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(lái)，由于新能源汽車以及風(fēng)光儲(chǔ)的強(qiáng)勢(shì)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(chǎng)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(shì) ， 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(shì)，自落地以來(lái)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(shì)：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(zhǎng)，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(chǎng)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(guò)較長(zhǎng)的的驗(yàn)證周期，且并非所有應(yīng)用場(chǎng)景都追求極致性能，因此每一代IGBT芯片都擁有較長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)程中還引入了激光退火技術(shù)來(lái)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(guó)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(guò)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(lái)提升散熱性能
2）通過(guò)使用陶瓷散熱片來(lái)增加散熱性能
3）通過(guò)使用球形鍵合來(lái)提升散熱性能。
市場(chǎng)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(cè)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(zhǎng)至70億元（國(guó)內(nèi)占比約60％，對(duì)應(yīng)42億元），5 年CAGR超過(guò)20％。
風(fēng)電：預(yù)計(jì)“十四五”期間國(guó)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(cè)算，2020年國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)IGBT需求約9億元，預(yù)計(jì)2025年增長(zhǎng)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(chǎng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)空間約70～80億元，預(yù)計(jì)未來(lái)維持10～15％增速。
2020年初國(guó)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(guó)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(guó)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。空調(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。基于IHS預(yù)測(cè)的變頻家電出貨量測(cè)算，2017年到2022年全球家電用IPM總需求將由49億元增長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)規(guī)模約3．9億美元。預(yù)計(jì)到2027年將超過(guò)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(chǎng)）
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。
