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IGBT的本土市场机遇
什么是IGBT呢?IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写,即绝缘栅双极型晶体管,是国际上公认的电力电子技能第三次革命最具代表性的产品,是工业掌握及自动化领域能源变换和传输的核心元器件。大略来说,IGBT可以理解为“非通即断”的开关,它可以将直流电压逆变成频率可调的互换电,紧张用于变频逆变和其他逆变电路,被称为是电力电子装置的“CPU”。
进入21世纪往后,环球能源日趋紧张,各国都在积极采取开源节流的办法掌握能源。由于IGBT在电能转换中扮演的主要角色,它能够为各种高电压和大电流运用供应更高的效率和节能效果,被广泛运用于工业掌握、新能源、变频家电等领域。特殊是在新能源汽车中,IGBT 模块占电动车整车本钱约5%旁边,是除电池之外本钱第二高的元件。根据IHS预测,环球汽车电动化用IGBT模块未来5年复合增长率高达23.5%。目前海内IGBT供需差距巨大,国产量仅为市场销量的七分之一。
2018 年海内市场 IGBT 模块需求量为7898万只,但是海内产量只有1115万只,供需缺口巨大。据业内人士透露,IGBT整体市场规模会保持每年10%以上的增长速率,紧张受益于新能源汽车行业的发展。但是国产IGBT的增长速率会远高于此,以上市公司斯达半导体为例,2016年至2018年,连续保持45%以上的增长率。海内诸多公司以IGBT为主营业务的公司实现了高速增长。
尤其在经由贸易战的洗礼后,越来越多的下贱厂商主动开始考试测验接管国产IGBT,这就给了国产IGBT更多的试错机会,从而促进了国产IGBT的技能迭代,让国产IGBT进入了一个良性的迭代循环的过程。IGBT的国产替代已经进入了高速增长期,越来越多的中小型客户已经完成了高比例的国产化,在工业领域以及部分细分领域,国产化率已经达到50%以上。
虽然新能源汽车的需求潜力巨大,但在这个领域,普通IGBT企业想要分一杯羹并不随意马虎。当下,国产IGBT进入的紧张领域还是工业领域,这个领域对国产IGBT的接管度已经非常高。变频白色家电也具有广阔市场前景,以空调为例,按照国家政策,2020年停滞生产非变频空调,2021年停滞发卖非变频空调。而目前变频空调的市场占比只有50%,这就意味着未来短短半年的韶光内变频空调要增产一倍。而变频空调的核心器件便是IGBT为核心的IPM模块,变频空调的压缩机、内机风扇、外机风扇均需IPM来实现变频掌握。
海内IGBT军团崛起
IGBT是事关国家经济发展的根本性产品,如此主要的IGBT,长期以来我国却不得不面对依赖入口的尴尬局势,市场紧张被英飞凌、三菱、富士电机为首的国际巨子垄断。自2005年开始,大量外洋IGBT人才纷纭归国投入国产IGBT芯片和模块家当的发展,尤其因此美国国际整流器公司(IR)返国职员最多。
从IR归国紧张从事芯片开拓的专家有斯达半导汤艺博士、达新半导体陈智勇博士、陆芯科技张杰博士等,以上几家公司都已成为以自产IGBT芯片为主的产品公司。其余IR归国从事模块开拓的专家还有银茂微电子庄伟东博士。中科院微电子所较早涉足IGBT行业,紧张由无锡中科君芯承担IGBT研发事情,中科君芯的研发团队先后有微电子所、IR、日本电装、成电等技能团队的加入。
斯达半导作为海内IGBT行业的领军企业,成立于2005年,于2020年2月4日在上交所主板成功上市。公司自主研发设计的IGBT芯片和快规复二极管芯片是公司的核心竞争力之一。据IHSMarkit报告数据显示,在2018年度IGBT模块供应商环球市场份额排名中,斯达半导排名第8位,在中国企业中排名第1位,成为天下排名前十中唯一一家中国企业。个中斯达半导自主研发的第二代芯片(国际第六代芯片FS-Trench)已实现量产,成功冲破了国外企业常年对IGBT芯片的垄断。
成立于2013年的宁波达新,紧张从事IGBT、MOSFET、FRD等功率半导体芯片与器件的设计、制造和发卖。公司在8寸及6寸晶圆制造平台成功开拓600V-3300V IGBT芯片产品,芯片电流等级涵盖10A~200A。采取自主IGBT芯片,达新推出了系列化的知足工业运用、消费电子、新能源的IGBT模块,模块电压涵盖600V~1700V,电流等级涵盖10A ~ 800A。
上海陆芯电子科技聚焦于功率半导体(IGBT、SJMOS & SiC)的设计和运用,包括芯片、单管和模块。具有以下上风:通过优化耐压终端环,实现IGBT高阻断电压,有效减少芯片面积,达到工业级和汽车级可靠性标准;通过掌握少子寿命,优化饱和压降和开关速率;实现安全操作区(SOA)和短路电流安全操作区域SCSOA性能最优;改进IGBT有源区元胞设计可靠性,抑制IGBT的闩锁效应;调节背面减薄、注入、退火、背金等工艺;实现60um~180um晶圆厚度的大规模量产。
南京银茂微电子(SilverMicro)成立于2007年,专注于工业和其他运用的功率IGBT和MOSFET模块产品的设计和制造。通过采取当代化的设备来处理和表征高达3.3kV的电源模块,南京银茂微已经建立了前辈的电源模块制造能力,还能够实行电源模块鉴定测试。产品已广泛用于工业逆变器,焊接机,UPS,电源和新能源运用。
江苏中科君芯科技有限公司是一家专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合伙高科技企业,成立于2011年底。君芯科技是海内率先开拓出沟槽栅场截止型(Trench FS)技能并真正实现量产的企业。公司推出的IGBT芯片、单管和模块产品从600V至6500V,覆盖了目前紧张电压段及电流段,已批量运用于感应加热、逆变焊机、工业变频、新能源等领域。君芯科技独创的DCS技能将运用于最新的汽车级IGBT芯片中。
随着行业景气度逐渐好转和政策的推动,亦有不少新进入者打劫市场。据集邦咨询剖析,目前市场新入者紧张有三类,一是向IGBT等高端产品扩展业务的功率半导体企业,如扬杰科技、华微电子等;二是出于为知足自身需求及出于供应链安全考虑向上游涉足的,如中车时期和比亚迪等;三是看好市场而进场的新公司,如瑞能半导体、广东芯聚能以及富能半导体等。
在IGBT方面扬杰科技于2018年3月控股了一条位于宜兴的6英寸晶圆线,目前该生产线已经量产IGBT芯片,紧张运用于电磁炉等小家电领域。其余扬杰科技也在积极推进IGBT新模块产品的研发进程,50A/75A/100A-1200V半桥规格的IGBT开拓成功。此外公司也积极方案8英寸线培植,储备8英寸线晶圆和IGBT技能人才。
老牌功率半导体器件厂商吉林华微电子于2019年4月,发布配股解释书,拟募投培植 8 英寸生产线项目。这次募投项目的紧张产品技能前辈,达到了英飞凌、ABB 等厂家的水平。华微电子于2001年上市,为海内功率半导体器件领域首家上市公司。目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等为营销主线的系列产品,产品种类基本覆盖功率半导体器件全部范围。公司的IGBT薄片工艺、Trench工艺、寿命掌握和终端设计技能等海内领先,达到国际同行业前辈水平。
在IDM模式厂商中,中国中车和比亚迪分别依赖高铁和新能源汽车取得了一定的成绩。
株洲中车时期半导体有限公司(简称:中车时期半导体)作为中车时期电气株式会社下属全资子公司,全面卖力公司半导体家当经营。从1964年开始投入功率半导体技能的研发与家当化,2008年计策并购英国丹尼克斯公司,目前已成为国际少数同时节制大功率晶闸管、IGCT、IGBT及SiC器件及其组件技能的IDM(集成设计制造)模式企业代表,拥有芯片—模块—装置—系统完百口当链。
中车时期半导体拥有海内首条、环球第二条8英寸IGBT芯片线,全系列高可靠性IGBT产品已全面办理轨道交通核心器件受制于人的局势,基本办理了特高压输电工程关键器件国产化的问题,并正在办理我国新能源汽车核心器件自主化的问题。
比亚迪是在2005年进入IGBT家当,于2009年推出首款车规级IGBT 1.0技能,冲破了国际厂商垄断,实现了我国在车用IGBT芯片技能上零的打破。2018年其推出的IGBT 4.0产品在电流输出、综合损耗及温度循环寿命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品,且产能已达5万片,并实现了对外供应。公司也是中国唯一一家拥有IGBT完百口当链的车企,包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分,还有仿真测试以及整车测试。好是,据长沙近日宣布,长沙比亚迪IGBT项目日前已正式启动培植,操持培植集成电路制造生产线。
在IGBT新进玩家中,振华科技参股20%的成都森未科技有限公司是一家由清华大学和中国科学院博士团队创立的高科技企业,公司成立于2017年,紧张从事IGBT等功率半导体芯片及产品的设计、开拓、发卖。森未科技IGBT芯片产品性能已可以对标英飞凌产品。公司主营产品电压等级为600V-1700V,单颗芯片电流规格5A-200A,覆盖工业掌握、变频家电、电动汽车、风电伺服驱动、光伏逆变器等领域。
据理解,出身于恩智浦功率产品线的瑞能半导体,也故意进入IGBT的赛道。实在瑞能也非常有做IGBT的上风,首先,瑞能是所有主要白电制造商的供应商,对市场运用及客户需求有深刻的理解,产品未来会在性价比上有上风;再者,瑞能也是海内唯一家分销网络遍布环球的中国功率半导体公司;末了,瑞能有着50多年的功率器件技能积累,IGBT最讲究可靠性,依托瑞能南昌国家级可靠性及失落效剖析实验室,未来会形成在质量可靠性的竞争上风。
成立于2018年11月的广东芯聚能半导体,也看重了IGBT这个市场。芯聚能半导体于2019年9月20日在广州南沙举行了奠基仪式,项目总投资达25亿元。据理解,其项目第一阶段将培植用于新能源汽车的IGBT和SiC功率器件与模块生产基地,同时实现工业级功率器件规模化生产。第二阶段将面向新能源汽车和自动驾驶的汽车功率模块、半导体器件和系统产品,延伸并形成从芯片到封装、模块的家当链聚拢。
除了上述提到的企业,海内的IGBT在芯片设计、晶圆制造、模块封装等全体家当链基本都已有布局。整体来看,中国IGBT家当链正逐步具备国产替代能力。
海内的IGBT全体家当链梳理(制表:半导体行业不雅观察)
IGBT家当链配套还不敷,与国外差距明显
目前中国IGBT行业已经能够具备一定的家当链协同能力,但海内IGBT技能在芯片设计、晶圆制造、模块封装等环节目前均处于起步阶段。晶圆制造、背板减薄和封装工艺是IGBT制造技能的紧张难点,在这些方面我们与国外企业差距较为明显。
目前IGBT发展面临的最大问题是上游对IGBT的技能和产能支持的不敷,且下贱对国产IGBT的信赖度不高。而且海内IGBT企业规模偏小,投入也不敷。
IGBT从业人士表示,目前海内IGBT紧张受制于晶圆生产的瓶颈,首先是没有专业的代工厂进行IGBT的代工,原8寸沟槽IGBT产品紧张在华虹代工,但是IGBT并非华虹主营业务,产品配额极其匮乏,且价格偏高。但是随着中芯国际绍兴工厂和青岛芯恩半导体的晶圆厂的落成,相信这个局势会有很大改不雅观。
其次,与国外厂商比较,海内公司在大尺寸晶圆生产商工艺仍掉队于环球龙头,晶圆越大,单片晶圆产出的芯片就越多,在制造加工流程相同的条件下,单位芯片的制造本钱会更低。目前,IGBT 产品最具竞争力的生产线是8英寸和12英寸,最为领先的厂商是英飞凌,海内晶圆生产企业此前绝大部分还勾留在6英寸产品的阶段。目前海内实现8英寸产品量产的有比亚迪、株洲中车时期、上海前辈、华虹宏力、士兰微,并且士兰微12寸晶圆产线估量2020年底量产。
IGBT对背面工艺和减薄工艺技能哀求高。个中背面工艺中的退火激活难度极大;在减薄工艺上,我国还相对掉队,目前海内普遍可以将晶圆减薄到175m,2018年12月份比亚迪公布能将晶圆减薄到120m。而英飞凌制造的IGBT芯片最低可减薄到40um。在同尺寸产线横向比较上,海内的晶圆产线良率与国际龙头比较还存在一定差距。
除了晶圆生产方面,在封装方面也存在制约。车用IGBT的散热效率哀求比工业级要高得多,逆变器内温度最高可达120℃,同时还要考虑强振动条件。因此封装哀求远高于工业级别。而IGBT封装的紧张目的是散热,其关键是材料。在IGBT封装材料方面,日本在环球遥遥领先,德国和美国处于跟随态势,我国的材料科学则相对掉队。
以是,可以看出,IGBT是一个对产线工艺细节依赖性极强的公司,以英飞凌自己报告为例,同样的设计,在6寸和8寸晶圆生产线上产出的产品性能差异极大,同样两条8寸晶圆生产线上产出的产品同样性能差异极大。这就意味着设计公司不能跳出代工厂的支持独立存在。以是,最好的路线便是IDM,这也是IGBT企业走向大而强的必经之路。
SiC是新的寻衅者?
对付IGBT的发展,业界一贯有个隐忧,随着IGBT渐逼硅材料的性能极限,第三代半导体材料 SiC 被看作是IGBT在未来电动车的新寻衅者。业内人士剖析到,“SiC就像一个聪明而又个性极强的少年,优点突出,缺陷同样突出。IGBT更像一个持重而成熟的青年,可以扛起功率器件的重担。”
SiC具有更高的效率,可以事情在更高的频率、更高的温度下。但是他的高价格、低可靠性、低鲁棒性等诸多问题难以在短韶光内全部办理。IGBT在大部分大功率运用处景下具有更高的性价比和成熟度。当然SiC有其独特之处,在很多对效率有极高的需求或者对电能质量有极高的需求的运用处景中他广阔的运用前景。SiC能将新能源车的效率再提高10%,这是新能源车提高效率最有效的技能。
以是,还是那句话,当下我们还离不开IGBT!
总体来看,我国在IGBT领域已基本办理了0到1的问题,未来须要经历的或者说正在经历的是1到100的漫上进程。国产IGBT厂商只需专一苦干,不断提高性能和品质,未来可期!
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