功率半導(dǎo)體器件IGBT及新材料工藝技術(shù)發(fā)展

功率半導(dǎo)體：電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心

功率半導(dǎo)體是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心。功率半導(dǎo)體是一 種廣泛用于電力電子裝置和電能轉(zhuǎn)換和控制電路的半導(dǎo)體元件，可通過半 導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。 功率半導(dǎo)體具有能夠支持高電壓、大電流的特性，主要用途包括變 頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等。除保障電路正常運行外，因其 能夠減少電能浪費，功率半導(dǎo)體還能起到節(jié)能、省電的作用。
圖表1. 功率半導(dǎo)體原理
圖表2. 功率半導(dǎo)體功能

功率半導(dǎo)體=功率器件＋功率IC

功率半導(dǎo)體按器件集成度可以分為功率分立器件和功率 IC 兩大類。功率分立器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場 規(guī)模最大，常見的晶體管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（雙極結(jié)型晶體 管）。功率 IC 是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護電 路等集成在同一芯片的集成電路，是系統(tǒng)信號處理部分和執(zhí)行部分的橋梁。
圖表3. 功率半導(dǎo)體產(chǎn)品范圍示意圖

IGBT:電力電子行業(yè)的“CPU”

兼具 MOSFET 及 BJT 兩類器件優(yōu)勢，IGBT 被稱為電力電子行業(yè)的 “CPU”。IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。

IGBT 具有電導(dǎo)調(diào)制能力，相對于 MOSFET 和雙極晶體管具有較強的 正向電流傳導(dǎo)密度和低通態(tài)壓降，因此兼具有 MOSFET 的高輸入阻抗 MOSFET 器件驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、BJT 器件飽和壓降低、電流密度 高和 GTR 的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。
圖表4：3種類型英飛凌 IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖
圖表 5. IGBT 結(jié)構(gòu)圖

IGBT發(fā)展史：歷代七代技術(shù)演進，產(chǎn)業(yè)性能逐代提升

歷時超 30 年，IGBT 已經(jīng)發(fā)展至第七代，各方面性能不斷優(yōu)化。目前 為止，IGBT 芯片經(jīng)歷了七代升級：襯底從 PT 穿通，NPT 非穿通到 FS 場 截止，柵極從平面到 Trench 溝槽，最后到第七代的精細 Trench 溝槽。 隨著技術(shù)的升級，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)功耗、關(guān)斷時間、開關(guān) 功耗均不斷減小，斷態(tài)電壓由第一代的600V升至第七代7000V。
圖表 6. IGBT 技術(shù)演進
圖表 7. IGBT 芯片技術(shù)發(fā)展

下游應(yīng)用：新能源汽車、軌交等新興領(lǐng)域打開市場空間

低壓 IGBT 多用于消費、汽車、家電領(lǐng)域，中高壓 IGBT 多用于軌 交、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。IGBT 下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按電壓等級劃分，超低壓 （400-500V）IGBT 主要應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域，低壓（600-1350V）IGBT 多應(yīng)用于電動汽車、新能源、智能家電領(lǐng)域，中壓（1400-2500V）IGBT 多應(yīng)用于軌道交通、新能源發(fā)電領(lǐng)域，高壓（2500-6500V）IGBT 多應(yīng)用 于軌道牽引、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。目前，IGBT 作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，其應(yīng)用領(lǐng)域包含 工業(yè)、 4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以 及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
圖表8. IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域圖表9. IGBT 芯片技術(shù)發(fā)展

市場規(guī)模：2022年全球IGBT市場規(guī)模有望達到57億美元

2017-2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模 CAGR 達 7.04%，中國市場主要應(yīng) 用包括新能源汽車、工控、消費電子。受益于工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的 逐步回暖，以及下游的變頻家電、新能源汽車等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，全球及 中國 IGBT 市場規(guī)模持續(xù)增長。根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)，預(yù)計 2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模將達到近 57 億美元，2017-2022 年 CAGR 達到 7.04%。 從下游應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模占比來看，2020 年中國 IGBT 市場應(yīng)用以新能源 汽車、工業(yè)控制及消費電子類為主，占比分別為 30%、27%及 22%。
圖表10. 全球 IGBT 市場規(guī)模（單位：億美元）
圖表11. 2020 年中國 IGBT 市場下游應(yīng)用占比

市場格局：海外大廠占據(jù)主要市場，中國企業(yè)追趕空間大

IGBT 市場英飛凌市占率全面領(lǐng)先，2020 年斯達半導(dǎo)躋身 IGBT 模塊 市場前六。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2020 年 IGBT 分立器件市場及 IGBT 模塊市 場規(guī)模前三的企業(yè)均為英飛凌、富士電機及三菱。其中英飛凌 IGBT 市場 市占率全面領(lǐng)先，IGBT 分立器件和 IGBT 模塊的市占率分別為 29.3%和 36.5%。在 IGBT 分立器件市場中，中國企業(yè)士蘭微進入全球前十，2020 年市 場份額為 2.6%；在 IGBT 模塊市場中，2020 年斯達半導(dǎo)躋身全球第六，市 場份額為 3.3%。
圖表12. 2020 年全球 IGBT 分立器件市場格局
圖表13. 2020年全球 IGBT 模塊市場格局

國內(nèi)外重點公司布局情況

（1）中國 IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈圖表15. 中國 IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈①斯達半導(dǎo)：國內(nèi) IGBT 龍頭企業(yè)，全球 IGBT 模塊市占率第六嘉興斯達半導(dǎo)體股份有限公司成立于 2005 年 4 月，主要從事功率半 導(dǎo)體芯片和模塊尤其是 IGBT 芯片和模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務(wù)的國家級 高新技術(shù)企業(yè)。公司在全球 IGBT 模塊市場市占率為 3.3%，全球排名第 六，國內(nèi)排名第一，是國內(nèi) IGBT 領(lǐng)軍企業(yè)。 公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和電源、可再生能源、新能源汽車、 白色家電等領(lǐng)域。 2021 年前三季度，公司實現(xiàn)營收 11.97 億元，同比增長 79.11%，歸母 凈利潤 2.67 億元，同比增長 98.71%。
圖表16. 斯達半導(dǎo)發(fā)展歷程 斯達半導(dǎo)在中高壓 IGBT 產(chǎn)品全面布局，定增加碼車規(guī) SiC 芯片研發(fā)。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT 芯片及在新能源汽車行業(yè)使用 比率持續(xù)提升；1200V IGBT 芯片在 12 寸產(chǎn)線上開發(fā)成功并開始批量生產(chǎn); 1700V IGBT 芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)、高壓變頻 器行業(yè)規(guī)模化裝機應(yīng)用。 汽車級 IGBT 模塊合計配套超過 20 萬輛新能源汽車；同時，公司在 車用空調(diào)，充電樁等領(lǐng)域的布局將助力公司在新能源汽車半導(dǎo)體市場占有 率進一步提高。 2021 年公司發(fā)布增發(fā)預(yù)案，募集資金總額不超過 35 億元，主要用于 高壓特色工藝功率芯片及 SiC 芯片的研發(fā)。未來，公司將持續(xù)加大在下一代IGBT芯片、車規(guī)級 SiC 芯片以及 3300V-6500V 高壓 IGBT 的研發(fā)力度。
圖表17.各類 IGBT 產(chǎn)品應(yīng)用

②時代電氣

中車時代電氣是中國中車旗下股份制企業(yè)。公司于 2006 年在香港聯(lián) 交所主板上市，2021 年科創(chuàng)板上市，實現(xiàn) A+H 股兩地上市。 功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，公司建有 6 英寸雙極器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸 碳化硅的產(chǎn)業(yè)化基地，擁有芯片、模塊、組件及應(yīng)用的全套自主技術(shù)。公 司全系列高可靠性 IGBT 產(chǎn)品打破了軌道交通核心器件和特高壓輸電工程 關(guān)鍵器件由國外企業(yè)壟斷的局面。目前正在解決新能源汽車核心器件自主 化問題。2021 年前三季度公司實現(xiàn)營收 85.3 億元，同比下降 13.7%。歸母凈利 潤 12.02 億元，同比下降 19.7%。
圖表18. 時代電氣發(fā)展歷程公司的產(chǎn)品包括 IGBT 芯片、 IGBT 模塊、雙極功率組件、晶閘管、?IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC 模塊等。在 IGBT 領(lǐng)域，公司產(chǎn)品 已從 650V 覆蓋至 6500V，在電壓范圍上可完美對標(biāo)英飛凌。公司高壓 IGBT 產(chǎn)品大量應(yīng)用于我國軌交核心器件領(lǐng)域；中低壓 IGBT 產(chǎn)品主要應(yīng)用 于新能源汽車領(lǐng)域，目前公司最新一代產(chǎn)品已向包括一汽、長安在內(nèi)的國 內(nèi)多家龍頭汽車整車廠送樣測試驗證，未來看好公司車規(guī)級 IGBT 發(fā)展。
圖表19. 時代電氣功率產(chǎn)品應(yīng)用③士蘭微：產(chǎn)能持續(xù)落地，產(chǎn)品高端化進程順利 士蘭微成立于 1997 年 9 月，2003 年 3 月公司在上交所上市。目前已 發(fā)展成為國內(nèi)規(guī)模最大的集成電路芯片設(shè)計與制造一體（IDM）的企業(yè)之 一。公司被國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等國家部委認定為 “國家規(guī)劃布局內(nèi)重點軟件和集成電路設(shè)計企業(yè)”，且陸續(xù)承擔(dān)了國家科技 重大專項“01 專項”和“02 專項”多個科研專項課題。 公司主要產(chǎn)品包括集成電路、半導(dǎo)體分立器件、LED（發(fā)光二極管） 產(chǎn)品。公司擁有 5、6、8 英寸芯片生產(chǎn)線和正在建設(shè)的 12 英寸芯片生產(chǎn) 線和先進化合物芯片生產(chǎn)線。產(chǎn)品方面，公司完成了國內(nèi)領(lǐng)先的高壓BCD、超薄片槽柵 IGBT、超結(jié)高壓 MOSFET、高密度溝槽柵 MOSFET、 快恢復(fù)二極管、 MEMS 傳感器等工藝的研發(fā)，形成了較完整的特色工藝制 造平臺。2020 年 MOSFET 市場公司排名全球第十，中國大陸第三，市占率 2.2%。IGBT 分立器件市場公司排名全球第十，中國大陸第一，市占率 2.6%。2021 年前三季度營收 52.22 億元，同比增長 76.18%；實現(xiàn)歸母凈利潤 7.28 億元，同比增長 1543.4% 。
圖表20. 士蘭微發(fā)展歷程④華潤微：國內(nèi)功率 IDM 龍頭，積極布局第三代半導(dǎo)體 華潤微成立于 2003 年，自 2004 年起連續(xù)被工信部評為中國電子信息 百強企業(yè)。公司是國內(nèi)領(lǐng)先的掌握芯片設(shè)計、制造、封測一體化運營能力 的 IDM 企業(yè)。 主營產(chǎn)品包括MOSFET 、IGBT 、FRD 、SBD等功率器件。在MOSFET領(lǐng)域中，公司是國內(nèi)少數(shù)能夠提供100V至1500V范圍內(nèi)低、中、高壓全系列 MOSFET產(chǎn)品的企業(yè)。同時，公司成功研發(fā)1200V和650VSiC肖特基二極管產(chǎn)品。此外，公司國內(nèi)首條6英寸商用SiC 晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn)。 2020年MOSFET市場公司排名全球第八，中國大陸第一，市占率達到3.9%。 2021年前三季度營收69.28億元，同比增長41.70%；實現(xiàn)歸母凈利潤16.84億元，同比增長145.20% 。
圖表21. 華潤微發(fā)展歷程⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT 產(chǎn)品，設(shè)計龍頭技術(shù)高端 化優(yōu)勢明顯 新潔能成立于 2013 年，目前已成長為國內(nèi) 8 英寸及 12 英寸芯片投片 數(shù)量最大的功率半導(dǎo)體公司之一，公司連續(xù)四年名列“中國半導(dǎo)體功率器 件十強企業(yè)”。 目前公司已經(jīng)掌握 MOSFET、IGBT 等多款產(chǎn)品的研發(fā)核心技術(shù)。是 國內(nèi)最早同時擁有溝槽型功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET 及 IGBT 四 大 產(chǎn) 品 平 臺 的 本 土 企 業(yè) 之 一 。產(chǎn) 品 電 壓 覆 蓋 12V~1700V 的全系列產(chǎn)品，是國內(nèi) MOSFET、IGBT 等半導(dǎo)體功率器件市 場占有率排名領(lǐng)先的企業(yè)。此外，公司在 SiC/GaN 第三代半導(dǎo)體器件亦有 所布局。2021 年前三季度公司營收 10.99 億元，同比增長 65%，歸母凈利潤 3.11 億元，同比增長 208%。
圖表22. 新潔能發(fā)展歷程⑥揚杰科技：產(chǎn)品高端化布局開啟第二成長曲線 揚州揚杰電子科技股份有限公司成立于 2006 年，于 2014 年 1 月 23 日 在深交所上市。公司是國內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計制造、封裝測 試、終端銷售與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。公司已連 續(xù)數(shù)年入圍"中國半導(dǎo)體功率器件十強企業(yè)"前三強。 公司主營產(chǎn)品為包括分立器件芯片、整流器件、保護器件、小信號、MOSFET、IGBT 等。其中二極管、整流橋類產(chǎn)品在國內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源、家電等領(lǐng) 域。IGBT：8 英寸工藝的 1200V Trench FS IGBT 芯片及對應(yīng)模塊開始風(fēng)險 量產(chǎn)，IGBT 高頻系列模塊、IGBT 變頻器系列模塊等也取得批量訂單。MOSFET ：公司持續(xù)優(yōu)化提高 Trench MOSFET 和 SGT MOS 系列產(chǎn)品性 能，擴充產(chǎn)品品類。公司 2021 年前三季度公司營收 32.41 億元，同比增長 75.76%，歸母 凈利潤 5.65 億元，同比增長 115.17%。
圖表23. 揚杰科技發(fā)展歷程⑦聞泰科技：以半導(dǎo)體為核心，安世引領(lǐng)國產(chǎn)功率半導(dǎo)體 聞泰科技于 2006 年創(chuàng)立，2008 年主營業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級為 ODM，2016 年借殼中茵股份“曲線上市”。2018 年收購功率半導(dǎo)體 IDM 企業(yè)安世半 導(dǎo)體打通了產(chǎn)業(yè)鏈上下游從芯片設(shè)計、晶圓制造、半導(dǎo)體封裝測試全流 程，并擁有自建模具廠和完善的智能化生產(chǎn)線。 安世半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體制造商。據(jù)安世數(shù)據(jù)顯示，公司 全球整體市占率達到 8.4%，其中在小信號二極管和晶體管、ESD 保護器 件全球排名第一，PowerMOS 汽車領(lǐng)域、邏輯器件全球排名第二，小信號 MOSFET 排名第三。 2021 年前三季度公司營業(yè)收入 386.5 億元，同比增長 0.8%。歸母凈利 潤 20.4 億元，同比下降 9.64%。
圖表24. 聞泰科技發(fā)展歷程業(yè)務(wù)方面，公司主要業(yè)務(wù)為通信（ODM）、半導(dǎo)體、光學(xué)模組業(yè)務(wù)。其中公司在收購安世半導(dǎo)體后，經(jīng)營整合的協(xié)同效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。未來，公 司將以半導(dǎo)體業(yè)務(wù)為核心，完成產(chǎn)能、產(chǎn)品中遠期布局，同時打造半導(dǎo)體 與產(chǎn)品集成業(yè)務(wù)創(chuàng)新互動的協(xié)同格局，業(yè)績實現(xiàn)放量增長。2020 年公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)實現(xiàn)營收 98.92 億元，同比增長 522%，營收占比提升至 19%。 產(chǎn)能方面，公司在全球各地設(shè)有工廠，其中今年完成了對英國 NEWPORT 廠的收購，月產(chǎn)能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設(shè)進展順利，預(yù)計明年三季度投片，年產(chǎn)能達40萬片12寸晶圓。產(chǎn)品方面，公司目前超100V的MOSFET 料號數(shù)超過100種，IGBT 第一批料號目前也已進入流片階段。
圖表25. 聞泰科技&安世半導(dǎo)體產(chǎn)能

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