新能源汽車的成本構(gòu)成中,,除了動力電池外,,電控系統(tǒng)以 15~20%的成本占比位列第二,。在電控系統(tǒng)成本中,IGBT 成本占比高達(dá) 40%,,是電控系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成器件,,主要作用是進(jìn)行交流電和直流電的轉(zhuǎn)換、電壓高低的轉(zhuǎn)換,。
功能上,,IGBT 主要應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)、電動控制系統(tǒng),、空調(diào)控制系統(tǒng)和充電系統(tǒng),。對于混合動力汽車,與低壓系統(tǒng)相獨(dú)立的高壓系統(tǒng)也需要用到 IGBT,。在新能源汽車領(lǐng)域,,IGBT 作為電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件,直接影響電動車功率的釋放速度,、汽車加速能力和最高時速等,,重要性不言而喻。
由于 IGBT 具有更好的耐高壓特性,,當(dāng)前在 650V 以上應(yīng)用場景被廣泛使用,。相比硅基 MOSFET,IGBT 優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通壓降小,,耐高壓,,傳輸功率可以達(dá)到 5000W。IGBT 下游應(yīng)用主要依據(jù)工作電壓高低劃分,,車規(guī)級 IGBT 電壓多位于 650~1200V 區(qū)間場景,。
本篇文章就來對本土車規(guī)級 IGBT 的發(fā)展現(xiàn)狀,、行業(yè)格局與未來趨勢進(jìn)行分析,,在現(xiàn)狀中認(rèn)清差距,在趨勢中窺見轉(zhuǎn)機(jī),。
本土產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
近兩年,,隨著新能源汽車的快速發(fā)展,IGBT 也迎來了爆發(fā),。據(jù)集邦咨詢《2019 中國 IGBT 產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場報告》顯示,,2018 年中國 IGBT 市場規(guī)模約為 153 億元,同比增長 19.91%,。受益于新能源汽車和工業(yè)領(lǐng)域的需求大幅增加,,中國 IGBT 市場規(guī)模將持續(xù)增長,到 2025 年,中國 IGBT 市場規(guī)模將達(dá)到 522 億元,,年復(fù)合增長率近 20%,。
我國是車規(guī)級 IGBT 的主要市場之一,約占全球市場份額超過 30%,,但中高端 IGBT 主流器件市場基本被歐美,、日本企業(yè)壟斷,比如英飛凌,、富士電機(jī),、三菱等外資企業(yè),我國 IGBT 產(chǎn)品對外依賴度近 95%,,呈現(xiàn)寡頭壟斷的競爭格局,。
國內(nèi)研發(fā)車規(guī)級 IGBT 的企業(yè)較少,或與其研發(fā),、生產(chǎn)的高難度有關(guān),。
比亞迪的孤單
在比亞迪入局 IGBT 之前,國內(nèi)自主研發(fā)的 IGBT 幾乎一片空白,,基本被外資企業(yè)壟斷,。
圖源 | mydrives.com
比亞迪微電子公司(比亞迪半導(dǎo)體公司前身)成立于 2004 年,初期主要承擔(dān)著比亞迪集團(tuán)集成電路及功率器件的開發(fā),、整合,、晶圓等生產(chǎn)任務(wù),主要經(jīng)營功率半導(dǎo)體器件,、IGBT 功率模塊,、CMOS 圖像傳感器、電源管理 IC,、傳感及控制 IC 等產(chǎn)品,。其中,IGBT 是比亞迪半導(dǎo)體的拳頭產(chǎn)品,。
從 F3DM 采用的 IGBT 1.0 芯片,,大規(guī)模配置于 e6、K9 等新能源車型上的 IGBT 2.5 芯片模塊,,到去年推出的 IGBT 4.0 芯片,,比亞迪的 IGBT 芯片已經(jīng)研發(fā)了超過十年,成為國內(nèi)首個貫通新能源汽車 IGBT 芯片設(shè)計,、晶圓制造,、模塊封裝、仿真測試以及整車測試等全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè),。
近日,,比亞迪 IGBT 項目在長沙正式動工,。據(jù)悉,該項目總投資 10 億元,,將建成年產(chǎn) 25 萬片 8 英寸新能源汽車電子芯片生產(chǎn)線,,投產(chǎn)后可滿足年裝車 50 萬輛新能源汽車的產(chǎn)能需求,預(yù)計年度營業(yè)收入可達(dá) 8 億元,,實(shí)現(xiàn)利潤約 4000 萬元,。
比亞迪電控、IGBT 模塊等零部件背靠集團(tuán)新能源汽車的發(fā)展,,成為市場中亮眼的存在,。比亞迪已經(jīng)成為國內(nèi)新能源汽車市場中裝機(jī)量最多的電控供應(yīng)商,IGBT 部分也成為國內(nèi)新能源汽車電控用功率模塊裝機(jī)量數(shù)一數(shù)二的供應(yīng)商,。
有數(shù)據(jù)顯示,,2019 年,英飛凌為國內(nèi)電動乘用車市場供應(yīng) 62.8 萬套 IGBT 模塊,,市占率達(dá)到 58%,。而比亞迪供應(yīng)了 19.4 萬套,市占率達(dá)到 18%(按最新數(shù)據(jù)估算,,其在中國車規(guī)市場的份額已達(dá) 22.1%),。可以說,,比亞迪緩解了我國車規(guī)級 IGBT 芯片市場一直被外企“卡脖子”的局面,。
2019 年,比亞迪 IGBT 自供比率約 70%,,盡管比亞迪打破了國際巨頭的壟斷,,但其對外供應(yīng)量僅 4 萬多套,可以看出比亞迪還是相當(dāng)保守的,。因此,,4 月 14 日比亞迪宣布通過整合公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)、成立了獨(dú)立的“比亞迪半導(dǎo)體有限公司”,,擴(kuò)大 IGBT 業(yè)務(wù)量,,下一步的規(guī)劃是讓 IGBT 的外供比例爭取超過 50%。
小結(jié):目前比亞迪在國內(nèi)新能源汽車用 IGBT 市場的份額只有 20%左右,,市場絕大部分仍掌握在英飛凌,、三菱等外資企業(yè)手里,,比亞迪占據(jù)的市場份額并不算高,。放眼全球 IGBT 市場,比亞迪所占據(jù)的市場份額更是不足 2%,,差距巨大,。
比亞迪的孤單,,不僅體現(xiàn)在 IGBT 技術(shù)實(shí)力和市場份額上的種種差距,更在于關(guān)鍵零部件領(lǐng)域自主品牌弱勢的行業(yè)積淀和產(chǎn)業(yè)生態(tài)現(xiàn)狀,。
由此來看,,比亞迪和國內(nèi) IGBT 企業(yè)們的追趕之路并不好走。但縱使路漫漫其修遠(yuǎn)兮,,還望上下而求索
斯達(dá)半導(dǎo)體
國際巨頭壓力之外,,比亞迪還面臨著來自本土競爭對手——斯達(dá)半導(dǎo)體帶來的挑戰(zhàn)。
根據(jù) IHS Markit 2018 年報告,,斯達(dá)半導(dǎo)體是國內(nèi)唯一進(jìn)入全球前十的 IGBT 模塊廠商,。相較于比亞迪半導(dǎo)體的 IGBT 技術(shù)從 1.0 迭代到 4.0(相當(dāng)于國際第五代),斯達(dá)半導(dǎo)的 IGBT 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第六代,,基于第六代 Trench Field Stop 技術(shù)的 IGBT 芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片已在新能源汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,。
根據(jù)今年公司上市時披露的數(shù)據(jù)來看,斯達(dá)半導(dǎo)體 2019 年生產(chǎn)的車規(guī)級 IGBT 模塊已經(jīng)配套了超過 20 家終端汽車品牌,,合計配套超過 16 萬輛新能源汽車,,此外適用于燃油車的 BSG 功率組件順利通過了主流汽車廠商的認(rèn)證,打開了傳統(tǒng)汽車市場,。其中,,斯達(dá)半導(dǎo)的子公司 StarPower Europe AG 使用自主芯片的 IGBT 模塊在歐洲市場已被包括新能源汽車行業(yè)在內(nèi)的客戶接受并批量采購,步伐邁入全球化,。
小結(jié):斯達(dá)半導(dǎo)體與比亞迪相比:比亞迪 IGBT 業(yè)務(wù)有著自身新能源汽車產(chǎn)業(yè)做背書,,使其產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用落地獲益,此為優(yōu)勢,;
然而,,“水能載舟,亦能覆舟”,,或許也正是由于比亞迪本身有整車業(yè)務(wù),,進(jìn)而難以讓其他車企真正放下心中的芥蒂,使用比亞迪的 IGBT 產(chǎn)品,。此為劣勢,。
相信斯達(dá)半導(dǎo)體的崛起對于比亞迪和本土 IGBT 產(chǎn)業(yè)來講不是壞事。畢竟,,“一枝獨(dú)秀不是春,,百花齊放春滿園”。
國內(nèi)其它企業(yè)
此外,,國內(nèi)還有中車,、士蘭微、揚(yáng)杰科技,、宏微科技等企業(yè)在進(jìn)行車規(guī)級 IGBT 的研發(fā)和生產(chǎn),。隨著國家的高度重視和大力扶持,,國內(nèi)在 IGBT 研發(fā)方面確實(shí)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,本土 IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成,。
但基于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,,再加上 IGBT 本身設(shè)計門檻高、制造技術(shù)難,、投資大,,國內(nèi)相關(guān)人才又較為缺乏,在設(shè)計,、測試以及封裝等核心技術(shù)方面還積累不夠,,導(dǎo)致國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在 IGBT 市場一直處于弱勢地位。
整體來看,,國內(nèi)功率半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仍以中低端為主,,在高端產(chǎn)品方面目前國際廠商仍占據(jù)著絕對優(yōu)勢地位,供需一直存在較大缺口,,技術(shù)差距短期內(nèi)或較難追平,。
IGBT 市場格局:外企壟斷之下,本土產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)何在,?
自 1985 年前后美國 GE 成功試制工業(yè)樣品以來,,IGBT 經(jīng)過 30 多年的發(fā)展,如今已發(fā)展到第 7 代技術(shù),。第 7 代由三菱電機(jī)在 2012 年推出,,富士電機(jī)則從 2015 年就開始對外提供 IGBT 模塊第七代產(chǎn)品的樣品。而比亞迪 2018 年 12 月才發(fā)布 IGBT 4.0 技術(shù)(也就是國際上第五代技術(shù)),,其中的差距不言而喻,。
根據(jù) IHS 統(tǒng)計,2018 年僅英飛凌,、三菱,、富士電機(jī)、安森美,、ABB 五大廠商在 IGBT 領(lǐng)域占據(jù)的市場份額接近 70%,,其中排在第一位的英飛凌市場份額高達(dá) 34.5%。目前國內(nèi) IGBT 產(chǎn)品的研發(fā)與國際大廠相比還存在很大差距,,核心技術(shù)均掌握在外資企業(yè)手中,,IGBT 技術(shù)集成度高的特點(diǎn)又導(dǎo)致了較高的市場集中度。
國內(nèi) IGBT 技術(shù)(芯片設(shè)計,、晶圓制造,、模塊封裝)目前尚處于起步階段。本土企業(yè)在研發(fā)與制造工藝上與世界先進(jìn)水平差距較大,。而且,,IGBT 是關(guān)鍵設(shè)備上的核心部件,,供應(yīng)切換具有非常高的風(fēng)險,,這也制約了我國 IGBT 技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的應(yīng)用,。
形成上述局面的原因可以概括為以下幾個方面。
國際廠商起步早,,形成了較高的行業(yè)壁壘
國內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)化起步較晚且基礎(chǔ)薄弱,,例如比亞迪、斯達(dá)半導(dǎo)體 2005 年才開始成立 IGBT 團(tuán)隊,,而英飛凌 1999 年就從西門子拆分出來,,且之前就已經(jīng)有了很深的技術(shù)積累,技術(shù)差距短期內(nèi)很難追平,。
再加上 IGBT 本身設(shè)計門檻高,、制造技術(shù)難、投資大,、國內(nèi)相關(guān)人才較為缺乏,,在設(shè)計、制造,、測試以及封裝等核心技術(shù)方面還積累不夠,,導(dǎo)致國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在 IGBT 市場一直處于弱勢地位。
IGBT 技術(shù)與工藝差距
目前國內(nèi) IGBT 行業(yè)雖然逐漸具備了一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力,,但國內(nèi) IGBT 技術(shù)在芯片設(shè)計,、晶圓制造、模塊封裝等環(huán)節(jié)目前均處于起步階段,。
晶圓制造方面,,國內(nèi) IGBT 主要受制于晶圓生產(chǎn)的瓶頸,首先是沒有專業(yè)的代工廠進(jìn)行 IGBT 的代工,,原 8 寸溝槽 IGBT 產(chǎn)品主要在華虹代工,,但是 IGBT 并非華虹主營業(yè)務(wù),產(chǎn)品配額極其匱乏,,且價格偏高,;
其次,與國外廠商相比,,國內(nèi)公司在大尺寸晶圓生產(chǎn)上工藝仍落后于全球龍頭,。晶圓越大,單片晶圓產(chǎn)出的芯片就越多,,在制造加工流程相同的條件下,,單位芯片的制造成本會更低。目前,,IGBT 產(chǎn)品最具競爭力的生產(chǎn)線是 8 英寸和 12 英寸,,國內(nèi)晶圓生產(chǎn)企業(yè)此前大部分還停留在 6 英寸產(chǎn)品的階段,。僅有比亞迪、中車,、士蘭微等幾家國內(nèi)企業(yè)實(shí)現(xiàn) 8 英寸產(chǎn)品量產(chǎn),。
同時,由于國內(nèi)集成電路公司沒有獨(dú)立的功率器件生產(chǎn)線,,只能利用現(xiàn)有的集成電路生產(chǎn)工藝完成芯片加工,,所以設(shè)計生產(chǎn)的基本是一些低壓芯片。與普通 IC 芯片相比,,大功率器件有許多特有的技術(shù)難題,,如芯片的減薄工藝,背面工藝等,。
可以看出,,IGBT 是一個對產(chǎn)線工藝依賴性極強(qiáng)的公司,解決這些難題不僅需要成熟的工藝技術(shù),,更需要先進(jìn)的工藝設(shè)備,,這意味著設(shè)計公司不能跳出代工廠的支持獨(dú)立存在。所以,,IGBT 企業(yè)走向大而強(qiáng)的最好的路線就是 IDM 模式,。這些都是我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決的問題。
IGBT 封裝相對落后
在模塊封裝技術(shù)方面,,車用 IGBT 的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多,,逆變器內(nèi)溫度最高可達(dá) 20℃,同時還要考慮強(qiáng)振動條件,。國內(nèi)目前僅掌握了傳統(tǒng)的焊接式封裝技術(shù),,與國外公司相比,技術(shù)上的差距依然存在,。國外公司基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)相繼研發(fā)出多種先進(jìn)封裝技術(shù),,能夠大幅提高模塊的功率密度、散熱性能與長期可靠性,,并初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用,。
自第六代技術(shù)以后,各大廠商開始將精力轉(zhuǎn)移到 IGBT 封裝上,。在 IGBT 封裝材料方面,,日本在全球遙遙領(lǐng)先,德國和美國處于跟隨態(tài)勢,,我國的材料科學(xué)則相對落后,。
IGBT 工藝生產(chǎn)設(shè)備短板
IGBT 產(chǎn)業(yè)每道制作工藝都有專用設(shè)備配套,國內(nèi) IGBT 工藝設(shè)備購買、配套較為困難,。比如德國的真空焊接機(jī),、薄片加工設(shè)備、表面噴砂設(shè)備,、自動化測試設(shè)備等,,其中有的國內(nèi)沒有,或技術(shù)水平達(dá)不到,。
圖源 | SEMI
因此就會面臨好的進(jìn)口設(shè)備價格十分昂貴,,便宜設(shè)備又不適用的問題,。此外,,還面臨國外設(shè)備由于出口限制或技術(shù)保密等因素未必會賣給中國的困境。
可見,,要成功設(shè)計,、制造 IGBT 必須要有產(chǎn)品設(shè)計、芯片制造,、封裝測試,、可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)應(yīng)用等成套技術(shù)的研究,、開發(fā)及產(chǎn)品制造于一體的自動化,、專業(yè)化和規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)生態(tài),。
行業(yè)人才短缺
高端工藝開發(fā)人員非常缺乏,,現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計水平有待提高。目前國內(nèi)沒有系統(tǒng)掌握 IGBT 制造工藝的人才,。從國外先進(jìn)功率器件公司引進(jìn)是捷徑,。但單單引進(jìn)一個人很難掌握 IGBT 制造的全流程,而要引進(jìn)一個團(tuán)隊難度太大,。國外 IGBT 制造中許多技術(shù)是有專利保護(hù),。目前如果要從國外購買 IGBT 設(shè)計和制造技術(shù),還牽涉到好多專利方面的東西,。
市場推廣受阻
由于 IGBT 產(chǎn)品的壽命,、穩(wěn)定性直接影響電動車安全性,其性能也直接決定了續(xù)航里程等電動車性能,,因此全球電動車 IGBT 市場此前一直被英飛凌等海外巨頭壟斷,。
車企切換至國內(nèi)供應(yīng)商,需要對其產(chǎn)品穩(wěn)定性,、性價比,、量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與裝車量、公司整體研發(fā)與資金實(shí)力等進(jìn)行綜合評估。因此 IGBT 在國產(chǎn)替代過程中面臨的較大市場難度,。
小結(jié):不難看到,,從市場占比、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同,,到專利壁壘,、人才技術(shù),再到市場及下游客戶的認(rèn)可度,,本土 IGBT 產(chǎn)業(yè)存在著全方位差距,。
盡管近年來國內(nèi)眾多廠商紛紛開始加入 IGBT 產(chǎn)品布局,市場規(guī)模呈加速增長趨勢,。但國內(nèi) IGBT 市場產(chǎn)量依然較低,,市場份額被國外巨頭瓜分蠶食。
面對當(dāng)前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與困局,,本土 IGBT 產(chǎn)業(yè)亟待突破,。
如何突破?
圖源 | CGTN
發(fā)展晶圓代工廠與制程工藝
弘大芯源董事長章威縱表示,,“從過去 50 年硅基半導(dǎo)體發(fā)展之初,,到目前國外第三代半導(dǎo)體發(fā)展領(lǐng)先的實(shí)際情況不難看出,沒有先進(jìn)的晶圓代工廠和制程工藝技術(shù),,技術(shù)就很難生根,。這也是中國硅基及 IGBT 嚴(yán)重依賴進(jìn)口,落后國外的一大原因,?!?/p>
去年,中芯國際以 1.13 億美元的對價,,將所持有的 LFoundry 70%股權(quán)轉(zhuǎn)讓給專注于 IGBT,、FRD 等新型電力電子芯片的研發(fā)企業(yè)——江蘇中科君芯??梢?,國內(nèi) IGBT 企業(yè)在工藝制程方面逐漸在發(fā)力追趕。
國內(nèi)企業(yè)制造成本優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)
IGBT 產(chǎn)品當(dāng)前最具競爭力的生產(chǎn)線是 8 英寸和 12 英寸,,最為領(lǐng)先的廠商是英飛凌,,已經(jīng)在 12 英寸生產(chǎn)線量產(chǎn) IGBT 產(chǎn)品。國內(nèi)公司大尺寸晶圓工藝和良率均落后于行業(yè)龍頭,,導(dǎo)致芯片分?jǐn)偝杀据^高,。
目前,伴隨國內(nèi)企業(yè) 8 寸晶圓產(chǎn)線先后投產(chǎn),,良率逐步提升,,國產(chǎn) IGBT 有望較此前采購英飛凌等巨頭晶圓價格大幅下降。
新能源汽車市場是重要發(fā)力點(diǎn)
工信部印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》提出,到 2020 年我國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到 200 萬輛,,2025 年達(dá)到 700 萬輛,。IGBT 模塊占電動汽車成本將近 10%,占充電樁成本約 20%,。
集邦咨詢預(yù)測,,到 2025 年,中國新能源汽車所用 IGBT 市場規(guī)模將達(dá)到 210 億人民幣,,充電樁所用 IGBT 的市場規(guī)模將達(dá)到 100 億人民幣,。可以預(yù)見,,新能源汽車市場將成為助推 IGBT 市場增長的主要力量,,國內(nèi) IGBT 廠商要抓住這一發(fā)展契機(jī),爭取擴(kuò)大市場份額,。
小結(jié):在新的市場需求與本土產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的趨勢下,,國內(nèi) IGBT 行業(yè)逐漸在縮小差距,。
對于本土企業(yè)應(yīng)該如何發(fā)力追趕,,新能源及未來汽車技術(shù)路線獨(dú)立研究者曹廣平向筆者指出,“本土 IGBT 產(chǎn)業(yè)應(yīng)匯集優(yōu)質(zhì)人才,、企業(yè),、科研機(jī)構(gòu)、資金等,,向華為一樣發(fā)力,。這樣的發(fā)力,一定不要限于報項目,、批項目,、驗(yàn)項目,而是要緊緊抓住權(quán)利的配套監(jiān)管,,不放松,,不腐敗,不亂來,?!?/p>
也許吧。產(chǎn),、學(xué),、研共同發(fā)力是產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進(jìn)步的基礎(chǔ),良好的制度和行業(yè)規(guī)則是產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步追趕的保障,。
寫在最后
總體來看,,我國在 IGBT 領(lǐng)域已經(jīng)解決了從 0 到 1 的問題,未來需要經(jīng)歷的是從 1 到 N 的漫長過程。
新基建及戰(zhàn)略新興行業(yè)鼓勵政策等機(jī)遇,,看似是助力行業(yè)前進(jìn)的大風(fēng)口,,大機(jī)遇。但實(shí)際上,,也正如曹廣平所言,,“我們最缺乏的是不去迎合機(jī)遇,而是政府,、行業(yè),、企業(yè)等能夠踏踏實(shí)實(shí)長期真正做事情的耐心和決心?!?/p>
畢竟,,政策只是一時的,機(jī)遇和風(fēng)口總會過去,。剩下的,,只有日復(fù)一日的耐心與“不破樓蘭終不還”的決心,才能有不被受制于人的可能與下一次面對挑戰(zhàn)時再來一次的勇氣,。
文章參考
《比亞迪的 IGBT 真的很牛,?》,汽車公社—王小西,;
《IGBT 國內(nèi)替代國外》,,智能網(wǎng)聯(lián)汽車;
《IGBT 市場巨頭林立 比亞迪半導(dǎo)體突圍不易》,,蓋世汽車資訊,;
《電動車核心技術(shù) IGBT,國產(chǎn)替代可期》,,中信證券,;
“新能源及未來汽車技術(shù)路線獨(dú)立研究者 曹廣平”部分觀點(diǎn)。