“ IGBT被譽為功率半導體的皇冠明珠，是電能控制和轉換（變壓、變流、變頻等）的“CPU”，可廣泛應用于軍工、高鐵、可再生能源、智能電網、新能源汽車及家電中，是一種極其重要的芯片，隨著下游行業的逐步放量，對IGBT的需求也大幅增長。
另外，作為第三代半導體材料SiC和GaN的直接競爭對手，IGBT有著悠久的歷史，也在良率、成本及可靠性上有著短期內不可被替代的優勢。梧桐樹作為半導體領域的專業投資機構，對IGBT長期保持關注。
本文內容源自梧桐樹資本產業投資部投資總監郭睿的行研報告《IGBT行業研究》。”
作者介紹
郭睿，梧桐樹資本投資總監。獲得美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）材料學碩士學位，師從電子封裝泰斗King-Ning TU院士；曾任職于Renesas（瑞薩電子），負責芯片后道塑封工作；曾任職于熔拓資本，負責先進制造領域的投資與并購（包括半導體方向），在半導體與投資領域有豐富經驗。
「報告結論」
IGBT為絕緣柵雙極晶體管，為半導體功率器件中的全控器件，具有驅動功率小和飽和壓降低等優勢。IGBT是一個非通即斷的開關，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。IGBT的開關特性可以實現直流電和交流電之間的轉化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用，其應用領域極其廣泛，小到家電、數碼產品，大到軌道交通、航空航天，以及清潔發電、新能源汽車等戰略性新興產業都會用到IGBT。
按電壓分布來看，消費電子領域運用的IGBT產品為600V以下；太陽能逆變器、白色家電、新能源汽車所需的IGBT在600-1700V之間；動車組常用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700V-6500V之間。IGBT在新能源汽車中主要運用于電力驅動系統、車載空調系統和充電樁。
2017-2020年IGBT平均每年市場容量為102億元。IGBT技術壁壘為芯片的設計能力，模塊封裝雖然技術門檻不高，但是出于下游市場規模的考慮，自建封裝廠有利于提高整體收益。IGBT制造的核心工藝為背面制造工藝，這是一個相對獨立的工藝，主要包括背面減薄、背面注入、背面清洗、背面金屬化、背面退火。
全球IGBT 市場中最主要的供應廠商包括英飛凌、三菱、富士電機、東芝、ABB、仙童。其中，仙童等企業在消費級IGBT領域處于優勢地位；ABB、英飛凌、三菱電機在中等電壓的工業級IGBT領域占據優勢；在3300V以上高電壓等級的領域，英飛凌、ABB、三菱三家公司占據壟斷地位，代表著國際IGBT技術的最高水平。中國企業以斯達為代表憑借政策和下游市場的優勢，正在迎頭趕上，縮短與國際巨頭的差距。
IGBT的概念和分類
功率半導體器件指能夠耐受高電壓或承受大電流的半導體分立器件，主要用于電能變換和控制。
按照是否能通過外界條件控制器件的開通和關斷的分類標準可分為：不可控型功率器件（普通功率二極管）、半控型功率器件（晶閘管等）、全控型功率器件（MOSFET、IGBT等）。二極管是最簡單的功率半導體分立器件，單向導通，可以實現整流；晶閘管為半控型功率器件，只能觸發導通，不能觸發關斷；IGBT為絕緣柵雙極晶體管，可以觸發導通，也可以觸發關斷，所以稱為全控器件。
圖1. 功率半導體器件分類
IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)-絕緣柵雙極晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。
IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。
IGBT是一個非通即斷的開關，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。
IGBT的開關特性可以實現直流電和交流電之間的轉化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用，可以應用于逆變器、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
IGBT最常見的應用形式是模塊，而不是單管。IGBT模塊是IGBT芯片封裝后的產品，將多個芯片以絕緣方式組裝在金屬基板上，再用空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料。模塊的主要優勢在于：
1）多個IGBT芯片并聯，IGBT的電流規格更大，減少了外部電路連接的復雜性，模塊的參數一致性比分立元件要好。
2）模塊與分立形式的單管進行外部連接相比，器件之間的連線被大大縮短，引線電感更小。
3）更適合于大功率應用。模塊的最高電壓等級一般會比IGBT單管高1-2個等級，如果單管產品的最高電壓規格為1700V，則模塊有2500V、3300V乃至更高電壓規格的產品。
圖2. IGBT 模塊各應用領域產品
IGBT的應用領域
IGBT應用領域極其廣泛，小到家電、數碼產品，大到軌道交通、航空航天，以及清潔發電、新能源汽車等戰略性新興產業都會用到IGBT。按電壓分布來看，消費電子領域運用的IGBT產品為600V以下；太陽能逆變器、白色家電、新能源汽車所需的IGBT在600-1700V之間；動車組常用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700V-6500V之間。
IGBT是新能源汽車電機驅動系統的核心元件，包括車載空調控制系統和充電樁中也需要用到IGBT。
IGBT的發展史
第一代：平面穿通型（PT）
第二代：改進的平面穿通型（PT）
第三代：溝槽型（Trench）
第四代：非穿通型（NPT）
第五代：電場截止型（FS）
第六代：溝槽型-電場截止型（FS-Trench）
第七代：逆導IGBT（RC-IGBT）
IGBT的市場容量
1、未來增長主要來自于新能源汽車產業鏈
IGBT主要運用于電力驅動系統、車載空調系統和充電樁。①電力驅動系統將電能轉換為機械能，驅動電動汽車行駛，并能夠在電動汽車減速制動時，將車輪的機械能轉化為電能充入電池，是控制電動汽車最關鍵的部分；電力驅動系統主要由電子控制器、驅動電動機、電動機逆變器、傳感器、機械傳動裝置和車輪組成，IGBT在電力驅動系統中用于逆變器模塊，將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅動電動機。②充電樁中，IGBT主要運用于直流快充充電樁，直流電樁通過三相電網輸入交流電，經過三相橋式不可控整流電路整流變成直流電，濾波后提供給高頻DC-DC功率變換器，進而輸出需要的直流，為電動汽車動力蓄電池充電。③車載空調系統中也會用到IGBT，實現小功率的DC/AC逆變，從而驅動空調系統運行。
新能源汽車：兩驅所使用的IGBT為1個電機加1個三項全橋模塊，模塊市場價格為1,200-2,600元/只，四驅所使用的IGBT為2個電機2個模塊，市場價格為2,400-5,200元/只，再加上空調部分最少要4,000-6,000元，從2017-2020新能源汽車新增500萬輛來計算，新能源汽車IGBT市場空間為200億-300億，平均按250億來計算，則每年的市場規模為63億元。
充電樁：目前我國充電樁市場存量約為20萬座，十三五期間仍有近500萬充電樁的建設需求，1個充電樁用到3-6只IGBT，市場價格為600元/只，則平均1個充電樁IGBT成本為2,500元，綜上2017-2020年，充電樁所帶動的IGBT市場規模將達到125億元，平均每年為31億元。
2、高鐵與地鐵市場相對平緩
高鐵：CRH1、CRH2一輛高鐵需要80個IGBT，CRH3一輛高鐵需要128個IGBT，CRH5需要150個IGBT，平均每輛高鐵需要115個IGBT，十三五高鐵里程達3萬公里，按當前密度高鐵0.12輛/km計算（2,586輛/2.2萬km），十三五還需要新建里程8,000公里，需要高鐵960輛， 按每年交付300-350臺動車組，每個IGBT模塊按10,000元/塊計算，市場規模為11億元，平均每年市場規模為3億元。
地鐵：每輛地鐵需求25個IGBT模塊，2016年地鐵擁有量2.18萬輛，運營里程3168公里，保有量為6.88輛/公里，預計十三五新增3000公里，若保持當前的密度，則需要新增地鐵20,644輛，按照IGBT模塊5000元/個計算，市場容量為25億元，平均每年市場容量為5億元。
綜上，預計2019-2020年IGBT平均每年市場容量為102億元。
技術壁壘與核心工藝
IGBT技術壁壘為芯片的設計能力，其設計非常復雜，既要保持在高電壓、大電流、高頻環境下穩定工作，還要保持開關損耗、抗短路能力及導通壓降平衡。模塊封裝是另一個需要考慮的壁壘，第一，出于下游市場規模的考慮，自建封裝廠有利于提高整體收益；另外，IGBT模塊對于可靠性要求極高，需要模塊能適應不同的甚至惡劣的工作環境，這就對進入者在產品質量上提出了非常高的要求。
IGBT制造的核心工藝為背面制造工藝，這是一個相對獨立的工藝，主要包括背面減薄、背面注入、背面清洗、背面金屬化、背面退火。
國內外相關標的
1、國外企業
全球IGBT 市場中最主要的供應廠商包括英飛凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士電機(Fuji Electric)、東芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)。其中，仙童等企業在消費級IGBT領域處于優勢地位；ABB、英飛凌、三菱電機在中等電壓的工業級IGBT領域占據優勢；在3300V以上高電壓等級的領域，英飛凌、ABB、三菱三家公司占據壟斷地位，代表著國際IGBT技術的最高水平。
根據英飛凌年報，2015年英飛凌以27.6%的市占率穩坐全球IGBT市場頭把交椅，其次為三菱電機和富士電機，分別占20.6%和12.5%的市場份額；全球CR5達到73.2%，集中度較高。
2、國內企業
國內IGBT產業起步較晚，產業鏈中主要有16家企業，其中IDM模式企業有6家，封裝模塊企業6家，芯片設計企業4家。包括斯達半導、中車時代電氣、比亞迪、杭州士蘭微以及吉林華微等上市企業。其中斯達半導2018年全球市占率達2.2%，已經成為全球第八大IGBT模塊供應商，其產品涵蓋大功率模塊、小功率模塊、工業級中等功率模塊、車用模塊以及SiC模塊。
目前，中國的一些廠商已經研發出第六代FS-Trench IGBT，并在第七代RC IGBT上具備相應的技術儲備，同時隨著政府對中國IGBT企業的政策支持，疊加中國下游市場對產品的大量需求，中國企業有望實現大規模的國產替代，后來居上與國際巨頭正面競爭。
