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?shí)現(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(yùn)行外，因其 能夠減少電能浪費(fèi)，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(chǎng) 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(hù)電 路等集成在同一芯片的集成電路，是系統(tǒng)信號(hào)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(shì)，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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。

IGBT 具有電導(dǎo)調(diào)制能力，相對(duì)于 MOSFET 和雙極晶體管具有較強(qiáng)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(dòng)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(diǎn)。
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(jìn)，產(chǎn)業(yè)性能逐代提升

歷時(shí)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(jí)：襯底從 PT 穿通，NPT 非穿通到 FS 場(chǎng) 截止，柵極從平面到 Trench 溝槽，最后到第七代的精細(xì) Trench 溝槽。 隨著技術(shù)的升級(jí)，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)功耗、關(guān)斷時(shí)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(jìn)
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(chǎng)空間

低壓 IGBT 多用于消費(fèi)、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(jí)劃分，超低壓 （400-500V）IGBT 主要應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，低壓（600-1350V）IGBT 多應(yīng)用于電動(dòng)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(jì)算機(jī)、消費(fèi)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(chǎng)規(guī)模：2022年全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到57億美元

2017-2022 年全球 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模 CAGR 達(dá) 7.04%，中國(guó)市場(chǎng)主要應(yīng) 用包括新能源汽車、工控、消費(fèi)電子。受益于工業(yè)控制及電源行業(yè)市場(chǎng)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(guó) IGBT 市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 2022 年全球 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近 57 億美元，2017-2022 年 CAGR 達(dá)到 7.04%。 從下游應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模占比來看，2020 年中國(guó) IGBT 市場(chǎng)應(yīng)用以新能源 汽車、工業(yè)控制及消費(fèi)電子類為主，占比分別為 30%、27%及 22%。
圖表10. 全球 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）
圖表11. 2020 年中國(guó) IGBT 市場(chǎng)下游應(yīng)用占比

市場(chǎng)格局：海外大廠占據(jù)主要市場(chǎng)，中國(guó)企業(yè)追趕空間大

IGBT 市場(chǎng)英飛凌市占率全面領(lǐng)先，2020 年斯達(dá)半導(dǎo)躋身 IGBT 模塊 市場(chǎng)前六。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2020 年 IGBT 分立器件市場(chǎng)及 IGBT 模塊市 場(chǎng)規(guī)模前三的企業(yè)均為英飛凌、富士電機(jī)及三菱。其中英飛凌 IGBT 市場(chǎng) 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(chǎng)中，中國(guó)企業(yè)士蘭微進(jìn)入全球前十，2020 年市 場(chǎng)份額為 2.6%；在 IGBT 模塊市場(chǎng)中，2020 年斯達(dá)半導(dǎo)躋身全球第六，市 場(chǎng)份額為 3.3%。
圖表12. 2020 年全球 IGBT 分立器件市場(chǎng)格局
圖表13. 2020年全球 IGBT 模塊市場(chǎng)格局

國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)公司布局情況

（1）中國(guó) IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈圖表15. 中國(guó) IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈①斯達(dá)半導(dǎo)：國(guó)內(nèi) IGBT 龍頭企業(yè)，全球 IGBT 模塊市占率第六嘉興斯達(dá)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(guó)家級(jí) 高新技術(shù)企業(yè)。公司在全球 IGBT 模塊市場(chǎng)市占率為 3.3%，全球排名第 六，國(guó)內(nèi)排名第一，是國(guó)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(shí)現(xiàn)營(yíng)收 11.97 億元，同比增長(zhǎng) 79.11%，歸母 凈利潤(rùn) 2.67 億元，同比增長(zhǎng) 98.71%。
圖表16. 斯達(dá)半導(dǎo)發(fā)展歷程 斯達(dá)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)?；b機(jī)應(yīng)用。 汽車級(jí) IGBT 模塊合計(jì)配套超過 20 萬輛新能源汽車；同時(shí)，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(chǎng)占有 率進(jìn)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(jí) 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(shí)代電氣

中車時(shí)代電氣是中國(guó)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(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)營(yíng)收 85.3 億元，同比下降 13.7%。歸母凈利 潤(rùn) 12.02 億元，同比下降 19.7%。
圖表18. 時(shí)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(duì)標(biāo)英飛凌。公司高壓 IGBT 產(chǎn)品大量應(yīng)用于我國(guó)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(zhǎng)安在內(nèi)的國(guó) 內(nèi)多家龍頭汽車整車廠送樣測(cè)試驗(yàn)證，未來看好公司車規(guī)級(jí) IGBT 發(fā)展。
圖表19. 時(shí)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(jìn)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(guó)內(nèi)規(guī)模最大的集成電路芯片設(shè)計(jì)與制造一體（IDM）的企業(yè)之 一。公司被國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部等國(guó)家部委認(rèn)定為 “國(guó)家規(guī)劃布局內(nèi)重點(diǎn)軟件和集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)”，且陸續(xù)承擔(dān)了國(guó)家科技 重大專項(xiàng)“01 專項(xiàng)”和“02 專項(xiàng)”多個(gè)科研專項(xiàng)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(jìn)化合物芯片生產(chǎn)線。產(chǎn)品方面，公司完成了國(guó)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(tái)。2020 年 MOSFET 市場(chǎng)公司排名全球第十，中國(guó)大陸第三，市占率 2.2%。IGBT 分立器件市場(chǎng)公司排名全球第十，中國(guó)大陸第一，市占率 2.6%。2021 年前三季度營(yíng)收 52.22 億元，同比增長(zhǎng) 76.18%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 7.28 億元，同比增長(zhǎng) 1543.4% 。
圖表20. 士蘭微發(fā)展歷程④華潤(rùn)微：國(guó)內(nèi)功率 IDM 龍頭，積極布局第三代半導(dǎo)體 華潤(rùn)微成立于 2003 年，自 2004 年起連續(xù)被工信部評(píng)為中國(guó)電子信息 百?gòu)?qiáng)企業(yè)。公司是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的掌握芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)一體化運(yùn)營(yíng)能力 的 IDM 企業(yè)。 主營(yíng)產(chǎn)品包括MOSFET 、IGBT 、FRD 、SBD等功率器件。在MOSFET領(lǐng)域中，公司是國(guó)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(shí)，公司成功研發(fā)1200V和650VSiC肖特基二極管產(chǎn)品。此外，公司國(guó)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(chǎng)公司排名全球第八，中國(guó)大陸第一，市占率達(dá)到3.9%。 2021年前三季度營(yíng)收69.28億元，同比增長(zhǎng)41.70%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)16.84億元，同比增長(zhǎng)145.20% 。
圖表21. 華潤(rùn)微發(fā)展歷程⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)龍頭技術(shù)高端 化優(yōu)勢(shì)明顯 新潔能成立于 2013 年，目前已成長(zhǎng)為國(guó)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(guó)半導(dǎo)體功率器 件十強(qiáng)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(guó)內(nèi)最早同時(shí)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(tái) 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(guó)內(nèi) MOSFET、IGBT 等半導(dǎo)體功率器件市 場(chǎng)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(yíng)收 10.99 億元，同比增長(zhǎng) 65%，歸母凈利潤(rùn) 3.11 億元，同比增長(zhǎng) 208%。
圖表22. 新潔能發(fā)展歷程⑥揚(yáng)杰科技：產(chǎn)品高端化布局開啟第二成長(zhǎng)曲線 揚(yáng)州揚(yáng)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(guó)內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計(jì)制造、封裝測(cè) 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(guó)半導(dǎo)體功率器件十強(qiáng)企業(yè)"前三強(qiáng)。 公司主營(yíng)產(chǎn)品為包括分立器件芯片、整流器件、保護(hù)器件、小信號(hào)、MOSFET、IGBT 等。其中二極管、整流橋類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費(fèi)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(duì)應(yīng)模塊開始風(fēng)險(xiǎn) 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(kuò)充產(chǎn)品品類。公司 2021 年前三季度公司營(yíng)收 32.41 億元，同比增長(zhǎng) 75.76%，歸母 凈利潤(rùn) 5.65 億元，同比增長(zhǎng) 115.17%。
圖表23. 揚(yáng)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(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體 聞泰科技于 2006 年創(chuàng)立，2008 年主營(yíng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)為 ODM，2016 年借殼中茵股份“曲線上市”。2018 年收購(gòu)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(jì)、晶圓制造、半導(dǎo)體封裝測(cè)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(dá)到 8.4%，其中在小信號(hào)二極管和晶體管、ESD 保護(hù)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(hào) MOSFET 排名第三。 2021 年前三季度公司營(yíng)業(yè)收入 386.5 億元，同比增長(zhǎng) 0.8%。歸母凈利 潤(rùn) 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(gòu)安世半導(dǎo)體后，經(jīng)營(yíng)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(yuǎn)期布局，同時(shí)打造半導(dǎo)體 與產(chǎn)品集成業(yè)務(wù)創(chuàng)新互動(dòng)的協(xié)同格局，業(yè)績(jī)實(shí)現(xiàn)放量增長(zhǎng)。2020 年公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收 98.92 億元，同比增長(zhǎng) 522%，營(yíng)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(duì)英國(guó) NEWPORT 廠的收購(gòu)，月產(chǎn)能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時(shí)，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設(shè)進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)明年三季度投片，年產(chǎn)能達(dá)40萬片12寸晶圓。產(chǎn)品方面，公司目前超100V的MOSFET 料號(hào)數(shù)超過100種，IGBT 第一批料號(hào)目前也已進(jìn)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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