一文看懂功率半导体-IGBT

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文章大纲

IGBT是电子电力行业的“CPU”

      ·IGBT是功率器件中的“结晶”

      ·IGBT技术不断迭代，产品推陈出新

IGBT搭乘新能源快车打开增长空间天花板

·新能源汽车市场成为 IGBT增长最充足动力

·新能源发电前景广阔驱动 IGBT增长

·工业控制平稳发展支撑 IGBT行业需求

国产 IGBT崛起有望重塑海外寡头垄断格局

·行业壁垒成为 IGBT集中度高的内在因素

·海外龙头主导 IGBT市场

·海外龙头短期内交货周期与价格维持稳定态势

·国内厂商产能逐步释放加速国产替代

IGBT

IGBT是电子电力行业的“CPU”

1.1 IGBT 是功率器件中的“结晶”

  （1）功率半导体根据集成度可以分为分立器件中的功率器件和集成电路IC中的功率IC两个大类。半导体产品的分类是一个十分复杂困难的过程，国际上多种分类方法都不可能完美区分出来各种产品种类与规模，目前较多采用 WSTS（世界半导体贸易协会）的分类方法。在下图的半导体产品中，功率半导体是包含了功率器件与功率IC两大类，功率IC相对来说集成芯片的小功率、小电压产品，功率IC集成度较高，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，主要应用于手机等小电压产品。功率器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中晶体管市场规模最大，晶体管又细分为IGBT、MOSFET、双极型晶体管等。功率器件是指体积较大，用来处理较大功率、大电压的产品，IGBT属于功率器件的一类产品。

  （2）IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。下图显示了一种N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。IGBT是一个三端器件，正面有两个电极，分别为发射极(Emitter)和栅极(Gate)背面为集电极(Collector)。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通；反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。

  （3）IGBT是功率半导体中的核心器件，兼具MOSFET及BJT两类器件优势，驱动功率小而饱和压降低。金氧半场效晶体管（MOSFET）输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快；而双极型三极管（BJT）饱和压降低，BJT更强调工作功率，MOSFET更强调工作频率，因此IGBT兼有以上两种器件的优点，性能优势显著。

  （4）功率半导体的两大功能是开关与电能转换，主要可以依据工作频率与功率大小将功率半导体分为不同类型，IGBT属于功率半导体领域中高电压低频率应用的一种。功率器件通过调节改变电子元器件的功率来实现电源开关和电能转换的功能，主要体现在变频、整流、变压、开关等方面。其应用范围广泛，包括工控、风电、光伏、电动汽车与充电桩、轨交、消费电子等领域。IGBT属于其中偏向高电压、中低频率应用场景的一类产品。一般低压IGBT常用于变频白色家电、新能源汽车零部件等领域；中压IGBT常用于工业控制、新能源汽车等领域；高压IGBT常用于轨道交通、电网等领域。

（5）IGBT 通常应用形式是模块或者单管，内部的核心组件就是 IGBT 芯片。如下图所示的IGBT模块型号为：FF1400R17IP4，模块的长宽高为：25cmx8.9cmx3.8cm，模块内部包含两个IGBT模组，也就是我们常说的半桥模块。IGBT模块内部主要包含3个部件，散热基板、DBC（Direct Bonding Copper-直接覆铜陶瓷板）基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料层和互连导线，用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来。DBC的主要功能需要保证硅芯片和散热基板之间的电气绝缘能力以及良好的导热能力，同时还要满足一定的电流传输能力。DBC基板类似2层PCB电路板，DBC 常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)。如下右图所示，半桥结构IGBT模块内部有6个DBC，每个DBC上有4个IGBT芯片和2个Diode（二极管）芯片。无论是内部的芯片还是最终形成的模组，IGBT的每一个环节技术壁垒均较高。

（6）IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）是一种功能强大的集成电路模块，可以用于控制和驱动高功率电子设备，如交流电机驱动器、变频器、逆变器等。由于IGBT器件的固有特性，当出现过流､短路､过压时如不能及时保护，往往在十几微秒乃至数微秒内就会导致IGBT损坏，造成电力变换系统停机事故。为了解决IGBT在驱动保护､可靠性方面的不足IPM把驱动和多种保护电路封装在同一模块，IPM应用过程中，不再需要用户自己设计驱动保护电路，IGBT的驱动及保护由IPM内部电路来完成。IPM模块通常包括一个功率MOSFET、IGBT（绝缘栅双极晶体管）或SiC（碳化硅）等开关器件，以及一个驱动电路，用于控制这些开关器件的导通和截止。此外，IPM模块还通常集成有电源电路、电流和电压传感器、过温保护和短路保护等功能，可以提供全面的保护措施，以保证高功率电子设备的安全和可靠性。

（7）IGBT 应用范围按照领域的不同主要可以分为三大类：消费类，工业类，汽车类。IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器；IGBT模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域；而IPM模块应用于变频空调、变频冰箱等白色家电产品。

（8）相比工控与消费类 IGBT，车规级 IGBT 对产品安全性和可靠性提出更高要求。作为汽车电气化变革的关键制程，IGBT产品在智能汽车中具有不可替代的作用。由于汽车电子本身使用环境较为复杂，一旦失效可能引发严重后果，所以市场对于车规级IGBT产品的要求要高于工控类与消费类IGBT产品。对比之下，车规级IGBT对于温度的覆盖要求更高、对出错率的容忍度更低且要求使用时间也更长、工艺处理和电路设计方面对可靠性和散热性要求更高。具体体现为：1）车规级IGBT的工作温度范围广，IGBT需适应“极热”、“极冷”的高低温工况；2）需承受频繁启停、加减速带来的电流冲击，导致IGBT结温快速变化，对IGBT耐高温和散热性能要求更高；3）汽车行驶中可能会受到较大的震动和颠簸，要求IGBT模块的各引线端子有足够强的机械强度，能够在强震动情况下正常运行；4）需具备长使用寿命，要求零失效率。

1.2 IGBT 技术不断迭代，产品推陈出新

  （1）IGBT 产品的技术路径在于不断降低导通损耗、降低开关损耗、提升安全工作区这样三个相互矛盾的方面来进行。IGBT产品作为一个商业化的产品，长期目标是不断提升性能，同时不断降低成本。能够评价IGBT性能的指标有很多个，比较关键指标有三个，其一是降低开关损耗，是指在满足高频率的开关功能条件下，提升转换能量效率；其二是导通损耗，是指电路导通后降低热损耗，提升电能转换效率；其三是提升安全工作区，是指尽可能保证器件在更大的温度、电压、电流范围内稳定工作。除了以上三个核心维度之外，提升电流密度、提高阻断电压、提高结温、减少耗材等性能指标也很重要。通常来说，各个产品性能指标之间是相互矛盾的，同时提升所有性能指标是理想的目的，长期来看是可以实现这一过程的，但短期设计过程往往需要根据下游应用侧重考虑某些重要指标。IGBT经过30余年的不断发展，整体性能不断提升，核心指标来看，功率密度已经提高了3倍，能耗不断降低只有刚开始的1/3，IGBT的新技术依然在不断迭代中。

  （3）IGBT 栅极结构从平面栅向 Trench 沟槽型结构发展，再发展到最新的微沟槽型。在平面栅IGBT中，在电子流通方向上，包含沟道电阻 Rkanal，JFET 电阻RJFET，与漂移区电阻 Rn-，通过刺蚀将沟道从横向变为纵向，电子沟道垂直于硅片表面，消除了JFET结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，从而使性能更加优化。另一方面，相比于平面栅极IGBT，沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞，即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度，降低沟道电阻。微沟槽型栅极结构进一步降低沟槽间距至亚微米级，使得沟道密度更高，高密度的沟槽栅能够有效的调节出最合适的电容比率，在开关过程中较小的开关损耗以及较优的开关特性，同时采用了虚拟陪栅结构和非有源区以提高元胞通态时发 射极端载流子浓度。

  （4）IGBT 纵向结构发展方向从带缓冲层的 PT 型发展到 NPT 型再到 FS 型。PT型使用重掺杂的P+衬底作为起始层，在此之上依次生长N+buffer，N-base外延，最后在外延层表面形成元胞结构。工艺复杂，成本高，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，在80年代后期逐渐被NPT取代，目前IGBT产品已不使用PT技术。NPT与PT不同在于，它使用低掺杂的N-衬底作为起始层，先在N-漂移区的正面做成MOS结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到IGBT电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成P+collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区，NPT不需要载流子寿命控制，但它的缺点在于，如果需要更高的电压阻断能力，势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层，这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升，从而大幅增加器件的损耗与温升。为了进一步调和衬底厚度、耐压和通态压价增大的矛盾，体结构缓冲层的电场截止（FS）被提出，当背面减薄后，先制作一层重掺杂的N型电场截止层，使得硅片更薄。

  （5）IGBT 芯片随着每一代产品的升级，各项性能指标均有提升，考虑成本后，当前性价比较高、应用广泛的是第四代产品。如下所表示，全球IGBT龙头企业英飞凌有史以来诞生了七代不同的产品，每一代产品在结构上有较大的差异，在关键性能指标上也都有较大的提升，相对来说越是先进的产品，性能效果越高，能够将产品研发到第几代技术，某种程度上也说明了企业在绝对技术上的研发实力。如果考虑到成本等因素，IGBT目前性价比较高的产品属于第四代产品。

IGBT

IGBT 搭乘新能源快车打开增长空间天花板

2.1 新能源汽车市场成为 IGBT 增长最充足动力

  （1）新能源汽车市场快速发展，从2021年以来，市场销量呈爆发式增长态势。根据中国汽车协会数据，2021年中国新能源车销量达到352.1万辆，同比增速为157.57%，2022年持续大幅增长达688.7万辆，同比增长95.60%，2019-2022年CAGR达到78.74%，增速处于高位，2023年市场余热未消，继续保持增长势头，可以预见，未来几年新能源车市场将一直处于繁荣上升期，高景气度持续。

  （2）IGBT 是电动汽车和直流充电桩等设备的核心器件，直接影响电动汽车的动力释放速度、车辆加速能力和高速度，相对来说汽车芯片认证周期高达3-5年。IGBT主要应用于电动汽车电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器，以及充电端的DC/DC降压变换器。对于电动控制系统，作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆变后汽车电机的驱动；对于车载空调控制系统，作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变；对于充电桩，在智能充电桩中被作为开关元件使用。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。汽车IGBT的技术认证标准极高，IGBT要进入到汽车供应商行列，需要满足新汽车级标准LV324/AQG324的要求，同时还要满足中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准。认证指标中主要体现在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性。最后，汽车IGBT还要通过终端汽车客户的认证，一般来说，认证周期在3-5年。

（3）新能源汽车 IGBT 市场规模测算：

  模型假设：（1）全球和中国汽车总销量2023、2024年分别保持2%和5%左右低速增长，与全球和中国经济增速保持一致，2025、2026年市场较为饱和，增速放缓；（2）全球新能源汽车销量与全球知名电动汽车市场研究网站保持一致，中国新能源汽车销量与我国国家发展工作规划保持一致；（3）根据ICV报告中数据，2022年新能源车单车IGBT价值量为1902元，随着新能源汽车电动化程度加深，IGBT单车价值量维持缓慢增长。 

  我们根据IGBT单车价值量、全球与中国新能源汽车销量数据，测算出2026年全球新能源汽车IGBT市场规模有望达到655.72亿元，中国新能源汽车IGBT市场规模2026年有望达到亿 407.84亿元，2022-2026年CAGR为32.84%，IGBT在新能源汽车应用市场保持较高增速。

 2.2 新能源发电前景广阔驱动 IGBT 增长

  （1）IGBT 是光伏逆变器的“心脏”，在光伏领域中市场需求提速较快。IGBT等功率器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心半导体部件，对电能起到整流、逆变等作用，以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。其中光伏逆变器是最主要的应用场景，光伏IGBT对于可靠性的要求非常高，新能源发电输出的电能需要通过光伏逆变器将整流后的直流电逆变为符合电网要求的交流电后输入电网，这种线路需要将IGBT模块性能的可用性实现最大化以保持电网的稳定性。

（2）新能源发电主要包括风电、光伏、储能三部分，目前风光储装机量大幅提升，发展势头强劲，同时带动 IGBT 需求增长。光伏逆变器原材料主要由结构件、电感、半导体器件等构成，半导体器件和集成电路材料主要为IGBT元器件、IC半导体等。在碳中和背景下，光伏和风力等新能源的应用已成为指向标，中国光伏发电新增装机容量趋势保持逐年上升态势，根据国家能源局数据，2023年1-8月份光伏装机容量跳跃式增长至11316万千瓦，超过2022年全年新增装机容量8741万千瓦，随着光伏装机量的持续增长，对IGBT的需求也迅速攀升。逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10年-15年，而光伏组件的运营周期是25年，所以逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次，这也进一步扩大了IGBT在光伏系统中的使用量。

  （3）中国光伏逆变器和风电变流器 IGBT 市场规模测算：

         模型假设：（1）全球和国内新增光伏装机量与中国光伏行业协会预测保持一致性，我国光伏行业驶入快车道，而全球发展不确定性因素更高，因此设定同比增速低于我国；（2）光伏组件和光伏逆变器的容配比为1.25；（3）根据SMM数据测算出2022年光伏逆变器单瓦价格为0.20元/W，在降价大趋势下预计2023年降至0.16元/W，在技术迭代与竞争加剧下逐年持续降低，2026年下降至0.13元/W；（4）根据固德威招股说明书IGBT在采购金额中占比数据，我们设定IGBT占光伏逆变器成本比例维持在10%。 

   我们根据光伏新增装机量预测、光伏逆变器需求量和逆变器单位价格等数据定量分析，测算出全球和国内光伏逆变器IGBT国内市场规模将从2022年的36.80亿元和13.99亿元逐年增长至2026年的71.95亿元和27.30亿元，2022-2026年复合增速分布为18.25%和18.20%。

  模型假设：（1）全球风电新增装机量分为陆上和海上两大类，陆上和海上新增装机量与全球风能理事会预测保持一致，国内新增风电装机量与国家发展规划和全球风能理事会预测保持一致；（2）风电变流器2022年单价参考龙头公司招标结果公告为0.17元/W，以后年度保持稳定；（3）根据禾望电气招股说明书功率器件在采购金额中占比，我们设定IGBT占风电变流器成本比例维持在10%。 

 根据风电变流需求量、单瓦价格，我们测算出全球和国内风电变流器IGBT市场规模从2022年13.19亿元和6.40亿元翻倍增长至2026年的25.53亿元和16.89亿元，2022-2026年复合增长率分别为17.94%和27.47%

2.3 工业控制平稳发展支撑 IGBT 行业需求

  （1）IGBT在工业控制领域的应用范围较大，主要是在变频器、UPS电源以及逆变焊机等设备的使用。变频器依靠内部IGBT的开关来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，变频器产业的快速发展势必导致IGBT需求提升。逆变焊机的工作原理主要是通过将低频交流电经过整流滤波变成直流，再通过IGBT将直流逆变成千赫兹到万赫兹的中频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压，再次整流并经过滤波输出平稳的直流电，进行焊接工作。UPS即不间断电源(Uninterruptible Power Supply)，是一种含有储能装置的不间断电源，主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备，提供不间断的电源。在UPS电源内部有整流器与逆变器，进行电能转换过程需要用到IGBT。

  （2）工业控制 IGBT 市场规模测算： 

        模型假设：（1）变频器、逆变焊机、UPS电源IGBT市场规模与ICV报告测算数据保持一致；（2）全球市场增速维持在4%，中国是工业制造大国，制造业规模居世界首位，因此国内市场同比增速高于全球市场，其中国内变频器和UPS电源市场规模同比增速超过全球市场增速的2倍；（3）根据前瞻产业研究院数据，变频器、逆变焊机、UPS电源IGBT价值量占比分别为12%、10%、15%，考虑到工控市场发展较为成熟，IGBT使用价值比例在未来维持稳定。 

  通过变频器、逆变焊机、UPS电源市场规模以及IGBT在各领域占比数据，我们测算出2026年全球及国内工控IGBT市场规模有望分别达到297.74亿元和123.52亿元，复合增长率为4%和10.48%，保持低速稳定增长，是下游应用领域中最稳健的存量市场。

2.4 家电智能化催生 IGBT 模块增长

  （1）白色家电中实现电能转换均需要功率半导体，其中变频家电中智能模块（IPM）主要会用到IGBT。白色家电中变频功能实现均需要IPM模块，变频白电主要包括变频空调、变频冰箱和变频洗衣机，这些是应用最广泛的消费家电产品。如下图所示是用于空调的IPM模块的结构示意图，蓝色框部分表示用到多个IGBT芯片或者单管，变频器IPM用于驱动空调压缩机及室外风扇。

  （2）变频白电 IGBT 市场规模测算： 

         模型假设：（1）空调、冰箱、洗衣机销量同比增速分别为6%、4%、4%；（2）变频空调、冰箱、洗衣机渗透率根据历史数据变化，设定逐年上升1%、5%、3%；（3）根据ICV报告数据，变频空调、冰箱、洗衣机用IPM模块数量分别为2,1,1个；（5）家电类IPM模块均价通过ICV报告中2022年已知市场规模和变频白色家电IPM模块需求量倒推出平均价格为28.39元，价格与市面主要品牌厂商的经销渠道价格差距不大，同时每年以稳定低速降低；（4）中国变频白色家电IPM模块在全球市场中份额占比逐年低速提升，以同比增速增加 0.10pcts增长。 

  根据变频空调、冰箱、洗衣机销量与单机IPM模块数量，我们测算出2026年全球和中国变频白色家电IPM模块市场规模稳健增长至210.49亿元和103.85亿元。2022-2026年复合增速分别为7.41%和7.68%，国内与全球白色家电IGBT市场规模增速相差不大，每年占据全球市场份额的50%左右。

2.5 轨道交通助力 IGBT 市场增长

  （1）IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT 又是牵引变流器最核心的器件之一。 

   牵引逆变器将1500VDC直流转化成变频变压的交流电，通过IGBT完成逆变电源输出，此为地铁车辆最常见的变流系统。牵引变流器输入端为三重四象限变流器(网侧变流器)，直接连接到主变压器的3个牵引绕组输出端：牵引变流器输出端为三相逆变器(电机侧变流器)，直接与牵引电机连接。

   动车组中的列车供电、冷却风扇电机、牵引通风机电机都需要应用逆变器，以及交流辅助发电机通过整流模块进行电流转换。

（2）为了适应大功率牵引应用工况和铁路运输环境，轨道交通用IGBT模块要求更高的功率密度和集成度、更高的工作结温等性能。对于使用环境苛刻，可靠性要求更高的应用领域，选择的材料及封装工艺具有更好的综合性能和可靠性。例如，工业IGBT采用铝线（Al）键合线键合的电气、热力学性能较差，膨胀系数失配大，影响IGBT使用寿命，而轨道交通使用铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点，可靠性高，适用于高功率密度、高效散热的模块；标准锡基软钎焊料的熔化温度为220℃，而在更大的功率密度应用需求下，相应的芯片结温可达175℃甚至200℃，同系温度>0.8将导致焊接层在热应力负载下很快疲劳失效，因此轨道交通IGBT 使用扩散焊接技术来解决此问题。

（3）轨道交通 IGBT 市场规模测算： 

  模型假设：（1）中国高铁营业里程、城市轨道交通运营里程根据历史数据以稳定5%和9%的增速逐年增长；（2）动车组密度分别以每年20标准组/万公里增加，城轨运营车辆密度保持稳定不变；（3）动车组、城市轨交用IGBT单价以采招网中标金额为依据。

  根据当年新增动车组、新增城市轨道交通运营车辆、动车组和城市轨交用IGBT单价，我们测算出2026年国内轨道交通用IGBT市场规模达6.38亿元，2022-2026年复合增长率达 17.04%，是下游应用中增长相对较快的领域。

2.6 国内 IGBT 市场乘风新能源领域迅速扩张

（1）受益于新能源汽车和新能源发电的需求大幅增加，中国IGBT市场规模将持续增长，根据我们的测算结果的合计，到2026年，中国IGBT市场规模将有望达到685.78亿人民币，年复合增长率达21.48%。在各下游市场中，新能源汽车市场依然是增速最快的部分，其市场规模2022-2026年复合增速高达32.84%；而新能源发电市场也将获得21.34%的行业增速，成为第二大市场规模增速较高的领域；轨道交通市场的增速也相对较快达17.04%，由于其体量较小，对IGBT市场规模扩张提供的贡献相对较小，但仍然是具有良好发展前景的应用领域；工控市场发展较为成熟，波动较小成为下游市场稳健支撑，工控IGBT市场规模保持稳定增长；变频白电虽然增速最低，但其体量大、应用渗透率高，也是不可或缺的重要助力。

 （2）从下游占比来看，2026年预计新能源汽车、工业控制、变频白电、新能源发电、轨道交通分别为60%、18%、15%、6%以及1%。下游应用领域中规模占比最大的前三大领域始终为新能源汽车、工业控制和变频白电，新能源汽车市场将在双碳政策和技术升级双轮驱动下继续保持旺盛需求，其主导地位未来有望得到进一步巩固，市场占比从2022年的42%有望在2026年提升至60%，占据IGBT市场一半以上的份额。

IGBT

国产 IGBT 崛起有望重塑海外寡头垄断格局

3.1 行业壁垒成为 IGBT 集中度高的内在因素 

3.1.1 技术壁垒

 （1）IGBT的核心生产过程也包括芯片设计、晶圆制造、封测与模块设计三个主要部分，各有其技术难点。

    ➢芯片设计方面，IGBT芯片由于考虑到处在大电流、高电压、高频率工作环境的特性，对芯片的可靠性要求也相对较高，同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于动态均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂。芯片设计环节的主要技术难点有：1.终端设计在小尺寸满足高耐压的基础上须保证其高可靠性；2.元胞设计实现高电流密度的同时须保证其较宽泛的安全工作区和足够的短路能力。 

    ➢晶圆制造方面，IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别相差不大，其背面工艺较为复杂，要求严苛，主要包括三大技术难点：背板减薄、激光退火、离子注入，通过背面薄片工艺的重复性和一致性来确保批量生产的连续性。背面工艺是在基于已完成正面Device和金属Al层的基础上，将硅片通过机械减薄或特殊减薄工艺（如 Taiko、Temporary Bonding技术）进行减薄处理，然后对减薄硅片进行背面离子注入，如N型掺杂P离子、P型掺杂B离子，在此过程中还引入了激光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度需要减薄到100-200μm，对于要求较高的器件，甚至需要减薄到60~80μm。当硅片厚度减到100-200μm的量级，后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎和翘曲。从8寸到12寸有两个关键门槛：减薄要求从120μm转成80μm，翘曲更严重，背面高能离子注入（氢离子注入），设备单价高。

    ➢模块封装方面，分为模块设计、模块制造，其中模块设计包括机械结构设计、电路布局设计、热设计、电磁设计等，一款IGBT模块的开发需要进行机、电、热、磁等方面的优化并兼顾模块工艺的可实现性等方面因素。模块设计环节的主要难点在于保证可靠性和散热性能：1.在不影响器件参数的前提下，不同封装形式其工艺路线的设计须保证内部器件的长期可靠性；2.在保证良好的均流散热等性能的前提下，不同封装形式内部布局的设计须实现低杂散电感并避免内部各器件的相互干扰。而模块制造则是指根据特定的电路设计，将两个或以上的IGBT芯片和其他芯片贴片到DBC板上，并用金属线键合连接，然后进行灌封或塑封，以满足芯片、线路之间的绝缘、防潮、抗干扰等要求，最后将电路密封在绝缘外壳内，并与散热底板绝缘的工艺。不同下游应用对封装技术要求存在差异，其中车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件，其封装要求高于工业级和消费级

 （2）与其他半导体不同的是，在封测与模块上IGBT的技术壁垒极高并且拥有较高的毛利率。一般来说，所有的半导体核心工艺都有芯片设计、晶圆代工、封装测试三个环节，相对来说芯片设计的附加值极高。但是，对于IGBT企业来说，IGBT封测与模块是一个技术壁垒极高的工作，在高电压、大功率的环境下，需要解决很多功能损耗、高温度范围、高压高流等诸多复杂问题，某种程度上来说模块设计也是体现企业的核心价值一部分，一般来说毛利率也相对较高。

3.1.2 市场壁垒

  客户认可度是IGBT厂商的主要市场壁垒。IGBT模块是下游产品中的关键部件，其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要，下游客户将供应链安全稳定作为所考虑首要因素，更倾向于和IGBT供应商保持长期合作关系，一旦合作后客户粘性大大提升，变更已有长期合作的供应商的意愿较。IGBT模块认证周期较长，替换成本高，下游客户会对于新入场的IGBT供应商保持相对谨慎的态度，不仅要考虑供应商的实力，产品还要经过单机测试、整机测试、多次小批量试用等多个环节之后才会做出大批量采购决策，采购决策周期较长。IGBT模块的验证测试项目繁多，其中可靠性测试最为重要，是客户关注度最高的性能指标。

3.2 海外龙头主导 IGBT 市场

  （1）从整个IGBT的产业链来看，核心环节几乎都是海外企业为主，但在每一个产业链环节，我国均有企业在积极布局。IGBT的核心产业链中，我国有多个企业积极参与布局，主要分为Fabless、foundry、IDM三种运作模式。IDM模式即垂直整合制造商，是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试、模块等全环节业务的企业模式；Fabless模式是芯片设计与销售经营模式，即企业自身专注于芯片设计与销售，而将芯片制造外协给代工厂商生产制造的模式；Foundry模式主要负责制造生产环节，根据客户的产品设计，采购原材料来进行加工制造。 

 海外龙头企业多为IDM模式，如英飞凌、安森美等企业，国内IDM模式的公司较少，绝大多数为上市公司，但在全球市场中占据一定的市场份额，如比亚迪半导、士兰微、中车时代电气等公司。国内主流的芯片生产是采用Fabless的代工模式，典型公司有斯达半导、宏微科技等，而代工厂根据公司提供的工艺流程和设计版图，生产出各项参数符合设计指标的芯片，华虹宏力目前是国内最先进，最全面的半导体功率器件代工厂。

  （2）全球IGBT市场呈现出集中度高，海外厂商英飞凌、富士电机、三菱这TOP3大企业占据了超过50%的市场份额。根据Omdia数据，2021年全球IGBT单管市场中，中国大陆企业只有士兰微进入前十大厂商中，占据4%的市场份额；2021年全球IGBT模块市场中，中国大陆只有斯达半导和中车时代进入前十大厂商，分别占据3%和2%。国外巨头英飞凌无论在单管还是模块都处于绝对龙头地位，而国内厂商市场份额较低，且只在某一产品上具备竞争优势。国内厂商和国外厂商存在差距的原因主要是国外厂商成立时间早，比如富士电机成立于1923年，三菱电机成立于1921年，技术积累丰富，同时与海外汽车、工控等大型企业合作十分紧密，在技术与生态上优势显著。国内的几大厂商主要集中在1997—2005年，技术追赶较慢，产业资源十分稀缺，但国内企业已经完成 0-1的技术突破,先从消费级、工业级中低端产品入手逐步打开市场，目前已经有一些企业带来车规级高端

产品市场，随着国产化不断深入，国内企业未来迎来加速发展期。

（3）国内IGBT产量稳步提升，国产化率长期不断上升。根据中商产业研究院预计，2023年中国IGBT产量有望快速增长达到3624万只，自给率也将达到32.90%，近年来，随着我国IGBT技术的不断更新迭代，国产厂商逐步突破产能受限问题，加速产能布局，目前正处于国产替代的增长阶段。

  （4）全球海外IGBT企业大多是全球知名的芯片企业，历史悠久，总体收入规模巨大。我们梳理了全球的IGBT龙头企业，根据下表中的数据可以看出全球龙头标的的一些特征。全球IGBT龙头企业均为知名芯片巨头企业，这些龙头企业营收规模都在几百亿上千亿元，功率器件只占据业务的一部分，一方面因为功率器件规模相对有限，当企业发展到一定规模后会通过横向发展、协同发展其他芯片赛道业务，另一方面也体现了功率器件与下游客户绑定程度较深，具有半定制化的特征，很难形成寡头垄断格局。这也给国内企业长期发展提供一定参考，创业期可以专注于功率器件、IGBT业务，后期成长发展可能也需要横向发展与协同发展来扩张企业规模。

3.3 海外龙头短期内交货周期与价格维持稳定态势

  （1）全球半导体周期下行趋势下，短期IGBT全球价格保持相对稳定。2023年第二季度，海外主要IGBT厂商英飞凌及意法半导体交货周期和价格保持平稳态势。交付货期方面，与第一季度相比较，英飞凌货期维持在39-50周，意法半导体维持47-52周；价格趋势方面，英飞凌与意法半导体均环比持平。现阶段下游需求持续高景气度，而上游海外厂商产能释放有限，IGBT市场面临短期内供不应求的状态，这为国产企业提供了机遇。如今，本土IGBT产品性能已经逐渐成熟，且部分产品性能可对标海外IGBT大厂产品，加速国产化IGBT产品市场渗透，逐步切入高端市场，助力应用新能源车与发电领域的IGBT市场保持向好态势。

  （2）国内企业在全球规模较小，海外巨头企业的价格是国内企业产品定价的锚，短期内国内企业产品价格预计保持稳定。由于国内企业的规模普遍偏小，在全球不具备产品定价权，同类产品上多参考海外巨头产品的价格，在此基础上根据与客户的协商定价。全球巨头产品的价格有所调整，国内企业价格理论上也会同方向上调整。2021年受到全球缺芯价格影响，国内企业的功率器件产品大幅度涨价，2022年缺芯逐步缓解，价格企稳下降，到目前为止，功率器件的供货周期稳定，价格相对稳定。

3.4 国内厂商产能逐步释放加速国产替代

  国内晶圆产能分布以代工厂产能占据主导，同时多家IDM厂商在自建产线上扩产，生产的晶圆规格主要集中于6、8和12英寸上，12英寸难度较大产能相对较低。国内生产IGBT芯片的企业主要有代工厂以及IDM模式的功率器件企业，我们从以下图表可知，Fabless、IDM、Foundry的企业都有扩张产能计划，按照面积初步估算国内企业扩产后的总产能相比于目前产能增加幅度在50%以内，并且产能规划在1-3年内完成，因此我国企业IGBT的总产能增加在全球对比来看依然不高。产能增长后，企业的产能利用率也有一个爬坡期，最终的销量到客户也需要一个过程。此外，IGBT模块与IPM模块也需要相关的产线来制造，根据斯达半导与宏微科技的公告来看，模块的产能增长相对更加简单，但目前IGBT芯片的自给率都还有空间。综合来看，我国IGBT芯片的产能扩产相对积极，但总产能在全球占比依然不高，国产化空间依然较大。

审核编辑 黄宇