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功率半导体IGBT的高光时刻

2023/03/24
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半导体行业景气度正下行,半导体产品品类普遍面临客户砍单和产品价格下调压力。但在这样的行业背景下,近日市场却传出功率半导体器件IGBT电动车和太阳能的需求驱动下,出现供不应求、价格高涨,甚至根本买不到的局面。

作为罕见逃过当前半导体下行周期的样本,IGBT器件在市场端受热捧的原因何在?国内企业在该领域又有哪些机遇呢?本文将探讨。

IGBT器件供不应求

市场疯传IGBT供不应求,具体来看,缺的是哪种IGBT产品呢?

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由MOSFET (绝缘栅型场效应管)、BJT(双极型晶体管)组成的复合全控型功率半导体,兼具MOS输入阻扛高、BJT导通电压低的两大优势,驱动功率小且饱和电压低,适用于高压、大电流领域,是电力电子装置的 CPU

从产品类型来看,IGBT 可分为IGBT 单管、IPM模块IGBT模块三种,三者的市场占比约为23%、22%、55%。近年来,随着大功率需求的增加,IGBT模块的应用呈现快速上升的态势。

从应用来看,IGBT 单管主要应用于小功率家用电器、分部式光伏逆变器、小功率变频器,制造工艺为环氧注塑工艺。IPM 模块应用于白色家电中的变频空调、变频洗衣机,制造工艺为环氧注塑工艺。而IGBT模块应用于大功率变频器、电焊机、新能源车、集中式光伏等领域,制造工艺为灌胶工艺。

综合以上信息来看,当前紧缺的IGBT产品主要是可应用于大功率领域的IGBT模块,其主要是由多个IGBT芯片并联集成封装在一起的模块,在IGBT中也属于市占最大的产品分类。

到底有多缺呢?全球知名元器件分销商富昌电子最新公布了2023年半导体产品Q1货期,当前英飞凌、IXYS、安森美、ST等主流功率器件原厂的IGBT产品及其相关配件交期均较长——在50周左右徘徊,最高达54周,超过一年,MOSFET的交期也类似,货期处于长周期区域,与前两年缺芯时期表现基本一致。(分立器件在去年的详细货期可参照芯师爷以往文章《最新货期一览!芯片货期缩短下的隐忧》)

资料来源:富昌电子(以上货期更新日期为2023年2月17日);制图:芯师爷

产业链消息也验证了IGBT的供不应求。据台媒近日报道,ICBT缺货行情下,中国台湾二极管厂商二极体厂强茂、代工厂茂矽与汉磊身价也跟着水涨船高。其中,汉磊掌握IGBT龙头德商英飞凌大单,近日传出调涨10%代工报价,强茂也积极自研IGBT器件,抢占光伏太阳能应用。在更早之前的2022年底,部分IDM厂公开表态,IGBT的订单一路接满至2023年,虽难排除有部分客户可能是超额下单,但IGBT器件的行情高涨趋势基本已确定。需求方中,中国台湾太阳能电池制造厂商茂迪董事长叶正贤也在近日台媒受访中直言:“涨价抢货已不是新鲜事,不是价格多高的问题,而是根本买不到。”

逃过下行周期原因何在

在产业下行周期中,IGBT作为近期鲜见供不应求且价格调涨的半导体品类,主因是供不应求。

IGBT器件近年在新能源产业发展的驱动下迎来了罕见的应用高峰,尤其是在新能源汽车和光伏领域。

新能源汽车市场是 IGBT 的最大增量市场,新能源汽车产量和IGBT用量的增加,双双提升了IGBT应用量。中汽协数据显示,2022年我国新能汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆,同比分别增长96.9%和93.4%,预计2023年我国新能源汽车销量将达900万辆。

IGBT 主要应用在新能源车的电机控制系统、热管理系统、车载充电机,在主逆变器中 IGBT 将高压电池的直流电转换为驱动三相电机交流电,在车载充电机中 IGBT 将 220V 交流电转换为直流电并为高压电池充电,在 DC-DC 变换器中 IGBT 将高压电池输出的高电压转化成低电压后供汽车低压供电网络使用;此外,IGBT也广泛应用在PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中,完成小功率 DC-AC 转换。国金证券相关报告指出,截至2022年5月底,新能源汽车单车IGBT 价值量维持在1700 元,未来随着新能源汽车电控模块的增加,这一价值还将继续提升。预计2025年全球新能源汽车 IGBT 市场规模达383亿元、2020~2025年CAGR达 48%。

光伏是IGBT的第二大增量市场。中国光伏行业协会数据显示,2022年我国光伏新增装机87.41GW,同比增长59.3%,2023年预计将持续增长。IGBT 是光伏逆变器、储能逆变器的核心器件,集中式光伏主要采用IGBT 模块,分部式光伏主要采用 IGBT 单管或模块。光伏行业的蓬勃发展也带动了IGBT的大量出货。

新能源汽车和光伏行业两大驱动力分别以超过90%和59%的同比增长率快速增长,但在供应端,IGBT并没有迎来相应的产能爆发。

一方面,IGBT产品大多采用成熟制程,一般是规划在8英寸产线生产。由于前几年晶圆代工厂调整产线,8英寸制程的产能不断下滑,部分设备大厂甚至已不再生产8英寸晶圆所需的相关设备,设备紧缺导致8英寸产能持续紧缺,这一点在持续近两年的缺芯潮中有明显的体现。

另一方面,IGBT在功率半导体中属于高技术门槛品类,所以即便是在技术迭代较慢的基础上,IGBT的市场竞争也并不很充分,且客户在导入新的IGBT产品时还需要较长的周期认证,这导致新入局的产能并不能及时充分满足市场需求。

一边是IGBT的需求端持续高涨,而另一边IGBT的产能却未能及时提升,供需失调由此而来。

IGBT国产化有望加速

IGBT的缺货潮困扰市场,却为国内半导体企业带来了新的机遇。

全球IGBT的供应市场中,英飞凌多年来稳居供应商名单榜首,2020年IGBT在全球市占率超过30%,安森美、意法半导体、三菱电机、东芝位居其后,前五格局稳定,CR5接近50%。而中国功率半导体器件厂商斯达半导体和士兰微虽然进入前十,但市占率合计不及10%。

IGBT产品厂商市占率 图源:头豹研究院

到了2021年,中国功率半导体企业的市场进展加速,业绩同比增长开始与海外大厂拉开距离,其中与海外大厂基数较大,增长率难以快速提升有关,但国产IGBT的增长速度之快仍是市场的一抹亮色。2021年英飞凌功率半导体业务收入同增 20%,同期,国内上市公司斯达半导体 IGBT 收入同增75%,士兰微IGBT 业务收入实现翻倍增长,比亚迪半导功率半导体收入同增152%,中车时代功率半导体收入同增33%,新洁能IGBT收入同增529%。

这是海外大厂对IGBT扩产态度较为保守,不能及时满足市场需求,令国内企业“有机可乘”使然,同时也是国家政策引导的结果。

2021年,我国发布了《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。纲要明确要求,集中优势资源攻关关键元器件零部件和基础材料等行业,重点指出需要攻关IGBT和碳化硅、氮化镓宽禁带半导体的发展。

多重因素影响下,国金证券在2022年有报告指出,2022年,我国IGBT国产化率快速攀升,有望达到37%。市场的快速进展增强了国内市场对国产IGBT产品的信心,不过高光之下仍有阴影。

首先,在产品表现力上,我国IGBT厂商与海外大厂仍有一定的距离。IGBT芯片由于其工作在大电流、高电压、高频率的环境下,对芯片的可靠性要求较高,国内产品的性能参数在具体的应用中与海外大厂产品有所差距。由于IGBT器件认证周期长,先发的企业在获得客户信任上也有优势。

其次,功率半导体板块对制造工艺的要求也比较高,国内IGBT大厂们多为IDM企业,建立年限普遍较短,研发甚至是产线工人经验并不如海外大厂丰富,工艺提升是需要解决的问题之一。

最后,海外大厂得益于先发优势,建立了市占优势,在高营收的基础上,其投入的研发费用和产线投资会比国内更高,这有利于他们进一步建立技术和产品的护城河。

未来国内厂商想在IGBT领域与海外大厂一争高低,需要克服的挑战还不少。不过当前为之付出努力并获得一定成绩的企业也不少,芯师爷不完全统计附录如下。

斯达半导

嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月,专业从事以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发、生产及销售服务,是目前国内功率半导体器件领域的领军企业。根据Omdia最新报告,2020年在全球IGBT模块市场排名第六,是唯一一家名列全球前十的中国企业。

公司主要产品为功率半导体元器件,包括IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC等等。公司成功研发出了全系列IGBT芯片、FRD芯片和IGBT模块,实现了进口替代。其中IGBT模块产品超过600种,电压等级涵盖100V~3300V,电流等级涵盖10A~3600A。产品已被成功应用于新能源汽车、变频器、逆变焊机、UPS、光伏/风力发电、SVG、白色家电等领域。

比亚迪半导体

比亚迪半导体股份有限公司(简称:比亚迪半导体)是国内领先的高效、智能、集成新型半导体企业,主要从事功率半导体、智能控制IC、智能传感器、光电半导体、制造及服务,覆盖了对光、电、磁等信号的感应、处理及控制,产品市场应用前景广阔。公司以车规级半导体为核心,产品已基本覆盖新能源汽车核心应用领域,同时也广泛应用于工业、家电、新能源、消费电子等应用领域。

公司功率半导体业务采用 IDM 模式,是国内新能源车 IGBT 模块龙头。公司于 2005 年组建 IGBT 团队,2007 年组建 IGBT 模块产线,2020 年公司作为全球首家、国内唯一实现 SiC 模块在电机驱动控制器中大批量装车。2021 年末公司功率半导体晶圆产能仅能配套新能源车 40 万辆。主要客户涵盖比亚迪、蓝海华腾、汇川技术、英威腾、宇通汽车等。

士兰微

士兰微成立于 1997 年,现已成为国内规模最大的集成电路芯片设计与制造一体(IDM)的企业之一。公司目前的产品和研发投入主要集中在以下三个领域:1)基于士兰芯片生产线高压、高功率、特殊工艺的集成电路、功率模块(IPM/PIM)、功率器件及(各类MCU/专用IC组成的)功率半导体方案;2)MEMS传感器产品、数字音视频和智能语音产品、通用ASIC电路;3)光电产品及LED芯片制造和封装(含内外彩屏和LED照明)。

时代电气

中车时代电气是中国中车旗下股份制企业。公司于2006年在香港联交所主板上市,2021年科创板上市,实现A+H股两地上市。功率半导体领域,公司建有6英寸双极器件、8英寸IGBT和6英寸碳化硅的产业化基地,拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。公司的产品包括:IGBT芯片、 IGBT模块、双极功率组件、晶闸管、IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC模块等。

华润微

微电子国内功率 IDM 大厂、MOSFET 龙头,公司成立于 1999 年,是集功率半导体分立器件设计研发、芯片加工、封装测试及产品营销为一体的高新技术企业,拥有多条功率半导体分立器件及IC 芯片生产线,主要生产功率半导体分立器件及 IC,应用于消费电子、节能照明、计算机、PC、汽车电子、通讯保护与工业控制等领域。

宏微科技

宏微科技成立于 2006 年,自成立以来一直专注于功率半导体芯片、单管和模块研发及应用,在 IGBT、FRED 芯片及模块方面进行了深入设计。公司主营业务系以 IGBT、FRED 为主的功率半导体芯片、单管、模块和电源模组的设计、研发、生产和销售。

新洁能

新洁能成立于2013年,目前已成长为国内8英寸及12英寸芯片投片数量最大的功率半导体公司之一。目前公司已经掌握MOSFET、IGBT等多款产品的研发核心技术。是国内同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、屏蔽栅功率MOSFET及IGBT四大产品平台的本土企业。

扬杰科技

扬州扬杰电子科技股份有限公司是国内少数集半导体分立器件芯片设计制造、器件封装测试、终端销售与服务等产业链垂直一体化(IDM)的杰出厂商。产品线含盖分立器件芯片、MOSFET、IGBT&功率模块、SiC、整流器件、保护器件、小信号等,为客户提供一揽子产品解决方案。

公司产品广泛应用于汽车电子、新能源、工控、电源、家电、照明、安防、网通、消费电子等多个领域。

东微半导

东微半导体成立于2008年,是一家以高性能功率器件研发与销售为主的技术驱动型半导体企业,产品专注于工业及汽车相关等中大功率应用领域,多运用于汽车相关应用的功率器件领域,尤其是新能源汽车充电桩及充电模块。

捷捷微电

捷捷微电子成立于1995年,主要从事功率半导体芯片和器件的研发、设计、生产和销售。公司产品包括单向可控硅双向可控硅、TVS、固体放电管整流二极管快恢复二极管、MOSFET等。

派瑞股份

西安派瑞功率半导体变流技术有限公司是西安电力电子技术研究所的全资子公司,成立于2010年。公司的主营产业是:功率半导体分立器件、电力电子变流装置以及功率半导体器件测试试验装备的设计、开发、生产和服务。

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