隨著國內(nèi)IGBT行業(yè)龍頭企業(yè)斯達半導的上市，并擠進全球IGBT模塊供應商TOP 10，國產(chǎn)替代技術已經(jīng)達到門檻。功率半導體是半導體行業(yè)的細分領域，雖不像集成電路一樣被大眾熟知，但其重要性不可忽視。1990-2010年，這20年時間內(nèi)，IGBT節(jié)能效果為全球客戶累計節(jié)省了約18萬億美元，減少了約100萬億磅的二氧化碳排放。IGBT作為電子電力裝置和系統(tǒng)中的“CPU”，高效節(jié)能減排的主力軍，有著強大的生命力，我們現(xiàn)在還離不開IGBT！那么我國的上游IGBT企業(yè)實力究竟如何呢？

IGBT的本土市場機遇

什么是IGBT呢？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫，即絕緣柵雙極型晶體管，是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領域能源變換和傳輸?shù)暮诵脑骷：唵蝸碚f，IGBT可以理解為“非通即斷”的開關，它可以將直流電壓逆變成頻率可調(diào)的交流電，主要用于變頻逆變和其他逆變電路，被稱為是電力電子裝置的“CPU”。
進入21世紀以后，全球能源日趨緊張，各國都在積極采用開源節(jié)流的方式控制能源。由于IGBT在電能轉換中扮演的重要角色，它能夠為各種高電壓和大電流應用提供更高的效率和節(jié)能效果，被廣泛應用于工業(yè)控制、新能源、變頻家電等領域。特別是在新能源汽車中，IGBT 模塊占電動車整車成本約5%左右，是除電池之外成本第二高的元件。根據(jù)IHS預測，全球汽車電動化用IGBT模塊未來5年復合增長率高達23.5%。目前國內(nèi)IGBT供需差距巨大，國產(chǎn)量僅為市場銷量的七分之一。
2018 年國內(nèi)市場 IGBT 模塊需求量為7898萬只，但是國內(nèi)產(chǎn)量只有1115萬只，供需缺口巨大。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，IGBT整體市場規(guī)模會保持每年10%以上的增長速度，主要受益于新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。但是國產(chǎn)IGBT的增長速度會遠高于此，以上市公司斯達半導體為例，2016年至2018年，連續(xù)保持45%以上的增長率。國內(nèi)諸多公司以IGBT為主營業(yè)務的公司實現(xiàn)了高速增長。
尤其在經(jīng)過貿(mào)易戰(zhàn)的洗禮后，越來越多的下游廠商主動開始嘗試接受國產(chǎn)IGBT，這就給了國產(chǎn)IGBT更多的試錯機會，從而促進了國產(chǎn)IGBT的技術迭代，讓國產(chǎn)IGBT進入了一個良性的迭代循環(huán)的過程。IGBT的國產(chǎn)替代已經(jīng)進入了高速增長期，越來越多的中小型客戶已經(jīng)完成了高比例的國產(chǎn)化，在工業(yè)領域以及部分細分領域，國產(chǎn)化率已經(jīng)達到50%以上。
雖然新能源汽車的需求潛力巨大，但在這個領域，普通IGBT企業(yè)想要分一杯羹并不容易。當下，國產(chǎn)IGBT進入的主要領域還是工業(yè)領域，這個領域?qū)a(chǎn)IGBT的接受度已經(jīng)非常高。變頻白色家電也具有廣闊市場前景，以空調(diào)為例，按照國家政策，2020年停止生產(chǎn)非變頻空調(diào)，2021年停止銷售非變頻空調(diào)。而目前變頻空調(diào)的市場占比只有50%，這就意味著未來短短半年的時間內(nèi)變頻空調(diào)要增產(chǎn)一倍。而變頻空調(diào)的核心器件就是IGBT為核心的IPM模塊，變頻空調(diào)的壓縮機、內(nèi)機風扇、外機風扇均需IPM來實現(xiàn)變頻控制。

國內(nèi)IGBT軍團崛起

IGBT是事關國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎性產(chǎn)品，如此重要的IGBT，長期以來我國卻不得不面對依賴進口的尷尬局面，市場主要被英飛凌、三菱、富士電機為首的國際巨頭壟斷。自2005年開始，大量海外IGBT人才紛紛歸國投入國產(chǎn)IGBT芯片和模塊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是以美國國際整流器公司（IR）回國人員最多。
從IR歸國主要從事芯片開發(fā)的專家有斯達半導湯藝博士、達新半導體陳智勇博士、陸芯科技張杰博士等，以上幾家公司都已成為以自產(chǎn)IGBT芯片為主的產(chǎn)品公司。另外IR歸國從事模塊開發(fā)的專家還有銀茂微電子莊偉東博士。中科院微電子所較早涉足IGBT行業(yè)，主要由無錫中科君芯承擔IGBT研發(fā)工作，中科君芯的研發(fā)團隊先后有微電子所、IR、日本電裝、成電等技術團隊的加入。
斯達半導作為國內(nèi)IGBT行業(yè)的領軍企業(yè)，成立于2005年，于2020年2月4日在上交所主板成功上市。公司自主研發(fā)設計的IGBT芯片和快恢復二極管芯片是公司的核心競爭力之一。據(jù)IHSMarkit報告數(shù)據(jù)顯示，在2018年度IGBT模塊供應商全球市場份額排名中，斯達半導排名第8位，在中國企業(yè)中排名第1位，成為世界排名前十中唯一一家中國企業(yè)。其中斯達半導自主研發(fā)的第二代芯片（國際第六代芯片F(xiàn)S-Trench）已實現(xiàn)量產(chǎn)，成功打破了國外企業(yè)常年對IGBT芯片的壟斷。
成立于2013年的寧波達新，主要從事IGBT、MOSFET、FRD等功率半導體芯片與器件的設計、制造和銷售。公司在8寸及6寸晶圓制造平臺成功開發(fā)600V-3300V IGBT芯片產(chǎn)品，芯片電流等級涵蓋10A～200A。采用自主IGBT芯片，達新推出了系列化的滿足工業(yè)應用、消費電子、新能源的IGBT模塊，模塊電壓涵蓋600V～1700V，電流等級涵蓋10A ～ 800A。
上海陸芯電子科技聚焦于功率半導體（IGBT、SJMOS & SiC）的設計和應用，包括芯片、單管和模塊。具有以下優(yōu)勢：通過優(yōu)化耐壓終端環(huán)，實現(xiàn)IGBT高阻斷電壓，有效減少芯片面積，達到工業(yè)級和汽車級可靠性標準；通過控制少子壽命，優(yōu)化飽和壓降和開關速度；實現(xiàn)安全操作區(qū)（SOA）和短路電流安全操作區(qū)域SCSOA性能最優(yōu)；改善IGBT有源區(qū)元胞設計可靠性，抑制IGBT的閂鎖效應；調(diào)節(jié)背面減薄、注入、退火、背金等工藝；實現(xiàn)60um~180um晶圓厚度的大規(guī)模量產(chǎn)。
南京銀茂微電子（SilverMicro）成立于2007年，專注于工業(yè)和其他應用的功率IGBT和MOSFET模塊產(chǎn)品的設計和制造。通過采用現(xiàn)代化的設備來處理和表征高達3.3kV的電源模塊，南京銀茂微已經(jīng)建立了先進的電源模塊制造能力，還能夠執(zhí)行電源模塊鑒定測試。產(chǎn)品已廣泛用于工業(yè)逆變器，焊接機，UPS，電源和新能源應用。
江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發(fā)的中外合資高科技企業(yè)，成立于2011年底。君芯科技是國內(nèi)率先開發(fā)出溝槽柵場截止型（Trench FS）技術并真正實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)。公司推出的IGBT芯片、單管和模塊產(chǎn)品從600V至6500V，覆蓋了目前主要電壓段及電流段，已批量應用于感應加熱、逆變焊機、工業(yè)變頻、新能源等領域。君芯科技獨創(chuàng)的DCS技術將應用于最新的汽車級IGBT芯片中。
隨著行業(yè)景氣度逐漸好轉和政策的推動，亦有不少新進入者搶奪市場。據(jù)集邦咨詢分析，目前市場新入者主要有三類，一是向IGBT等高端產(chǎn)品擴展業(yè)務的功率半導體企業(yè)，如揚杰科技、華微電子等；二是出于為滿足自身需求及出于供應鏈安全考慮向上游涉足的，如中車時代和比亞迪等；三是看好市場而進場的新公司，如瑞能半導體、廣東芯聚能以及富能半導體等。
在IGBT方面揚杰科技于2018年3月控股了一條位于宜興的6英寸晶圓線，目前該生產(chǎn)線已經(jīng)量產(chǎn)IGBT芯片，主要應用于電磁爐等小家電領域。另外揚杰科技也在積極推進IGBT新模塊產(chǎn)品的研發(fā)進程，50A/75A/100A-1200V半橋規(guī)格的IGBT開發(fā)成功。此外公司也積極規(guī)劃8英寸線建設，儲備8英寸線晶圓和IGBT技術人才。
老牌功率半導體器件廠商吉林華微電子于2019年4月，發(fā)布配股說明書，擬募投建設 8 英寸生產(chǎn)線項目。此次募投項目的主要產(chǎn)品技術先進，達到了英飛凌、ABB 等廠家的水平。華微電子于2001年上市，為國內(nèi)功率半導體器件領域首家上市公司。目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品種類基本覆蓋功率半導體器件全部范圍。公司的IGBT薄片工藝、Trench工藝、壽命控制和終端設計技術等國內(nèi)領先，達到國際同行業(yè)先進水平。
在IDM模式廠商中，中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績。
株洲中車時代半導體有限公司（簡稱：中車時代半導體）作為中車時代電氣股份有限公司下屬全資子公司，全面負責公司半導體產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。從1964年開始投入功率半導體技術的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，2008年戰(zhàn)略并購英國丹尼克斯公司，目前已成為國際少數(shù)同時掌握大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件技術的IDM（集成設計制造）模式企業(yè)代表，擁有芯片—模塊—裝置—系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈。
中車時代半導體擁有國內(nèi)首條、全球第二條8英寸IGBT芯片線，全系列高可靠性IGBT產(chǎn)品已全面解決軌道交通核心器件受制于人的局面，基本解決了特高壓輸電工程關鍵器件國產(chǎn)化的問題，并正在解決我國新能源汽車核心器件自主化的問題。
比亞迪是在2005年進入IGBT產(chǎn)業(yè)，于2009年推出首款車規(guī)級IGBT 1.0技術，打破了國際廠商壟斷，實現(xiàn)了我國在車用IGBT芯片技術上零的突破。2018年其推出的IGBT 4.0產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關鍵指標上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品，且產(chǎn)能已達5萬片，并實現(xiàn)了對外供應。公司也是中國唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企，包括IGBT芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測試以及整車測試。好消息是，據(jù)長沙晚報近日報道，長沙比亞迪IGBT項目日前已正式啟動建設，計劃建設集成電路制造生產(chǎn)線。
在IGBT新進玩家中，振華科技參股20%的成都森未科技有限公司是一家由清華大學和中國科學院博士團隊創(chuàng)立的高科技企業(yè)，公司成立于2017年，主要從事IGBT等功率半導體芯片及產(chǎn)品的設計、開發(fā)、銷售。森未科技IGBT芯片產(chǎn)品性能已可以對標英飛凌產(chǎn)品。公司主營產(chǎn)品電壓等級為600V-1700V，單顆芯片電流規(guī)格5A-200A，覆蓋工業(yè)控制、變頻家電、電動汽車、風電伺服驅(qū)動、光伏逆變器等領域。
據(jù)了解，出身于恩智浦功率產(chǎn)品線的瑞能半導體，也有意進入IGBT的賽道。其實瑞能也非常有做IGBT的優(yōu)勢，首先，瑞能是所有重要白電制造商的供應商，對市場應用及客戶需求有深刻的理解，產(chǎn)品未來會在性價比上有優(yōu)勢；再者，瑞能也是國內(nèi)唯一家分銷網(wǎng)絡遍布全球的中國功率半導體公司；最后，瑞能有著50多年的功率器件技術積累，IGBT最講究可靠性，依托瑞能南昌國家級可靠性及失效分析實驗室，未來會形成在質(zhì)量可靠性的競爭優(yōu)勢。
成立于2018年11月的廣東芯聚能半導體，也看重了IGBT這個市場。芯聚能半導體于2019年9月20日在廣州南沙舉行了奠基儀式，項目總投資達25億元。據(jù)了解，其項目第一階段將建設用于新能源汽車的IGBT和SiC功率器件與模塊生產(chǎn)基地，同時實現(xiàn)工業(yè)級功率器件規(guī)?；a(chǎn)。第二階段將面向新能源汽車和自動駕駛的汽車功率模塊、半導體器件和系統(tǒng)產(chǎn)品，延伸并形成從芯片到封裝、模塊的產(chǎn)業(yè)鏈聚集。
除了上述提到的企業(yè)，國內(nèi)的IGBT在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。
國內(nèi)的IGBT整個產(chǎn)業(yè)鏈梳理（制表：半導體行業(yè)觀察）

IGBT產(chǎn)業(yè)鏈配套還不足，與國外差距明顯

目前中國IGBT行業(yè)已經(jīng)能夠具備一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力，但國內(nèi)IGBT技術在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等環(huán)節(jié)目前均處于起步階段。晶圓制造、背板減薄和封裝工藝是IGBT制造技術的主要難點，在這些方面我們與國外企業(yè)差距較為明顯。
目前IGBT發(fā)展面臨的最大問題是上游對IGBT的技術和產(chǎn)能支持的不足，且下游對國產(chǎn)IGBT的信任度不高。而且國內(nèi)IGBT企業(yè)規(guī)模偏小，投入也不足。
IGBT從業(yè)人士表示，目前國內(nèi)IGBT主要受制于晶圓生產(chǎn)的瓶頸，首先是沒有專業(yè)的代工廠進行IGBT的代工，原8寸溝槽IGBT產(chǎn)品主要在華虹代工，但是IGBT并非華虹主營業(yè)務，產(chǎn)品配額極其匱乏，且價格偏高。但是隨著中芯國際紹興工廠和青島芯恩半導體的晶圓廠的落成，相信這個局面會有很大改觀。
其次，與國外廠商相比，國內(nèi)公司在大尺寸晶圓生產(chǎn)商工藝仍落后于全球龍頭，晶圓越大，單片晶圓產(chǎn)出的芯片就越多，在制造加工流程相同的條件下，單位芯片的制造成本會更低。目前，IGBT 產(chǎn)品最具競爭力的生產(chǎn)線是8英寸和12英寸，最為領先的廠商是英飛凌，國內(nèi)晶圓生產(chǎn)企業(yè)此前絕大部分還停留在6英寸產(chǎn)品的階段。目前國內(nèi)實現(xiàn)8英寸產(chǎn)品量產(chǎn)的有比亞迪、株洲中車時代、上海先進、華虹宏力、士蘭微，并且士蘭微12寸晶圓產(chǎn)線預計2020年底量產(chǎn)。
IGBT對背面工藝和減薄工藝技術要求高。其中背面工藝中的退火激活難度極大；在減薄工藝上，我國還相對落后，目前國內(nèi)普遍可以將晶圓減薄到175μm，2018年12月份比亞迪公布能將晶圓減薄到120μm。而英飛凌制造的IGBT芯片最低可減薄到40um。在同尺寸產(chǎn)線橫向比較上，國內(nèi)的晶圓產(chǎn)線良率與國際龍頭相比還存在一定差距。
除了晶圓生產(chǎn)方面，在封裝方面也存在制約。車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達20℃，同時還要考慮強振動條件。因此封裝要求遠高于工業(yè)級別。而IGBT封裝的主要目的是散熱，其關鍵是材料。在IGBT封裝材料方面，日本在全球遙遙領先，德國和美國處于跟隨態(tài)勢，我國的材料科學則相對落后。
所以，可以看出，IGBT是一個對產(chǎn)線工藝細節(jié)依賴性極強的公司，以英飛凌自己報告為例，同樣的設計，在6寸和8寸晶圓生產(chǎn)線上產(chǎn)出的產(chǎn)品性能差異極大，同樣兩條8寸晶圓生產(chǎn)線上產(chǎn)出的產(chǎn)品同樣性能差異極大。這就意味著設計公司不能跳出代工廠的支持獨立存在。所以，最好的路線就是IDM，這也是IGBT企業(yè)走向大而強的必經(jīng)之路。

SiC是新的挑戰(zhàn)者？

對于IGBT的發(fā)展，業(yè)界一直有個隱憂，隨著IGBT漸逼硅材料的性能極限，第三代半導體材料 SiC 被看作是IGBT在未來電動車的新挑戰(zhàn)者。業(yè)內(nèi)人士分析到，“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年，優(yōu)點突出，缺點同樣突出。IGBT更像一個持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重擔?！?/span>
SiC具有更高的效率，可以工作在更高的頻率、更高的溫度下。但是他的高價格、低可靠性、低魯棒性等諸多問題難以在短時間內(nèi)全部解決。IGBT在大部分大功率應用場景下具有更高的性價比和成熟度。當然SiC有其獨特之處，在很多對效率有極高的需求或者對電能質(zhì)量有極高的需求的應用場景中他廣闊的應用前景。SiC能將新能源車的效率再提高10%，這是新能源車提高效率最有效的技術。
所以，還是那句話，當下我們還離不開IGBT！總體來看，我國在IGBT領域已基本解決了0到1的問題，未來需要經(jīng)歷的或者說正在經(jīng)歷的是1到100的漫長過程。國產(chǎn)IGBT廠商只需埋頭苦干，不斷提高性能和品質(zhì)，未來可期！