文档20170414IGBT行业概述

IGBT产业研究概述北京工业发展投资管理有限公司二○一七年四月

摘要IGBT是集成电路行业中的电子器件的新型产，在全球及中国市场已普遍应用，IGBT产业下游的应用领域不断扩张，应用领域的需求量也在快速增长。没有IGBT就不会有高铁的便捷生活，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”。据IGBT技术联盟协会公开数据而知，2015年国内中国IGBT市场规模达100亿元左右，其中国产IGBT市场占有率不到10%。根据法国市场调研机构Yole的调查报告显示，2015年全球IGBT市场已回归到稳步上升的轨道，市场规模在随后的几年时间内将继续保持稳定的发展速度，市场规模至2018年将达到60亿美元的数值。据全球知名调研公司iSuppli的数据显示，从2010年到2020年，全球IGBT市场将继续保持年均12%左右的增长速度，我国IGBT产业将保持15%～20%的增长速度，到2020年国内市场规模将达340亿元。中国具有自主知识产权、本土化的IGBT产业链在不断完善，但IGBT芯片设计制造技术、IGBT模块封装设计制造技术、IGBT模块可靠性与失效分析技术、IGBT测试技术等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家手中。目前，国内大部分IGBT及其配套产品，尤其是高压大功率IGBT产品基本依赖进口，市场通常供不应求，我国电力电子装备产业有较大的发展空间。后两者所替代，只在某些成本要求低的中等容量、中等频率领域有一定的应用。4.功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)功率MOSFET是一种单极型的电压控制器件，它有栅极(G)、漏极(D)和源极(S)三个电极。栅极通过绝缘层与漏极和源极隔离，并调控源极与漏极之间形成载流子输运的沟道，实现控制器件开关的目的。由于不受少子储存效应的限制，能够在很高的频率(>100kHz)下工作，其导通电压具有正温度特性，易于并联以扩大电流容量，并具有较好的线性输出特性和较小的驱动功率。代表性的硅基功率MOSFET器件是垂直导电双扩散场效应晶体管(VDMOS)，是低压范围内应用最广的电力电子器件，但在高压应用时其导通电阻随耐压急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来了很大障碍。CoolMOS是一种特殊的功率场效应晶体管，它作为一种超级结器件，克服传统功率MOSFET导通电阻和击穿电压的矛盾，可以实现器件导通电阻和击穿电压的最佳化设计。最新一代CoolMOS在额定脉冲电流容量下能兼有极低的通态电阻和超快的开关速度，其阻断电压能力可覆盖500～800V的范围。5.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)绝缘栅双极型晶体管，是由功率MOSFET和BJT组成的复合全控型电压驱动式器件，它由栅极(G)、发射极(E)和集电极(C)三个电极，综合了MOSFET的高输入阻抗和BJT低导通压降两方面的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小、开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于功率MOSFET与BJT之间，可正常工作于几十kHz频率。商业化的IGBT已发展成系列，其电流范围包括从2A的IGBT单管到3600A的IGBT模块，耐压范围涵盖300V到6500V。IGBT是1200V以上电压领域的主流电力电子器件，并正逐渐向高压大电流领域发展。1.2IGBT的定义和性能1.2.1IGBT的定义和发展历程IGBT是集功率场效应晶体管（以下简称MOS）、双极型晶体管（以下简称BJT）是集优点于一身的新型电力半导体场控自关断器件，是MOSFET和BJT的组合体。传统的电力电子器件都是采用半导体材料硅(Si)来研制的，以Si为材料IGBT器件的电压等级从600~6500V，功率处理能力达10MW，频率从100Hz~100KHz。随着电力电子器件性能需求的不断提高，高压（数万伏）、高温（大于500℃）、高频、大功率等应用需求的发展SiIGBT物理局限性日益显现，严重制约了硅器件的电压、电流、频率、温度、耗散功率和抗辐射等性能的提高。近年来，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料迅速发展，已开发出了各种SiC功率二极管和晶体管器件，其中，SiC功率二极管主要有肖特基二极管(SBD)、PiN二极管、结势垒肖特基二极管(JBS)，SiC晶体管主要有功率BJT器件、功率JFET器件、功率MOSFET器件、IGBT和晶闸管等；GaN功率器件主要有肖特基二极管和高电子迁移率晶体管(HEMT)等。这些新型电力电子器件的出现，开启了电力电子器件领域的新局面，引起了电力电子技术领域一场新的革命。图-2SiC宽禁带半导体材料电力电子器件1.2.2IGBT与MOSFET、BJT的性能区别MOSFET和BJT各有他们的优缺点，MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的(Voltage-ControlledBipolarDevice)。IGBT驱动功率小、驱动电路简单、低稳态损耗、输入阻抗高、承受短路能力及载流能力强的优点，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。与其他功率器件相比，其在高压、大电流、高速三方面的特性具有极大优势。二、电力电子器件产业现状2.1全球电力电子器件行业现状半个多世纪以来，伴随着基于硅材料的半导体产业的发展，硅基电力电子器件得到了同步发展，形成了庞大的基于硅基电力电子器件的电力电子产业。国际市场供应链已基本成熟，但随着新能源等市场需求增长，市场链条正逐步演化。在超大功率（电压3.3kV以上、容量1~45MW）领域，晶闸管和集成门极换流晶闸管（IGCT）具有巨大的市场。目前，国际上6英寸8.5kV/5kA晶闸管已商品化。瑞士ABB等公司开发了非对称型、逆导型和逆阻型IGCT的产品，研发水平已达到9kV/6kA，商业化产品有4.5kV和6kV两种系列，其中6.5kV/6kA的IGCT产品已经开始供应市场。在中大功率领域(电压1200V~6.5kV)，IGBT是市场上的主流产品。IGBT器件(包括大功率模块、智能功率模块)已经涵盖了300V~6.5kV的电压和2A~3600A的电流。近年来，以德国英飞凌、瑞士ABB、日本三菱、东芝和富士等为代表的电力电子器件企业开发了先进的IGBT技术和产品，占有全球每年约50亿美元的市场，带动了高达几百亿美元的电力电子设备市场。在中小功率领域(900V以下)，功率MOSFET是应用最广泛的电力电子器件，也是目前市场容量最大、需求增长最快的器件，其中以超级结为代表的新结构器件是该器件的重要发展方向。从上世纪90年代开始，技术领先国家和国际大型企业纷纷投入到以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体器件的研发和产业化中，对SiC材料、器件、封装、应用的全产业链进行了重点投入和系统布局，全力抢占该技术与产业的战略制高点和国际市场。SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以Cree、II-VI、DowCorning等为代表，其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品，其微管密度低于1个/cm2；多家公司研发出厚度超过250μm的SiC外延材料样品，并批量提供中低压器件用SiC外延材料产品。在SiC器件方面，国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiCMOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiCIGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiCMOSFET产品，电压等级从650V~1700V，单芯片电流超过50A，并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。GaN是另一种重要的宽禁带半导体材料。它具有独特的异质结结构和二维电子气，在此基础上研制的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种平面型器件，可以实现低导通电阻、高开关速度的优良特性。国际上也有团队报道了垂直型的GaN电力电子器件。近年来围绕GaN半导体器件的全球研发投入以及生产规模均快速增长，其中650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。在电力电子器件的专利方面，2001~2010年期间，全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增段，每年的全球专利申请量都在1500项左右，器件类型以MOSFET和IGBT为主，申请量占比达到67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司，全球专利申请量居前5位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，欧洲和美国的GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。国际上宽禁带电力电子器件专利始于1989年。2011~2015年期间，国际上SiC和GaN器件领域专利申请量增长迅速，据预测将在2025年左右达到峰值。国际上SiC电力电子器件的主要供应商有Wolfspeed、英飞凌、罗姆、东芝、富士和三菱等公司，国际上GaN电力电子器件的主要企业有英飞凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaNSystem、EPC、Avogy等。2.2中国电力电子器件发展现状我国目前已经初步建立起了包含晶闸管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等全系列硅基电力电子器件产业，在我国国民经济发展中发挥了重要的作用。在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域，我国以晶闸管为代表的传统半控型器件的技术已经成熟，水平居世界前列，5~6英寸的晶闸管产品已广泛用于高压直流输电系统，并打入国际市场，形成了国际竞争力。目前我国已经研制成功7英寸晶闸管产品，并实现了IGCT产品的商业化。在中大功率(电压1200~6500V)和中小功率(900V以下)领域，在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下，我国高频场控电力电子器件建立了从电子材料、芯片设计、研制、封装、测试和应用的全产业链。中小功率的MOSFET芯片已产业化，批量生产的单管已在消费类电子领域得到广泛应用，600~900V的MOSFET芯片正在开发中；600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片和600V、1200V、1700V/10~300A的FRD芯片已进入产业化阶段，3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT和3300V、4500V、6500V/50~125AFRD的芯片已研发成功，并进入量产阶段；IGBT模块的封装技术也上了一个大台阶，采用国产芯片的600V、1200V、1700V、3300V/200~3600A的IGBT模块已经实现量产，采用国产芯片的4500V、6500V/600~1200A的IGBT模块进入小批量的量产阶段。国产品牌IGBT芯片和模块已经形成与国际品牌竞争的态势。近年来，在国家各级部门的支持下，我国SiC和GaN电力电子器件实现了“从无到有”的突破，在技术研发方面有了较好的积累，个别技术水平接近国际先进水平。在SiC材料方面，国内4英寸N型SiC单晶产品已产业化，其微管密度小于1个/cm2；已经开发出了6英寸SiC单晶样品，正在进行产业化开发；在SiC外延材料方面，国内研发出了150μm以上的SiC外延材料，20μm以下的SiC外延产品已经实现量产。在SiC器件方面，国内研发出了17kVPiN二极管芯片、3.3kV/50ASiC肖特基二极管芯片、1.2kV~3.3kVSiCMOSFET芯片、4.5kV/50ASiCJFET模块等样品。目前，我国已具备600V~3.3kVSiC二极管芯片量产能力，SiCMOSFET芯片产业化能力正在形成。我国有若干科研机构和企业从事GaN材料技术的开发，目前已开发出了6英寸硅基GaN晶圆材料的产品;目前我国已经具备了600~1200V平面型GaN芯片的研发能力，并具备了600V平面型GaN器件的产业化能力。综合而言我国宽禁带电力电子器件技术和产业水平还落后于国际先进水平。在电力电子器件的专利方面，上个世纪90年代，我国该领域的专利主要集中于硅基功率MOSFET和IGBT。从2000年起，我国开展申请SiC和GaN电力电子器件的相关专利，2010年后，我国在该领域的专利申请数量出现明显的增长。目前我国宽禁带材料和器件的专利数量仅次于日本、美国和德国，居全球第四位，专利申请人以研究型的科研院所为主。三、全球IGBT产业现状及趋势3.1全球IGBT市场现状IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块，随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。 图-3IGBT产业链演示图IGBT的全球发展状态，从市场竞争格局来看，美国功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商。欧洲拥有Infineon、ST和NXP三家全球半导体大厂，产品线齐全，无论是功率IC还是功率分离器件都具有领先实力。日本厂商在分立功率器件方面做的较好，但在功率芯片方面，虽然厂商数量众多，但很多厂商的核心业务并非功率芯片。表-1全球IGBT主要厂商序号美国欧洲日本1TIInfineonToshiba2Fairchild、STRenesas3NS、NXPNEC4Linear、Ricoh5IR、Sanke6Maxim、Seiko7ADI、Sanyo8ONSemiconductor、Sharp9AOSFujitsu10VishayToshiba11Rohm12Matsushita13FujiElectric表-22015年全球IGBT生产厂商市场份额排名IGBT厂商2015年市场份额国家1英飞凌Infineon24.50%德国2三菱电机244.40%日本3富士电机12.20%4西门康9.70%5日立Hitachi3.20%日本6安森美ON3.10%7威科Vincotech2.90%8ABBA2.60%9仙童Fairchild（ON2016年收购了）2.50%10丹佛斯Danfoss1.70%11嘉兴斯达Starpower1.60%12东芝Toshiba1.40%13艾赛斯IXYS1.40%14中国中车CRRC1.20%15IR国际整流器（2014年被英飞凌30亿美元收购）0.60%从整体市场份额来看，日本厂商落后于美国厂商。近年来，中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。台湾厂商主要偏重于DC/DC领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC(PulseWidthModulationIC，脉宽调制集成电路)和功率MOSFET，从事前两种IC产品开发的公司居多。总体来看，台湾功率厂商的发展较快，技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和LCD等设备。而中国大陆电力电子器件市场占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。过去几年IGBT器件的年平均增长率超过30%，远高于其它种类器件。在SiC和GaN电力电子器件领域，由于国际上出现商业化产品的时间较短，并受技术成熟度和成本的制约，该领域尚处于市场开拓的初期阶段，预计将在2018~2020年进入市场爆发式增长阶段。3.2全球范围内主要生产企业在市场驱动下，国内外公司纷纷加大对IGBT产业的投入。国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等，其IGBT技术基本成熟，已实现了大规模商品化生产，IGBT产品电压规格涵盖600V-6500V，电流规格涵盖2A-3600A，形成了完善的IGBT产品系列。其中，西门康、仙童(fairchild)等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位；ABB、英飞凌、三菱电机在1700V-6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势，3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断，它们代表着国际IGBT技术最高水平。3.2.1英飞凌(Infineon)总部：德国英飞凌的技术源于西门子半导体，而西门子在全球功率半导体发展过程中起着重要的推动作用。英飞凌目前为世界上第三大IGBT生产商及唯一拥有8inIGBT器件生产线的厂家，且其技术已发展到12in。作为少数几家掌握IGBT芯片核心技术的公司，其IGBT芯片产量居全球首位,一些电力半导体厂家均从英飞凌购买IGBT芯片用于封装IGBT模块。英飞凌的超薄IGBT芯片加工技术对其他厂家也是一个巨大的技术挑战。在全球功率半导体市场，英飞凌连续9年名列榜首。1995年英飞凌以西门子半导体事业部的“身份”正式进入中国市场。自从1996年在江苏无锡建立第一家企业以来，英飞凌在中国的业务迅速发展，IGBT模块在中国工业应用领域的市场份额遥居第一位，其中，通用变频器超过55%；中高压变频器超过80%；逆变电焊机超过50%；感应加热超过80%；运输领域超过70％。经过了中国客户十多年的反复选择与考验，英飞凌IGBT模块确立了在中国市场的主导地位。3.2.2三菱电机(MitsubishiElectric)总部：日本三菱电机在IGBT器件技术上不断创新，到2009年已经推出了第六代IGBT产品。三菱电机把主要资源集中在IGBT模块和智能功率模块(IPM)的生产上，其功率模块主要应用于工业、家电、电力机车以及电力行业的变频器上，这几个行业在全球都有着长期、稳定的增长。三菱电机的功率模块也应用于电动和混动汽车等快速发展的领域。在功率模块市场上，三菱电机的销售增长率超过全球市场的平均增长水平。三菱电机（中国）有限公司成立于1997年10月，截止于2012年11月，三菱电机在中国的合资、独资企业已达34家，业务涉及汽车零部件、半导体等电子器件领域，以及输变电设备、电梯、铁道车辆用电机品、工业自动化设备、家用电器等广泛领域内。三菱电机占据2012年中国IGBT芯片市场份额的5.6%，排位第6。3.2.3富士电机有限公司(FujiElectric)总部：日本富士电机目前是世界第二大IGBT器件制造商。在1987年就成为松下电磁炉的首个IGBT供应商，为丰田混合动力车提供IGBT器件使其又成为世界上最早进入汽车领域的IGBT供应商。富士还是日立的IGBT芯片供应商。富土在IGBT器件上积累了20多年的研发经验，拥有全世界最多的IGBT器件方面的技术专利，总数达500件。富士电机与中国市场已有40多年的联系。1993年，富士电机在中国大陆建立了第一个生产基地——大连富士马达有限公司；2006年，富士电机在浙江大学设立了研发中心，并于2010年成立了“浙江大学富士电机创新中心”。迄今，富士电机在中国已拥有25家企业。2012年，富士电机占据中国IGB芯片市场份额的6.4%，排位第五。现在，富士电机的IGBT几乎占领了全日本的电动汽车领域。3.2.4西门康（Semikron）总部：德国全球前十大IGBT模块供应商，在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。目前，西门康在全球二极管和晶闸管半导体模块市场占有25%的份额。3.2.5其他公司威科（Vincotech），起源于德国西门子机电集团，现由日本三菱电机控股。ABB总部在瑞士，瑞士最大的IGBT厂商。东芝（Toshiba），总部日本，虽然准备出售其半导体业务，但是在IGBT领域仍有一定话语权。嘉兴斯达及中国中车，最让国人感到骄傲的是，嘉兴斯达及中国中车纷纷打入全球TOP15榜单，嘉兴斯达是目前国内最大的IGBT模块生产厂家。四、中国IGBT产业现状及趋势4.1中国IGBT产业链据ittbank公开资料报道，近几年国内IGBT技术发展也比较快，国外厂商垄断状况逐渐被打破，已取得主要里程碑有：表-3中国IGBT产业发展里程碑2011.12北车西安永电成为国内第1个、世界第4个能够封装6500V以上IGBT产品的企业2013.09中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300VIGBT芯片2014.06中车株洲时代推出全球第2条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用2015.03天津中环自主研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用，8英寸FZ单晶材料也已经取得重大突破2015.08上海先进与比亚迪、国家电网建立战略产业联盟，正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT供应链2015.10中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验2015年底中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议，全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合作，并宣布未来共同打造自主新能源汽车品牌。这被业界视为高铁技术与汽车行业的一次深度“联姻”，有望推动IGBT等汽车半导体产业的国产化进程2016.05华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300VIGBT芯片已进入量产近年来，我国受高铁、新能源等领域的投资规模提振，具有自主知识产权、本土化的IGBT产业链在不断完善，但不可否认，IGBT芯片设计制造技术、IGBT模块封装设计制造技术、IGBT模块可靠性与失效分析技术、IGBT测试技术等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家相关企业手中。目前，国内还没有完全掌握IGBT芯片、封装、测试和应用全系列技术的厂商，大部分IGBT及其配套产品，尤其是高压大功率IGBT产品基本依赖进口，市场通常供不应求，在交货周期和采购价格上完全受制于国外公司，使我国电力电子装备产业存在潜在风险。国内IGBT企业需要在产品系列化和产品创新力方面不断提升，尽快建成我国IGBT全创新链与全产业链。4.2中国IGBT主要生产企业中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链，IGBT国产化的进程加快，有望摆脱进口依赖。以下为国内部分顶尖的IGBT厂商，涵盖了设计到制造：表-42016年中国IGBT生产企业序号IDM设计芯片制造模块1\o"株洲中车时代电气股份有限公司"株洲中车时代电气股份有限公司江苏中科君芯科技有限公司华凯宏力西安永电（中国北车子公司）2深圳比亚迪西安芯派上海先进半导体制造股份有限公司西安爱帕克3杭州士兰微深圳方正微电子有限公司深圳方正微电子有限公司威海新佳4吉林华微宁波达新上海中芯国际江苏宏微5重庆中航微电子无锡同方微无锡华润上华嘉兴斯达6天津中环股份无锡新洁能南京银茂7上海金芯微电子8山东科达株洲时代电气是目前国内最大的IGBT生产商，现已建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力，芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖。比亚迪则与国家电网、上海先进半导体牵手，共同打造IGBT国产化产业链。2015年8月，上海先进半导体正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT的供应链。西安永电电气的6500V/600AIGBT功率模块已成功下线，为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300VIGBT芯片也已进入量产。如表-5所示，国内的IGBT芯片生产企业有山东科达、无锡凤凰、江苏东光微、华润华晶、中科君芯等，产品层次主要集中在600V和1200V电压等级的产品；其中可开展背面加工的有山东科达、北京燕东等；正面、背面加工均可进行的有上海先进、无锡华润上华（平面栅、槽栅）和上海华虹NEC（槽栅）、吉林华微（平面栅）和比亚迪微电子等，封装厂家有斯达半导体公司、山东科达半导体有限公司、南京银茂微电子有限公司、中国北车西安永电电气有限责任公司。表-5中国IGBT产业主要生产企业序号公司类型主要产品及服务1株洲中车IDM1200-6500V高压模块，国内唯一自主掌握高铁动力IGBT芯片及模块技术的企业2深圳比亚迪IDM、模组工业级IGBT模块，汽车级模块（新能源车用与上海先进合作）、600V单管、驱动芯片3杭州士兰微IDM300-600V穿透型IGBT工艺，1200V非穿透型工艺，面向电焊机、变频器、光伏逆变器、电机逆变器、UPS电源、家电、消费电子4重庆中航微电子IDM3/4/5/6英寸等多公里半导体分立器及IC芯片生产线，应用于逆变器、电磁炉、UPS电源5天津中环股份IDM1200V/20~50AIGBT功率模块6西安永电（北车）IDM1200V-6500V/75~2400A高压模块，主要面向轨道交通、智能电网等高压领域7西安爱帕克模块600V-1200V/50~400A模块8威海新佳模块1200V/50~300A模块，应用于AC和DC电机控制、变频器、UPS等领域9江苏宏微模块600V-1200V/15~60A单管、600V-1700V/15~80A模块，应用于特种电源、电焊机、UPS、逆变器、变频器等领域10嘉兴斯达模块、设计600-3300V/1800~3700A模块11南京银茂模块、设计600-1700V/15~200A模块，应用于工业变频、新能源、单元装备等领域12无锡中科君芯设计国内唯一全面掌握650-6500V全电压段IGBT芯片技术企业，面向电磁感应加热、变频家电、逆变焊机、工业变频器、新能源等领域13西安芯派设计650-1700V/80~600AIGBT，用于电源管理、电池管理、电机控制及充电桩等领域14吉林华微斯帕克设计智能功率模块及大功率IGBT模块15宁波达新设计单管、模块、面向逆变焊机、工业领域、白色家电、充电桩、UPS电源、光伏逆变器、空调、电磁感应加热16无锡同方微设计600/1200/1350V，用于交/直流驱动、UPS、电磁炉、逆变器、开关和共振模式电源供给等17无锡新洁能设计TrenchNPT/FS工艺，1200/1350V，用于电磁加热等各类开关18上海金芯微电子设计电磁炉领域19山东科达设计能够与电磁炉、小功率逆变器、逆变焊机、无刷马达控制器、UPS、开关电源、液晶电视、太阳能等领域20上海华虹宏力芯片制造拥有600-1200V/TrenchNPT/FS工艺，3300V-6500V高压芯片在研发21上海先进芯片制造为英飞凌代工22深圳方正微芯片制造提供劳分立器件IGBT晶圆制造技术23上海中芯国际芯片制造代工厂24无锡华润上华芯片制造1200VphanarNPTIGBT工艺从地域上看，国内的IGBT从业厂商则如图-4所示，主要集中在江浙地区。图-4中国IGBT生产厂商地域分布中科院微电子所、电子科技大学以及上海北车永电等正在进行相关技术的研究和样品试制，南车时代电气通过收购英国Dynex，3300V等级的芯片研发已经走在了最前面，其研制的IGBT芯片产品已经在地铁和大功率电力机车上试用。国内IGBT高电压产品的研发测试走在前段的企业还有中车集团，国网等，低电压产品以中小企业生产满足国内需求的阶段。IGBT产品的根据产品特性，产品用途的要求，价格相差悬殊。与国外相比较，国内IGBT研制单位较多，各有所长，却又各有短板，综合实力不强，目前没有任何一家企业能够具备与国外大公司相抗衡的实力。只有通过体制机制创新，形成合作互补的利益共同体，借助国家在政策和研发资金方面的支持，借助行业发展的需求驱动，通过专业化分工合作，才有可能在这一领域实现赶超。4.3市场容量现状及预测4.3.1应用领域下游应用领域以风能、光伏发电、高铁、轨道交通、新能源汽车、智能电网等6大领域为主。（1）风力发电：风力涡轮发电机如要获得稳定的电能并网发电，必须依靠相应的变频和逆变系统，这些都需要能够自关断电流的IGBT器件才能实现。目前兆瓦级风电逆变器都用大功率IGBT供应商的IGBT产品，主要供应商有英飞凌、富士电气、三菱等，而主要的风电逆变器供应商，如艾默生、ABB、西门子和阿尔斯通都选用了英飞凌的方案。（2）太阳能发电：电源设计师通过使用最少数量的器件、高度可靠、耐用性和高效率把太阳能转换成所需的交流或者直流电源。因此太阳能逆变器就需要有控制、驱动和输出功率器件的正确组合。要达到这个目标IGBT是作为功率器件的必然之选。太阳能逆变器需要600/650V和1200V低损耗的IGBT。目前，国内主要的光伏企业有:阳光电源出货量4323MW、市场占有份额30%；新疆特变出货量1800MW、市场占有份额13%；华为出货量4000MW、市场占有份额30%，全部采用英飞凌IGBT芯片。（3）高铁及轨道交通：高铁应用是通过大功率IGBT把从触接网上取下的单相25KV交流电变成直流电，然后再变成交流电。动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6500V/600A的IGBT器件。中国市场2015年铁总预期机车车辆购置费为1500亿，首次动车组招标367标准列（每列IGBT用量80～150只），机车共招标609台（每台IGBT用量24～90只），11月再招标动车组73列，内燃机车181台。地铁采购5000辆/年（每列IGBT用量20～30只）。轨道交通所使用的IGBT电压在1700V～6500V之间。我国是全球最大的轨道交通装备市场，预计“十三五”期间，全国新建铁路不低于2.3万公里，总投资不低于2.8万亿元；预计到2020年，我国将有50个城市建设轨道交通。未来十年，城轨车辆平均年需求量将超过5000辆。因此，高铁及轨道交通的持续快速发展将给IGBT带来巨大的市场。（4）新能源汽车：新能源汽车的核心技术包含动力电池、电机和控制系统。而在控制系统中需要使用大量的IGBT，如电机控制系统、车载空调控制系统、充电系统等。IGBT在新能源汽车中发挥了重要的作用，是新能源汽车中的核心器件之一。2016年1月12日，汽车工业协会发布的最新数据显示，2015年新能源汽车高速增长，新能源汽车生产340471辆，销售331092辆，分别同比增长3.3倍和3.4倍；其中纯电动汽车产销分别完成254633辆和247482辆，分别增长4.2倍和4.5倍；插电式混合动力汽车分别完成85838辆和83610辆，同比增长1.9倍和1.8倍。新能源汽车的高速发展将为IGBT产业带来巨大的商机。其中上海新能源汽车的市场占有率在20%左右。（5）智能电网和能源互联网建设对IGBT市场需求：智能电网和能源互联网中广泛要求IGBT器件，主要应用领域有：灵活交流输电、柔性直流输电、智能输电、新能源接入等。仅柔性直流输电工程将近300个。3300V/1500A及以上等级IGBT需求量接近500万只，市场容量将近1000亿元。4.3.2市场预测（产品升级换代，替代其他产品、拓展应用领域）图-52014年全球IGBT市场份额及预测2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%。图-62014年中国IGBT市场份额及预测据协会调研公开数据而知，2015年国内中国IGBT市场规模达100亿元左右，其中国产IGBT市场占有率不到10%。据知名调研公司iSuppli的数据显示，从2010年到2020年，全球IGBT市场将继续保持年均12%左右的增长速度，我国IGBT产业将保持15%～20%的增长速度，到2020年国内市场规模将达340亿元。根据市场调研机构Yole的调查报告显示，2015年全球IGBT市场已回归到稳步上升的轨道，市场规模在随后的几年时间内将继续保持稳定的发展速度，市场规模至2018年将达到60亿美元的数值。目前，电力电子器件市场的主力军仍然是硅基功率MOSFET和IGBT等器件。尽管这些器件已趋于成熟，但是未来几年，随着器件新结构的出现和制造工艺水平的不断提高，其性能会得到进一步提升和改良，CoolMOS、各种改进型的IGBT和IGCT仍有很强的生命力和竞争力。在未来一段时间内，以各种电力电子器件为主功率器件的电力电子装置和系统将展开激烈竞争。超大功率领域，晶闸管类器件在一段时间还有广泛的应用。大功率平板全压接IGBT将在这一领域向晶闸管发起挑战。未来10~15年，这一领域也将面临高压大容量碳化硅电力电子器件的挑战。在中大功率领域，以硅基IGBT为主功率器件的设备将广泛应用于工业电源、电机变频、通讯电源、不间断电源、工业加热，电镀电源、电焊机等领域。特别是随着我国柔性高压直流输电、轨道交通、新能源开发、电动汽车等技术的发展和市场需求的增加，高电压、大电流的IGBT器件的需求非常紧迫，需求量非常大。在接下来的5~10年内，这一领域的硅基IGBT器件将面临碳化硅电力电子器件的强劲挑战。在中小功率领域，以MOSFET、IGBT为主功率器件的电力电子系统和设备将在中低功率领域发挥巨大的作用，主要用于消费类领域，如电磁炉、变频空调、变频冰箱等。基于超级结技术的CoolMOS将成为重要的发展方向。在接下来的5~10年内，该领域的硅基MOSFET和IGBT器件将面临氮化镓电力电子器件的强劲挑战。在SiC和GaN电力电子器件领域，由于受到材料成本较高和材料质量较低以及工艺不完全成熟等因素的影响，国际上仅在650V~1700V的SiC器件和低于650V的GaN器件领域实现了产业化。近年来，全球在SiC和GaN材料和器件的研发投入以及生产规模均迅速增长，产业化技术快速成熟，具有广泛的市场前景。以SiC和GaN材料为代表的宽禁带半导体材料和器件产业已成为高科技领域中的战略性产业，国际领先企业已经开始部署市场，全球新一轮的产业升级已经开始，中国IGBT产业创新升级迫在眉睫。4.4中国发展IGBT产业发展存在的问题国外企业如英飞凌、ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完善的IGBT产品系列，按照细分的不同，各大公司有以下特点：（1）英飞凌、三菱、ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。

在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平；（2）西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。而在国内，尽管我国拥有最大的电力电子器件市场，但是目前国内电力电子器件产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。跟国内厂商相比，英飞凌、三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：（1）国际厂商起步早，研发投入大，形成了较高的专利壁垒。（2）国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。所以中国电力电子器件产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。而技术差距从以下两个方面也有体现：（1）高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强；（2）IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。可以看到，受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施，用量和可控要求我们发展IGBT，但国内的技术和设备都有待突破。（1）IGBT技术与工艺

我国的电力电子器件技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。电力电子器件芯片技术研究一般采取“设计+代工”模式，即由设计公司提出芯片设计方案，由国内的一些集成电路公司代工生产。由于这些集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线，只能利用现有的集成电路生产工艺完成芯片加工，所以设计生产的基本是一些低压芯片。与普通IC芯片相比，大功率器件有许多特有的技术难题，如芯片的减薄工艺，背面工艺等。解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术，更需要先进的工艺设备，这些都是我国电力电子器件产业发展过程中急需解决的问题。从80年代初到现在IGBT芯片体内结构设计有非穿通型(NPT)、穿通型(PT)和弱穿通型(LPT)等类型，在改善IGBT的开关性能和通态压降等性能上做了大量工作。但是把上述设计在工艺上实现却有相当大的难度。尤其是薄片工艺和背面工艺。工艺上正面的绝缘钝化，背面的减薄国内的做的都不是很好。薄片工艺，特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度也是特定的，需要减薄到200-100um，甚至到80um，现在国内可以将晶圆减薄到175um，再低就没有能力了。比如在100~200um的量级，当硅片磨薄到如此地步后，后续的加工处理就比较困难了，特别是对于8寸以上的大硅片，极易破碎，难度更大。背面工艺，包括了背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属的熔点的限制，这些背面工艺必须在低温下进行(不超过450°C)，退火激活这一步难度极大。背面注入以及退火，此工艺并不像想象的那么简单。国外某些公司可代加工，但是他们一旦与客户签订协议，就不再给中国客户代提供加工服务。在模块封装技术方面，国内基本掌握了传统的焊接式封装技术，其中中低压模块封装厂家较多，高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比，技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术，能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性，并初步实现了商业应用。高端工艺开发人员非常缺乏，现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握IGBT制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握IGBT制造的全流程，而要引进一个团队难度太大。国外IGBT制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买IGBT设计和制造技术，还牵涉到好多专利方面的东西。

（2）IGBT工艺生产设备

国内IGBT工艺设备购买、配套十分困难。每道制作工艺都有专用设备配套。其中有的国内没有，或技术水平达不到。如：德国的真空焊接机，能把芯片焊接空洞率控制在低于1%，而国产设备空洞率高达20%到50%。外国设备未必会卖给中国，例如薄片加工设备。又如：日本产的表面喷砂设备，日本政府不准出口。好的进口设备价格十分昂贵，便宜设备又不适用。例如：自动化测试设备是必不可少的，但价贵。如用手工测试代替，就会增加人为因素，测试数据误差大。IGBT生产过程对环境要求十分苛刻。要求高标准的空气净化系统，世界一流的高纯水处理系统。要成功设计、制造IGBT必须有集产品设计、芯片制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。投资额往往需高达数十亿元人民币。而为了推动国内电力电子器件的发展，针对我国当前电力电子器件产业发展状况以及2016-2020年电力电子产业发展重点，中国宽禁带电力电子器件及应用产业联盟、中国IGBT技术创新与产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会、北京电力电子学会共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》（以下简称《蓝皮书》）。4.5竞争产品分析表-6与IGBT相比，IGCT/IEGT的性能区别项目IGCTIEGT优点电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化，扩大电流容量方面具备应用前景缺点IGCT投放市场的时间较晚，应用也没有IGBT广，技术成熟度应该不如IGBT共同点IGBT和IGCT开、关损耗差别不大IGBT和IGCT，谁是电力电子器件的发展方向？目前学术界正在争论，虽然IGCT出现晚，如表-6所示至少在目前，还看不出它相对IGBT有什么优势。但也有可能随着技术的发展，两者并驾齐驱，或者都被某种新的器件代替。IEGT也称为压装式IGBT（PPI），是耐压达4KV以上的IGBT系列HYPERLINK"/s?wd=%E7%94%B5%E5%8A%9B%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%99%A8%E4%BB%B6&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YLnvD4mH9hmHR1ujmdmvu90ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwY