一篇文章看懂IGBT

2022-03-17 1162

1、什麼是IGBT？

IGBT的全名為絕緣柵雙極型電晶體，是一種複合結構元件。它結合了MOS電晶體和BJT雙極電晶體的優點。廣泛應用於電壓-電流轉換和功率輸出領域，特別是高電壓、大電流領域。 IGBT是人類控制和利用電力的核心半導體裝置之一。這種半導體裝置主要應用於電子功率轉換領域，我們統稱為功率半導體。最簡單的應用，例如我們的筆記型電腦，都配備了電源轉接器，就是IGBT，在升壓、降壓、AC/DC變化的過程中發揮作用。顯然，IGBT是功率半導體中最重要的成員。其功能是控制電能，是電能轉換和應用的核心晶片。

2、IGBT是客製化產品還是通用產品？
相較於其他晶片，IGBT 屬於標準產品。通常各公司官網都會發布 IGBT 產品的詳細介紹，並註明這款 IGBT 產品的各種參數，例如最大集電極電流 ICM、最大射極電壓 UCES、閘極擊穿電壓 UGEM、導通電壓、耐壓等級、開關速度、載流子類型及壽命、輸入電容、最大集電極功耗 PCM、工作溫度範圍等等。客戶看到這些參數後，可以根據實際應用需求進行設計和搭配。根據不同的應用場景、不同的客戶，會有各種調整。一旦確定下來，不太可能被取代，但如果供貨不足，換一家其他公司的同類產品也是可以的。但本質上，我們仍然認為 IGBT 是一個標準通用產品。

3、為什麼說IGBT是最有利於碳中和的功率半導體？
隨著清潔能源的大規模推廣，對IGBT提出了更高的需求，最典型的就是光伏逆變器的應用，需要大量的高壓、超高壓IGBT及IGBT模組，才能將光伏發出的粗電能轉化為能夠順利併網的細電能。因此，這是未來碳中和非常重要的一環。在電動車時代的IGBT應用中，過去汽車都是燃油車，無論怎麼換汽油，都無法改變汽油車的廢氣排放。但現在提倡節能環保的新能源車，未來將是新能源電動車的時代，而電動車需要大量的IGBT等功率半導體產品。清潔電能的取得和利用是未來減少二氧化碳排放、實現碳中和的關鍵，而電能的利用離不開功率半導體和IGBT。

4、下游應用領域有哪些？產業空間有多大？
因為半導體是一個基礎產業，凡是跟電有關的領域都是功率半導體發揮作用的地方，所以這個產業很大，因為我們身邊至少有50%的產品是跟電電子產品有關的，比如消費電子手機、藍牙耳機、筆記型電腦、各種家用電器，還有大型工業電機、軌道交通、新能源汽車、逆變器、JD、BT電網等等，凡是需要光伏的地方，凡是需要光伏的地方。從產業規模來看，7年全球IGBT和模組市場規模超過2019億美元，今年將突破10億美元，預測到19年將達到2026億美元，年複合成長率在15%左右，屬於成長比較快的市場，而且是一個比較穩定的成長領域，不像其他產品例如記憶體有起有落，屬於成長比較快的市場，而且是一個比較穩定的成長領域，不像其他產品例如記憶體有起有落，屬於成長比較明顯成長，IGBT屬於穩定成長類型。隨著新能源電動車及各行業電子電氣化、清潔能源的使用，包括IGBT在內的功率半導體領域持續保持強勁且強勁的成長動能。通常我們會依照IGBT的電壓來劃分不同的檔次，650V-900V以下為中低壓，900-1200V以上為中高壓，1200V以上為高壓。 650V以下的IGBT也有，但是用量不大，該領域更多的是MOSFET產品，其中消費電子、白色家電等大部分屬於低壓IGBT的範圍，佔比約30%；高壓IGBT在大功率工業領域佔20%；高鐵、光伏逆變器、軌道交通等高壓大功率能源領域應用的IGBT能源領域應用的IGBT。另外，汽車電子領域中新能源車佔比超過15%，這也是未來最有前景的賽道。

5、市場供需情況如何？預計幾年內供需將達到平衡。
目前，整個半導體缺貨市場已經持續了一年多。從2020年XNUMX月開始，半導體產品開始出現不同程度的緊張，XNUMX月後全面爆發，價格一路飆升，在今年XNUMX月底達到高峰。很多晶片的漲價幅度非常誇張，晶圓廠也不斷調整價格。即便如此，依然瘋狂下單，下游瘋狂搶購晶片導致上游產能被掠奪，導致整個產業供需完全失衡。不少業內人士對半導體產業恢復供需平衡、回歸正常狀態做出了各種預測和假設，預測了恢復正常的各個時間節點，以及拐點形成的前提條件。我個人的看法是，2022年XNUMX月左右，首先我們來看看影響供需關係的各種因素。從歷史經驗判斷產業變化，一般來說，半導體景氣期為24-36個月，冷淡期為12-18個月。從去年2022月開始，我們認為是繁榮期的開始，所以這個繁榮期將持續到XNUMX年XNUMX月。考慮到疫情的影響因素，雖然疫情打亂了全球產業的節奏，但對於半導體，特別是對中國來說，應該是一個新的機遇，也是一個新的挑戰。至少，我們認為這兩年出現了兩個巨大的爆發點。首先是疫情過後居家辦公。線上工作導致各種平板筆記型電腦的需求激增，從而帶動了對半導體晶片的需求，因為這些產品90%的成本是半導體裝置。因此，造成了這種激增。每次疫情過後，都是汽車銷售的黃金期。剛才新能源汽車的概念和週期已經疊加了。半導體產品在整車中的含量大幅提升，而傳統燃油汽車僅佔10-15%左右。但新能源汽車中的半導體產品佔比超過50%。這塊最重要的部分是各種汽車電子、汽車功率半導體、感知器、各種微控制單元MCU等。這些晶片的共同點是相當一部分產品採用8英吋0.25-0.13製程製造。但由於設備問題，8吋線的產能難以擴大，因此這些產品的持續強勁需求可能會持續晶片短缺的情況。但過高的價格也會減少下游需求，所以我的結論是正常情況下會持續到2022年XNUMX月。我認為這個時間點是一個轉折點，之後晶片短缺的情況將會緩解，庫存將會開始。這是我個人的判斷，我甚至不排除這個節點會提前到來。目前，中國大面積停電限產將擠壓下游膨脹的需求，晶片缺口持續縮小。從這個角度來看，在一段時間內，晶片的價格和需求肯定會下降，所以我認為這種極端的不平衡最多還會持續6-9個月，肯定會恢復的，除了汽車電子，當然。這個產業太特殊了，影響產業鏈復原的因素太多了。

6、海外疫情對IGBT產能影響有多大？預計何時能緩解？
海外疫情對幾家老牌半導體公司，如英飛凌、安森美等影響很大，供應非常不穩定。至於何時緩解，很難判斷。至少我認為要到明年6月才有可能緩解，6月之後可能會面臨轉折點。這些大廠的貨物一直都供不應求，不管現在是不是。從往年的情況來看，一年中總會有一段時間供應不暢，導致價格上漲，但主要集中在高端產品。現在國內對低階IGBT產品的替代步伐比較快，未來產能釋放之後一定會有所緩解。目前國內的中低壓產品已經非常成熟，性價比很高，但高端高壓產品與國外還是有一定的差距。我認為這個差距主要體現在量產時如何維持產品的一致性和穩定性。不是中國做不到，而是中低壓產品在量大的時候，品質把控不住，國產替代勢頭良好，已經說明了一切。

7、新能源汽車、光電、儲能等領域使用的IGBT有何不同？分別起什麼作用？
目前汽車使用的新能源主要在650-900V之間，少數車企也有1200V的方案，其中OBC採用650V單管，PCU採用900V的IGBT模組。這要根據各個汽車廠商的電池包方案和電壓，來選擇使用什麼類型的IGBT，差異很大。 IGBT模組，主要是IGBT，然後還需要一些其他的功率半導體裝置如FRD（快速恢復）、TVS（瞬時電壓）、SBD等組成模組，以應對各種場景和需求。如果是IGBT IPM模組，內部整合了功率控制IC，除了IGBT和其他功率半導體產品外，還有電源管理IC。

8、IGBT在新能源汽車/光電/儲能成本中佔比多少？
新能源車PCU+OBC至少佔整車的25%-30%，不同車型成本佔比差異很大。例如五菱mini這種神車，全車售價2.98元，電控成本不會超過3,000元。這種車甚至不需要IGBT，全是MOSFET，再如長城歐拉黑貓，每輛車售價六、七萬，一個電池包成本就要60,000萬，IGBT就可以用了。高端車裡IGBT的用量和價格都很大，而且IGBT還用來做光電、儲能的逆變器。這個成本佔比很難說，因為一個電站的大頭都在PERC電池和其他結構裡，要看投資規模。

9、不同產業之間是否會出現IGBT產能爭奪戰？
這是整個產業的現狀，現在就是誰有錢誰就能搶產能。大公司有優勢，因為資金雄厚。目前國內功率半導體相當一部分是IDM模式，例如士蘭微、時代電氣都有自己的產線，所以不存在搶產能的情況。其他能做IGBT代工的公司還有華虹，這個產能是靠搶的。一些資金雄厚的公司，像是史帶，已經把其他公司的產線都搶了過來。

10、IGBT對產線會有客製化需求嗎？主要區別是什麼？
IGBT的製程和常見的邏輯產品有很大差別，至少離子注入摻雜製程、背減製程肯定不一樣，另外還有各種特殊的外延層製程等等。這些和普通的數位電路、類比電路是完全不一樣的。

11、IGBT產線能否暫時調整產品規格，例如將用於光電生產的IGBT產線暫時調整為車規級IGBT產線？
車規級的要求比較高，一旦定型就不可能輕易替代。雖然都是IGBT，但因為屬於不同的細分行業，對IGBT的要求完全不一樣，不可能混用。但是因為都是一家公司生產的，所以不同IGBT的產能分佈在產線上，是公司內部的事情，設備還是這套設備，產線還是這套產線，封裝上有一定的區別，所以只能這麼說。同時客戶也不樂意把產品線和其他產品混用，所以車規級的IGBT線材是有差別的。

12、車規級與光電IGBT產線的認證時間差異大嗎？
與檢具的極高要求不同，整車廠的出廠檢驗要求極為嚴格。不只是供應商，還有供應商的供應商、供應商的原料供應商等等，光伏產品線都比較單一，而且差異較大。

13、新增產能最大的痛點是什麼？
就工藝難度而言，IGBT基本上可以採用8吋工藝，少數業內企業已開始導入12吋。現在建造新產能並不代表有錢就擴產。 8吋最大的問題是設備不足，而且價格較高。例如，8吋設備價格與12吋相差無幾，交貨週期較長，以及一直困擾中國半導體產業的人才缺口。總結起來，主要是設備和經驗豐富的人才的缺乏。

概要： IGBT是電能轉換與應用的核心晶片，是碳中和非常重要的元件。其最大的下游應用在新能源汽車領域，是僅次於電池的第二大成本組成。此外，光電逆變器對IGBT的需求也很大。目前，IGBT市場供需嚴重失衡，海外疫情導致大型工廠產能受限。國內廠商擴產困難的主要原因在於缺乏設備和經驗豐富的專業人才。另一方面，新廠落地產線驗證通常需要1-3年的時間，因此新增產能的釋放尚需時日。專家預測，供需再次平衡的時間將在2022年XNUMX月。

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