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功率半导体IGBT行业研究:新能源驱动成长,国产化率加速攀升

时间:2022-10-22 22:39:15 | 浏览:4787

(报告出品方/作者:国金证券,樊志远、刘妍雪、邓小路)一、市场篇:新能源助力 IGBT 高增长,缺货推动国产化加速1. 功率半导体市场稳健增长,IGBT 增速领先功率半导体是电子装臵中电能转换与电路控制的核心,是能够支持高电压、 大电流的半

(报告出品方/作者:国金证券,樊志远、刘妍雪、邓小路)

一、市场篇:新能源助力 IGBT 高增长,缺货推动国产化加速

1. 功率半导体市场稳健增长,IGBT 增速领先

功率半导体是电子装臵中电能转换与电路控制的核心,是能够支持高电压、 大电流的半导体,主要用于改变电压、频率、电力转换(将直流(DC)转 换为交流(AC),将交流(AC)转为为直流(DC))。

功率半导体主要产品包括功率器件(二极管、IGBT、MOS、BJT)、功率 IC,二极管、晶闸管、BJT 属于第一代功率半导体器件,MOS、IGBT 属 于第二代功率半导体器件,附加值更高。2020 年全球功率半导体市场规模 达 452 亿美元,中国市场占比约为 40%,功率 IC 市场规模达 243 亿元 (占比 54%),功率器件&模块市场规模达 209 亿美元(占比 46%)、 2016~2020 年 CAGR 达 7%,从市场规模占比来看,整流器、MOSFET、 IGBT 是最重要的功率器件,市场占比达 19%、41%、31%,从成长性来 看,IGBT 成长性最佳、2016~2020 年 CAGR 达 14%。

二极管:是不可控型功率半导体器件,主要用于将交流电转换为直流电, 功能类似于机械单向阀,在一个方向上以最小的电阻传导电流,称为正向, 同时防止电流流向相反的方向。优点在于结构和原理简单,缺点在于无法 控制通断且电流只能正向流通。

晶闸管:又称为可控硅整流器,是一种大功率开关型半导体器件能在高电 压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、 交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

MOS(绝缘栅型场效应管):金氧半场效晶体管,是一种全控型电压驱动 器件,依照其工作载流子的极性不同可分为“N 型”和“P 型”,正持续栅 极电压控制开通,负持续栅极电压控制并保持关断,具有开关频率高速度 快、输入阻抗高、抗击穿性好、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快 等优点,主要缺点在于通态压降大,电流、电压额定低等。MOSFET 主要 运用于消费电子、通讯、工业、汽车电子等领域的中小功率场合例如电脑 电源、充电桩等。2020 年 MOS 市场规模为 81 亿元,2016~2020 年 CAGR 达 9%。

BJT(双极型晶体管):是一种全控型电流驱动器件,具有三个引脚(基极、 集电极和发射极)和两个结(P 结和 N结),晶体管中的电荷流动主要由于 载流子在 PN 结处的扩散作用和漂移作用。双极性晶体管能够放大信号, 同时具有通态压降小、通态损耗小的优点,适合给可预测电流消耗的设备 供电,被用于构成放大器电路、驱动扬声器和电动机等设备,并广泛运用 于航天航空、医疗机械和机器人等领域。BJT 的主要缺点在于驱动功率大, 频率低,在高电压工作条件下电流增益很低。

IGBT(绝缘栅双极型晶体管):是由 MOS、BJT 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,是电力电子装臵的 CPU。


2. 需求端:新能源驱动成长,全球/中国十年 CAGR 达 13%/15%

2020 年全球 IGBT 市场规模达 66.5 亿美元,2016~2020 年 CAGR 达 14%。 中国市场约占全球市场的 40%。

从产品类型来看,IGBT 可分为单管、IPM、模块,2020 年单管、IPM、模 块市场规模占比为 24%、22%、55%。

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。2020 年市场规模达 15.9 亿美元, 2016~2020 年 CAGR 达 14%。

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。2020 年市场规模达 14 亿美元,2016~2020 年 CAGR 达 5%。

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 。2020 年市场 规模 达 36 亿美元, 2016~2020 年 CAGR 达 18%。


从电压等级来划分,600V 以下的低压 IGBT 主要应用于消费电子领域, 600V~1200V 的中压 IGBT 主要应用于新能源车、光伏、家电、工业(电 焊机、UPS)领域,1700V 以上的超高压 IGBT 主要应用于轨交、风电、 智能电网领域。

从下游应用来划分,根据 Yole 数据,2020 年工业、家用、电动车、轨交、 光伏、其他行业市场规模占比为 31%、24%、9%、6%、4%。

根据我们估算,我们预计 2025 年全球 IGBT 市场规模达 954 亿元、 2020~2025 年 CAGR 为 16%,中国 IGBT 市场规模达 458 亿元、 2020~2025 年 CAGR 达 21%。2030 年全球 IGBT 市场规模达 1609 亿元、 2020~2030 年 CAGR 达 13%,中国 IGBT 市场规模达 732 亿元、 2020~2030 年 CAGR 达 15%。其中新能源车、光伏&储能贡献了最大增量。


2.1 新能源车:IGBT 最大增量市场,国内英飞凌、比亚迪、斯达三分天下

新能源车市场是 IGBT 的最大增量,预计 2025 年全球新能源车 IGBT 市场 规模达 383 亿元、2020~2025 年 CAGR 达 48%,2030 年全球新能源车 IGBT 市场规模达 765 亿元,2020~2030 年 CGAR 达 31%。

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的交流电, 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。

我们估算单车 IGBT 价值量维持 1700 元。1)IGBT 一般占新能源车 BOM 成本的 5%。根据 Strategy Analytics,48V 轻混车功率半导体单车价值量为 90 美元,纯电动车功率半导体单车价值量达 330 美元(折 合人民币 2100 元)。2)一般 A00 乘用车 IGBT 单车价值量为 800 元, A 级电动车 IGBT 单车价值量为 2000 元,2019~2021 年新能源车中 A00 车占比为 20%~25%,我们估算新能源车 IGBT 单车价值量为 1700 元。3)目前部分高端车型采用四驱系统(如理想 one),四驱系 统采用两个电控模块,我们估算四驱车型 IGBT 单车价值量达 3200 元, 预计未来伴随四驱车型渗透率持续提升,IGBT 单车价值量持续提升, 我们假设 2025 年四驱车型渗透率达 15%,对应 2025 年新能源车 IGBT 单车价值量达 1980 元,四年 CAGR 为 4%,考虑正常年份下 IGBT 采购年降的影响,预计新能源车 IGBT 单车价值量维持在 1700 元。

2021 年全球新能源车销量达 650 万辆,对应 IGBT 市场规模达 111 亿 元,中国新能源车销量达 350 万辆,对应 IGBT 市场规模达 60 亿元, 考虑汽车电子价格正常年降、伴随 A 级车占比、四驱车占比提升,预 计新能源车 IGBT 单车价值量维持在 1700 元,假设 2025、2030 年全 球新能源车销量达 2250 万辆(渗透率 25%)、4500 万辆(渗透率 50%),对应 IGBT 市场规模达 383 亿元、765 亿元,2020~2025 年 CAGR 达 48%、 2020~2030 年 CAGR 达 31%;假设 2025、2030 年 中国新能源车销量达 1200 万辆(渗透率 40%)、1800 万辆(渗透率 60%),对应 IGBT 市场规模达 204 亿元、306 亿元,2020~2025 年 CAGR 达 54%、2020~2030 年 CAGR 达 29%。


2.2 光伏&储能:IGBT 第二增量市场,国产化率有待提升

预计 2025 年全球光伏&储能 IGBT 市场规模达 108 亿元、2020~2025 年 CAGR 达 30%,2030 年全球光伏&储能 IGBT 市场规模达 280 亿元, 2020~2030 年 CGAR 达 25%。

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(单相一般采用 IGBT 单管,三相可选择 IGBT 单管或模块)。

光伏的功率半导体单 MW 价值量为 2000~5000 欧元,储能功率半导体 单 MW 价值量为 2500~3500 欧元,估算 IGBT 的单价为 3000 欧元 /MW(折合 2100 万元/GW)。根据固德威、锦浪科技的招股说明书, IGBT 占原材料采购成本的 11%~12%,原材料成本占营业成本的 93%~94%,过去三年毛利率平均值为 35%,我们推算 IGBT 价值量占 逆变器市场规模的 7%。


2.3 传统领域:家电、工业及其他市场稳健增长

白电领域:IGBT 主要应用于变频空调、变频冰箱、变频洗衣机,主要产品 为 IPM 和 IGBT 单管。2020 年中国家用变频空调出货量为 8337 万台、渗 透率为 58%,中国变频洗衣机销量达 2627 万台、渗透率为 42%,中国变 频冰箱销量达 2506 万台、渗透率为 30%,假设未来每年变频空调、变频 洗衣机、变频冰箱渗透率提升 3%,变频空调单台 IGBT 价值量为 40 元, 变频冰箱、变频洗衣机单台 IGBT 价值量为 10 元,对应 2020、2025、 2030 年中国白电 IGBT 市场规模达 54、70、85 亿元,2020~2025 年 CAGR 达 5%, 2020~2030 年 CAGR 达 5%。考虑中国空调产量占比达 80%、冰箱产量占比达 60%、洗衣机产量占比达 40%,对应 2020、2025、 2030 年全球白电 IGBT 市场规模达 73、94、115 亿元。

工业及其他领域:2020 年全球 IGBT 市场规模达 67 亿美元(折合人民币 459 亿元),中国 IGBT 市场规模达 26 亿美元(折合人民币 179 亿元),扣 除新能源车、光伏储能、白电领域市场需求,我们估算其他领域(主要包 括工业、轨交、电源等领域)全球市场规模达 303 亿元、中国市场规模达 81 亿元,预计未来全球、中国其他领域以 4%、6%的增速稳健增长,对应 2025、2030 年全球市场规模达 369、449 亿元,中国市场规模达 109、 146 亿元。

工控领域:主要应用领域涵盖变频器、逆变焊机、UPS。我们根据相 关上市公司的采购成本构成估算变频器、逆变焊机、UPS 中 IGBT 价 值量占比为 11%、5%、12%。预计 2025、2030 年全球工控 IGBT 市 场规模达 266、322 亿元,五年、十年 CAGR 达 4%、4%。


2.4 SiC:优势突出,预计未来六年 CAGR 超 34%

第三代半导体材料逐渐成为半导体技术升级的重点方向。第一代半导体材 料以硅(Si)、锗(Ge)等为代表,第二代化合物材料以砷化镓(GaAs) 等为代表,第三代宽禁带材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为代表。

SiC MOSFETS 优势突出,更适合高压领域。相对于 Si 基材料,SiC MOSFETS 具有低导通损耗、低开关损耗、高开关频率、高功率密度等优 点,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,适用于新能源车、风 电光伏等高压领域,在 800V 高压平台的电动汽车可以充分体现快充、节 能的优势。

预计 2025、2030 年新能源车 SiC 模块市场达 218、478 亿元,五年、十 年 CAGR 达 72%、42%。目前 SiC 模块主要应用于高性能四驱车的后驱, 特斯拉、比亚迪、小鹏均采用该方案,我们假设 2025、2030 年 SiC 模块 渗透率提升至 15%、25%,考虑 SiC 模块价格持续下降,预计 2025、 2030 年新能源车 SiC 模块市场达 218、478 亿元,五年、十年 CAGR 达72%、42%。考虑 SiC 模块对 IGBT 的替代效应,预计 2025、2030 年新 能源车 IGBT 市场达 325、574 亿元,五年、十年 CAGR 达 45%、28%。 目前国内功率企业积极布局 SiC 市场,其车载潜在市场空间更大。


3.供给端:缺货涨价潮助力国产替代加速,2022 年国产化率有望达 38%

3.1 行业国产率较低,2019 年仅 12%

从全球 IGBT 竞争格局来看,行业较为集中,根据 Yole,2020 年行业 CR3 达 50%,英飞凌是行业绝对龙头、市占率达 27%。分产品类型来看:

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。2020 年行业 CR3 达 53%,英飞凌 是行业绝对龙头、市占率超 29%,国内士兰微市占率达 2.6%、位居第 十名。

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。2020 年行业 CR3 达 62%,三菱是行业绝对龙头、市占 率达 33%,国内士兰微市占率达 1.6%、位居第九名,华微电子市占率 为 0.9%、位居第十名。

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。2020 年行业 CR3 达 58%,英飞凌是行业 绝对龙头、市占率达 36%,国内斯达半导市占率达 2.8%、位居第六名。


行业国产化率较低,2019 年仅 12%。根据 Yole,从产量来看,2015 年国 内自给率为 10%、2019 年国内自给率仅 12%,行业自给率缓慢提升。考 虑海外产品规格更高、预计从市场规模口径来看国产化率更低。

分行业来看:新能源车国产率较高,光伏国产化率接近于 0。1)新能源车: 得益于近年来中国新能源车市场蓬勃发展,带动国内 IGBT 厂商快速成长, 新能源车国产化率相较较高,2019 年比亚迪、斯达市占率达 20%、17%。 2020 年斯达半导生产的汽车级 IGBT 模块合计配套超过 20 万套新能源车 汽车、市占率达 15%。2)光伏&储能:2020 年国内该领域国产化率接近 为 0。根据固德威 2021 年年报,“IGBT 元器件国内生产商较少,与进口部 件相比,产品稳定性、技术指标存在一定差异。目前,国产 IGBT 元器件、 IC 半导体的性能稳定性及相关技术指标未能完全满足公司产品的技术要求, 预计短期内不能完全实现进口替代。”3)工业:斯达半导是国内工控 IGBT 龙头,2019、2020 年斯达工控和电源行业收入达 6、7 亿元,对应市占率 约为 7%、9%,工控行业国产化率较低。

3.2 缺货涨价潮助力国产替代加速,2022 年行业国产化率有望达 38%

2020 年以来,需求端得益于新能源车、光伏需求爆发,供给端海外疫情反 复限制海外产能,IGBT 供需失衡,海外大厂交期持续上升,价格持续上升。


得益于缺货涨价潮,IGBT 行业国产化率快速提升。1)2021 年英飞凌功 率半导体业务收入同增 20%,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%。2)我们估算 2020、2021 年国内上市公司 IGBT 收入达 31、57 亿 元,同增 59%、88%,国产化率达为 17%、25%,提升 5pct、8pct。

分行业来看:新能源车、新能源发电、工控、白电领域国产化率快速攀升。 1)新能源车:2021 年比亚迪半导、斯达半导、时代电气车载 IGBT 收入 约为 13、5、2 亿元,同比均实现翻倍增长,国产化率超 30%。2)工业: 斯达半导是国内工控 IGBT 龙头,士兰微、华润微、宏微科技等企业亦有 出货。2021 年斯达半导工控和电源 IGBT 收入约为 11 亿元、同增 51%、 市占率约为 12%,国产化率进一步提升。3)白电:士兰微是国内 IPM 龙 头,新洁能、扬杰科技等企业亦有出货。2021 年士兰微 IPM 收入达 8.6 亿 元,白电领域 IPM 模块出货量超 3800 万颗,同比实现翻倍增长,出货量 市占率达 20%,国产化率快速攀升。4)2021 年斯达半导、时代电气、扬 杰科技、新洁能光伏 IGBT 收入均为几千万,且处于快速放量阶段。


展望 2022 年,供需失衡贯穿全年。1)5 月英飞凌公告财年二季报,公司 积压订单达 370 亿欧元(2021 年公司收入为 111 亿欧元,预计 2022 年收 入为 130~140 亿欧元),且 80%需求集中于 12 个月交付,2 月英飞凌向经 销商向经销商发布通知函、表示 2022 年供需失衡贯穿全年,或酝酿新一 轮产品提价。2)5 月安森美内部人士称 2022 年、2023 年车用 IGBT 订单 已满且不再接单。3)1 月逆变器龙头企业锦浪科技预计 2022 年四季度前 芯片供给难有大改善。4)海外厂商扩产普遍谨慎,主要的增量贡献是英飞凌投资 16 亿欧元在奥地利菲拉赫 12 寸产能,于 2021 年 8 月投产,预计 通过 4~5 年产能爬坡后贡献增量收入 20 亿欧元,增量有限。

供不应求的背景下,国产化率进程取决于产能释放速度,2022 年国产化率 有望达 37%。从国内 IDM 模式的龙头 IGBT 产能规划来看,比亚迪半导、 中车时代 2022 年 8 寸晶圆产能均实现翻倍增长,从国内 Fab 厂(华虹半 导、中芯绍兴、先进积塔)IGBT 产能规划来看亦能实现 60%以上成长, 从产能数据来看,我们估算 2022 年国内产能同增 90%+,我们估算 2022 年国内上市公司 IGBT 收入有望实现翻倍增长,国产率达 37%。(报告来源:未来智库)


3.3 SiC 行业壁垒更高,国内企业积极布局

SiC 行业壁垒更高,竞争格局更优,国内企业积极布局。1)SIC 行业研发 周期长、制造难度高、资金投入高。①产业链涵盖衬底→外延→设计→制 造→封装,其中衬底、外延、制造、封装占晶片加工成本的 50%、25%、 20%、5%,其中 SiC 单晶生长过程几乎是黑箱操作、难以观测、难度极高。 ②英飞凌 1992 年开始进行碳化硅材料布局,直至近两年方开始大规模建 厂扩产,2022 年 2 月英飞凌宣布将投资 20 亿欧元扩充第三代半导体产能, 预计项目达产贡献增量收入达 20 亿欧元。2)SiC 衬底、外延片集中度最 高,Wolfspeed 市占率达 50%,罗姆、II-VI 市占率达 35%,三家公司长晶 炉均为自己设计。SiC 功率器件的主要玩家包括意法半导体、英飞凌、 Wolfspeed、罗姆、安森美、三菱,2021 年 CR3 达 76%。3)国内企业纷 纷布局 SiC 领域,其中 2020 年比亚迪半导作为全球首家、国内唯一实现SiC 模块在电机驱动控制器中大批量装车。2022 年时代电气投资 4.6 亿元 将现有 4 英寸 SiC 芯片年 1 万片产能提升至 6 英寸 SiC 芯片年 2.5 万片。 2021 年斯达半导募资 5 亿元拟投产年产 6 万片的 6 寸 SiC 芯片,截至 2021 年 9 月斯达半导已获得 3.4 亿车规级 SiC MOSFET 模块订单。2021 年 H1 士兰微 SiC 功率半导体中试线已成功通线,预计于 2022 年三季度投 产。

二、壁垒篇:技术壁垒+客户壁垒+资金壁垒高,行业先发优势明显

1. 技术壁垒:芯片设计+芯片制造+模块封装

IGBT 核心技术为 IGBT 芯片的设计和制造以及 IGBT 模块的设计、制造和 测试。芯片设计端,芯片参数优化对工程师的知识储备和经验积累要求极 高;芯片制造端,生产流程长、生产设备多、工艺流程要求高;模块封装 端,工程师需要对针对不同客户需求对封装进行细微调整;IGBT 行业对人 才、设备要求极高。

1.1 IGBT 芯片技术升级趋势

IGBT 芯片的结构设计包括元胞结构、栅极结构、纵向结构、终端结构等。 其中主要迭代对象为栅极结构和纵向结构,IGBT 芯片的不同代系通常以 “栅极结构+纵向结构”来命名。

IGBT 芯片的栅极结构主要包括平面栅(Planar Gate)、沟槽栅(Trench Gate),其中沟槽栅又进一步衍生为精细化沟槽栅、微沟槽栅。

IGBT 芯片的纵向结构逐步由穿通型(Punch Through)演变为非穿通型 (Non Punch Through),而后向场截止型(Field-Stop)方向发展。

1.早期设计:穿通型(PT,PunchThrough):使用重掺杂的 P+衬底作为 起始层,在此之上依次生长 N+buffer,N-base 外延,最后在外延层表面形 成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个 N-base 区而得名。工艺复杂, 成本高,而且需要载流子寿命控制,饱和压降呈负温度系数,不利于并联, 于 80 年代后期被逐渐取代。

2. IGBT2:平面栅(Planar)+非穿通型(NPT,NonPunchThrough): 相比 PT,NPT 使用低掺杂的 N-衬底作为起始层,先在 N-漂移区的正面做 成 MOS 结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚 度,再从背面用离子注入工艺形成 P+collector。在截止时电场没有贯穿 N漂移区,因名非穿通型。部分 IGBT2 产品在高频开关应用领域仍有一定销 量。

3. IGBT3:沟槽栅(Trench)+场截止(Field-Stop):1)栅极结构变为 沟槽型,电子沟道垂直于硅片表面,消除了 JFET 结构,增加了表面沟道 密度,提高近表面载流子浓度,性能更加优化。2)纵向结构方面,场截止 的起始材料和 NPT 相同,都是低掺杂的 N-衬底;场截止在背面多注入了 一个 Nbuffer 层,它的掺杂浓度略高于 N-衬底,因此可以迅速降低电场强 度,使整体电场呈梯形,使所需的 N-漂移区厚度大大减小;Nbuffer 还可 以降低 P 发射极的发射效率,从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。在中 低压领域基本已经被 IGBT4 取代,但在高压领域依然占主导地位,比如 3300V,4500V,6500V 的主流产品仍然在使用 IGBT3。

4. IGBT4:沟槽栅+场截止+薄晶圆:和 IGBT3 一样,都是场截止+沟槽栅 的结构,但 IGBT4 优化了纵向结构,漂移区厚度更薄,背面 P 发射极及 Nbuffer 的掺杂浓度及发射效率都有优化。IGBT4 是目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术,电压包含 600V,1200V,1700V,电流从 10A到 3600A 具有涉及。

5. IGBT5:沟槽栅+场截止+表面覆铜:使用厚铜代替了铝,铜的通流能力 及热容都远远优于铝,因此 IGBT5 允许更高的工作结温及输出电流。同时 芯片结构经过优化,芯片厚度进一步减小。铜的成本高于铝,IGBT5 未得 到广泛应用,目前只封装在 PrimePACK™里,电压也只有 1200V,1700V。

6. IGBT6:沟槽栅+场截止:器件结构和 IGBT4 类似,但是优化了背面 P+ 注入,从而得到了新的折衷曲线。IGBT6 未得到广泛应用,只有单管封装 的产品。

7. IGBT7:微沟槽栅+场截止:IGBT7 作为最新一代技术,其沟道密度更 高,元胞间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现 5kv/us 下的最佳开关性能。目前,IGBT7 尚未得到广泛应用,但发展前景 广阔。英飞凌的相关产品中,T7 用于电机驱动器,E7 应用于电动商用车 主驱,光伏逆变器等。随着光伏产业、新能源汽车产业的发展,IGBT7 有 望进一步推广。


1.2 IGBT 芯片设计壁垒:难点在于不同参数的均衡取舍

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,同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降(控 制热量)三者处于均衡状态,芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂。

1.3 IGBT 芯片制造壁垒:难点在于减薄工艺、背面工艺

IGBT 芯片工艺难度较高,难点主要在于薄片工艺和背面工艺。IGBT 芯片 工艺可以按流程分为正面工艺、减薄工艺、背面工艺三个阶段。

减薄工艺需克服 8 英寸以上的硅片减薄至一定程度后极易翘曲、破碎的技 术难题。芯片减薄可以显著提升散热效率、减小芯片体积、提高器件性能。 对于特定 IGBT 器件,芯片厚度需要减薄到 100um 的量级,后续的加工处 理非常困难,硅片极易破碎和翘曲。

背面工艺需解决离子注入、背面激光退火难的问题。在对已减薄的硅片进 行离子注入的过程中,需要借助激光退火技术来精确控制硅片面的能量密 度。因正面金属熔点限制,背面退火难度较大。背面离子注入需要用到离 子注入设备,该设备技术难度极高,通常需通过国外采购,每台价格接近 1 亿元,会受到进口限制。

1.4 IGBT 模块封装壁垒:难点在于高可靠性

IGBT 模块的封装技术难度高,高可靠性设计和封装工艺控制是其技术难 点。IGBT 模块具有使用时间长的特点,汽车级模块的使用时间可达 15 年。 因此在封装过程中,模块对产品的可靠性和质量稳定性要求非常高。高可 靠性设计需要考虑材料匹配、高效散热、低寄生参数、高集成度。封装工 艺控制包括低空洞率焊接/烧结、高可靠互连、ESD 防护、老化筛选等,生 产中一个看似简单的环节往往需要长时间摸索才能熟练掌握,如铝线键合, 表面看只需把电路用铝线连接起来,但键合点的选择、键合的力度、时间 及键合机的参数设臵、键合过程中应用的夹具设计、员工操作方式等等都 会影响到产品的质量和成品率。


2. 客户壁垒:认证周期长,先发企业优势明显

IGBT 产品取得客户认可的时间较长。由于其稳定性、可靠性方面的高要 求,客户的认证周期一般较长,态度偏向谨慎,在大批量采购前需要进行 多轮测试。新进入者很难在短期内获得下游客户认可。

以汽车级 IGBT 为例,认证全周期可达 2-3年。IGBT 厂商进入车载市场需 要获得 AEC-Q100 等车规级认证,认证时长约 12-18 个月。通过后,厂商 还需与车厂或 Tier 1 供应商进行车型导入测试验证,这一过程可能持续 2- 3 年。在测试验证完成后,供应商通常会先以二供或者三供的身份供货, 再逐步提高量。而在需求稳定的情况下,车厂出于供应链安全考虑,更倾 向于与现有供应商保持合作,新 IGBT 供应商可能无法得到验证机会。

3. 资金壁垒:制造端属于重资产行业,新建项目投资高昂

IGBT 制造属于资本密集型行业,其产业链较长,包括芯片设计、芯片制 造、模块制造、测试等环节;部分设备依赖进口,成本高昂。产品研发阶 段亦需要较长研发时间和较高研发成本。

三、财务篇:国内企业成长性更佳,海外龙头毛利率、研发费率更高

我们选取国外头部厂商英飞凌、安森美,以及国内厂商时代电气、斯达半 导、士兰微、华润微、宏微科技、扬杰科技、新洁能进行财务对比。

从成长性来看,得益于国产化率提示,过去五年国内企业成长性优于海外 大厂,其中斯达半导 2016~2021 年收入、归母净利五年 CAGR 达 42%、 79%,领先行业。2022 年 Q1 斯达半导收入、归母净利同增 67%、102%, 领先行业。


从 ROE 来看,各家企业 ROE 波动较大,2021 年九家企业 ROE 均高于 10%,其中士兰微最高、达 30.8%,新洁能次之、达 30.5%。2021 年多家 企业 ROE 大幅提升主要系功率半导体缺货涨价潮下盈利能力大幅提升。

海外龙头毛利率更高且稳定性更强,受价格周期影响国内部分企业盈利能 力波动性较大。从净利率、毛利率来看,受益于功率半导体行业缺货涨价 潮,近两年各企业盈利能力明显提升。海外龙头英飞凌、安森美毛利率较 高且较为稳定,2021 年英飞凌、安森美毛利率达 39%、40%,国内斯达 半导毛利率达 36%、且呈现稳步提升,新洁能、士兰微毛利率波动性较大, 宏微科技毛利率显著低于同业,但周期性明显。国内企业费率更低,净利 率明显优于海外企业,受益于毛利率提升、规模效应,斯达半导净利率持 续提升、2021 年达 23%,新洁能、士兰微净利率波动性较大。

从固定资产率来看, IDM 模式中尚处于前期投入期的企业较低,士兰微、 华润微 2021 年固定资产周转率仅 1.7、1.9 次;采用 Fabless 的新洁能固 定资产周转率最高、2021 年达 8 次。


从应收账款周转天数来看,海外大厂账期普遍较短,2021 年英飞凌、安森 美应收账款率达 8.6、7.9 次,国内企业华润微最佳、仅 7.6 次,但账期普 遍拉长。

四、投资分析

1. 斯达半导:国内 IGBT 模块龙头,新能源业务快速放量

公司主营为 IGBT 模块,2021 年 IGBT 模块收入达 16 亿元、收入占比达 93%,公司下游主要为工控和电源、新能源,收入占比为 62%、33%。主 要客户包括英威腾、汇川技术等企业。目前公司采用 Fabless 模式,代工 厂为上海华虹、上海先进等。

国内 IGBT 模块龙头自建晶圆厂,由 Fabless 走向 IDM。1)公司成立于 2005 年,是国内首批 IGBT 公司,2011 年,公司研发出工业级中等功率模 块;2012 年公司研发出第一代自研芯片 NPT 型 IGBT 芯片,2015 年公司 对标英飞凌主流第四代 IGBT 芯片的 FS-Trench 芯片成功研发,并于 2016 年实现量产。2020 年公司 IGBT 模块排名全球第六,较 2019 年提升一名, 全球市占率达 2.8%,是国内唯一进入全球 IGBT 模块前十的公司。2) 2021 年末公司定增募资 35 亿元自建晶圆厂,预计达产后形成 6 寸高压功 率芯片 30 万片/年、6 寸 SiC 芯片 6 万片/年,功率半导体模块 400 万片/年。

新能源业务快速增长。1)2021 年公司新能源行业收入达 5.7 亿元、同增 166%,公司应用于主电机控制器的车规级 IGBT 模块持续放量,合计配套 超过 60 万辆新能源汽车、其中 A 级车超 15 万辆,应用于主电机控制器的车规级 IGBT 模块开始大批量配套海外市场,预计 2022 年海外市场份额将 会进一步提高。2)截至 2021 年 9 月公司已获得 3.4 亿车规级 SiC MOSFET 模块订单,交货周期为 2022~2023 年。

2. 比亚迪半导体:国内新能源车 IGBT 模块龙头,SiC 全球首家批量上车

公司主营业务为车规级半导体,产品涵盖功率半导体(IGBT 模块、SiC 器 件、IPM)、智能控制 IC(MCU)、智能传感器(CMOS)等业务,2021 年公司功率半导体收入达 13.5 亿元、收入占比 43%。

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。1) 公司于 2005 年组建 IGBT 团队,2007 年组建 IGBT 模块产线,2008 年公 司收购宁波中纬半导体、建立 6 寸晶圆生产线,2009 年自研成功 IGBT1.0 芯片,标志中国 IGBT 芯片实现 0 突破。2)2019 年公司在中国新能源乘 用车电机驱动控制器用 IGBT 模块厂商中位列第二、仅次于英飞凌、占比 达 19%。

公司功率半导体业务处于快速扩产期。1)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。2)2020 年公司投资 10 亿元于长沙扩产 8 寸晶 圆产能、设计产能达 25 万片/年、配套新能源车 50 万辆。3)2021 年公司 拟投资 49 亿元于济南扩产 8 寸晶圆产能、计划于 2023 年满产、产能达 36 万片/年、配套新能源车 90 万辆,2022 年产能达 20 万片/年、配套新能 源车 50 万辆、新增收入 14.5 亿元。(报告来源:未来智库)

3. 士兰微:国内功率 IDM 大厂,MOS、IPM 模块国内市占率领先

公司业务涵盖分立器件、集成电路及发光二极管三大板块,2021 年收入占 比达 53%、32%、10%。分立器件覆盖 MOSFET、IGBT、PIM、FRD、 SBD 等产品,集成电路板块覆盖 IPM、MEMS、AC/DC、DC/DC、MCU、 PMIC 等产品。

2021 年公司 IGBT 收入达 13 亿元,收入占比为 18%。其中 IPM 模块收入 达 8.6 亿元,实现翻倍增长,变频白电 IPM 模块销量达 3800 万颗,我们 估算在变频白电 IPM 市占率达 20%;工控 IGBT 单管批量供货,车规 IGBT 产品通过部分汽车厂商测试,开始小批量供货;光伏 IGBT 单管已在 国内部分光伏客户逐步上量。2020 年公司 IPM 模块全球市占率达 1.6%、 排名第九,IGBT 单管全球市占率达 2.6%、排名第十,MOSFET 全球市占 率达 2.2%、排名第十。

4. 时代电气:轨交装备龙头,轨交电网 IGBT 龙头,新能源 IGBT 快速放量

公司是主营为轨道交通装备产品,2021 年公司总收入达 151 亿元,轨交业 务收入占比达 81%,新兴装备(功率半导体、工业变流器、海工装备、传 感器件、新能源车电驱)收入占比 17%。

公司功率半导体业务采用 IDM 模式,2021 年公司 8 英寸 IGBT 晶圆月产 能达 36 万片/年。1)2008 年 10 月公司通过收购英国 Dynex 75%股权正 式将业务拓展进入高压 IGBT 领域,2009 年公司建成国内首条高压 IGBT 模块封装线,2014 年公司建成国内首条、全球第二条 8 寸 IGBT 晶圆产能,产能达 12 万片/年,2017 年公司高压 IGBT 模块成功应用于电力系统领域, 并研制出世界最大容量压接型 IGBT。2020 年公司建成 8 寸 IGBT 晶圆二 期项目,设计产能 24 万片/年,目前处于产能爬坡阶段。2)2022 年公司 投资 4.6 亿元将现有 4 英寸 SiC 芯片年 1 万片产能提升至 6 英寸 SiC 芯片 年 2.5 万片。

5. 华润微:国内功率 IDM 大厂、MOSFET 龙头

公司主营业务包括产品与方案(功率器件、集成电路)、制造与服务(代工、 封测),公司是中国本土领先的以 IDM 模式为主经营的半导体企业,同时 也是中国本土最大的功率器件企业之一。2021 年公司总收入达 92 亿元, 其中功率半导体收入达 38 亿元,MOSFET 收入达 26 亿元,IGBT 收入约 2 亿元。2020 年,公司占全球 MOSFET 分立器件市场份额的 3.9%,位居 世界第八。

2021 年末公司 6 英寸晶圆制造产能约为 23 万片/月, 8 英寸晶圆制造产能 约为 13 万片/月。公司联合大基金投资 76 亿元扩产 12 寸晶圆,预计达产 后新增产能 3 万片/月。

6. 宏微科技:深耕 IGBT 产业,光伏、车规级 IGBT 进展顺利

公司主营功率器件(IGBT、FRED、MOSFET 等),2021 年公司功率器件 收入达 5.4 亿元、占比达 99%。下游涵盖工控电源、新能源,2020 年收入 占比为 91%、6%,公司客户涵盖台达集团、汇川技术、华为等。公司经 营模式为 Fabless,代工厂包括华虹宏力、华润华晶等,华虹宏力负责 IGBT 芯片代工,华润华晶负责 FRED 芯片代工。

深耕 IGBT 产业,光伏、车规级 IGBT 进展顺利。1)公司成立于 2006 年 8 月,是国内第一批 IGBT 公司。2007 年,成功研发第一代 FRED 芯片, 2010 年,推出第一代 IGBT 产品, 2021 年,成功研发第五代 IGBT 产品、 登陆上交所科创板。2)2020 年公司 IGBT 收入为 1.87 亿元,收入占比 56%,销量达 199 万块,在国内产量市场份额达 1.8%。3)2020 年 2 月, 公司与华为技术签订了《关于光伏 IGBT 产品的合作协议》,合同期限至 2025 年 12 月 31 日。3)公司车规级 IGBT 模块 GV 系列(对标英飞凌 HPD)产品已实现对 Tier 1(车厂一级供应商)客户小批量供货,已定点 15 个车型。公司已进入 4-5 家汽车品牌厂商,合计完成 15 个车型定点, 预计将于 2023 年大幅放量。2022 年,公司 750V 车规 IGBT 及汇川定制 款有望贡献收入。4)公司目前已有部分碳化硅器件稳定出货,并积极与下 游客户共同开发高功率等级的碳化硅器件。

7. 新洁能:MOSFET 设计大厂,新能源用 IGBT 快速放量

公司主营功率器件(MOSFET、IGBT 等),2021 年功率器件收入达 13.5 亿元、收入占比达 91%,其中 MOS 收入为 13 亿元,IGBT 收入为 0.8 亿 元、同增 529%。公司经营模式为 Fabless,代工厂包括华虹宏力、华润上 华等。

2021 年公司的 MOSFET 在汽车电子市场重点导入比亚迪,目前已实现十 几款产品大批量供应,并进入多家汽车品牌整机配套厂;光伏储能市场公 司的 MOSFET 和 IGBT 产品已在国内主要的头部企业实现大批量销售,将 成为公司 2022 年重要业绩增长点。

8. 扬杰科技:IGBT 快速放量

公司主营为各类功率半导体(MOSFET、IGBT、小信号二三极管等),经 营模式采用 IDM、Fabless 并行,2021 年公司功率器件收入达 35 亿元、 占比达 80%。公司实行双品牌战略,“扬杰” 品牌主攻国内和亚太市场, “MCC” 品牌主打欧美市场,2021 年公司海外收入占比达 24%。

2020 年,基于 8 寸工艺的沟槽场终止 1200V IGBT 芯片系列及对应的模块 产品开始风险量产,IGBT 高频系列模块、IGBT 变频器系列模块以及相应 的半桥模块及 PIM 模块获得批量订单。2020 年 2 月,公司与中芯绍兴达 成战略合作伙伴关系,在 8 寸高端 MOS 和 IGBT 的研发生产领域展开深度 合作,同时中芯绍兴保证公司获得的产能支持不低于 2000 片/月,协议有 效期为三年。

9. 东微半导:IGBT 小批量量产

公司主营为 MOSFET、IGBT,2021 年公司 MOSFET 收入达 7.8 亿元、 收入占比 99%,公司 IGBT 产品采用具有独立知识产权的 TGBT 器件结构, 2021 年 TGBT 产品首次量产出货、实现收入 0.06 亿元、收入占比 1%。 2021 年公司下游主要包括充电桩(20%)、逆变器(5%)、车载充电机 (5%)、工业、消费电子领域。公司经营模式为 Fabless,代工厂包括华 虹半导体、粤芯半导体及 DB Hitek 等厂商。

10. 捷捷微电:IGBT 处于在研阶段

公司主营为功率半导体,包括晶闸管、二极管、MOSFET 等,晶闸管、二 极管采用 IDM 模式,MOSFET 采用 Fabless 模式。2021 年公司功率器件 收入达 14 亿元、收入占比达 81%。公司目前 IGBT 产品处于研发阶段,未 来可期。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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