功率半导体IGBT行业科普

（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。

资料来源：斯达半导招股说明书，东海证券研究所

2.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。

图9 我国新能源汽车市场销量

资料来源：中汽协，东海证券研究所

（ 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。

图10 电动汽车IGBT应用范围

资料来源：工采网，东海证券研究所

表6 新能源汽车IGBT市场规模测算

资料来源：EV sales，Wind，iFind，ICV，东海证券研究所测算

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。

图11 光伏系统示意图

资料来源：工采网，东海证券研究所

（ 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。

图12 中国光伏与风电发电新增装机容量（万千瓦）

（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%。

（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。

（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。

（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。

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