功率半導體器件IGBT及新材料工藝技術發展

功率半導體：電子裝置電能轉換與電路控制的核心

功率半導體是電子裝置電能轉換與電路控制的核心。功率半導體是一 種廣泛用于電力電子裝置和電能轉換和控制電路的半導體元件，可通過半 導體的單向導電性實現電源開關和電力轉換的功能。 功率半導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，功率半導體還能起到節能、省電的作用。
圖表1. 功率半導體原理
圖表2. 功率半導體功能

功率半導體=功率器件＋功率IC

功率半導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 規模最大，常見的晶體管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（雙極結型晶體 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，是系統信號處理部分和執行部分的橋梁。
圖表3. 功率半導體產品范圍示意圖

IGBT:電力電子行業的“CPU”

兼具 MOSFET 及 BJT 兩類器件優勢，IGBT 被稱為電力電子行業的 “CPU”。IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。

IGBT 具有電導調制能力，相對于 MOSFET 和雙極晶體管具有較強的 正向電流傳導密度和低通態壓降，因此兼具有 MOSFET 的高輸入阻抗 MOSFET 器件驅動功率小、開關速度快、BJT 器件飽和壓降低、電流密度 高和 GTR 的低導通壓降的優點。
圖表4：3種類型英飛凌 IGBT 結構示意圖
圖表 5. IGBT 結構圖

IGBT發展史：歷代七代技術演進，產業性能逐代提升

歷時超 30 年，IGBT 已經發展至第七代，各方面性能不斷優化。目前 為止，IGBT 芯片經歷了七代升級：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。 隨著技術的升級，芯片面積、工藝線寬、通態功耗、關斷時間、開關 功耗均不斷減小，斷態電壓由第一代的600V升至第七代7000V。
圖表 6. IGBT 技術演進
圖表 7. IGBT 芯片技術發展

下游應用：新能源汽車、軌交等新興領域打開市場空間

低壓 IGBT 多用于消費、汽車、家電領域，中高壓 IGBT 多用于軌 交、智能電網領域。IGBT 下游應用領域廣泛，按電壓等級劃分，超低壓 （400-500V）IGBT 主要應用于消費電子領域，低壓（600-1350V）IGBT 多應用于電動汽車、新能源、智能家電領域，中壓（1400-2500V）IGBT 多應用于軌道交通、新能源發電領域，高壓（2500-6500V）IGBT 多應用 于軌道牽引、智能電網領域。目前，IGBT 作為新型功率半導體器件的主流器件，其應用領域包含 工業、 4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）等傳統產業領域，以 及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。
圖表8. IGBT的主要應用領域圖表9. IGBT 芯片技術發展

市場規模：2022年全球IGBT市場規模有望達到57億美元

2017-2022 年全球 IGBT 市場規模 CAGR 達 7.04%，中國市場主要應 用包括新能源汽車、工控、消費電子。受益于工業控制及電源行業市場的 逐步回暖，以及下游的變頻家電、新能源汽車等領域的迅速發展，全球及 中國 IGBT 市場規模持續增長。根據 WSTS 數據，預計 2022 年全球 IGBT 市場規模將達到近 57 億美元，2017-2022 年 CAGR 達到 7.04%。 從下游應用領域規模占比來看，2020 年中國 IGBT 市場應用以新能源 汽車、工業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 市場規模（單位：億美元）
圖表11. 2020 年中國 IGBT 市場下游應用占比

市場格局：海外大廠占據主要市場，中國企業追趕空間大

IGBT 市場英飛凌市占率全面領先，2020 年斯達半導躋身 IGBT 模塊 市場前六。根據Omdia數據，2020 年 IGBT 分立器件市場及 IGBT 模塊市 場規模前三的企業均為英飛凌、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

國內外重點公司布局情況

（1）中國 IGBT 產業鏈圖表15. 中國 IGBT 產業鏈①斯達半導：國內 IGBT 龍頭企業，全球 IGBT 模塊市占率第六嘉興斯達半導體股份有限公司成立于 2005 年 4 月，主要從事功率半 導體芯片和模塊尤其是 IGBT 芯片和模塊研發、生產和銷售服務的國家級 高新技術企業。公司在全球 IGBT 模塊市場市占率為 3.3%，全球排名第 六，國內排名第一，是國內 IGBT 領軍企業。 公司的產品廣泛應用于工業控制和電源、可再生能源、新能源汽車、 白色家電等領域。 2021 年前三季度，公司實現營收 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. 斯達半導發展歷程 斯達半導在中高壓 IGBT 產品全面布局，定增加碼車規 SiC 芯片研發。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT 芯片及在新能源汽車行業使用 比率持續提升；1200V IGBT 芯片在 12 寸產線上開發成功并開始批量生產; 1700V IGBT 芯片及配套的快恢復二極管芯片在風力發電行業、高壓變頻 器行業規?；b機應用。 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，充電樁等領域的布局將助力公司在新能源汽車半導體市場占有 率進一步提高。 2021 年公司發布增發預案，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。未來，公司將持續加大在下一代IGBT芯片、車規級 SiC 芯片以及 3300V-6500V 高壓 IGBT 的研發力度。
圖表17.各類 IGBT 產品應用

②時代電氣

中車時代電氣是中國中車旗下股份制企業。公司于 2006 年在香港聯 交所主板上市，2021 年科創板上市，實現 A+H 股兩地上市。 功率半導體領域，公司建有 6 英寸雙極器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸 碳化硅的產業化基地，擁有芯片、模塊、組件及應用的全套自主技術。公 司全系列高可靠性 IGBT 產品打破了軌道交通核心器件和特高壓輸電工程 關鍵器件由國外企業壟斷的局面。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. 時代電氣發展歷程公司的產品包括 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 領域，公司產品 已從 650V 覆蓋至 6500V，在電壓范圍上可完美對標英飛凌。公司高壓 IGBT 產品大量應用于我國軌交核心器件領域；中低壓 IGBT 產品主要應用 于新能源汽車領域，目前公司最新一代產品已向包括一汽、長安在內的國 內多家龍頭汽車整車廠送樣測試驗證，未來看好公司車規級 IGBT 發展。
圖表19. 時代電氣功率產品應用③士蘭微：產能持續落地，產品高端化進程順利 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 發展成為國內規模最大的集成電路芯片設計與制造一體（IDM）的企業之 一。公司被國家發展和改革委員會、工業和信息化部等國家部委認定為 “國家規劃布局內重點軟件和集成電路設計企業”，且陸續承擔了國家科技 重大專項“01 專項”和“02 專項”多個科研專項課題。 公司主要產品包括集成電路、半導體分立器件、LED（發光二極管） 產品。公司擁有 5、6、8 英寸芯片生產線和正在建設的 12 英寸芯片生產 線和先進化合物芯片生產線。產品方面，公司完成了國內領先的高壓BCD、超薄片槽柵 IGBT、超結高壓 MOSFET、高密度溝槽柵 MOSFET、 快恢復二極管、 MEMS 傳感器等工藝的研發，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%；實現歸母凈利潤 7.28 億元，同比增長 1543.4% 。
圖表20. 士蘭微發展歷程④華潤微：國內功率 IDM 龍頭，積極布局第三代半導體 華潤微成立于 2003 年，自 2004 年起連續被工信部評為中國電子信息 百強企業。公司是國內領先的掌握芯片設計、制造、封測一體化運營能力 的 IDM 企業。 主營產品包括MOSFET 、IGBT 、FRD 、SBD等功率器件。在MOSFET領域中，公司是國內少數能夠提供100V至1500V范圍內低、中、高壓全系列 MOSFET產品的企業。同時，公司成功研發1200V和650VSiC肖特基二極管產品。此外，公司國內首條6英寸商用SiC 晶圓生產線正式量產。 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%；實現歸母凈利潤16.84億元，同比增長145.20% 。
圖表21. 華潤微發展歷程⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT 產品，設計龍頭技術高端 化優勢明顯 新潔能成立于 2013 年，目前已成長為國內 8 英寸及 12 英寸芯片投片 數量最大的功率半導體公司之一，公司連續四年名列“中國半導體功率器 件十強企業”。 目前公司已經掌握 MOSFET、IGBT 等多款產品的研發核心技術。是 國內最早同時擁有溝槽型功率 MOSFET、超結功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET 及 IGBT 四 大 產 品 平 臺 的 本 土 企 業 之 一 。產 品 電 壓 覆 蓋 12V~1700V 的全系列產品，是國內 MOSFET、IGBT 等半導體功率器件市 場占有率排名領先的企業。此外，公司在 SiC/GaN 第三代半導體器件亦有 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. 新潔能發展歷程⑥揚杰科技：產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。公司是國內少數集半導體分立器件芯片設計制造、封裝測 試、終端銷售與服務等產業鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。公司已連 續數年入圍"中國半導體功率器件十強企業"前三強。 公司主營產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、整流橋類產品在國內占據領先地位。產品廣泛應用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源、家電等領 域。IGBT：8 英寸工藝的 1200V Trench FS IGBT 芯片及對應模塊開始風險 量產，IGBT 高頻系列模塊、IGBT 變頻器系列模塊等也取得批量訂單。MOSFET ：公司持續優化提高 Trench MOSFET 和 SGT MOS 系列產品性 能，擴充產品品類。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. 揚杰科技發展歷程⑦聞泰科技：以半導體為核心，安世引領國產功率半導體 聞泰科技于 2006 年創立，2008 年主營業務轉型升級為 ODM，2016 年借殼中茵股份“曲線上市”。2018 年收購功率半導體 IDM 企業安世半 導體打通了產業鏈上下游從芯片設計、晶圓制造、半導體封裝測試全流 程，并擁有自建模具廠和完善的智能化生產線。 安世半導體是全球領先的功率半導體制造商。據安世數據顯示，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. 聞泰科技發展歷程業務方面，公司主要業務為通信（ODM）、半導體、光學模組業務。其中公司在收購安世半導體后，經營整合的協同效應逐步顯現。未來，公 司將以半導體業務為核心，完成產能、產品中遠期布局，同時打造半導體 與產品集成業務創新互動的協同格局，業績實現放量增長。2020 年公司半導體業務實現營收 98.92 億元，同比增長 522%，營收占比提升至 19%。 產能方面，公司在全球各地設有工廠，其中今年完成了對英國 NEWPORT 廠的收購，月產能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設進展順利，預計明年三季度投片，年產能達40萬片12寸晶圓。產品方面，公司目前超100V的MOSFET 料號數超過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&安世半導體產能

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