皇冠明珠:IGBT 是新一代功率半導(dǎo)體的典型應(yīng)用功率半導(dǎo)體行業(yè)整體成長穩(wěn)健,,周期性相對(duì)小
功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心,,主要用于改變電子裝置中電壓和頻率,、直流交流轉(zhuǎn)換等,。功率半導(dǎo)體細(xì)分為功率器件(分立器件的一支)和功率IC(集成電路的一支)。理想情況下,,完美的轉(zhuǎn)化器在打開的時(shí)候沒有任何電壓損失,在開閉轉(zhuǎn)換的時(shí)候沒有任何的功率損耗,,因此功率半導(dǎo)體這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新,,其目標(biāo)都是為了提高能量轉(zhuǎn)化效率。
下圖帶陰影部分均是功率半導(dǎo)體:
根據(jù)IHS統(tǒng)計(jì),,2019年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為400億美元,,預(yù)計(jì)2019-2025年全球功率半導(dǎo)體CAGR 4.5%;根據(jù)華潤微招股說明書,,中國是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國,,2018年市場(chǎng)需求規(guī)模達(dá)到138億美元,增速為9.5%,,占全球需求比例達(dá)35.3%,。
功率半導(dǎo)體產(chǎn)品梯次多,IGBT 是新一代中的典型產(chǎn)品功率分立器件的演進(jìn)路徑基本為二極管→晶閘管→MOSFET→IGBT,,其中,,IGBT是功率半導(dǎo)體新一代中的典型產(chǎn)品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),,絕緣柵雙極型晶體管,,是由BJT(雙極型三極管)和MOSFET(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的全控-電壓驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體,IGBT既有MOSFET的開關(guān)速度快,、輸入阻抗高,、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單,、開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn),,又有BJT導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大,、損耗小的優(yōu)點(diǎn),,在高壓、大電流,、高速等方面是其他功率器件不能比擬的,,因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件,也被譽(yù)為“電力電子器件里的CPU”,。
根據(jù)Yole等相關(guān)統(tǒng)計(jì),,目前全球功率半導(dǎo)體中約50%是功率IC,其余的一半是功率分立器件;在功率分立器件銷售2017年占比中,,MOSFET占比最高,,約占31%,其次是二極管/整流橋占比約29%,,晶閘管和BJT等占分立器件約21%,,IGBT占比19%,但是其復(fù)合增速是所有產(chǎn)品中最快的,。
IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈與三種業(yè)務(wù)模式
IGBT的產(chǎn)業(yè)鏈包括了上游的IC設(shè)計(jì),,中游的制造和封裝,下游則包括了工控,、新能源,、家電、電氣高鐵等領(lǐng)域,;IGBT企業(yè)有三種業(yè)務(wù)模式:
IDM:IDM模式即垂直整合制造商,,是指包含電路設(shè)計(jì)、晶圓制造,、封裝測(cè)試以及投向消費(fèi)市場(chǎng)全環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的企業(yè)模式,,IGBT芯片、快恢復(fù)二極管芯片設(shè)計(jì)只是其中的一個(gè)部門,,同時(shí)企業(yè)擁有自己的晶圓廠,、封裝廠和測(cè)試廠。該模式對(duì)企業(yè)技術(shù),、資金和市場(chǎng)份額要求極高,,目前僅有英飛凌、三菱等少數(shù)國際巨頭采用此模式,;模組:如丹佛斯,、賽米控等;
Fabless模式:Fabless是Fabrication(制造)和less(沒有)的組合,。Fabless模式是集成電路行業(yè)的一種經(jīng)營模式,,即企業(yè)自身專注于芯片設(shè)計(jì),而將芯片制造外協(xié)給代工廠商生產(chǎn)制造的模式,,而芯片代工廠商負(fù)責(zé)采購硅片和加工生產(chǎn),。Fabless模式的企業(yè)無需投資建立晶圓制造生產(chǎn)線,減小了投資風(fēng)險(xiǎn),,能夠快速開發(fā)出終端需要的芯片,。
國外巨頭大多數(shù)均采用IDM模式,而國內(nèi)典型公司如斯達(dá)半導(dǎo)采用的Fabless+模組的模式:Fabless的模式在中國比較流行的主要原因在于,,功率半導(dǎo)體并不是需要特別高精尖的晶圓廠代工,,而單獨(dú)建產(chǎn)線資本回收期非常長,另外大陸有較多的成熟工藝代工廠產(chǎn)能足夠支配,因此對(duì)于國內(nèi)廠商大多是后進(jìn)者來說,,在快速追趕期Fabless也不失為一種比較好的模式,。
IGBT產(chǎn)品更新慢,價(jià)格穩(wěn)定
從20世紀(jì)80年代至今,,IGBT芯片經(jīng)歷了6代升級(jí),,從平面穿通型(PT)到溝槽型電場(chǎng)—截止型(FS-Trench),芯片面積,、工藝線寬,、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間,、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化,斷態(tài)電壓也從600V提高到6500V以上,。
基站射頻PA在5G面臨新挑戰(zhàn)
IGBT產(chǎn)品更新?lián)Q代慢:目前英飛凌定義的IGBT4代是市場(chǎng)主流,,已應(yīng)用了十年以上,英飛凌于18年底推出IGBT7,,較4代面積減少25%,,成本降低,功耗降低,,預(yù)計(jì)大面積推廣仍需要2-3年,。IGBT更新?lián)Q代相對(duì)比較慢,芯片對(duì)于產(chǎn)品性能起決定性作用,,模塊只能保證芯片性能發(fā)揮,。IGBT芯片新一代和老一代各有優(yōu)勢(shì),老一代損耗和面積等指標(biāo)不一定好,,但是穩(wěn)定性是經(jīng)過長時(shí)間驗(yàn)證的,,相當(dāng)一部分客戶在新一代出來時(shí)候還選擇使用老一代芯片。國內(nèi)和國際其他公司都有布局IGBT7代技術(shù),,但是產(chǎn)品的驗(yàn)證周期較長,,一般客戶需要5~10年驗(yàn)證可靠性和應(yīng)用端的問題,因此迭代速度較慢,。目前最新代的IGBT斯達(dá)在和華虹共同研發(fā),,預(yù)計(jì)年底試生產(chǎn)。
IGBT的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定:就算在行業(yè)下行的2019年大廠商的出廠價(jià)格都沒有下降,,顯示出很健康的價(jià)格浮動(dòng),。總結(jié)來看,,IGBT芯片的更新?lián)Q代相對(duì)比較慢,,且是漸進(jìn)式的創(chuàng)新,不斷優(yōu)化升級(jí),具體到某款I(lǐng)GBT產(chǎn)品,,可以用到10年之久,;同時(shí)供給端來看,IGBT行業(yè)巨頭主要是德系和日系廠商,,風(fēng)格相對(duì)比較保守,,不會(huì)激進(jìn)擴(kuò)張產(chǎn)能和打價(jià)格戰(zhàn)。需求穩(wěn)定且價(jià)格波動(dòng)相對(duì)小,,即使在半導(dǎo)體整體需求不好的2019,。
電路的設(shè)計(jì)核心在于邏輯設(shè)計(jì),可通過EDA等軟件,,而功率半導(dǎo)體和模擬IC類似,,需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整與妥協(xié),因此,,對(duì)工程師的經(jīng)驗(yàn)要求也更高,,優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師需要10年甚至更長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)。大學(xué)里功率半導(dǎo)體和模擬IC部分教材也基本相當(dāng)于是過去幾十年從業(yè)者的“經(jīng)驗(yàn)筆記”,,并沒有像數(shù)字集成電路那樣相對(duì)有“標(biāo)準(zhǔn)范式”,,而研發(fā)也是通過研發(fā)工程師團(tuán)隊(duì)不斷修改參數(shù)權(quán)衡性能和成本的過程。
具體來說,,IGBT技術(shù)和壁壘極高,,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)、IGBT芯片設(shè)計(jì)
IGBT芯片是IGBT模塊的核心:其設(shè)計(jì)工藝極為復(fù)雜,,不僅要保持模塊在大電流,、高電壓、高頻率的環(huán)境下穩(wěn)定工作,,還需保持開閉和損耗,、抗短路能力和導(dǎo)通壓降維持平衡??旎謴?fù)二極管芯片在IGBT模塊中與IGBT芯片配合使用,,需要承受高電壓、大電流的同時(shí),,要求具有極短的反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)損耗,。企業(yè)只有具備深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和強(qiáng)大的創(chuàng)新能力,積累豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備,,才能在行業(yè)中立足,。因此,行業(yè)內(nèi)的后來者往往需要經(jīng)歷一段較長的技術(shù)摸索和積累,,才能和業(yè)內(nèi)已經(jīng)占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)相抗衡,。
2),、模塊設(shè)計(jì)及制造工藝
IGBT模塊對(duì)產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高,生產(chǎn)工藝復(fù)雜,,生產(chǎn)中一個(gè)看似簡單的環(huán)節(jié)往往需要長時(shí)間摸索才能熟練掌握,,如鋁線鍵合,表面看只需把電路用鋁線連接起來,,但鍵合點(diǎn)的選擇,、鍵合的力度、時(shí)間及鍵合機(jī)的參數(shù)設(shè)置,、鍵合過程中應(yīng)用的夾具設(shè)計(jì),、員工操作方式等等都會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。IGBT模塊作為工業(yè)產(chǎn)品的核心器件,,需要適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域中各種惡劣的工作環(huán)境,,因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高。如電焊機(jī)行業(yè),,考慮到逆變電焊機(jī),。
工作環(huán)境較為惡劣,使用負(fù)荷較重,,在采購核心部件IGBT模塊時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮模塊的耐久性,因此芯片參數(shù)和模塊制造工藝的可靠性是生產(chǎn)IGBT模塊的核心,。而且IGBT和下游應(yīng)用結(jié)合緊密,,往往需要研發(fā)人員對(duì)下游應(yīng)用行業(yè)較為了解才能生產(chǎn)出符合客戶要求的產(chǎn)品。目前國內(nèi)具有相關(guān)實(shí)踐,、經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)技術(shù)人才仍然比較缺乏,,新進(jìn)入的企業(yè)要想熟練掌握IGBT芯片或模塊的設(shè)計(jì)、制造工藝,,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),,需要花費(fèi)較長的時(shí)間培養(yǎng)人才、學(xué)習(xí)探索及技術(shù)積累,。
IGBT廠商的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要長時(shí)間驗(yàn)證,,品牌效應(yīng)和口碑的建設(shè)需要積累:
IGBT模塊是下游產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件,其性能表現(xiàn),、穩(wěn)定性和可靠性對(duì)下游客戶來說至關(guān)重要,,因此認(rèn)證周期較長,替換成本高,。對(duì)于新增的IGBT供應(yīng)商,,客戶往往會(huì)保持謹(jǐn)慎態(tài)度,不僅會(huì)綜合評(píng)定供應(yīng)商的實(shí)力,,而且通常要經(jīng)過產(chǎn)品單體測(cè)試,、整機(jī)測(cè)試,、多次小批量試用等多個(gè)環(huán)節(jié)之后,才會(huì)做出大批量采購決策,,采購決策周期較長,。因此,新進(jìn)入本行業(yè)者即使研發(fā)生產(chǎn)出IGBT產(chǎn)品,,也需要耗費(fèi)較長時(shí)間才能贏得客戶的認(rèn)可,。
IGBT 行業(yè)驅(qū)動(dòng)因素清晰,天花板上移驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)IGBT在工業(yè)控制及自動(dòng)化,、新能源汽車,、電機(jī)節(jié)能、太陽能發(fā)電,、風(fēng)能發(fā)電等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,;用于在各種電路中提高功率轉(zhuǎn)換、傳送和控制的效率,,其中在新能源車中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是最典型的應(yīng)用,。
全球的IGBT應(yīng)用來看,工控占比37%,,為最大的應(yīng)用領(lǐng)域,,電動(dòng)汽車28%,新能源發(fā)電9%,,消費(fèi)領(lǐng)域8%,;而在國內(nèi),由于我國高鐵發(fā)達(dá),,下游應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制29%,,軌道交通28%,新能源汽車12%,,新能源發(fā)電8%,,不過隨著我國新能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展,新能車和光伏,、風(fēng)電這兩塊需求占比未來將持續(xù)上升,。
2017年全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模為52.55億美元,同比2016年增長16.5%,,2018年全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模在58.36億美元左右,,同比增長11%,在功率半導(dǎo)體各個(gè)細(xì)分中屬于景氣度最高的,。
我國IGBT行業(yè)發(fā)展至今,,已取得較大進(jìn)展,雖然仍需大量進(jìn)口,,但已有一部分企業(yè)具備規(guī)?;a(chǎn)能力,。2010年我國IGBT功率電器模塊產(chǎn)量為190萬只,2018年增長至1115萬只,。
國內(nèi)的IGBT需求增長遠(yuǎn)超全球增長:根據(jù)智研咨詢的數(shù)據(jù),,2018年中國IGBT市場(chǎng)規(guī)模為161.9億元,同比增長22.19%,,增速顯著高于全球平均水平,;受益于新能源車、風(fēng)電和光伏等我國強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,,預(yù)計(jì)未來國內(nèi)IGBT的復(fù)合增速繼續(xù)保持20%以上,。
IGBT 競爭格局:歐美日基本壟斷,國產(chǎn)份額極低IGBT市場(chǎng)競爭格局較為集中,,主要競爭者包括英飛凌,、三菱、富士電機(jī),、安森美,、瑞士ABB等,2017年全球前五大IGBT廠商的份額超過70%,,國內(nèi)企業(yè)目前的市場(chǎng)份額普遍偏小,。
IGBT多以IGBT模塊形式出現(xiàn),國內(nèi)IGBT龍頭斯達(dá)半導(dǎo)2018年在模塊領(lǐng)域市占率為2.2%,,根據(jù)斯達(dá)半導(dǎo)2018年?duì)I收6.75億元,,推出2018年IGBT模塊市場(chǎng)空間接近300億元(其中2018年IGBT整體市場(chǎng)空間58.36億美元)國產(chǎn)替代空間廣闊。目前國內(nèi)IGBT模塊打入全球前10的只有斯達(dá)半導(dǎo),,但也僅僅是占全球IGBT模塊市場(chǎng)份額2.2%,由于IGBT的下游應(yīng)用新能源車,、光伏,、風(fēng)電等這些新興領(lǐng)域,我國在世界上的話語權(quán)高于過去的傳統(tǒng)燃油車領(lǐng)域和工控領(lǐng)域,,因此在IGBT的增量空間中有一半以上需求都在中國,,未來幾年我國的IGBT市場(chǎng)需求占比將從2019年不35%提升到2025年的50%或以上,為我國的IGBT廠商提升份額和競爭力創(chuàng)造了良好的條件,,國產(chǎn)IGBT廠商市場(chǎng)份額和業(yè)務(wù)量的提升潛力非常大,。
確定高增:未來五年 IGBT 高景氣驅(qū)動(dòng)因素
IGBT 占新能源車成本近 8%,且是純?cè)隽慨a(chǎn)品
IGBT在電動(dòng)車領(lǐng)域主要應(yīng)用分三類:
1)電控系統(tǒng):IGBT模塊將直流變交流后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)(電控模塊),;2)車載空調(diào)控制系統(tǒng):小功率直流/交流逆變,,這個(gè)模塊工作電壓不高,單價(jià)相對(duì)也低一些,;3)充電樁中IGBT模塊被用作開關(guān)使用:充電樁中IGBT模塊的成本占比接近20%,;根據(jù)Digitimes Research的數(shù)據(jù),,目前新能車的成本結(jié)構(gòu)中:
1)電池成本占比最大,一般來說可以占到約電動(dòng)車總成本40%以上,;2)成本占比第二大的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),,可以達(dá)到電動(dòng)車總成本的15%~20%,而IGBT則占到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本40%-50%,也就是說,,IGBT占新能源車總成本接近8%的比例,。
并且,對(duì)于IGBT來說,,新能源汽車對(duì)IGBT需求是純?cè)隽?,因?yàn)閭鹘y(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體器件電壓低,只需要Si基的MOSFET,,而新能源汽車在600V以上MOSFET無法達(dá)到要求,,必須要換成IGBT;因此IGBT是僅次于電池以外第二大受益的零部件,。
每輛新能源車預(yù)計(jì)需要450美元的IGBT:根據(jù)Yole Development的測(cè)算,,2016年平均每輛車消耗大約450美元IGBT,其中普通混合動(dòng)力和插電式混合每輛車需要大約300美元的IGBT,,純電動(dòng)車平均每輛車使用540美元的IGBT,。
按照2019年單車IGBT平均用量為460美元,受益于BEV占比持續(xù)提升,,預(yù)計(jì)2019-2022年單車用量逐年增長至2022年的490美元/車,,2023年開始,SIC-MOS的成熟后單車平均IGBT用量逐漸下滑至2025年的430美元/車,,2025年預(yù)測(cè)新能源車銷量504萬輛(根據(jù)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃——2025年電動(dòng)乘用車滲透率約25%推算得出,。)按照以上假設(shè)思路,簡單測(cè)算中國2025年車載IGBT市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22億美金,,同時(shí)算個(gè)大數(shù),,屆時(shí)全球新能源車數(shù)量預(yù)計(jì)為國內(nèi)的3倍(即海外銷量為國內(nèi)的2倍),全球車載IGBT市場(chǎng)規(guī)模達(dá)66億美金,,相當(dāng)于再造一個(gè)IGBT市場(chǎng)(2019年全球總的IGBT在60億美金量級(jí)),。
IGBT 持續(xù)受益于光伏和風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中占比提升風(fēng)電和光伏中的整流器和逆變器都需要用到 IGBT 模塊。根據(jù)能源局?jǐn)?shù)據(jù),,2019 年國內(nèi)光伏裝機(jī) 30.11GW,,全球光伏裝機(jī) 115GW。
國內(nèi)2019年光伏發(fā)電量占總發(fā)電量3%,,未來持續(xù)提升潛力大,。根據(jù)聯(lián)合國馬德里氣候變化大會(huì)的《中國2050年光伏發(fā)展展望》,從2020年至2025年這一階段開始,,中國光伏將啟動(dòng)加速部署,;2025年至2035年,,中國光伏將進(jìn)入規(guī)模化加速部署時(shí)期,,到2050年,,光伏將成為中國第一大電源,約占當(dāng)年全國用電量的40%左右,,未來光伏發(fā)展的空間和潛力仍然較大,。
風(fēng)電和光伏2025年對(duì)應(yīng)IGBT的全球需求量級(jí)在15億美金:由前述智研咨詢和英飛凌預(yù)計(jì)的IGBT總體空間和新能源發(fā)電占比可以推算出(IGBT 2018年全球市場(chǎng)空間58億美金,其中光伏風(fēng)電等IGBT應(yīng)用占比9%),,2018年光伏風(fēng)電IGBT市場(chǎng)空間約5.22億美金,。目前的能源結(jié)構(gòu)里,太陽能和風(fēng)能合計(jì)占比不足10%,。在全球節(jié)能減排大背景下,,降低對(duì)化石能源的依賴,增加太陽能,、風(fēng)能的使用已經(jīng)成為世界各國的共識(shí),。據(jù)BloombergNEF預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)2025年全球光伏新增裝機(jī)接近300GW,,風(fēng)電也比照光伏5年2.5倍左右的增長,,則測(cè)算風(fēng)電和光伏2025年對(duì)應(yīng)IGBT的全球需求量級(jí)在12-15億美金。
白色家電的變頻驅(qū)動(dòng) IGBT 持續(xù)成長
IGBT是“變頻器”的核心部件之一,,變頻白色家電的推廣可以為IGBT的IPM帶來穩(wěn)定的市場(chǎng),。目前白色家電的變頻滲透率還有提升空間:根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線網(wǎng),近年來國內(nèi)白電變頻滲透率在持續(xù)提升:1)空調(diào):2012年到2018年,,國內(nèi)變頻空調(diào)銷量從3016萬臺(tái)提升到6434萬臺(tái),,滲透率從 28.94%提升到42.70%;2)冰箱:2012年到2018年,,國內(nèi)變頻冰箱銷量從363萬臺(tái)提升到1665萬臺(tái),,滲透率從4.80%提升到22.15%;3)洗衣機(jī):2012年到2018年,,國內(nèi)變頻洗衣機(jī)銷量從577萬臺(tái)提升到2163萬臺(tái),,滲透率從10.36%提升到32.97%,。Yole預(yù)計(jì)2022年白色家電變頻驅(qū)動(dòng)IGBT市場(chǎng)規(guī)模達(dá)9.9億美金,,較17年增長22%。
變頻白電這塊的IGBT國產(chǎn)化低:國內(nèi)僅有士蘭微和華微電子有一些白電IPM模塊出貨,,家電IPM模塊雖然單價(jià)較低,,替換供應(yīng)商的動(dòng)力不強(qiáng),并且下游集中,,目前龍頭企業(yè)的供應(yīng)商均為日本,,美國的企業(yè),,例如美的主要是Sanyo、Fairchild,;格力/海爾主要是Mitsubishi,,還有一些IR、LS等在供應(yīng),,在供應(yīng)鏈安全因?yàn)橥獠凯h(huán)境受到威脅時(shí),,國內(nèi)的IGBT廠商未來在這一塊利基市場(chǎng)還是有比較大的替代潛力。
工控領(lǐng)域是IGBT應(yīng)用的基本盤
IGBT模塊是變頻器,、逆變焊機(jī)等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件,,且已在此領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
1)變頻器行業(yè)
我國變頻器行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)??傮w呈上升態(tài)勢(shì),。IGBT模塊在變頻器中不僅起到傳統(tǒng)的三極管的作用,亦包含了整流部分的作用,。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理,,2016年我國變頻器行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為416.77億元,平均4年復(fù)合增長率為8.74%,。2017年我國變頻器市場(chǎng)規(guī)模約453.2億元,。未來幾年,具有高效節(jié)能功能的高壓變頻器市場(chǎng)將受政策驅(qū)動(dòng)持續(xù)增長,,到2023年,,高壓變頻器的市場(chǎng)將達(dá)到175億元左右。
2)逆變焊機(jī)行業(yè)
逆變式弧焊電源,,又稱弧焊逆變器,,是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻(50赫茲)交流網(wǎng)路電壓,,先經(jīng)輸入整流器整流和濾波,,變成直流,再通過大功率開關(guān)電子元件(IGBT)的交替開關(guān)作用,,逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓,,根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2018年我國電焊機(jī)產(chǎn)量為853.3萬臺(tái),,同比2017年增加了58.46萬臺(tái),。電焊機(jī)市場(chǎng)的持續(xù)升溫亦將保證IGBT需求量逐步增大。
全球工控IGBT下游市場(chǎng)較為分散:根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù),,2019年全球工控市場(chǎng)IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為140億元,,中國工控市場(chǎng)IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為30億元。由于工控市場(chǎng)下游需求分散,單一下游需求的增長難以拉動(dòng)整體行業(yè)需求提升,,因此工控IGBT市場(chǎng)需求較為穩(wěn)定,,假設(shè)未來每年保持3%的規(guī)模增速,預(yù)計(jì)到2025年全球工控IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到170億元,。這一塊是IGBT行業(yè)的基本盤,,需求穩(wěn)定且波動(dòng)相對(duì)較小。
市場(chǎng)高關(guān)注:如何看待第三代半導(dǎo)體材料對(duì) IGBT的挑戰(zhàn)寬禁帶半導(dǎo)體介紹
全球多家功率半導(dǎo)體巨頭均有布局下一代基于氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半導(dǎo)體,,為在市場(chǎng)上與傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體件進(jìn)行對(duì)決奠定基礎(chǔ),。
SiC和GaN是第三代半導(dǎo)體材料,與第一二代半導(dǎo)體材料相比,,第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度,、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率,、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,,更適合于制作高溫、高頻,、抗輻射及大功率器件,,通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。
高頻低壓用Si-IGBT,高頻高壓用SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用 GaN,。當(dāng)?shù)皖l,、高壓的情況下用Si的與Si相比,SiC的導(dǎo)通電阻可以做的更低,,體現(xiàn)在產(chǎn)品上面,,就是尺寸降低,從而縮小體積,。在新能源汽車行業(yè),,由于電池重量也比較大,那么別的器件的大幅度降低對(duì)于新能源車輕量化的幫助會(huì)比較大,;比如5KW左右的DC/DC用SiC來做比Si的IGBT要輕85%左右,。
受制于成本問題,未來3-5年 IGBT 仍是最重要的應(yīng)用目前局限SIC用途的原因是成本太高,,產(chǎn)品參數(shù)也不穩(wěn)定,。目前SIC芯片成本是IGBT的4-5倍,但業(yè)界預(yù)計(jì)SiC 成本三年內(nèi)可以下降到2倍左右,。目前有使用SiC MOS的車型是特斯拉的Model 3,。
目前阻礙 SiC成本下降的主要原因是基材缺陷。應(yīng)用材料的戰(zhàn)略營銷總監(jiān)如此評(píng)價(jià):“這種較寬的帶隙使材料具有優(yōu)良的特性,,例如更快的開關(guān)速度和更高的功率密度,,但是主要挑戰(zhàn)是基材缺陷,基面位錯(cuò)和螺釘位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生”致命缺陷“,,SiC器件必須減少這種缺陷,,才能獲得商業(yè)成功所需的高產(chǎn)量?!?/p>
成本下降和產(chǎn)品穩(wěn)定需要時(shí)間驗(yàn)證,,國產(chǎn)廠商的核心矛盾是國產(chǎn)替代。SiC MOSFET產(chǎn)品的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步驗(yàn)證,,根據(jù)英飛凌2020年功率半導(dǎo)體應(yīng)用大會(huì)上專家披露,,目前 SiC MOSFET真正落地的時(shí)間還非常短,在車載領(lǐng)域才剛開始商用,, 一些諸如短路耐受時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗(yàn)證,,一個(gè)高端功率半導(dǎo)體從客戶認(rèn)證到產(chǎn)品試應(yīng)用再到產(chǎn)品批量應(yīng)用要比較長的時(shí)間,因此,,未來 3-5年 IGBT還是主流的高端功率半導(dǎo)體產(chǎn)品,,SiC 會(huì)在部分高端新能源車領(lǐng)域有一些逐步緩慢的滲透。但是對(duì)于國內(nèi)廠商來說,,未來5年核心矛盾是國產(chǎn)替代(龍頭市占率從2%到20%),。
長期視角:國內(nèi)IGBT國產(chǎn)替代的同時(shí),也有對(duì)SiC進(jìn)行前瞻布局第三代材料SiC等作為功率半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的方向之一,,國內(nèi)IGBT也有一些研發(fā)儲(chǔ)備和樣品推出,,下面以斯達(dá)半導(dǎo)和中車時(shí)代電氣為例:
一、斯達(dá)半導(dǎo):公司SiC相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)儲(chǔ)備在緊鑼密鼓的進(jìn)行1,、公司已經(jīng)成功研發(fā)出碳化硅模塊相關(guān)技術(shù)
根據(jù)斯達(dá)半導(dǎo)招股說明書的披露:公司研發(fā)出碳化硅模塊相關(guān)技術(shù)主要包括:
a.銀漿燒結(jié)技術(shù):采用銀漿燒結(jié)后連接層熔點(diǎn)可達(dá)到900度以上,,為錫焊工藝連接層熔點(diǎn)的4倍,適合于工作溫度在200度以上的應(yīng)用領(lǐng)域,;銀漿燒結(jié)層的電導(dǎo),、熱導(dǎo)分別是錫焊連接層的5倍和4倍;b.銅線鍵合技術(shù):銅線相較于鋁線,,其熔點(diǎn)從660C提高到1083C,,可大幅度提高鋁線的過流能力。同時(shí)其熱導(dǎo)率,、電阻率以及楊氏模量均大幅優(yōu)于鋁線,,并且其熱膨脹系數(shù)從鋁線的23.6降為16.5,可大幅降低芯片工作時(shí)升降溫的連接層應(yīng)力,,提高芯片的抗功率循環(huán)能力,。
2、公司重點(diǎn)項(xiàng)目儲(chǔ)備進(jìn)展
招股書中對(duì)于公司在研的重點(diǎn)項(xiàng)目儲(chǔ)備進(jìn)展有介紹,,其中第四項(xiàng)儲(chǔ)備:
1)項(xiàng)目名稱:寬禁帶半導(dǎo)體器件功率模塊的開發(fā),;2)項(xiàng)目進(jìn)展:目前已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用于光伏的SiC器件模塊,供客戶批量使用,車用SiC模塊已經(jīng)完成樣品認(rèn)證,。
3)項(xiàng)目擬達(dá)到的目的:進(jìn)一步完善產(chǎn)品系列,,2019年完善光伏應(yīng)用的SiC器件及應(yīng)用于新能源汽車的SiC模塊產(chǎn)品。
3,、公司在未來重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)研發(fā)與開發(fā)計(jì)劃:
主要提到三項(xiàng)重要產(chǎn)品開發(fā):1,、全系列FS-Trench型IGBT芯片的研發(fā);2,、新一代IGBT芯片的研發(fā),;3、SiC,、GaN等前沿功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā),、設(shè)計(jì)及規(guī)模化生產(chǎn):公司將堅(jiān)持科技創(chuàng)新,,不斷完善功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局,,在大力推廣常規(guī)IGBT模塊的同時(shí),依靠自身的專業(yè)技術(shù),,積極布局寬禁帶半導(dǎo)體模塊(SiC模塊,、GaN模塊),不斷豐富自身產(chǎn)品種類,,加強(qiáng)自身競爭力,,進(jìn)一步鞏固自身行業(yè)地位。
二,。中車時(shí)代電氣:官網(wǎng)中除了展示IGBT產(chǎn)品,,還有展示5款SiC肖特基(SIC SBD產(chǎn)品)因此,目前來看,,SiC產(chǎn)業(yè)鏈被國外高度壟斷,,未來2-3年當(dāng)SiC成本由目前是Si基4-5倍下降至2倍,并且國內(nèi)SIC上下游產(chǎn)業(yè)鏈也更加成熟,、打破國外壟斷時(shí),,預(yù)計(jì)SIC才會(huì)在國內(nèi)開始提升滲透率,并且SiC只是一種基材,,未來隨著SiC技術(shù)的逐漸成熟,,也會(huì)有SiC IGBT相關(guān)產(chǎn)品。
總結(jié)來看,,未來3-5年Si IGBT還是應(yīng)用主流,,國內(nèi)廠商的核心邏輯在于工控家電新能源領(lǐng)域進(jìn)行國產(chǎn)替代提升份額,5年后SiC基材逐漸侵占Si基材份額的大趨勢(shì)下,,相信國內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)質(zhì)的龍頭功率半導(dǎo)體也能夠積極儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品,,積極擁抱迎接這一行業(yè)創(chuàng)新,。