汽車IGBT研究：電動(dòng)車IGBT市場(chǎng)份額和發(fā)展趨勢(shì)綜述

隨著汽車技術(shù)由傳統(tǒng)汽車向新能源汽車方向發(fā)展，功率半導(dǎo)體的用量增長(zhǎng)數(shù)倍，電機(jī)控制系統(tǒng)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，電控系統(tǒng)的技術(shù)水平直接影響整車的性能和成本。其中，電控系統(tǒng)應(yīng)用的核心部件——IGBT 擁有高輸入阻抗、高速開關(guān)和導(dǎo)通損耗低等特點(diǎn)，在高壓系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著極其重要角色。IGBT 模塊作為核心高壓控制開關(guān)組件，其成本占據(jù)電機(jī)控制器成本的約 40%；IGBT 器件占據(jù)新能源汽車整車成本的 10%左右，占充電樁成本約 20%。

在新能源汽車上，IGBT 主要應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)、 電機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)，PTC 等，主要具有以下功能：在主逆變器中，IGBT 將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的交流電；在車載充電機(jī)（OBC）中， IGBT 參與 220V 交流電轉(zhuǎn)換為直流并為高壓電池充電；除此之外，IGBT 也廣泛應(yīng)用在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、PTC、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)等系統(tǒng)中。除了純電動(dòng)車型外，插電混動(dòng)車上，與低壓系統(tǒng)相獨(dú)立的高壓系統(tǒng)需要用到 IGBT，部分搭載了 48V 混動(dòng)系統(tǒng)的燃油車也需要用到少量 IGBT，如 BSG 中的控制模塊。

對(duì)于電動(dòng)汽車，電壓等級(jí)、功率等級(jí)、極限工況、可靠性、使用壽命和成本等都對(duì)其使用的 IGBT 模塊提出了很高的要求，同時(shí)也是很大的挑戰(zhàn)。

IGBT 的封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器高溫運(yùn)行、高可靠性、高功率密度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及到芯片表面互連、貼片互連、導(dǎo)電端子引出互連等相關(guān)工藝。目前 IGBT 模塊封裝的研究主要集中在新型互連材料、互連方式等相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化等，主要是為了增強(qiáng)模塊的散熱能力、減小體積，同時(shí)提高可靠性。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

丹佛斯同時(shí)獲得了英飛凌、安森美等芯片公司的支持。2020 年 6 月，英飛凌和丹佛斯簽訂了一份大批量多年合同，英飛凌將向丹佛斯提供 IGBT 和二極管芯片組，用于電動(dòng)汽車逆變器的功率模塊。2020 年 7 月，安森美宣布將為丹佛斯供應(yīng)大功率 IGBT 和二極管，應(yīng)用于快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)的逆變器驅(qū)動(dòng)模塊。

發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)

由于汽車電動(dòng)化的發(fā)展，作為關(guān)鍵器件的 IGBT 一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。根據(jù)富昌電子的 2020 年 Q1 市場(chǎng)行情報(bào)告顯示，目前英飛凌、安森美、Microsemi 等 IGBT 供應(yīng)商的供貨周期普遍維持在 13-30 周左右，且交期有延長(zhǎng)趨勢(shì)，而 IGBT 正常的供貨周期是在 7-8 周左右，可見 IGBT 供應(yīng)的緊張態(tài)勢(shì)。

佐思汽研持續(xù)跟蹤汽車主要芯片的供應(yīng)關(guān)系和供應(yīng)價(jià)格情況。嘉興斯達(dá)的 IGBT 產(chǎn)品 P6 比英飛凌同類產(chǎn)品便宜一半左右。

英飛凌的汽車級(jí) HybridPACK 產(chǎn)品家族分為 HP1－DC6 和 HP-Drive 兩個(gè)封裝平臺(tái)，HP-Drive 覆蓋了 80～180kW 的應(yīng)用。HP-Drive 模塊在 2018 年全球缺貨，訂單預(yù)定周期 39 周，先預(yù)定先發(fā)貨。由于產(chǎn)能緊俏，蔚來汽車預(yù)付了 1 億預(yù)定英飛凌的 HP-Drive 2019 年產(chǎn)能。

面對(duì)市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求，各 IGBT 廠商加大了投融資和生產(chǎn)布局。

2019 年 4 月，安森美半導(dǎo)體收購(gòu)格芯位于紐約東菲什基爾 300mm 晶圓廠的所有權(quán)，擴(kuò)大其在 MOSFET 和 IGBT 芯片方面的產(chǎn)能。

2020 年 4 月，賽米控對(duì)中國(guó)增資擴(kuò)產(chǎn)，總投資額超 800 萬歐元，并引入最新的 MiniSKiiP 生產(chǎn)線進(jìn)行量產(chǎn)，保障中國(guó)旺盛的市場(chǎng)需求。

國(guó)內(nèi)企業(yè)也不甘寂寞。2020 年 4 月，比亞迪全資子公司深圳比亞迪微電子有限公司重組完成；2020 年 5 月 26 日，比亞迪半導(dǎo)體完成 A 輪融資 19 億元；2020 年 6 月 15 日，比亞迪半導(dǎo)體完成 A＋輪融資，投資者合計(jì)增資人民幣 8 億元。

斯達(dá)半導(dǎo)于 2020 年 2 月成功登陸 A 股市場(chǎng)，IPO 募集 5.1 億元將重點(diǎn)用于支持現(xiàn)有 IGBT 模塊的產(chǎn)品性能升級(jí)，研發(fā)新一代導(dǎo)通壓降更低、開關(guān)損耗更低的 IGBT 芯片。斯達(dá)半導(dǎo)上市后，連續(xù) 21 個(gè)“一字板”漲停，23 天暴漲 1073%，從 12.7 元左右的發(fā)行價(jià)，上漲超過 200 元。

技術(shù)方面，在電池容量成為電動(dòng)車瓶頸問題的背景下，提高充電功率和效率，節(jié)省行車過程中的能耗等問題是提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的有效途徑，因此，常規(guī)車用硅基功率器件均具備被第三代半導(dǎo)體功率器件替代的可能性。

SiC 是第三代半導(dǎo)體材料的代表。由于 SiC 具有高耐壓、低損耗、高效率等特性，可以讓功率器件突破硅的限制，帶來更好的導(dǎo)電性和電力性能。這些特性的提高，正與汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化以及新能源等領(lǐng)域的需求相契合。于是，各大廠商紛紛在 SiC 上布局。

Tesla 在 Model 3 的逆變器模組上率先采用了碳化硅 SiC MOSFET。該產(chǎn)品由意法半導(dǎo)體提供，隨后英飛凌也成為了特斯拉的 SiC 功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。2019 年 9 月，科銳與德爾福科技宣布開展汽車碳化硅器件合作；2020 年 12 月，科銳成為大眾汽車集團(tuán) FAST（未來汽車供應(yīng)鏈）項(xiàng)目 SiC 獨(dú)家合作伙伴。

2020 年，比亞迪漢 EV 車型電機(jī)控制器首次使用了比亞迪自主研發(fā)并制造的 SiC MOSFET 控制模塊，大大提高了電機(jī)性能。

全球 SiC 產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的態(tài)勢(shì)，其中美國(guó)全球獨(dú)大。全球 SiC 產(chǎn)量的 70%~80%來自美國(guó)公司，典型企業(yè)是科銳、安森美、Ⅱ-Ⅵ等；歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，典型公司是意法半導(dǎo)體、英飛凌等。

雖然 SiC 是長(zhǎng)期趨勢(shì)，但是 SiCMOSFET 短期內(nèi)難以取代 IGBT。SiC 在磊晶制作上有材料應(yīng)力的不一致性，造成晶圓尺寸在放大時(shí)磊晶層接合面應(yīng)力會(huì)超出拉伸極限，導(dǎo)致晶格損壞，降低了產(chǎn)品良率，故目前 SiC 芯片成品率低，晶圓尺寸主流仍維持 4 寸或 6 寸，無法取得大尺寸晶圓成本優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本過高。同等級(jí)別的 SiC MOSFET，其成本是 Si IGBT 的 8~12 倍，而車用領(lǐng)域 SiC 解決方案的整體成本相比傳統(tǒng) Si IGBT 則高出約 300 美元。

當(dāng)前制約 SiC 器件發(fā)展的主要因素在于其高昂的價(jià)格，而成本的主要決定因素是襯底和晶圓尺寸。未來隨著技術(shù)的發(fā)展，襯底的成本將會(huì)慢慢下降，晶圓的尺寸也會(huì)越做越大，價(jià)格也會(huì)慢慢下降。

SiC 單晶襯底企業(yè)主要有 Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel 等；外延片企業(yè)主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon 等；器件方面相關(guān)主要企業(yè)包括 Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等。

中國(guó)企業(yè)在單晶襯底方面以 4 英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了 6 英寸導(dǎo)電性 SiC 襯底和高純半絕緣 SiC 襯底。山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成 6 英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出 6 英寸半絕緣襯底。外延片方面，中國(guó)瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體、國(guó)民天成均可供應(yīng) 4-6 英寸外延片。