功率半导体器件IGBT及新材料工艺技术发展

 

 

功率半导体：电子装置电能转换与电路控制的核心

功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心。功率半导体是一 种广泛用于电力电子装置和电能转换和控制电路的半导体元件，可通过半 导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。 功率半导体具有能够支持高电压、大电流的特性，主要用途包括变 频、整流、变压、功率放大、功率控制等。除保障电路正常运行外，因其 能够减少电能浪费，功率半导体还能起到节能、省电的作用。
图表1. 功率半导体原理
图表2. 功率半导体功能

功率半导体=功率器件＋功率IC

 

功率半导体按器件集成度可以分为功率分立器件和功率 IC 两大类。功率分立器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中晶体管市场 规模最大，常见的晶体管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（双极结型晶体 管）。功率 IC 是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电 路等集成在同一芯片的集成电路，是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。
图表3. 功率半导体产品范围示意图

IGBT:电力电子行业的“CPU”

 

兼具 MOSFET 及 BJT 两类器件优势，IGBT 被称为电力电子行业的 “CPU”。IGBT 全称绝缘栅双极晶体管，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。 

IGBT 具有电导调制能力，相对于 MOSFET 和双极晶体管具有较强的 正向电流传导密度和低通态压降，因此兼具有 MOSFET 的高输入阻抗 MOSFET 器件驱动功率小、开关速度快、BJT 器件饱和压降低、电流密度 高和 GTR 的低导通压降的优点。
图表4：3种类型英飞凌 IGBT 结构示意图
图表 5. IGBT 结构图

IGBT发展史：历代七代技术演进，产业性能逐代提升

 

历时超 30 年，IGBT 已经发展至第七代，各方面性能不断优化。目前 为止，IGBT 芯片经历了七代升级：衬底从 PT 穿通，NPT 非穿通到 FS 场 截止，栅极从平面到 Trench 沟槽，最后到第七代的精细 Trench 沟槽。 随着技术的升级，芯片面积、工艺线宽、通态功耗、关断时间、开关 功耗均不断减小，断态电压由第一代的600V升至第七代7000V。
图表 6. IGBT 技术演进
图表 7. IGBT 芯片技术发展

下游应用：新能源汽车、轨交等新兴领域打开市场空间

 

低压 IGBT 多用于消费、汽车、家电领域，中高压 IGBT 多用于轨 交、智能电网领域。IGBT 下游应用领域广泛，按电压等级划分，超低压 （400-500V）IGBT 主要应用于消费电子领域，低压（600-1350V）IGBT 多应用于电动汽车、新能源、智能家电领域，中压（1400-2500V）IGBT 多应用于轨道交通、新能源发电领域，高压（2500-6500V）IGBT 多应用 于轨道牵引、智能电网领域。 目前，IGBT 作为新型功率半导体器件的主流器件，其应用领域包含 工业、 4C（通信、计算机、消费电子、汽车电子）等传统产业领域，以 及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。
图表8. IGBT的主要应用领域图表9. IGBT 芯片技术发展

市场规模：2022年全球IGBT市场规模有望达到57亿美元

 

2017-2022 年全球 IGBT 市场规模 CAGR 达 7.04%，中国市场主要应 用包括新能源汽车、工控、消费电子。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，全球及 中国 IGBT 市场规模持续增长。根据 WSTS 数据，预计 2022 年全球 IGBT 市场规模将达到近 57 亿美元，2017-2022 年 CAGR 达到 7.04%。 从下游应用领域规模占比来看，2020 年中国 IGBT 市场应用以新能源 汽车、工业控制及消费电子类为主，占比分别为 30%、27%及 22%。
图表10. 全球 IGBT 市场规模（单位：亿美元）
图表11. 2020 年中国 IGBT 市场下游应用占比

市场格局：海外大厂占据主要市场，中国企业追赶空间大

 

IGBT 市场英飞凌市占率全面领先，2020 年斯达半导跻身 IGBT 模块 市场前六。根据 Omdia 数据，2020 年 IGBT 分立器件市场及 IGBT 模块市 场规模前三的企业均为英飞凌、富士电机及三菱。其中英飞凌 IGBT 市场 市占率全面领先，IGBT 分立器件和 IGBT 模块的市占率分别为 29.3%和 36.5%。在 IGBT 分立器件市场中，中国企业士兰微进入全球前十，2020 年市 场份额为 2.6%；在 IGBT 模块市场中，2020 年斯达半导跻身全球第六，市 场份额为 3.3%。
图表12. 2020 年全球 IGBT 分立器件市场格局
图表13. 2020年全球 IGBT 模块市场格局

国内外重点公司布局情况

 

（1）中国 IGBT 产业链图表15. 中国 IGBT 产业链①斯达半导：国内 IGBT 龙头企业，全球 IGBT 模块市占率第六嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于 2005 年 4 月，主要从事功率半 导体芯片和模块尤其是 IGBT 芯片和模块研发、生产和销售服务的国家级 高新技术企业。公司在全球 IGBT 模块市场市占率为 3.3%，全球排名第 六，国内排名第一，是国内 IGBT 领军企业。 公司的产品广泛应用于工业控制和电源、可再生能源、新能源汽车、 白色家电等领域。 2021 年前三季度，公司实现营收 11.97 亿元，同比增长 79.11%，归母 净利润 2.67 亿元，同比增长 98.71%。
图表16. 斯达半导发展历程 斯达半导在中高压 IGBT 产品全面布局，定增加码车规 SiC 芯片研发。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT 芯片及在新能源汽车行业使用 比率持续提升；1200V IGBT 芯片在 12 寸产线上开发成功并开始批量生产; 1700V IGBT 芯片及配套的快恢复二极管芯片在风力发电行业、高压变频 器行业规模化装机应用。 汽车级 IGBT 模块合计配套超过 20 万辆新能源汽车；同时，公司在 车用空调，充电桩等领域的布局将助力公司在新能源汽车半导体市场占有 率进一步提高。 2021 年公司发布增发预案，募集资金总额不超过 35 亿元，主要用于 高压特色工艺功率芯片及 SiC 芯片的研发。未来，公司将持续加大在下一代IGBT芯片、车规级 SiC 芯片以及 3300V-6500V 高压 IGBT 的研发力度。
图表17.各类 IGBT 产品应用

②时代电气

中车时代电气是中国中车旗下股份制企业。公司于 2006 年在香港联 交所主板上市，2021 年科创板上市，实现 A+H 股两地上市。 功率半导体领域，公司建有 6 英寸双极器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸 碳化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。公 司全系列高可靠性 IGBT 产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电工程 关键器件由国外企业垄断的局面。目前正在解决新能源汽车核心器件自主 化问题。2021 年前三季度公司实现营收 85.3 亿元，同比下降 13.7%。归母净利 润 12.02 亿元，同比下降 19.7%。
图表18. 时代电气发展历程公司的产品包括 IGBT 芯片、 IGBT 模块、双极功率组件、晶闸管、 IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC 模块等。在 IGBT 领域，公司产品 已从 650V 覆盖至 6500V，在电压范围上可完美对标英飞凌。公司高压 IGBT 产品大量应用于我国轨交核心器件领域；中低压 IGBT 产品主要应用 于新能源汽车领域，目前公司最新一代产品已向包括一汽、长安在内的国 内多家龙头汽车整车厂送样测试验证，未来看好公司车规级 IGBT 发展。
图表19. 时代电气功率产品应用③士兰微：产能持续落地，产品高端化进程顺利 士兰微成立于 1997 年 9 月，2003 年 3 月公司在上交所上市。目前已 发展成为国内规模最大的集成电路芯片设计与制造一体（IDM）的企业之 一。公司被国家发展和改革委员会、工业和信息化部等国家部委认定为 “国家规划布局内重点软件和集成电路设计企业”，且陆续承担了国家科技 重大专项“01 专项”和“02 专项”多个科研专项课题。 公司主要产品包括集成电路、半导体分立器件、LED（发光二极管） 产品。公司拥有 5、6、8 英寸芯片生产线和正在建设的 12 英寸芯片生产 线和先进化合物芯片生产线。产品方面，公司完成了国内领先的高压BCD、超薄片槽栅 IGBT、超结高压 MOSFET、高密度沟槽栅 MOSFET、 快恢复二极管、 MEMS 传感器等工艺的研发，形成了较完整的特色工艺制 造平台。2020 年 MOSFET 市场公司排名全球第十，中国大陆第三，市占率 2.2%。IGBT 分立器件市场公司排名全球第十，中国大陆第一，市占率 2.6%。2021 年前三季度营收 52.22 亿元，同比增长 76.18%；实现归母净利润 7.28 亿元，同比增长 1543.4% 。
图表20. 士兰微发展历程④华润微：国内功率 IDM 龙头，积极布局第三代半导体 华润微成立于 2003 年，自 2004 年起连续被工信部评为中国电子信息 百强企业。公司是国内领先的掌握芯片设计、制造、封测一体化运营能力 的 IDM 企业。 主营产品包括MOSFET 、IGBT 、FRD 、SBD等功率器件。在MOSFET领域中，公司是国内少数能够提供100V至1500V范围内低、中、高压全系列 MOSFET产品的企业。同时，公司成功研发1200V和650VSiC肖特基二极管产品。此外，公司国内首条6英寸商用SiC 晶圆生产线正式量产。 2020年MOSFET市场公司排名全球第八，中国大陆第一，市占率达到3.9%。 2021年前三季度营收69.28亿元，同比增长41.70%；实现归母净利润16.84亿元，同比增长145.20% 。
图表21. 华润微发展历程⑤新洁能：全面布局 MOS、IGBT 产品，设计龙头技术高端 化优势明显 新洁能成立于 2013 年，目前已成长为国内 8 英寸及 12 英寸芯片投片 数量最大的功率半导体公司之一，公司连续四年名列“中国半导体功率器 件十强企业”。 目前公司已经掌握 MOSFET、IGBT 等多款产品的研发核心技术。是 国内最早同时拥有沟槽型功率 MOSFET、超结功率 MOSFET、屏蔽栅功率 MOSFET 及 IGBT 四 大 产 品 平 台 的 本 土 企 业 之 一 。产 品 电 压 覆 盖 12V~1700V 的全系列产品，是国内 MOSFET、IGBT 等半导体功率器件市 场占有率排名领先的企业。此外，公司在 SiC/GaN 第三代半导体器件亦有 所布局。2021 年前三季度公司营收 10.99 亿元，同比增长 65%，归母净利润 3.11 亿元，同比增长 208%。
图表22. 新洁能发展历程⑥扬杰科技：产品高端化布局开启第二成长曲线 扬州扬杰电子科技股份有限公司成立于 2006 年，于 2014 年 1 月 23 日 在深交所上市。公司是国内少数集半导体分立器件芯片设计制造、封装测 试、终端销售与服务等产业链垂直一体化（IDM）的杰出厂商。公司已连 续数年入围"中国半导体功率器件十强企业"前三强。 公司主营产品为包括分立器件芯片、整流器件、保护器件、小信号、MOSFET、IGBT 等。其中二极管、整流桥类产品在国内占据领先地位。产品广泛应用于消费类电子、安防、工控、汽车电子、新能源、家电等领 域。IGBT：8 英寸工艺的 1200V Trench FS IGBT 芯片及对应模块开始风险 量产，IGBT 高频系列模块、IGBT 变频器系列模块等也取得批量订单。MOSFET ：公司持续优化提高 Trench MOSFET 和 SGT MOS 系列产品性 能，扩充产品品类。公司 2021 年前三季度公司营收 32.41 亿元，同比增长 75.76%，归母 净利润 5.65 亿元，同比增长 115.17%。
图表23. 扬杰科技发展历程⑦闻泰科技：以半导体为核心，安世引领国产功率半导体 闻泰科技于 2006 年创立，2008 年主营业务转型升级为 ODM，2016 年借壳中茵股份“曲线上市”。2018 年收购功率半导体 IDM 企业安世半 导体打通了产业链上下游从芯片设计、晶圆制造、半导体封装测试全流 程，并拥有自建模具厂和完善的智能化生产线。 安世半导体是全球领先的功率半导体制造商。据安世数据显示，公司 全球整体市占率达到 8.4%，其中在小信号二极管和晶体管、ESD 保护器 件全球排名第一，PowerMOS 汽车领域、逻辑器件全球排名第二，小信号 MOSFET 排名第三。 2021 年前三季度公司营业收入 386.5 亿元，同比增长 0.8%。归母净利 润 20.4 亿元，同比下降 9.64%。
图表24. 闻泰科技发展历程业务方面，公司主要业务为通信（ODM）、半导体、光学模组业务。其中公司在收购安世半导体后，经营整合的协同效应逐步显现。未来，公 司将以半导体业务为核心，完成产能、产品中远期布局，同时打造半导体 与产品集成业务创新互动的协同格局，业绩实现放量增长。2020 年公司半导体业务实现营收 98.92 亿元，同比增长 522%，营收占比提升至 19%。 产能方面，公司在全球各地设有工厂，其中今年完成了对英国 NEWPORT 厂的收购，月产能增加3.2万片8寸等效晶圆。同时，在上海临港新建的12寸晶圆厂目前建设进展顺利，预计明年三季度投片，年产能达40万片12寸晶圆。产品方面，公司目前超100V的MOSFET 料号数超过100种，IGBT 第一批料号目前也已进入流片阶段。
图表25. 闻泰科技&安世半导体产能

 

 

 

 

 

 

以上部分资料转载网络“功率半导体技术实验室”平台，文章仅用于交流学习版权归原作者。如侵权请告知立删。