功率器件是電子裝置電能轉換與電路控制的核心，主要用于改變電壓和頻率。主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等，同時具有節(jié)能功效。功率半導體器件廣泛應用于移動通訊、消費電子、新能源交通、軌道交通、工業(yè)控制、發(fā)電與配電等電力、電子領域，涵蓋低、中、高各個功率層級。
近年來，由于新能源汽車以及風光儲的強勢需求，功率半導體中，IGBT用量大幅增加，目前IGBT的交貨周期在50周以上。車用IGBT大廠此前表示，自家車用IGBT訂單已滿載，但IGBT仍處于緊缺狀態(tài)。業(yè)內分析師則認為，IGBT的供需缺口大約在40％－50％左右。
閱讀這篇文章你會了解：
1．什么是IGBT？
2．IGBT的技術路徑
3．IGBT的市場空間
4．SiC的影響幾何？
行業(yè)概覽
IGBT屬于雙極型、硅基功率半導體，具有耐高壓特性。融合了BJT（Bipolarjunction transistor，雙極型三極管）和MOSFET 的性能優(yōu)勢 ， 結構為MOSFET＋一個BJT，兼具BJT大電流增益和MOS壓控易于驅動的優(yōu)勢，自落地以來在工業(yè)領域逐步替代MOSFET和BJT，目前廣泛應用于650－6500V的中高壓領域，屬于功率器件領域最具發(fā)展前景的賽道。
IGBT最常見的應用形式是模塊。大電流和大電壓環(huán)境多使用IGBT模塊，IHS數(shù)據顯示模塊和單管比例為3：1。而IPM是特殊的IGBT模塊，主要應用于中小功率變頻系統(tǒng)。
IGBT模塊主要有五種結構。以2 in 1模塊為例，模塊中封裝了兩組芯片，根據電流或功率要求不同每組可并聯(lián)多顆IGBT芯片（ IGBT芯片與FRD一一對應）
IGBT模塊的優(yōu)勢：與單管相比，IGBT模塊：
1）集成度更高，更節(jié)約體積
2）多IGBT芯片并聯(lián)，電流規(guī)格更大
3）減少外部電路連接的復雜性
4）散熱性更好，可靠性提升
技術路徑
IGBT產業(yè)大致可分為芯片設計、晶圓制造、模塊封裝、下游應用四個環(huán)節(jié)，其中設計環(huán)節(jié)技術突破難度略高于其他功率器件，制造環(huán)節(jié)資本開支相對大同時更看重工藝開發(fā)，封裝環(huán)節(jié)對產品可靠性要求高，應用環(huán)節(jié)客戶驗證周期長，綜合看IGBT屬于壁壘較高的細分賽道。
由于IGBT 芯片工作在大電流、高電壓的環(huán)境下，對可靠性要求較高，同時芯片設計需保證開通關斷、抗短路能力和導通壓降（控制熱量）三者處于均衡狀態(tài)，芯片設計與參數(shù)調整優(yōu)化十分特殊和復雜，因而對于新進入者而言研發(fā)門檻較高（看重研發(fā)團隊的設計經驗）
IGBT應用端迭代節(jié)奏慢于研發(fā)端，目前市場主流水平相當于英飛凌第4代。由于IGBT屬于電力電子領域的核心元器件，客戶在導入新一代IGBT產品時同樣需經過較長的的驗證周期，且并非所有應用場景都追求極致性能，因此每一代IGBT芯片都擁有較長的生命周期。
IGBT制造的三大難點：背板減薄、激光退火、離子注入
IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS區(qū)別不大，但背面工藝要求嚴苛（為了實現(xiàn)大功率化）。具體來說，背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬Al層的基礎上，將硅片通過機械減薄或特殊減薄工藝（如Taiko、Temporary Bonding 技術）進行減薄處理，然后對減薄硅片進行背面離子注入，如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子，在此過程中還引入了激光退火技術來精確控制硅片面的能量密度。
特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到100－200μm，對于要求較高的器件，甚至需要減薄到60～80μm。當硅片厚度減到100－200μm的量級，后續(xù)的加工處理非常困難，硅片極易破碎和翹曲。
從8寸到12寸有兩個關鍵門檻：
減薄要求從120um轉成80um，翹曲更嚴重，國內能解決
背面高能離子注入（氫離子注入），設備單價高
IGBT模塊重視散熱及可靠性，封裝環(huán)節(jié)附加值高。IGBT模塊在實際應用中高度重視散熱性能及產品可靠性，對模塊封裝提出了更高要求。此外，不同下游應用對封裝技術要求存在差異，其中車規(guī)級由于工作溫度高同時還需考慮強振動條件，其封裝要求高于工業(yè)級和消費級。
設計優(yōu)化、材料升級是封裝技術進化的兩個維度。
設計升級方面主要是：
1）采用聚對二甲苯進行封裝。聚對二甲苯具有極其優(yōu)良的導電性能、耐熱性、耐候性和化學穩(wěn)定性。
2）采用低溫銀燒結和瞬態(tài)液相擴散焊接。在焊接工藝方面，低溫銀燒結技術、瞬態(tài)液相擴散焊接與傳統(tǒng)的錫鉛合金焊接相比，導熱性、耐熱性更好，可靠性更高。
材料升級方面主要是：
1）通過使用新的焊材，例如薄膜燒結、金燒結、膠水或甚至草酸銀，來提升散熱性能
2）通過使用陶瓷散熱片來增加散熱性能
3）通過使用球形鍵合來提升散熱性能。
市場空間
1個8寸晶圓可以產出259顆相應規(guī)格芯片，對應10個80KW的車規(guī)模塊（PS：包含了FRD芯片）
結論：一顆8寸晶圓可以滿足10輛A00級車的電控需求（80KW以下），5輛160KW的A級車的電控需求。
光伏：光伏逆變器中IGBT單位成本約0．02元／W。我們測算2019／20年全球光伏行業(yè)IGBT需求約23／27億元，我們預計2025年將伴隨光伏裝機增長至70億元（國內占比約60％，對應42億元），5 年CAGR超過20％。
風電：預計“十四五”期間國內風電年均裝機超50GW，年復合增速10％－15％。以1．5MW雙饋型風機為例，其中變流器中IGBT用量約21個（1700V／2400A）；目前風電變流器中IGBT單位成本約為0．025元／W。根據我們測算，2020年國內風電行業(yè)IGBT需求約9億元，預計2025年增長至17．5億元，5年CAGR接近15％。
光伏＋風電整體需求增速約15～20％；若考慮儲能需求，實際增速更高。
IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件，下游增速約10～15％ 。
細分市場包括變頻器、工業(yè)電源、電焊機 、伺服器等。
工控領域IGBT需求相對分散，國內市場空間約70～80億元，預計未來維持10～15％增速。
2020年初國家推出新能效標準加速家電的變頻化，行業(yè)增速約20％。以空調為例，國內2022年完全淘汰定頻空調，定速空調和變頻3級能效產品以下均不符合新國標，將淘汰目前在售的90％以上的定速空調型號和50％的變頻空調型號。IHS預計全球2017～22年變頻家電出貨量CAGR達到19％。
變頻家電多使用IPM，全球空間有望達百億級別。IPM（智能功率模塊）是一種特殊的IGBT模塊，集成了驅動、保護電路等?？照{使用2顆IPM（內外機），其他家電使用1顆IPM，單顆ASP在10～30元。基于IHS預測的變頻家電出貨量測算，2017年到2022年全球家電用IPM總需求將由49億元增長至117億元。
目前 SiC 功率器件主要定位于功率在1kw－500kw之間、工作頻率在10KHz－100MHz之間的場景，特別是一些對于能量效率和空間尺寸要求較高的應用。
SiC的影響幾何
盡管1990s SiC襯底就已經實現(xiàn)產業(yè)化，但可靠性和高成本限制了行業(yè)普及。
SiC功率器件成本遠高于Si基功率器件，成本降低驅動逐步滲透：
SiC 二極管：應用相對容易，和 Si 基產品價格差在3～5倍。在比特幣的螞蟻挖礦機的電源中有批量的商業(yè)應用，在高效能的（數(shù)據中心）電源、 PV、充電樁中已有不少應用。
SiC MOSFET ：應用相對較難，和Si基產品價格差在～5倍，在 PV 逆變器、充電樁、電動汽車充電與驅動、電力電子變壓器等逐步開始應用。
根據IHS Markit數(shù)據，2018年SiC功率器件市場規(guī)模約3．9億美元。預計到2027年將超過100億美元，對應9年CAGR為43％。驅動力包括：
需求端：
1）特斯拉引領下，新能源汽車逐步開始使用SiC MOS，拉動龐大需求（預計是最大也是最重要的市場）
2）電力設備等領域的帶動
供給端：
1）產品技術升級，SiC襯底尺寸從4寸轉向6寸，再向8寸升級
2）產能擴張后產生規(guī)模效應
直接成本增加：在逆變器中用SiC MOS替換IGBT，會增加約1～200美金的器件成本。
其他成本降低：
1）SiC 可使控制器效率提升 2％～8，進而降低電池成本。根據CASA，電動車每百公里電耗減少1kWh，電池成本節(jié)約1500元（反之，同樣的電池成本續(xù)航能力更強）。
2）由于高頻特性，配套的變壓器、電感等磁性元件成本降低（電感成本與頻率成反比）。
3）逆變器體積減小，降低其他材料成本。
4）低功耗、高工作結溫降低散熱要求。
