IGBT技术现状及未来前景分析

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT器件应用范围愈发广泛，涉及领域几乎涵盖社会的各个方面。中国IGBT器件市场需求增长空间巨大。2017年中国IGBT市场规模为123.65亿元，约占全球市场的44%。

图表：2015-2017年IGBT行业市场规模情况

数据来源：中研普华产业研究院

IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能，被业界誉为功率变流装置的“CPU”，广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。随着以轨道交通为代表的新兴市场兴起，中国已经成为全球IGBT最大需求市场。

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，例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。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。

日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。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，从整体市场份额来看，日本厂商落后于美国厂商。但是全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制。德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一，其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一，IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居第二。

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。中国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(Pulse Width Modulation IC，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，中国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。

2016年英飞凌以24.5%的份额高居榜首，日本三菱电机则以24.4%的份额屈居第二，另一日系大厂富士电机则以12.2%的占有率排行第三。在高压大功率IGBT芯片方面，由于对IGBT芯片可靠性要求非常高，此前，我国还没有一个厂家能够实现6500VIGBT芯片本土产业化，为此，国内企业每年需花费数亿元从国外采购IGBT产品。

由于国外采购周期长达数月甚至一年以上，严重制约了我国轨道交通装备的自主创新和民族品牌创立，大大降低了国内动车、机车装备在国际市场的竞争力。因此发展国内的IGBT产业迫在眉睫。

伴随着2014、2015年《国家集成电路产业发展推进纲要》和《中国制造2025》的发布，国家半导体产业进入了快速发展阶段。一方面原因是国家集成电路大基金以及其他资本的注入使国内半导体集成电路产业投资规模及数量增势明显；另一方面，中国制造2025迫使高压变频、交流传动机车/动车组、城市轨道交通、国家电网、新能源汽车等国民经济支柱性行业纷纷提出关键功率器件国产化的需求，除去自行建厂研发之外，这些领域的应用将为国内功率半导体器件的发展带来新机遇。

从技术发展趋势上来看，尽管与国际领先水平尚有差距，但发展势头强劲。高端超结MOS、TrenchIGBT、SGTMOS产品产业化依然是未来2年功率半导体器件企业发展必争之地，此外，第三代SiC、GaN器件将是未来功率器件发展趋势，国内众多企业开始进入研究阶段。

IGBT未来主要的市场应用前景有以下三个：

首先是绿色能源：目前我国的总体能源利用效率为33%左右，比发达国家低10%，节能工作面临较大压力，绿色能源的推动必不可少。

而目前中国已成为太阳能电池生产的第一大国，风力发电的累计装机容量也是连续实现翻番。无论是太阳能电池还是风力发电，其系统应用都需要把直流电转化为交流电，而承担这一任务的部件是逆变器，逆变器的核心“心脏”器件就是IGBT。

其次，新能源汽车：到目前为止，已有英、法、德等六国先后提出停售燃油车的时间表（挪威/荷兰2025年，德国/印度2030年，英法2040年），我国工信部也表态已经开始研究制定传统燃油车停售的时间表。

2013~2016年，我国新能源车产量从2万辆暴涨到50万辆，根据国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》，至2020年，我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆，累计产销量超过500万辆，等效为8寸IGBT晶圆需求为100万片，累计250万片，市场相当庞大。

若拆解来看IGBT的模块约占新能源车成本10%、占充电桩成本约20%，预计未来5年，国内的新能源汽车及充电桩可望带动约200亿IGBT模块的市场需求。

另外就是工业自动化领域：机器人的大量使用，是近年来制造业企业转型升级的突出特点。我国自2013年成为世界最大工业机器人市场后，工业机器人使用量大幅攀升，年复合增长率超过20%，2016年机器人安装量更是高达8.5万台，超过全球新增工业机器人数量的30%。IGBT在工业用机器人领域也扮演重要的角色。

进口替代是我国IGBT发展趋势。我国IGBT器件90%依赖进口，国产市场份额主要被欧美、日本企业垄断。中国IGBT企业在研发与制造工艺方面极度缺乏经验，与世界先进水平差距很大。同时IGBT都是关键设备上的核心部件，设备厂商更换国产产品风险很大，这也是制约国内企业产品进入高端市场的障碍。

近年在政策支持和市场推动下，IGBT产业得到迅速发展，“十一五”和“十二五”期间，国家也组织实施了众多的IGBT研发和产业化项目，和28nm/16nm集成电路制造一样，IGBT也被列为国家“02专项”的重点扶持项目。

纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司，中国主要是以中科君芯为代表的芯片设计公司做IGBT。国产IGBT芯片和国外的差距，主要是体系上的差距，包括制造晶圆的衬底材料、200多道工艺摸索、工艺制造设备等，另外，产业链标准仍然是国外制定，国产IGBT芯片参数及应用需以国外为标准。

要缩小和国外IGBT的差距是艰辛的，面对的是结构设计调整、应用的实践和工艺上的难题。

因此，国产IGBT设计企业需要充分发挥上下游企业合作和“产、学、研、用”联合优势，提升我国IGBT领域的研发、制造、应用水平，形成我国自主IGBT器件及装置的发展和产业化标准，做更加适合中国市场的IGBT器件。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，它就像人的心脏，通过有效的开关闭合，可以把电能输送到指定位置，被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”，广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、电力电子、新能源汽车等领域。未来的应用前景广阔。预计2023年行业整体市场规模将达到超过330亿元。

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