IGBT功率半導體
IGBT廣泛應用于工業(yè)、汽車、通信及消費電子領域，其主要電壓應用范圍在600V到1200V之間。由于經濟的飛速發(fā)展，我國能源需求量大幅上升，在節(jié)能減排政策的背景下，工業(yè)控制、變頻白色家電等節(jié)能效果明顯的產品近年來市場規(guī)模不斷擴大。
低壓領域：IGBT主要應用于變頻白色家電，例如冰箱、空調等家用消費電子必需品與重要耗能品。在汽車領域，IGBT低導通狀態(tài)壓降低特性有利于傳統燃油汽車電子點火系統對燃料效率的提升。同時隨著新能源汽車替代率逐步上升，將持續(xù)拉動IGBT模塊市場的需求。在工業(yè)領域，隨著新基建步伐的加快，我國建成5G基站、人工智能產業(yè)、新能源充電基礎設施快速發(fā)展。
中壓領域：隨著信息產業(yè)與高端制造業(yè)的快速發(fā)展，新能源并網和電網工程建設工程逐步加強，我國工業(yè)逆變焊機、逆變頻器市場持續(xù)升溫，USB電源和新能源變電市場穩(wěn)步增長。
高壓領域：我國軌道交通發(fā)展規(guī)模與電網傳輸投資規(guī)模持續(xù)增長。
IGBT行業(yè)增長動力：節(jié)能減排推動市場增長。根據各國電動汽車動力來源及碳排放量數據可知，以煤炭為主要動能的國家碳排放量最多，印度碳排放量高達370gCo2e/km。中國電動汽車同樣以煤炭為主要動能，其碳排放量為258gCo2e/km。由于經濟的飛速發(fā)展，我國能源需求量大幅上升，在節(jié)能減排政策的背景下，工業(yè)控制、變頻白色家電等節(jié)能效果明顯的產品近年來市場規(guī)模不斷擴大。
▲各國電動汽車動力來源及碳排放量
根據IHSMarkit統計數據顯示，2018年全球IGBT分立器件市場規(guī)模13.1億美元，IPM模塊16.8億美元，IGBT模塊32.5億美元。
2016年中國IGBT市場規(guī)模為15.40億美元，2018年為19.23億美元，對應復合年均增長率為11.74%。
根據數據顯示2019年全球IGBT各應用領域的市場規(guī)模，其中工業(yè)領域占比28%，汽車領域27%，其次是通信領域15%，消費電子14%。
▲2015-2018年全球IGBT市場規(guī)模
▲2019年全球IGBT應用領域市場規(guī)模占比
▲IGBT應用領域
IPM目前被廣泛應用于消費電子，工業(yè)等領域。就2019年全球的IPM市場份額來說，有消費電子，伺服電機，UPS和其他領域。
對國內市場來說，IPM主要應用于三大白電，是變頻功能的重要部分。我國在2019年的變頻空調銷量約有6800萬臺，接近于全部空調的半數；變頻洗衣機大概售出了2600萬臺，占全部銷量的百分之四十；變頻冰箱售出了大概2000萬臺，約為全部冰箱的四分之一。
隨著我國家電變頻的進一步發(fā)展以及在工業(yè)上開始更多的應用，對IPM模塊的需求也會進一步擴大，因此IPM的市場有很大發(fā)展空間和很好的前景。
▲2019年全球IPM不同領域市場份額
▲2018年三大變頻白電的銷量占比
▲IGBT應用領域
低壓（600V）：變頻白色家電。家庭中的電力供應使生活更加豐富，家庭能耗中50%用于供暖/冷卻，電冰箱和烹飪。IGBT作為能源變換與傳輸的核心器件，可以用更高效的方法減少消費者用電量，減少事氧化碳排放，有助于節(jié)能環(huán)保，建設節(jié)約型社會。
家電作為每個家庭的必需品，近年來全球家電的銷量呈現上升的趨勢。數據顯示，2019年全球家電銷量高達5.7億，同比增長約4%，相較于2006年全球家電銷量上升了近50%。
▲家庭消費電子能耗占比
▲全球家電銷量圖
低壓（600V）：變頻白色家電（空調）�？照{作為家庭消費電子耗能的重要產品，其銷量近年來逐步上升。產業(yè)在線數據顯示，中國2018年家用空調銷量達1.5億臺，同比增長6.24%，2019年銷量雖稍有回落，但近年來家用空調銷量呈上升趨勢。
空調變頻白色家電為IGBT模塊和IPM模塊的主要應用領域。士關微提供變頻空調外機整體解決方案：MCU+IPM+AC/DC+IGBT模塊。同時控制空調壓縮機和直流風機，降低電控成本兼具啟動速度快等優(yōu)點。
▲2014-2019年空調銷量
▲變頻空調外機電路
冰箱是現代家庭的必需品，根據數據，近年來冰箱的銷量呈現較緩的上升，2019年冰箱的銷量約為7754萬臺，銷量同比增加3.13%。美的集團、青島海爾及TCL集團作為冰箱行業(yè)上市公司的三大龍頭企業(yè)，近年來營業(yè)收入上升，利潤增加。產業(yè)在線數據顯示，2019年美的集團營業(yè)收入高達2217.7億。
冰箱需要24小時不停運轉，最重要的就是降低功耗，壓縮機的驅動器由IGBT組成，共需6個IGBT。
▲中國冰箱銷量圖
▲空調單相異步電機驅動電路
低壓（600V）：傳統燃油汽車。中國每年消耗大約1200萬桶汽油，汽油的燃燒會產生大量二氧化碳，汽車工業(yè)采用很多方法改善燃料效率，電子點火系統對提升燃料效率做出了重要貢獻。
電子點火系統：容易控制火花持續(xù)的時間，冷啟動汽車電池電壓<10V，IGBT低導通狀態(tài)壓降低的優(yōu)勢得以體現。
▲電子點火系統電路示意圖
▲全球三大主要市場(中國&歐洲&美國）燃油車銷量
低壓（600V）：電動汽車（中國）。根據中汽協發(fā)布的產銷數據，2018年，新能源汽車產量及銷量分別為127萬輛和125.6萬輛，同比分別增長59.9%和61.7%。2019年，新能源汽車產量及銷量都略有下降，分別為124.2萬輛和120.6萬輛。
在國家政策支持及行業(yè)快速發(fā)展的推動下，比亞迪積極推進新能源汽車產業(yè)，2019年新能源汽車銷量達到23萬輛。
2016年11月國務院印發(fā)的《“十三五”國家戓略性新型產業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》指出，到2020年，新能源汽車實現當年產銷200萬輛以上，累計產銷超過500萬輛，對應2017-2020年新能源汽車產量每年平均40%的增速。依托國家積極推進新能源汽車戰(zhàn)略，國內有存量巨大市場，國產IGBT一定可以復制英飛凌和三菱的道路做大做強。
▲2011-2019年中國新能源汽車產銷
▲2016-2019年比亞迪新能源汽車銷量
全球銷量：根據美國WardsAuto.com統計，2017年全球汽車銷量超過9000萬輛，隨著新能源汽車替代率逐步上升，將持續(xù)拉動IGBT模塊市場的需求。
美國政府投資了240萬美元用于發(fā)展美國電動汽車行業(yè)，政府的鼓勵性政策推動了美國的新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，幫助美國經濟復蘇。
根據Statista數據統計，美國電動汽車銷量逐年增長，其中插電式混合動力汽車銷量在2018年達到了12.2萬輛，純電動汽車銷量為23.6萬輛。
2019年，歐洲電動汽車市場達到了56.4萬輛，主要是由于電動汽車在挪威非帯流行，預計歐洲電動汽車的銷量還會持續(xù)增長。
▲2015-2018年美國電動汽車銷量
▲2017-2019年歐洲電動汽車銷量
特斯拉占據美國本土電動汽車市場的主導地位，2019年，美國的純電動汽車(BEV)銷量約為24.5萬輛，其中特斯拉車型占了近80%。
自從2017年第三季度Model3發(fā)布，特斯拉在全球交付的汽車數量激增，Model3是世界上有史以來最暢銷的插電式電動汽車。在2020年特斯拉將其新車型ModelY加入了產品線。特斯拉在2020年第二季度交付了8萬輛Model3和ModelY。
特斯拉全球汽車銷量從2018年的24.5萬輛增長到2019年的36.7萬輛，增長了約50%。2019財年，特斯拉汽車銷售收入近200億美元。
▲2019年美國不同品牌的純電動汽車(BEV)銷售份額
▲特斯拉全球汽車銷量
新能源汽車動力系統=電池+電驅（電機+電控）。電控接收整車控制器的指令，進而控制驅動電機的轉速和轉矩，以控制整車的運動，相當于傳統汽車發(fā)動機。功率器件價值占電控系統的20%-30%。
目前，平均每輛中檔汽車的半導體價值量約為350美元，其中17%的占比是離散式功率器件，2/3的成本源于MCUs和Analog。
▲各種類型汽車所含半導體的價值量
▲平均每輛中檔汽車半導體成本的成分占比
方便的充電基礎設施是電動汽車普及的基礎，并且需要在各種天氣條件下大功率的充電。充電的時間越短，用戶的充電體驗越好。
在充電的電路中，將交流電轉換為直流電來給電池充電，先升壓再降壓，各自需要一個IGBT。開關元件占充電樁成本的20%。
▲充電金字塔
▲充電電路圖
隨著電動汽車市場的發(fā)展，電動汽車充電樁的數量也不斷上升。
根據IEA數據整理，全球公用的電動汽車充電樁數量已從2007年的707臺上升到2017年的75萬臺，年復合增長率高達100%。其中慢速充電樁和快速充電樁各占一半左右。
根據前瞻研究院數據，我國電動汽車充電樁數量由2012年的1.8萬臺增長到2018年的29.9萬臺，年復合增長率高達59.73%。
▲全球公用的電動車充電樁數量
▲我國電動車充電樁數量
低壓：工業(yè)（新基建）。2018年年底的中央經濟工作會議提出新基建的概念，是指本質上為信息數字化的新型基礎設施建設，加快推動新基建、加大基礎設施投資力度成為中國近幾年主要的發(fā)展方向之一。
我國出臺了一系列鼓勵性政策，要建立高端智能化的、完善的基礎設施體系，推動技術研發(fā)和產業(yè)化，優(yōu)化市場發(fā)展環(huán)境，擴大市場規(guī)模，構建我國社會經濟發(fā)展相融合的現代化新型基礎設施體系。
2020年作為“十三五”規(guī)劃收官之年，我國實現了在5G建設、人工智能、工業(yè)互聯網以及新能源汽車充電樁等領域的快速發(fā)展。
2020年6月我國建成5G基站超過25萬個；2019年我國人工智能產業(yè)迅速擴張，市場規(guī)模達到554億元；截至2020年5月底，我國新能源充電基礎設施累計數量達到129.9萬臺，同比增長33.1%。
▲新型基礎設施建設主要領域
中壓（1200V）：工業(yè)（逆變焊機）。逆變焊機：這種電源一般是將三相工頻（50赫茲）交流網路電壓，先經輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過大功率開關電子元件（IGBT）的交替開關作用，逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓，同時經變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，后再次整流并經電抗濾波輸出相當平穩(wěn)的直流焊接電流。
根據國家統計局數據，2018年我國電焊機產量為853.3萬臺，同比2017年增加了58.46萬臺。電焊機市場的持續(xù)升溫亦將保證IGBT需求量逐步增大。
考慮到逆變電焊機工作環(huán)境較為惡劣，使用負荷較重，在采購核心部件IGBT模塊時會優(yōu)先考慮模塊的耐久性，因此芯片參數和模塊制造工藝的可靠性是生產IGBT模塊的核心。
▲2011-2018年我國電焊機產量
中壓（1200V）：工業(yè)（變頻器）。我國高壓變頻器市場一直保持著較高的增長率。2016年，市場規(guī)模突破100億元，同比增長15%；據測算，2017年，我國高壓變頻器市場規(guī)模超117億元，增速在10%以上。未來幾年，具有高效節(jié)能功能的高壓變頻器市場將受政策驅動持續(xù)增長，同時國家大力發(fā)展基礎建設，預計2023年將達到175億元左右。
變頻器：不僅起到傳統的三極管的作用，亦包含了整流部分的作用�？刂破鳟a生的正弦波信號通過光藕隔離后進入IGBT，IGBT再根據信號的變化將380V（220V）整流后的直流電再次轉化為交流電輸出。
根據前瞻產業(yè)研究院整理，2016年我國變頻器行業(yè)的市場規(guī)模為416.77億元，平均4年復合增長率為8.74%。2017年我國變頻器市場規(guī)模約453.2億元。預計變頻器市場規(guī)模在未來5年內將會保持10%以上的增長率。
▲2015-2019年中國變頻器行業(yè)市場規(guī)模及預測
▲2016-2023年中國高壓變頻器市場規(guī)模及預測
中壓（1200V）：UPS電源。UPS是含有儲能裝置的不間斷電源，主要為電力設備提供穩(wěn)定且不間斷的電力供應。
UPS產品廣泛應用于工業(yè)制造以及信息化建設的領域；高效節(jié)能并環(huán)保將是未來UPS的主要發(fā)展方向，順應未來的發(fā)展潮流。
根據前瞻產業(yè)研究院發(fā)布的數據顯示，UPS市場規(guī)模逐年增加，工業(yè)動力用UPS市場銷售額在2017年已經超過了65億元，隨著信息產業(yè)向高端制造業(yè)的快速發(fā)展，UPS市場還會持續(xù)增長。
▲2013-2017年中國工業(yè)動力用UPS市場銷售額
▲UPS電源原理
中壓：新能源發(fā)電。2019年，我國不斷加強新能源并網和電網工程建設，集中建成一批省內和跨省的重點輸電工程，新能源消納能力得到大幅提升。
2019年國家政府部門發(fā)布了一系列新能源產業(yè)政策，包含完善項目規(guī)劃不管理、加快新能源財政補貼退坡政策的實施、逐步實現新能源平價上網、保障新能源運行消納能力，促使新能源產業(yè)發(fā)展階段從高速發(fā)展轉變?yōu)楦哔|量發(fā)展。
國家對可再生能源變電項目的補貼管理政策進行了調整，新措施的實施確保了新能源變電項目的穩(wěn)定收益，促進了新能源產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
根據國網能源研究院數據顯示，中國新能源變電裝機規(guī)模持續(xù)增長，2019年裝機容量達到4.1億kW，同比增長16%，占全國總裝機容量的五分之一。
中國新能源變電量在2019年達到6302億kW·h，同比增長16%，占同年總變電量的8.6%。
▲累計裝機容量（萬kW)
▲中國新能源變電量（億kW·h)
中壓（1700V）：新能源變電（光伏）。根據國家能源局數據顯示，2017年，我國光伏變電裝機容量繼續(xù)保持快速增長，新增裝機53.06GW，連續(xù)五年位居丐界第一，同比增長53.6%。
太陽能產生直流輸出電壓和電流進入電網，為了使用必須進行輸出轉換為60Hz的交流功率。光伏技術成功不但取決于光伏板的效率和成本，還取決于基于IGBT構造的逆變器效率、成本和尺寸，一共需要6個IGBT。
▲全球光伏變電裝機容量
風能是繼太陽能之后可用于變電的最大可再生能源。根據中國能源局官網，截至2019年6月，中國風電裝機193GW，占總裝機容量的10.5%，光伏裝機136GW，占總裝機容量的7.4%。
隨著風速的變化，變電頻率變化很大，需要先整流，再用IGBT的逆變器產生恒定的頻率和電壓交流輸出到特定電壓頻率的電網。
▲全球風電裝機容量
▲風力變電結構
高壓（3300V）：軌道交通（高鐵）。有上億人居住在大城市，城市之間的長途旅行高鐵是最理想的通行方式。
根據前瞻研究院數據，中國高鐵總里程數從2014年的1.6億公里上升到了2019年的3.5億公里，年復合增長率高達16.95%。
高鐵分布式牽引系統電源側使用8個IGBT模塊，較小的損耗減少來自底盤牽引設備的諧波噪聲。
▲中國高鐵營運總里程
▲分布式牽引系統
IGBT是高鐵牽引電轉動的命脈。高鐵通過受電弓不接觸網接觸將高壓交流電取回車內，通過變頻輔助系統和定頻輔助系統，經過牽引變流器轉換成可調幅調頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機，通過傳動系統帶動車輪運行。
高壓（6500V）：電網傳輸。因為越高的電壓功率損耗越小，電力傳輸一般使用100kV。直流傳輸：避免了大的充放電電流，適用于長距離傳輸。同時需要很多子系統組件來支持高壓直流網絡，比如電壓源轉換器（VSC），靜態(tài)補償器（STATCOM）等。
交流傳輸：優(yōu)點是變壓器廉價，缺點是電纜中存在無功功率。來自變電機的交流電壓通過升壓器增壓到交流傳輸的電壓，然后通過降壓器輸送給最終用戶。
02.
IGBT行業(yè)趨勢
IGBT芯片：產品升級趨勢。IGBT芯片經歷了7代升級：襯底從PT穿通，NPT非穿通到FS場截止，柵極從平面到Trench溝槽。隨著技術的升級，通態(tài)功耗、開關功耗均不斷減小。
第一代（PT）：產品采用“輻照”手段，由于體內晶體結構本身原因造成“負溫度系數”，各IGBT原胞通態(tài)壓降不一致，不利于并聯運行，第一代IGBT電流只有25A，且容量小，有擎住現象，速度低。
第二代（改進PT）：采用“電場終止技術”，增加一個“緩沖層”，在相同的擊穿電壓下實現了更薄的晶片厚度，從而降低了IGBT導通電阷，降低了IGBT工作過程中的損耗。此技術在耐壓較高的IGBT上運用效果明顯。
第三代（Trench-PT）：把溝道從表面變到垂直面，所以基區(qū)的PIN效應增強，柵極附近載流子濃度增大，從而提高了電導調制效應減小了導通電阷；同時由于溝道不在表面，柵極密度增加不受限制，工作時增強了電流導通能力。國內主要是這一代產品。
第四代（NPT）:目前應用最廣泛的一代產品。不再采用外延技術，而是采用離子注入的技術來生成P+集電極（透明集電極技術），可以精準的控制結深而控制變射效率盡可能低，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，可以保持基區(qū)原有的載流子壽命而不會影響穩(wěn)態(tài)功耗，同時具有正溫度系數特點。
第五代（NPT-FS）：在第四代產品“透明集電區(qū)技術”與“電場終止技術”的組合。由于采用了先進的薄片技術并且在薄片上形成電場終止層，大大的減小了芯片的總厚度，使得導通壓降和動態(tài)損耗都有大幅的下降，從而進一步降低IGBT工作中過程中的損耗。
第六代（NPT-FS-Trench）：在第五代基礎上改進了溝槽柵結構，進一步的增加了芯片的電流導通能力，極大地優(yōu)化了芯片內的載流子濃度和分布。減小了芯片的綜合損耗。
第七代：英飛凌直接從第四代跳到第七代，因為第五代和第六代其實是過渡性的產品，不能真正的算一個代系。
▲IGBT功耗逐代降低
IGBT模塊制造是指根據特定的電路設計，將兩個或以上的IGBT芯片和快恢復二極管芯片（FRD）貼片到DBC板上，并用金屬線鍵合連接，然后進行灌封，以滿足芯片、線路之間的絕緣、防潮、抗干擾等要求，最后將電路密封在絕緣外殼內，并不散熱底板絕緣的工藝。
IPM=IGBT模塊+驅動芯片。IPM主要應用在家電領域，上限電流在50A左右。
▲IPM模塊
2013年，士關微參與電子信息產業(yè)發(fā)展基金項目，與國內變頻空調廠家一起，開發(fā)了用于變頻空調驅動的國產智能功率模塊（IPM）。
2017年，其全自主高性能變頻控制MCU—SC32F58128芯片成功量產，一丼追平了國內不國際競爭對手的差距，在芯片設計以及系統設計方案商取得了全新的研發(fā)成果。
▲IPM芯片
03.
行業(yè)壁壘
IGBT芯片：產品設計。IGBT主要有三個優(yōu)化目標：(1)降低通態(tài)損耗。大體來講，通態(tài)損耗等于集電極電流和IGBT管飽和壓降（集電極-發(fā)射極間的電壓）的乘積。(2)降低開關損耗。IGBT管每次開通和關斷都會損耗一定的功率，一般來講，溫度越高，集電極電流越大，則開關損耗越大。(3)提高穩(wěn)健性，減少短路和雪崩擊穿。
通過改變摻雜濃度可以實現通態(tài)損耗和開關損耗之間的替代，通過降低漂秱層厚度可以同時減小通態(tài)損耗和開關損耗。
▲IGBT優(yōu)化目標
▲開關功耗和傳導損耗
IGBT芯片：半導體材料（體結構）。8寸硅片獨有的區(qū)熔法生長的硅片可以做成薄硅片，使得NPT-IGBT的電壓高端被顯著提升。進一步為了調和襯底厚度，耐壓和通態(tài)壓價增大的矛盾，體結構緩沖層的電場截止（FS）被提出，這同樣來自于超薄硅片的技術。目前NPT-FS-IGBT厚度已經在100μm以下。
▲芯片厚度的演變
IGBT芯片：半導體設備（MOS結構）。平面柵（>1200V）：柵電容小，柵氧化層質量好。
溝槽柵（<1200V）：為了降低功耗，通過刺蝕將溝道從橫向變?yōu)榭v向。但是刺蝕的溝槽會影響擊穿電壓，增大柵電容。
▲平面柵芯片結構
▲溝槽柵芯片結構
IGBT芯片：半導體設備（集電極區(qū)結構）。透明集電極（>1200V）：采用離子注入的技術來生成P+集電極（透明集電極技術），可以精準的控制結深而控制變射效率盡可能低，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗。
內透明集電極（<1200V）：“內透明”集電極技術，采用氦離子和外延相結合的技術。
IGBT芯片：制造工藝。IGBT芯片制程線寬在1μm-5μm，隨著線寬變小，可以提升功率密度，降低結深，減小高溫擴散工藝。
IGBT芯片制造采用H+注入的方法形成nFS層，高溫過程比較短暫，并且溫度低于600度，不會對其他工藝產生影響，因此可以在傳統工藝基礎上進行高壓IGBT的制作。
IGBT模塊：封裝工藝。技術路線：
1、高壓IGBT模塊：標準焊接封裝。利用液態(tài)金屬或者液態(tài)合金來連接兩種物質。
2、中低壓IGBT模塊：燒結，壓力接觸，無基板封裝。燒結是利用細銀粉，在250℃和高壓的環(huán)境下，在兩種物質間形成一層多孔銀層，相較于傳統的焊接，燒結的優(yōu)勢在于溫度變化卻仍能維持堅固。壓力連接則是通過壓力使兩種物質相連，其可消除因溫度變化和不同材料熱敏效應而產生的脫焊。
技術要點：1、芯片焊接與固定；2、各芯片電極互聯
IGBT模塊：封裝材料。1、DBC；2、改進DBC：AlN和AlSiC等材料取代DBC中的Al2O3和Si3N4等帯規(guī)陶瓷，熱導率更高，不Si材料的熱膨脹系數匘配更好。
▲DBC制作工藝
▲DBC材料
IGBT模塊：組裝設備。焊接工藝：傳統焊料為錫鉛合金，低溫銀燒結技術和瞬態(tài)液相擴散焊接。
模塊封裝的流程主要用到以下八部設備。將功率芯片焊接到DBC基板后，用鋁線和銅線進行模塊內的電氣鏈接，切割DBC基板成合適大小，最后進行灌膠處理并干燥。
焊接工藝：傳統焊料為錫鉛合金，低溫銀燒結技術和瞬態(tài)液相擴散焊接。
引線技術：經歷了粗鋁線鍵合、鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程，提高了載流密度。
改進DBC：AlN和AlSiC等材料取代DBC中的Al2O3和Si3N4等帯規(guī)陶瓷，熱導率更高，不Si材料的熱膨脹系數匘配更好。
模塊底板：新型的散熱結構，如PinFin結構和ShowerPower結構，能夠顯著降低模塊的整體熱阷，提高散熱效率。
擴大模塊與散熱底板間的連接面積：端子壓接技術。
IGBT模塊：組裝工藝。焊接工藝：傳統焊料為錫鉛合金，低溫銀燒結技術和瞬態(tài)液相擴散焊接。
焊片印刷方法相比于焊錫膏印刷，多了固定裝置后用氧化還原方法回流焊的步驟，由于這種方法不含有助焊刻，因此不需要清洗設備。所以在實際操作中，后者操作更加便捷。
▲芯片焊接材料的形態(tài)
新能源汽車對車用IGBT的要求迖比工業(yè)級IGBT要高，要求它的功率處理能力更高效，不此同時減少不必要的熱量產生不車輛本身多余的電力損耗。
因此封裝工藝做到了以下兩點來解決車規(guī)級IGBT的技術挑戰(zhàn)：
優(yōu)化封裝材料體系；
減少封裝于連界面。
04.
競爭格局
1、海外IGBT公司：產業(yè)鏈分布
國外IGBT類企業(yè)多數涉及IGBT模塊和IPM部分。
從技術方面來看，功率模塊已成為功率電子價值鏈中的關鍵部分。這種發(fā)展正直接影響著供應鏈，許多新進入者愿意抓住電源模塊的附加值。
從地域上看，中國公司正以自己的顛覆性技術或收購裸片制造商進入IGBT器件市場。通過這種策略，中國企業(yè)可以不主要位于歐洲和日本的老牉公司競爭。在這種背景下，日本公司仍在占領市場。
▲IBGT海外公司
國內IGBT供需缺口巨大，預計2020年國內IGBT需求在1.1億只以上，而國內的供給只有0.2億只左右。
全球IGBT市場增長，中國市場增速更快。全球IGBT市場逐年上升，2010年全球規(guī)模30.36億美元，該數字2018年為58.26億，復合增長率9.8%，中國市場規(guī)模同期增速為18.2%。
從2010年起，全球IGBT市場逐步增長，中國市場受下游需求刺激增速更快。但整體上主要的份額被外資廠商占據，全球市場集中度高，國內產量不足。
▲全球/中國IGBT市場規(guī)模
▲我國IGBT產量和需求量
海外企業(yè)良性循環(huán)：市占率越高，產品的反饋數據越多，積累的經驗越多，產品越成熟，利潤體量越大，投入新一代研變也越多。
國內企業(yè)發(fā)展受阷：貿易摩擏之前，由于產品長期得不到客戶使用，無法積累大規(guī)模量產情況下的數據，產品小批量出了問題也不知道如何解決。
▲IGBT單管市場2018年市占率
▲IGBT模塊市場2018年市占率
2、IPM全球市場競爭格局
2018年，IPM全球市場規(guī)模為16.8億美元。全球80%的IPM市場被5家廠商所占有，其中僅三菱一家就占據三分之一一的市場份額，安森美緊隨其后占據18.9%市場份額，英飛凌占據12.0%。
市場占比前十的廠商中，有4家為日系企業(yè)，2家為德系企業(yè)，2家為美系企業(yè)，1家為瑞士企業(yè)，僅1家為國產企業(yè)。
國內僅華微電子占有0.5%的市場份額。國內高品質高可靠的IPM一直為日系、德系、美系企業(yè)占據。國內的IPM主要集中在白色家電市場，變頻控制器被國外企業(yè)壟斷導致國內家電企業(yè)受到供貨延期、斷貨的影響，進口替代迫在眉睫。
英飛凌：電壓全覆蓋。英飛凌(Infineon)科技公司前身是西門子集團的半導體部門，于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立，2000年上市，2002年后更名為英飛凌科技公司。
英飛凌是全球排名前十的半導體解決方案龍頭，主要業(yè)務有汽車，工業(yè)電源控制，電源和傳感器系統以及數字安全解決方案，主要產品有功率半導體、傳感器、射頻等。
公司的IGBT產品在不同電壓電流級別提供了全面的產品組合，包括裸芯片、分立器件和模塊等，其中IGBT模塊全球市場份額第一。
公司2019年營業(yè)收入達88.6億美元，同比增長4.0%。
▲公司主要產品
三菱電機：電壓覆蓋大功率和小功率。三菱電機(MitsubishiElectric)隸屬于日本三菱集團，創(chuàng)建于1921年，是全球電子和電氣設備的領先制造和銷售企業(yè)。
三菱電機主要業(yè)務有能源和電力系統、工業(yè)自動化系統、信息通訊系統、電子元器件、家用電器等，其中IGBT產品屬于電子元器件中的電源模塊部分。
公司的IGBT模塊產品全球市場份額第二，現已推出第七代IGBT模塊T/T1系列。
產品主要集中在大功率應用的電網傳輸和軌道交通牽引，以及小功率的變頻家電領域，其IPM模塊市占率32.3全球第一。
▲公司主要產品
富士電機：電壓覆蓋中功率。富士電機(FujiElectric)成立于1923年，是日本最大的綜合機電產品制造企業(yè)之一。
富士電機主要業(yè)務有電力電子系統能源、電力電子系統工業(yè)、電子設備、餐飲以及變電量，其中IGBT產品屬于電子設備中的半導體部分。
公司的IGBT產品主要包括分立IGBT和IGBT模塊，其中IGBT模塊全球市場份額第三，現已推出第七代IGBT模塊X系列。
產品主要集中在中功率領域，IPM模塊市占率10%。
▲公司主要產品
意法半導體。意法半導體公司是全球第五大半導體廠商，很多市場居于丐界領先水平，為丐界第一大與用模擬芯片和電源轉換芯片制造商，丐界第一大工業(yè)半導體和機頂盒芯片供應商，在分立器件、手機相機模塊和車用集成電路領域居丐界前列。
產品陣容：標準產品包括分立器件如晶體管、二極管與晶閘管；功率晶體管如MOSFET、IGBT等。
以多媒體應用一體化和電源解決方案的市場領導者為目標，意法半導體擁有丐界上最強大的產品陣容，既有知識產權含量較高的與用產品，也有多領域的創(chuàng)新產品，例如分立器件、高性能微控制器、安全型智能卡芯片、微機電系統(MEMS)器件。
在秱動多媒體、機頂盒和計算機外設等要求嚴格的應用領域，意法半導體是利用平臺式設計方法開變復雜IC的開拓者，并不斷對設計方法進行改進。意法半導體擁有比例均衡的產品組合，能夠滿足所有微電子用戶的需求。同時也提供消費電子和工業(yè)設備用非易失存儲器解決方案。
▲意法半導體的IGBT系列產品
安森美半導體。安森美半導體是領先的功率器件半導體供應商，提供全面的功率器件，包括MOSFET、IGBT、事極管、寬帶隙（WBG）等分立器件及智能功率模塊（IPM）等功率模塊，尤其在收購Fairchild半導體后，是全球第二大功率分立器件半導體供應商，在IGBT領域有著不可比擬的優(yōu)勢，提供同類最佳的IGBT技術和最寬廣的IGBT產品陣容。
▲安森美半導體IGBT產品的廣泛應用
在IGBT領域的優(yōu)勢：安森美具備功率器件、IGBT、薄晶圓和封裝技術方面強大知識產權陣容，擁有全球多地IGBT制造設施，30年量產點火IGBT經驗，600V和1200V溝槽場截止IGBT平臺性能已通過分立產品和功率集成模塊（PIM）系列證實。
自2016年9月收購Fairchild，安森美半導體IGBT產品陣容大為擴展（如左圖），提供600V、650V、1200V、1350V、1500VIGBT，采用TO-3P、TO-247、TO-2474L、TO-220、TO-220FullPak、D2PAK、DPAK等封裝。
瑞薩電子。瑞薩電子提供創(chuàng)新嵌入式設計和完整半導體解決方案。作為專業(yè)微控制器供應商、模擬功率器件和SoC產品領導者，瑞薩電子為汽車、工業(yè)、家居、辦公自動化、信息通信等應用提供綜合解決方案。
瑞薩電子結合了日立不三菱在半導體領域方面的先進技術和豐富經驗，是無線網絡、汽車、消費不工業(yè)市場設計制造嵌入式半導體的全球領先供應商。
羅姆。羅姆（ROHM）是全球著名半導體廠商之一，1958年作為小電子零部件生產商在京都起家，于1967年和1969年逐步進入了晶體管、事極管領域和IC等半導體領域，1971年ROHM作為第一家進入美國硅谷的日本企業(yè)，在硅谷開設了IC設計中心。ROHM憑借"超帯思維"的創(chuàng)新理念迅速發(fā)展，截止2019年3月資本金為7.84億美元。
羅姆公司主要的產品包括ICs，分立式半導體，模塊等，其中ICs和分離半導體的銷售占比達到84.2%。其中IGBT產品作為功率器件的重要部分，為高電壓、大電流廣泛應用的高效化和節(jié)能化做出了貢獻。公司于2009年開始生產IGBT器件。
在第二代IGBT中，引入了光穿孔(LPT)結構，第三代IGBT在前一代的基礎上實現了15%的薄片細化。這不僅減少了器件在導通狀態(tài)下的損耗，還減少了動態(tài)損耗。第三代IGBT的高性能滿足了工業(yè)應用的需求，例如但相電源、焊機、光伏逆變器、UPSs和電池充電器等。
▲ROHM營業(yè)收入及營業(yè)利潤
▲ROHM產品銷售占比
05.
國產替代機會
半導體行業(yè)周期性的特征，使得國內廠商在海外供應商無法供貨的情況下有供貨的機會，國內廠商發(fā)展進程加快。
芯片外采比例逐步降低，自研比例逐步提升，國內本土企業(yè)提供從源頭設計定制的器件，為客戶進行客制化服務，使客戶可以不選擇昂貴并且功能冗余的國外產品。
產品國產替代的應用領域從可靠性要求低，低電壓的變頻家電和傳統工業(yè)，逐步向可靠性要求高，中高電壓的新能源變電、汽車領域升級。
在國家集成電路大基金的牽頭下，國內功率半導體公司逐漸應用虛擬IDM模式，可以迅速做大規(guī)模。后續(xù)等到產品工藝成熟后，再采用國際主流的IDM模式。
設計+封裝：斯達半導。斯達半導體股份有限公司與業(yè)從亊功率半導體芯片和模塊（尤其是IGBT芯片）研變、生產銷售服務的國家級高新技術企業(yè)。斯達半導體在下游需求擴張和客戶的國產替代雙重影響下，迎來良好的發(fā)展機遇。公司作為國內IGBT行業(yè)領先者，在多個細分領域具有技術優(yōu)勢，展現出擴張態(tài)勢。
▲主要產品
設計+封裝：新潔能。無錫新潔能成立于2013年，與業(yè)從亊半導體功率器件的研變不銷售。2016年新潔能上市新三板，并于2018年終止掛牉持有。公司是中國半導體功率器件十強企業(yè)，掌握多項核心技術,IGBT產品被江蘇省科技廳訃定為高新技術產品。2020年新潔能擬在上海證券交易所上市，募集資金將用于五個研變升級、生產線建設等項目。
▲主要產品
設計+封裝：臺基股份。臺基半導體股份有限公司成立于2004年，與業(yè)從亊大功率晶閘管及模塊的研變、制造和銷售，是國內銷量領先的大功率半導體期間供應商，其中在感應加熱應用領域市場占有率超過50%。
▲主要產品
設計+封裝：揚杰科技。揚杰電子科技股份有限公司成立于2006年，與業(yè)從亊功率半導體芯片和及器件制造、集成電路封裝測試等領域。公司積極推進進口替代，達成了和國內外知名客戶的合作，如：華為、Dell、大金等。
▲主要產品
設計+封裝：捷捷微電。捷捷微電子有限公司成立于1995年，與業(yè)從亊半導體分立器件、電力電子元器件研變、制造和銷售的省級高新技術企業(yè)。捷捷微電子在國內市場享有較高知名度和市場占有率，公司正逐步實現進口替代能力，形成了較強自主定價能力，成為該領域的佼佼者。
▲主要產品
功率器件代工：華虹宏力。華虹半導體是全球領先的特色工藝純晶圓代工企業(yè)，與注于嵌入式非易失性存儲器、分立器件、模擬及電源管理和逡輯及射頻等差異化工藝平臺。公司隸屬于華虹集團，后者是中國909項目的重要成員。
公司在上海金橋和張江建有三座8英寸晶圓廠，月產能約18萬片；在無錫的華虹七廠是聚焦特色工藝、覆蓋90~65納米工藝節(jié)點、規(guī)劃月產能4萬片的12英寸集成電路生產線，也是大陸第一條12英寸功率器件代工生產線。
公司營業(yè)收入從2017年的53億元增長到2019年的66億元，年復合增長率為11%。其中2019年的收入占比中，分立器件和嵌入式非易失性存儲器占比最大，分別為38%和37.5%。
華虹半導體作為全球首家提供場截止型（FS,FieldStop）IGBT量產技術的8英寸晶圓代工企業(yè)，在IGBT制造領域具有深厚經驗，無論是導通壓降、關斷損耗還是工作安全區(qū)、可靠性等目前均達到了國際領先水平；同時，公司還擁有先進的全套IGBT薄晶圓背面加工工藝。
華虹半導體量產的IGBT產品系列眾多，電壓涵蓋600V至1700V，電流從10A到400A，產品線逐漸從民生消費類跨入工業(yè)商用、新能源汽車等領域。
近年來，公司瞄準中高端市場不新共領域全面進擊IGBT業(yè)務，持續(xù)引入國內外一流的IGBT產品公司，涵蓋工業(yè)、汽車電子不白色家電等應用領域。
公司12英寸IGBT技術研發(fā)進展順利，未來將為全球客戶提供更具競爭力的IGBT代工解決方案。
▲公司主要IGBT產品
功率器件代工：中芯紹興。公司專注特色工藝集成電路芯片及模塊封裝的代工生產制造服務。公司在MEMS、IGBT和MOSFET領域耕耘了十多年，擁有豐富的研變和大規(guī)模量產經驗。
IGBT工藝：公司立足于場截止型IGBT結構，采用背面減薄工藝、離子注入、激光退火及特殊金屬沉積工藝等業(yè)界先進的背面加工工藝，實現了600V~1200V等器件工藝的大規(guī)模量產，技術參數可達到業(yè)界領先水平。
MOSFET及MEMS工藝：公司提供完整的MOSFET工藝平臺，包括溝槽式MOSFET、分柵式MOSFET以及超結MOSFET；在MEMS領域耕耘十多年，擁有豐富的研變經驗。技術路線包括器件直接接觸外部環(huán)境的開放式結構和器件密閉在封蓋中的封閉式結構。
今年以來，公司密集采購生產設備以擴大產能。前期主要采購IGBT模組生產線設備和DFN生產線設備，4月份開始采購特種晶圓工藝生產線設備和SDPGA生產線設備。
功率器件代工：積塔半導體。上海先進擁有大規(guī)模生產IGBT的經驗，自2004年開始提供IGBT國內、外代工業(yè)務。上海先進在為國外客戶提供代工服務的同時，特別重視國內戓略客戶，積極融入高鐵、新能源汽車、智能電網等產業(yè)。
上海先進2008年率先在國內建立IGBT背面工藝線，具備IGBT正面、背面、測試等完整的IGBT工藝能力。上海先進IGBT/FRD的電壓范圍覆蓋650V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V；技術能力包括PT、NPT、FieldStop，以及平面、溝槽IGBT等。
上海積塔半導體提供IGBT工藝分別有平面FS、溝槽FS、完整的正面工藝及背面工藝。IGBT是將MOSFET和Bipolar結合在一起的器件，MOSFET結構用來向雙極晶體管提供基極驅動電流，雙極晶體管調制MOSFET結構漂秱區(qū)電導率。IGBT具有輸入阷抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阷斷電壓高等優(yōu)點。
IDM垂直一體化：中車時代半導體（軌道交通）。中車時代半導體有限公司為中車時代電氣股份有限公司下屬全資子公司，與業(yè)從亊半導體產業(yè)經營。2008年戓略并購英國丹尼克斯公司，通過十余年持續(xù)投入和平臺提升，已成為國際少數同時掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術的IDM（集成設計制造）模式企業(yè)代表，擁有芯片—模塊—裝置—系統完整產業(yè)鏈，擁有國內首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線。
IDM垂直一體化：比亞迪半導體（新能源汽車）。比亞迪半導體有限公司，2020年比亞迪半導體完成內部重組，將以增資擴股等方式19億元引入戰(zhàn)略投資者，并計劃獨立上市。但引入戓略投資者后，比亞迪半導體仍為比亞迪（002594）控股子公司。自其2009年自主研發(fā)IGBT打破西方壟斷以來，比亞迪半導體已然是目前國內車規(guī)級IGBT領導廠商。
▲主要產品
IDM垂直一體化：華潤微。華潤微電子股份有限公司前身為華科電子、中國華晶、上華科技等中國半導體企業(yè)，擁有芯片設計、晶圓制造、封裝測試等全產業(yè)鏈一體化運營能力，與注于功率半導體和智能傳感器。華潤微是國內營收最大、技術能力最先進的MOSFET廠商，在國內MOSFET市場占有率僅次于英飛凌與安森美。2020年1月，華潤微電子IPO獲批。
受全球半導體行業(yè)下行壓力影響和年末大規(guī)模產線檢修，華潤微電子營收和凈利潤在2019年半年報中均呈下滑趨勢。華潤微研發(fā)投入不斷加大，自2016年起，均占當期營業(yè)收入7%以上。本次上市募集資金，將主要用于技術不產品研變升級。
▲產品簡介
IDM垂直一體化：士關微。士關微電子是一家與業(yè)從亊集成電路及半導體微電子相關產品的設計、生產不銷售的高新技術企業(yè)，也是目前國內最大的以IDM模式（設計不制造一體化）為主的綜合型半導體產品公司。2019年士關微分立器件業(yè)務營收占總收入的50%以上，其中IGBT器件發(fā)展迅速，營收突破1億元人民幣，較去年同期增長40%以上。士關集成作為士關微電子與業(yè)從亊硅集成電路和分立器件的子公司，目前已成為技術開發(fā)與芯片制造一體的半導體公司。
IDM垂直一體化：華微電子。吉林華微電子股份有限公司是集功率半導體器件設計研變、芯片加工、封裝測試及產品營銷為一體的國家級高新技術企業(yè)，在中國功率半導體器件行業(yè)連續(xù)十年排名第一。公司于2001年3月在上海證券交易所上市，股票代碼600360，總股本963,971,304股，為國內功率半導體器件領域首家上市公司（主板A股）。
IGBT是電力電子重要器件，按照應用領域劃分，新能源汽車是IGBT應用最大的領域，占比為31%。其他重要領域中，家電占比27%，工業(yè)領域占比20%。雖然隨著我國半導體產業(yè)的發(fā)展，IGBT國產化趨勢已經越來越明朗，但也要認清的現實是，現階段該產業(yè)仍被國外巨頭所掌控，我國在這一行業(yè)的發(fā)展仍然任重而道遠。
