发展质量和水平,推进中国制造业技术创新,提升“中国制造”品牌塑造能力。近几年,各国都在陆续推出禁止燃油车销售时间表,部分车企生产商也宣布了停售燃油车时间,推动了中国汽车行业逐步向新能源汽车转型,IGBT 模块在新能源汽车中发挥着重要的作用,是新能源汽车和智能汽车电机控制器、充电桩、车载空调等设备的核心元器件。如在新能源汽车充电时,IGBT 的作用不仅是将外界充电的交流电转换为直流电,还需把220V 电压转换成适当的电压,才可为新能源汽车电池组充电。中国制造业发展环境鼓励传统制造业转型升级,带动 IGBT 的应用需求不断增加,IGBT 行业迎来新的发展空间。

(三) 中国 IGBT 技术提升,推动行业发展

中国 IGBT 行业取得了一定的技术进步,推动了中国 IGBT 国产化的进程。中国 IGBT 行业发展较晚,从起步时期主要依靠向国外进口发展到如今已具备IGBT 芯片设计和 IGBT 模块或分立器件制造能力,表明中国 IGBT 相关产业的国产率逐步提升。在 IGBT 行业上游领域,中国在 IGBT 材料和封装测试取得较大的发展与进步,中车时代已建立全球第二条、中国首条 8 英寸 IGBT 芯片生产线,此条生产线可年产 12 万片芯片,和配套形成年产 100 万只 IGBT 模块的自动化封装测试能力,突破了中国在 IGBT 材料、封装测试的技术瓶颈。此外,在 IGBT 下游应用领域,中国国内高铁机车用的高压、大电流 6,500V IGBT芯片在设计和工艺研发制造技术上均突破了 IGBT 关键技术瓶颈,推动了中国 IGBT 行业发展。

三、 IGBT行业制约因素分析

(一) 8 英寸晶圆材料供不应求,限制行业发展

近年来,全球硅晶圆材料供货能力不足,构成了制约 IGBT 行业发展的一大因素。由于工艺及成本的限制,半导体功率器件的生产规模较难从 8 英寸产线转移到 12 英寸硅晶圆产线,因此,中国对 8 英寸硅晶圆材料产能需求迅速扩大。从全球 8 英寸晶圆供给情况分析,一方面,在全球电动化和智能化的大背景下,功率器件、电源管理芯片及指纹芯片 IC 等应用端均采用 8 英寸硅晶圆作为原材料,导致 8 英寸硅晶圆需求量大增,使得 8 英寸硅晶圆代工厂商的产能供不应求;另一方面, 8 英寸硅晶圆设备短缺现象加剧造成其产能扩张困难。所以,8 英寸晶圆材料供货困难在一定程度上制约了行业发展。

(二) IGBT 投资成本大,制约行业发展

相关设备配置成本上升将直接影响中国IGBT 建设投资成本上涨,在一定程度上不利于行业发展。建设 IGBT 产业园或 IGBT 晶圆厂涉及到行业产业链相关的设备配置,而这些相关设备未实现国产化,需要大量依赖国外进口,致使 IGBT 相关的设备购置成本较高。与此同时,受中美贸易战影响,全球进口关税波动影响较大,对 IGBT 相关的设备配置采购成本有一定影响,这在一定程度上增加了 IGBT 行业相关投资人或企业对设备配置的投资成本,导致 IGBT 相关投资人或企业利润空间变小。

(三) 专业人才不足,制约行业发展

IGBT领域的人才供需失衡的矛盾正日益凸显,阻碍了行业的发展。IGBT 行业是技术密集型产业,对多学科交叉的复合型人才需求较大,因此 IGBT 产品的制造需要各类专业技术工程人才和复合型人才。IGBT 行业与集成电路行业、微电子行业在产业链上游存在着高度关联性,但中国大部分高校以 SIC、GaN 器件及电源管理芯片作为课题方向,仅有少数高校进行 IGBT 器件相关的教学。同时,这些高校在 IGBT 器件研发主要限于计算机仿真研究,难以在实际中进行应用,导致中国在 IGBT 设计和研发方面人才的紧缺,供需失衡制约行业发展。

四、 IGBT行业政策因素分析

IGBT 行业是中国重点鼓励和扶持的产业之一,为扶持中国 IGBT 行业的发展,推动中国 IGBT 行业自主化进程,中国政府推出多项相关政策促进 IGBT 产业化发展。

五、 IGBT行业发展趋势分析

(一)国内外 IGBT 市场规模持续上升

未来中国 IGBT 行业市场将持续增长,市场前景广阔。IGBT 是诞生于 20 世纪 80 年代的功率半导体分立器件,进入工业应用时间较晚,虽然目前占整体功率半导体分立器件市场份额仍然不大,但它代表了未来的发展方向,市场规模增长很快。在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持下,国内IGBT 的发展亦获得巨大的推动力,市场持续快速增长。2018 年,国内 IGBT 市场规模达 159.6 亿元,2014-2018年的年复合增长率为 18.9%,预计到 2023 年中国 IGBT 行业市场规模有望达到 290.8 亿元。

(二)行业趋向模块化和小型化发展

IGBT 下游应用领域产品逐步趋向轻量化,推动 IGBT 行业向模块化发展。IGBT 行业的制造技术是以微细加工和MOS 工艺为基础,因此采用模块化设计代替传统的 IGBT 生产技术,可将 IGBT 基本相同的构件、零部件制成多功能和通用标准模块,模块化和小型化有助于IGBT 企业降低生产成本,各应用领域要求 IGBT 模组和分立器件尺寸不断缩小,提高通用化效率,实现生产的高效性和经济性,所以是行业的必然发展趋势之一。

(三)行业下游消费电子和家用电器领域向个性化需求增长

行业下游消费电子和家用电器市场将趋向非标准化、定制化的 IGBT 需求增长,刺激 IGBT 行业迎来新的增长点。在中国制造业供给侧结构升级的背景下,IGBT 行业下游应用端的市场竞争日趋激烈,各企业正积极寻求差异化优势,致使下游应用端企业对 IGBT 的技术工艺和生产工艺等方面的要求不断往差异化、定制化、个性化方向发展。IGBT 生产企业需要根据下游消费电子、家用电器领域客户提出的整体生产工艺和定制化设计需求,设计和制造出符合客户产品的技术和生产工艺,同时还需提供一体化的配套售后服务和产品升级服务等解决方案,促使 IGBT 行业下游应用端产品趋向多样化。

六、 IGBT行业市场竞争格局

(一)全球IGBT行业市场竞争格局

纵观全球 IGBT 行业,以欧美、日本为主的国家和地区占据绝大部分话语权,行业集中度高,竞争激烈,头部效应明显。英飞凌是绝对的行业领导者,据HIS Markit 2018年报告数据显示,英飞凌在 2018 年全球IGBT模块市场中以34.5%的市占率遥居第一,具有绝对的龙头地位。此外,市场的主要竞争者有不断革新的日系顶级玩家三菱电机;车规级 IGBT 市场的后起之秀比亚迪半导体;国内IGBT龙头斯达半导等。

(二)中国IGBT行业市场竞争格局

国内车规级 IGBT 行业呈寡头垄断格局,英飞凌占近六成市场,比亚迪破局而入,位列第二。根据 NE 时代数据,车规级 IGBT 行业集中度极高,CR4 高达 84.4%,CR2 高达 76.2%,形成了以英飞凌与比亚迪为主导的“双寡头”格局。2019 年英飞凌独占鳌头,以 627503 单位/套的 IGBT 模块装机量占据了高达 58.2%的市场份额。作为第一家自主研发、生产车用 IGBT 芯片的国内公司,比亚迪半导体成为国内市场上最有能力挑战英飞凌的本土厂商,但目前其市场份额为18%,仍比英飞凌低40%。斯达半导为IGBT 行业国内龙头,深耕于工业级 IGBT, 但其在车规级 IGBT 领域处于起步阶段,市占率仅 1.6%。

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