一文了解需求暴涨的IGBT

时间: 2024-08-05 11:20:02 |   作者: 乐鱼平台入口官网下载

　　控制的核心，大多数都用在改变电压和频率。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等，同时具有节能功效。功率

　　近年来，由于新能源汽车以及风光储的强势需求，功率半导体中，IGBT用量大幅度的增加，目前IGBT的交货周期在50周以上。车用IGBT大厂此前表示，自家车用IGBT订单已满载，但IGBT仍处于紧缺状态。业内分析师则认为，IGBT的供需缺口大约在40％－50％左右。

　　IGBT属于双极型、硅基功率半导体，具有耐高压特性。融合了BJT（Bipolarjunction transistor，双极型三极管）和MOSFET 的性能优势 ， 结构为MOSFET＋一个BJT，兼具BJT大电流增益和MOS压控易于驱动的优势，自落地以来在工业领域逐步替代MOSFET和BJT，目前大范围的应用于650－6500V的中高压领域，属于功率器件领域最具发展前途的赛道。

　　IGBT最常见的应用形式是模块。大电流和大电压环境多使用IGBT模块，IHS多个方面数据显示模块和单管比例为3：1。而IPM是特殊的IGBT模块，主要使用在于中小功率变频系统。

　　IGBT模块主要有五种结构。以2 in 1模块为例，模块中封装了两组芯片，根据电流或功率要求不同每组可并联多颗IGBT芯片（ IGBT芯片与FRD一一对应）

　　IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节，其中设计环节技术突破难度略高于其他功率器件，制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发，封装环节对产品可靠性要求高，应用环节客户验证周期长，综合看IGBT属于壁垒较高的细分赛道。

　　由于IGBT 芯片工作在大电流、高电压的环境下，对可靠性要求比较高，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）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂，因而对于新进入者而言研发门槛较高（看重研发团队的设计经验）

　　IGBT应用端迭代节奏慢于研发端，目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。由于IGBT属于电力电子领域的核心元器件，客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期，且并非所有应用场景都追求极致性能，因此每一代IGBT芯片都拥有较长的生命周期。

　　IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大，但背面工艺技术要求严苛（为实现大功率化）。具体来说，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，对于要求比较高的器件，甚至需要减薄到60～80μm。当硅片厚度减到100－200μm的量级，后续的加工处理十分艰难，硅片极易破碎和翘曲。

　　IGBT模块重视散热及可靠性，封装环节附加值高。IGBT模块在实际应用中格外的重视散热性能及产品可靠性，对模块封装提出了更加高的要求。此外，不同下游应用对封装技术方面的要求存在一定的差异，其中车规级由于工作时候的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。

　　1）采用聚对二甲苯进行封装。聚对二甲苯具有极其优良的导电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性。

　　2）采用低温银烧结和瞬态液相扩散焊接。在焊接工艺方面，低温银烧结技术、瞬态液相扩散焊接与传统的锡铅合金焊接相比，导热性、耐热性更好，可靠性更高。

　　1）利用新的焊材，例如薄膜烧结、金烧结、胶水或甚至草酸银，来提升散热性能

　　1个8寸晶圆可以产出259颗相应规格芯片，对应10个80KW的车规模块（PS：包含了FRD芯片）

　　结论：一颗8寸晶圆能够完全满足10辆A00级车的电控需求（80KW以下），5辆160KW的A级车的电控需求。

　　光伏：光伏逆变器中IGBT单位成本约0．02元／W。我们测算2019／20年全球光伏行业IGBT需求约23／27亿元，我们预计2025年将伴随光伏装机增长至70亿元（国内占比约60％，对应42亿元），5 年CAGR超过20％。

　　风电：预计“十四五”期间国内风电年均装机超50GW，年复合增速10％－15％。以1．5MW双馈型风机为例，其中变流器中IGBT用量约21个（1700V／2400A）；目前风电变流器中IGBT单位成本约为0．025元／W。依照我们测算，2020年国内风电行业IGBT需求约9亿元，预计2025年增长至17．5亿元，5年CAGR接近15％。

　　IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件，下游增速约10～15％ 。

　　工控领域IGBT需求相对分散，国内市场空间约70～80亿元，预计未来维持10～15％增速。

　　2020年初国家推出新能效标准加速家电的变频化，行业增速约20％。以空调为例，国内2022年完全淘汰定频空调，定速空调和变频3级能效产品以下均不符合新国标，将淘汰目前在售的90％以上的定速空调型号和50％的变频空调型号。IHS预计全球2017～22年变频家电出货量CAGR达到19％。

　　变频家电多使用IPM，全球空间有望达百亿级别。IPM（智能功率模块）是一种特殊的IGBT模块，集成了驱动、保护电路等。空调使用2颗IPM（内外机），其他家电使用1颗IPM，单颗ASP在10～30元。基于IHS预测的变频家电出货量测算，2017年到2022年全球家电用IPM总需求将由49亿元增长至117亿元。

　　目前 SiC 功率器件主要定位于功率在1kw－500kw之间、工作频率在10KHz－100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求比较高的应用。

　　尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化，但可靠性和高成本限制了行业普及。

　　SiC 二极管：应用相对容易，和 Si 基产品价格差在3～5倍。在比特币的蚂蚁挖矿机的电源中有批量的商业应用，在高效能的（数据中心）电源、 PV、充电桩中已有不少应用。

　　SiC MOSFET ：应用相对较难，和Si基产品价格差在～5倍，在 PV 逆变器、充电桩、电动汽车充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。

　　根据IHS Markit数据，2018年SiC功率器件市场规模约3．9亿美元。预计到2027年将超过100亿美元，对应9年CAGR为43％。驱动力包括：

　　1）特斯拉引领下，新能源汽车逐步开始使用SiC MOS，拉动庞大需求（预计是最大也是最重要的市场）

　　直接成本增加：在逆变器中用SiC MOS替换IGBT，会增加约1～200美金的器件成本。

　　1）SiC 可使控制器效率提升 2％～8，进而降低电池成本。根据CASA，电动车每百公里电耗减少1kWh，电池成本节约1500元（反之，同样的电池成本续航能力更强）。

　　2）由于高频特性，配套的变压器、电感等磁性元件成本降低（电感成本与频率成反比）。

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