功率器件是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心,,主要用于改變電壓和頻率,。主要用途包括變頻、整流,、變壓,、功率放大,、功率控制等,同時(shí)具有節(jié)能功效,。功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊,、消費(fèi)電子,、新能源交通、軌道交通,、工業(yè)控制,、發(fā)電與配電等電力、電子領(lǐng)域,,涵蓋低,、中、高各個(gè)功率層級(jí),。
近年來,,由于新能源汽車以及風(fēng)光儲(chǔ)的強(qiáng)勢需求,功率半導(dǎo)體中,,IGBT用量大幅增加,,目前IGBT的交貨周期在50周以上。車用IGBT大廠此前表示,,自家車用IGBT訂單已滿載,,但I(xiàn)GBT仍處于緊缺狀態(tài)。業(yè)內(nèi)分析師則認(rèn)為,,IGBT的供需缺口大約在40%-50%左右,。
閱讀這篇文章你會(huì)了解:
1.什么是IGBT?
2.IGBT的技術(shù)路徑
3.IGBT的市場空間
4.SiC的影響幾何,?
行業(yè)概覽
IGBT屬于雙極型,、硅基功率半導(dǎo)體,具有耐高壓特性,。融合了BJT(Bipolarjunction transistor,,雙極型三極管)和MOSFET 的性能優(yōu)勢 , 結(jié)構(gòu)為MOSFET+一個(gè)BJT,,兼具BJT大電流增益和MOS壓控易于驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢,,自落地以來在工業(yè)領(lǐng)域逐步替代MOSFET和BJT,目前廣泛應(yīng)用于650-6500V的中高壓領(lǐng)域,,屬于功率器件領(lǐng)域最具發(fā)展前景的賽道,。
IGBT最常見的應(yīng)用形式是模塊。大電流和大電壓環(huán)境多使用IGBT模塊,,IHS數(shù)據(jù)顯示模塊和單管比例為3:1,。而IPM是特殊的IGBT模塊,主要應(yīng)用于中小功率變頻系統(tǒng),。
IGBT模塊主要有五種結(jié)構(gòu),。以2 in 1模塊為例,模塊中封裝了兩組芯片,根據(jù)電流或功率要求不同每組可并聯(lián)多顆IGBT芯片( IGBT芯片與FRD一一對(duì)應(yīng))
IGBT模塊的優(yōu)勢:與單管相比,,IGBT模塊:
1)集成度更高,,更節(jié)約體積
2)多IGBT芯片并聯(lián),電流規(guī)格更大
3)減少外部電路連接的復(fù)雜性
4)散熱性更好,,可靠性提升
技術(shù)路徑
IGBT產(chǎn)業(yè)大致可分為芯片設(shè)計(jì),、晶圓制造、模塊封裝,、下游應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié),,其中設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)技術(shù)突破難度略高于其他功率器件,制造環(huán)節(jié)資本開支相對(duì)大同時(shí)更看重工藝開發(fā),,封裝環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品可靠性要求高,,應(yīng)用環(huán)節(jié)客戶驗(yàn)證周期長,綜合看IGBT屬于壁壘較高的細(xì)分賽道,。
由于IGBT 芯片工作在大電流,、高電壓的環(huán)境下,對(duì)可靠性要求較高,,同時(shí)芯片設(shè)計(jì)需保證開通關(guān)斷,、抗短路能力和導(dǎo)通壓降(控制熱量)三者處于均衡狀態(tài),芯片設(shè)計(jì)與參數(shù)調(diào)整優(yōu)化十分特殊和復(fù)雜,,因而對(duì)于新進(jìn)入者而言研發(fā)門檻較高(看重研發(fā)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn))
IGBT應(yīng)用端迭代節(jié)奏慢于研發(fā)端,目前市場主流水平相當(dāng)于英飛凌第4代,。由于IGBT屬于電力電子領(lǐng)域的核心元器件,,客戶在導(dǎo)入新一代IGBT產(chǎn)品時(shí)同樣需經(jīng)過較長的的驗(yàn)證周期,且并非所有應(yīng)用場景都追求極致性能,,因此每一代IGBT芯片都擁有較長的生命周期,。
IGBT制造的三大難點(diǎn):背板減薄、激光退火,、離子注入
IGBT的正面工藝和標(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS區(qū)別不大,,但背面工藝要求嚴(yán)苛(為了實(shí)現(xiàn)大功率化)。具體來說,,背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬Al層的基礎(chǔ)上,,將硅片通過機(jī)械減薄或特殊減薄工藝(如Taiko、Temporary Bonding 技術(shù))進(jìn)行減薄處理,,然后對(duì)減薄硅片進(jìn)行背面離子注入,,如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子,,在此過程中還引入了激光退火技術(shù)來精確控制硅片面的能量密度,。
特定耐壓指標(biāo)的IGBT器件,芯片厚度需要減薄到100-200μm,對(duì)于要求較高的器件,,甚至需要減薄到60~80μm,。當(dāng)硅片厚度減到100-200μm的量級(jí),后續(xù)的加工處理非常困難,,硅片極易破碎和翹曲,。
從8寸到12寸有兩個(gè)關(guān)鍵門檻:
減薄要求從120um轉(zhuǎn)成80um,翹曲更嚴(yán)重,,國內(nèi)能解決
背面高能離子注入(氫離子注入),,設(shè)備單價(jià)高
IGBT模塊重視散熱及可靠性,封裝環(huán)節(jié)附加值高,。IGBT模塊在實(shí)際應(yīng)用中高度重視散熱性能及產(chǎn)品可靠性,,對(duì)模塊封裝提出了更高要求。此外,,不同下游應(yīng)用對(duì)封裝技術(shù)要求存在差異,,其中車規(guī)級(jí)由于工作溫度高同時(shí)還需考慮強(qiáng)振動(dòng)條件,其封裝要求高于工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí),。
設(shè)計(jì)優(yōu)化,、材料升級(jí)是封裝技術(shù)進(jìn)化的兩個(gè)維度。
設(shè)計(jì)升級(jí)方面主要是:
1)采用聚對(duì)二甲苯進(jìn)行封裝,。聚對(duì)二甲苯具有極其優(yōu)良的導(dǎo)電性能,、耐熱性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性,。
2)采用低溫銀燒結(jié)和瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接,。在焊接工藝方面,低溫銀燒結(jié)技術(shù),、瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接與傳統(tǒng)的錫鉛合金焊接相比,,導(dǎo)熱性、耐熱性更好,,可靠性更高,。
材料升級(jí)方面主要是:
1)通過使用新的焊材,例如薄膜燒結(jié),、金燒結(jié),、膠水或甚至草酸銀,來提升散熱性能
2)通過使用陶瓷散熱片來增加散熱性能
3)通過使用球形鍵合來提升散熱性能,。
市場空間
1個(gè)8寸晶圓可以產(chǎn)出259顆相應(yīng)規(guī)格芯片,,對(duì)應(yīng)10個(gè)80KW的車規(guī)模塊(PS:包含了FRD芯片)
結(jié)論:一顆8寸晶圓可以滿足10輛A00級(jí)車的電控需求(80KW以下),5輛160KW的A級(jí)車的電控需求,。
光伏:光伏逆變器中IGBT單位成本約0.02元/W,。我們測算2019/20年全球光伏行業(yè)IGBT需求約23/27億元,,我們預(yù)計(jì)2025年將伴隨光伏裝機(jī)增長至70億元(國內(nèi)占比約60%,對(duì)應(yīng)42億元),,5 年CAGR超過20%,。
風(fēng)電:預(yù)計(jì)“十四五”期間國內(nèi)風(fēng)電年均裝機(jī)超50GW,年復(fù)合增速10%-15%,。以1.5MW雙饋型風(fēng)機(jī)為例,,其中變流器中IGBT用量約21個(gè)(1700V/2400A);目前風(fēng)電變流器中IGBT單位成本約為0.025元/W,。根據(jù)我們測算,,2020年國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)IGBT需求約9億元,預(yù)計(jì)2025年增長至17.5億元,,5年CAGR接近15%,。
光伏+風(fēng)電整體需求增速約15~20%;若考慮儲(chǔ)能需求,,實(shí)際增速更高,。
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,,下游增速約10~15% ,。
細(xì)分市場包括變頻器、工業(yè)電源,、電焊機(jī) ,、伺服器等。
工控領(lǐng)域IGBT需求相對(duì)分散,,國內(nèi)市場空間約70~80億元,,預(yù)計(jì)未來維持10~15%增速。
2020年初國家推出新能效標(biāo)準(zhǔn)加速家電的變頻化,,行業(yè)增速約20%,。以空調(diào)為例,,國內(nèi)2022年完全淘汰定頻空調(diào),,定速空調(diào)和變頻3級(jí)能效產(chǎn)品以下均不符合新國標(biāo),將淘汰目前在售的90%以上的定速空調(diào)型號(hào)和50%的變頻空調(diào)型號(hào),。IHS預(yù)計(jì)全球2017~22年變頻家電出貨量CAGR達(dá)到19%,。
變頻家電多使用IPM,全球空間有望達(dá)百億級(jí)別,。IPM(智能功率模塊)是一種特殊的IGBT模塊,,集成了驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路等,??照{(diào)使用2顆IPM(內(nèi)外機(jī)),其他家電使用1顆IPM,單顆ASP在10~30元,?;贗HS預(yù)測的變頻家電出貨量測算,2017年到2022年全球家電用IPM總需求將由49億元增長至117億元,。
目前 SiC 功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之間,、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景,特別是一些對(duì)于能量效率和空間尺寸要求較高的應(yīng)用,。
SiC的影響幾何
盡管1990s SiC襯底就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,,但可靠性和高成本限制了行業(yè)普及。
SiC功率器件成本遠(yuǎn)高于Si基功率器件,,成本降低驅(qū)動(dòng)逐步滲透:
SiC 二極管:應(yīng)用相對(duì)容易,,和 Si 基產(chǎn)品價(jià)格差在3~5倍。在比特幣的螞蟻挖礦機(jī)的電源中有批量的商業(yè)應(yīng)用,,在高效能的(數(shù)據(jù)中心)電源,、 PV、充電樁中已有不少應(yīng)用,。
SiC MOSFET :應(yīng)用相對(duì)較難,,和Si基產(chǎn)品價(jià)格差在~5倍,在 PV 逆變器,、充電樁,、電動(dòng)汽車充電與驅(qū)動(dòng)、電力電子變壓器等逐步開始應(yīng)用,。
根據(jù)IHS Markit數(shù)據(jù),,2018年SiC功率器件市場規(guī)模約3.9億美元。預(yù)計(jì)到2027年將超過100億美元,,對(duì)應(yīng)9年CAGR為43%,。驅(qū)動(dòng)力包括:
需求端:
1)特斯拉引領(lǐng)下,新能源汽車逐步開始使用SiC MOS,,拉動(dòng)龐大需求(預(yù)計(jì)是最大也是最重要的市場)
2)電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)
供給端:
1)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí),,SiC襯底尺寸從4寸轉(zhuǎn)向6寸,再向8寸升級(jí)
2)產(chǎn)能擴(kuò)張后產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)
直接成本增加:在逆變器中用SiC MOS替換IGBT,,會(huì)增加約1~200美金的器件成本,。
其他成本降低:
1)SiC 可使控制器效率提升 2%~8,進(jìn)而降低電池成本,。根據(jù)CASA,,電動(dòng)車每百公里電耗減少1kWh,電池成本節(jié)約1500元(反之,,同樣的電池成本續(xù)航能力更強(qiáng)),。
2)由于高頻特性,,配套的變壓器、電感等磁性元件成本降低(電感成本與頻率成反比),。
3)逆變器體積減小,,降低其他材料成本。
4)低功耗,、高工作結(jié)溫降低散熱要求,。