新能源汽车的成本构成中,除了动力电池外,电控系统以 15~20%的成本占比位列第二。在电控系统成本中,IGBT 成本占比高达 40%,是电控系统中最重要的构成器件,主要作用是进行交流电和直流电的转换、电压高低的转换。

 

功能上,IGBT 主要应用于电池管理系统、电动控制系统、空调控制系统和充电系统。对于混合动力汽车,与低压系统相独立的高压系统也需要用到 IGBT。在新能源汽车领域,IGBT 作为电控系统和直流充电桩的核心器件,直接影响电动车功率的释放速度、汽车加速能力和最高时速等,重要性不言而喻。

 

 

由于 IGBT 具有更好的耐高压特性,当前在 650V 以上应用场景被广泛使用。相比硅基 MOSFET,IGBT 优点是导通压降小,耐高压,传输功率可以达到 5000W。IGBT 下游应用主要依据工作电压高低划分,车规级 IGBT 电压多位于 650~1200V 区间场景。

 

本篇文章就来对本土车规级 IGBT 的发展现状、行业格局与未来趋势进行分析,在现状中认清差距,在趋势中窥见转机。

 

本土产业现状

近两年,随着新能源汽车的快速发展,IGBT 也迎来了爆发。据集邦咨询《2019 中国 IGBT 产业发展及市场报告》显示,2018 年中国 IGBT 市场规模约为 153 亿元,同比增长 19.91%。受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加,中国 IGBT 市场规模将持续增长,到 2025 年,中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿元,年复合增长率近 20%。

 

我国是车规级 IGBT 的主要市场之一,约占全球市场份额超过 30%,但中高端 IGBT 主流器件市场基本被欧美、日本企业垄断,比如英飞凌、富士电机、三菱等外资企业,我国 IGBT 产品对外依赖度近 95%,呈现寡头垄断的竞争格局。

 

国内研发车规级 IGBT 的企业较少,或与其研发、生产的高难度有关。

 

  • 比亚迪的孤单
  • 在比亚迪入局 IGBT 之前,国内自主研发的 IGBT 几乎一片空白,基本被外资企业垄断。

     

    图源 | mydrives.com

     

    比亚迪微电子公司(比亚迪beplay下载地址公司前身)成立于 2004 年,初期主要承担着比亚迪集团集成电路及功率器件的开发、整合、晶圆等生产任务,主要经营功率beplay下载地址器件、IGBT 功率模块、CMOS 图像传感器、电源管理 IC、传感及控制 IC 等产品。其中,IGBT 是比亚迪beplay下载地址的拳头产品。

     

    从 F3DM 采用的 IGBT 1.0 beplay下载app下载,大规模配置于 e6、K9 等新能源车型上的 IGBT 2.5 beplay下载app下载模块,到去年推出的 IGBT 4.0 beplay下载app下载,比亚迪的 IGBT beplay下载app下载已经研发了超过十年,成为国内首个贯通新能源汽车 IGBT beplay下载app下载设计、晶圆制造、模块封装、仿真测试以及整车测试等全产业链企业。

     

    近日,比亚迪 IGBT 项目在长沙正式动工。据悉,该项目总投资 10 亿元,将建成年产 25 万片 8 英寸新能源汽车电子beplay下载app下载生产线,投产后可满足年装车 50 万辆新能源汽车的产能需求,预计年度营业收入可达 8 亿元,实现利润约 4000 万元。

     

    比亚迪电控、IGBT 模块等零部件背靠集团新能源汽车的发展,成为市场中亮眼的存在。比亚迪已经成为国内新能源汽车市场中装机量最多的电控供应商,IGBT 部分也成为国内新能源汽车电控用功率模块装机量数一数二的供应商。

     

    有数据显示,2019 年,英飞凌为国内电动乘用车市场供应 62.8 万套 IGBT 模块,市占率达到 58%。而比亚迪供应了 19.4 万套,市占率达到 18%(按最新数据估算,其在中国车规市场的份额已达 22.1%)。可以说,比亚迪缓解了我国车规级 IGBT beplay下载app下载市场一直被外企“卡脖子”的局面。

     

    2019 年,比亚迪 IGBT 自供比率约 70%,尽管比亚迪打破了国际巨头的垄断,但其对外供应量仅 4 万多套,可以看出比亚迪还是相当保守的。因此,4 月 14 日比亚迪宣布通过整合公司beplay下载地址业务、成立了独立的“比亚迪beplay下载地址有限公司”,扩大 IGBT 业务量,下一步的规划是让 IGBT 的外供比例争取超过 50%。

     

    小结:目前比亚迪在国内新能源汽车用 IGBT 市场的份额只有 20%左右,市场绝大部分仍掌握在英飞凌、三菱等外资企业手里,比亚迪占据的市场份额并不算高。放眼全球 IGBT 市场,比亚迪所占据的市场份额更是不足 2%,差距巨大。

     

    比亚迪的孤单,不仅体现在 IGBT 技术实力和市场份额上的种种差距,更在于关键零部件领域自主品牌弱势的行业积淀和产业生态现状。

     

    由此来看,比亚迪和国内 IGBT 企业们的追赶之路并不好走。但纵使路漫漫其修远兮,还望上下而求索

     

    国际巨头压力之外,比亚迪还面临着来自本土竞争对手——斯达beplay下载地址带来的挑战。

     

    根据 IHS Markit 2018 年报告,斯达beplay下载地址是国内唯一进入全球前十的 IGBT 模块厂商。相较于比亚迪beplay下载地址的 IGBT 技术从 1.0 迭代到 4.0(相当于国际第五代),斯达半导的 IGBT 技术已经发展到了第六代,基于第六代 Trench Field Stop 技术的 IGBT beplay下载app下载及配套的快恢复二极管beplay下载app下载已在新能源汽车行业实现应用。

     

     

    根据今年公司上市时披露的数据来看,斯达beplay下载地址 2019 年生产的车规级 IGBT 模块已经配套了超过 20 家终端汽车品牌,合计配套超过 16 万辆新能源汽车,此外适用于燃油车的 BSG 功率组件顺利通过了主流汽车厂商的认证,打开了传统汽车市场。其中,斯达半导的子公司 StarPower Europe AG 使用自主beplay下载app下载的 IGBT 模块在欧洲市场已被包括新能源汽车行业在内的客户接受并批量采购,步伐迈入全球化。

     

    小结:斯达beplay下载地址与比亚迪相比:比亚迪 IGBT 业务有着自身新能源汽车产业做背书,使其产品研发和应用落地获益,此为优势;

     

    然而,“水能载舟,亦能覆舟”,或许也正是由于比亚迪本身有整车业务,进而难以让其他车企真正放下心中的芥蒂,使用比亚迪的 IGBT 产品。此为劣势。

     

    相信斯达beplay下载地址的崛起对于比亚迪和本土 IGBT 产业来讲不是坏事。毕竟,“一枝独秀不是春,百花齐放春满园”。

     

  • 国内其它企业
  • 此外,国内还有中车、士兰微、扬杰科技、宏微科技等企业在进行车规级 IGBT 的研发和生产。随着国家的高度重视和大力扶持,国内在 IGBT 研发方面确实已经取得了长足的进步,本土 IGBT 产业链已经初步形成。

     

    但基于国内产业现状,再加上 IGBT 本身设计门槛高、制造技术难、投资大,国内相关人才又较为缺乏,在设计、测试以及封装等核心技术方面还积累不够,导致国内beplay下载地址企业在 IGBT 市场一直处于弱势地位。

     

    整体来看,国内功率beplay下载地址分立器件产业的产品结构仍以中低端为主,在高端产品方面目前国际厂商仍占据着绝对优势地位,供需一直存在较大缺口,技术差距短期内或较难追平。

     

    IGBT 市场格局:外企垄断之下,本土产业痛点何在?

    自 1985 年前后美国 GE 成功试制工业样品以来,IGBT 经过 30 多年的发展,如今已发展到第 7 代技术。第 7 代由三菱电机在 2012 年推出,富士电机则从 2015 年就开始对外提供 IGBT 模块第七代产品的样品。而比亚迪 2018 年 12 月才发布 IGBT 4.0 技术(也就是国际上第五代技术),其中的差距不言而喻。

     

     

    根据 IHS 统计,2018 年仅英飞凌、三菱、富士电机、安森美、ABB 五大厂商在 IGBT 领域占据的市场份额接近 70%,其中排在第一位的英飞凌市场份额高达 34.5%。目前国内 IGBT 产品的研发与国际大厂相比还存在很大差距,核心技术均掌握在外资企业手中,IGBT 技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。

     

    国内 IGBT 技术(beplay下载app下载设计、晶圆制造、模块封装)目前尚处于起步阶段。本土企业在研发与制造工艺上与世界先进水平差距较大。而且,IGBT 是关键设备上的核心部件,供应切换具有非常高的风险,这也制约了我国 IGBT 技术的发展和产品的应用。

     

    形成上述局面的原因可以概括为以下几个方面。

     

  • 国际厂商起步早,形成了较高的行业壁垒
  • 国内 IGBT 产业化起步较晚且基础薄弱,例如比亚迪、斯达beplay下载地址 2005 年才开始成立 IGBT 团队,而英飞凌 1999 年就从西门子拆分出来,且之前就已经有了很深的技术积累,技术差距短期内很难追平。

     

    再加上 IGBT 本身设计门槛高、制造技术难、投资大、国内相关人才较为缺乏,在设计、制造、测试以及封装等核心技术方面还积累不够,导致国内beplay下载地址企业在 IGBT 市场一直处于弱势地位。

     

  • IGBT 技术与工艺差距 
  • 目前国内 IGBT 行业虽然逐渐具备了一定的产业链协同能力,但国内 IGBT 技术在beplay下载app下载设计、晶圆制造、模块封装等环节目前均处于起步阶段。

     

    晶圆制造方面,国内 IGBT 主要受制于晶圆生产的瓶颈,首先是没有专业的代工厂进行 IGBT 的代工,原 8 寸沟槽 IGBT 产品主要在华虹代工,但是 IGBT 并非华虹主营业务,产品配额极其匮乏,且价格偏高;

     

    其次,与国外厂商相比,国内公司在大尺寸晶圆生产上工艺仍落后于全球龙头。晶圆越大,单片晶圆产出的beplay下载app下载就越多,在制造加工流程相同的条件下,单位beplay下载app下载的制造成本会更低。目前,IGBT 产品最具竞争力的生产线是 8 英寸和 12 英寸,国内晶圆生产企业此前大部分还停留在 6 英寸产品的阶段。仅有比亚迪、中车、士兰微等几家国内企业实现 8 英寸产品量产。

     

    同时,由于国内集成电路公司没有独立的功率器件生产线,只能利用现有的集成电路生产工艺完成beplay下载app下载加工,所以设计生产的基本是一些低压beplay下载app下载。与普通 IC beplay下载app下载相比,大功率器件有许多特有的技术难题,如beplay下载app下载的减薄工艺,背面工艺等。

     

    可以看出,IGBT 是一个对产线工艺依赖性极强的公司,解决这些难题不仅需要成熟的工艺技术,更需要先进的工艺设备,这意味着设计公司不能跳出代工厂的支持独立存在。所以,IGBT 企业走向大而强的最好的路线就是 IDM 模式。这些都是我国功率beplay下载地址产业发展过程中急需解决的问题。

     

  • IGBT 封装相对落后
  • 在模块封装技术方面,车用 IGBT 的散热效率要求比工业级要高得多,逆变器内温度最高可达 20℃,同时还要考虑强振动条件。国内目前仅掌握了传统的焊接式封装技术,与国外公司相比,技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术,能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性,并初步实现了商业应用。

     

    自第六代技术以后,各大厂商开始将精力转移到 IGBT 封装上。在 IGBT 封装材料方面,日本在全球遥遥领先,德国和美国处于跟随态势,我国的材料科学则相对落后。

     

  • IGBT 工艺生产设备短板
  • IGBT 产业每道制作工艺都有专用设备配套,国内 IGBT 工艺设备购买、配套较为困难。比如德国的真空焊接机、薄片加工设备、表面喷砂设备、自动化测试设备等,其中有的国内没有,或技术水平达不到。

     

    图源 | SEMI

     

    因此就会面临好的进口设备价格十分昂贵,便宜设备又不适用的问题。此外,还面临国外设备由于出口限制或技术保密等因素未必会卖给中国的困境。

     

    可见,要成功设计、制造 IGBT 必须要有产品设计、beplay下载app下载制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体的自动化、专业化和规模化的产业生态。

     

  • 行业人才短缺
  • 高端工艺开发人员非常缺乏,现有研发人员的设计水平有待提高。目前国内没有系统掌握 IGBT 制造工艺的人才。从国外先进功率器件公司引进是捷径。但单单引进一个人很难掌握 IGBT 制造的全流程,而要引进一个团队难度太大。国外 IGBT 制造中许多技术是有专利保护。目前如果要从国外购买 IGBT 设计和制造技术,还牵涉到好多专利方面的东西。

     

  • 市场推广受阻
  • 由于 IGBT 产品的寿命、稳定性直接影响电动车安全性,其性能也直接决定了续航里程等电动车性能,因此全球电动车 IGBT 市场此前一直被英飞凌等海外巨头垄断。

     

    车企切换至国内供应商,需要对其产品稳定性、性价比、量产经验与装车量、公司整体研发与资金实力等进行综合评估。因此 IGBT 在国产替代过程中面临的较大市场难度。

     

    小结:不难看到,从市场占比、产业链协同,到专利壁垒、人才技术,再到市场及下游客户的认可度,本土 IGBT 产业存在着全方位差距。

     

    尽管近年来国内众多厂商纷纷开始加入 IGBT 产品布局,市场规模呈加速增长趋势。但国内 IGBT 市场产量依然较低,市场份额被国外巨头瓜分蚕食。

     

    面对当前产业现状与困局,本土 IGBT 产业亟待突破。

     

    如何突破?

     

    图源 | CGTN

     

  • 发展晶圆代工厂与制程工艺
  • 弘大芯源董事长章威纵表示,“从过去 50 年硅基beplay下载地址发展之初,到目前国外第三代beplay下载地址发展领先的实际情况不难看出,没有先进的晶圆代工厂和制程工艺技术,技术就很难生根。这也是中国硅基及 IGBT 严重依赖进口,落后国外的一大原因。”

     

    去年,中芯国际以 1.13 亿美元的对价,将所持有的 LFoundry 70%股权转让给专注于 IGBT、FRD 等新型电力电子beplay下载app下载的研发企业——江苏中科君芯。可见,国内 IGBT 企业在工艺制程方面逐渐在发力追赶。

     

  • 国内企业制造成本优势逐渐显现
  • IGBT 产品当前最具竞争力的生产线是 8 英寸和 12 英寸,最为领先的厂商是英飞凌,已经在 12 英寸生产线量产 IGBT 产品。国内公司大尺寸晶圆工艺和良率均落后于行业龙头,导致beplay下载app下载分摊成本较高。

     

    目前,伴随国内企业 8 寸晶圆产线先后投产,良率逐步提升,国产 IGBT 有望较此前采购英飞凌等巨头晶圆价格大幅下降。

     

  • 新能源汽车市场是重要发力点
  • 工信部印发的《汽车产业中长期发展规划》提出,到 2020 年我国新能源汽车产量达到 200 万辆,2025 年达到 700 万辆。IGBT 模块占电动汽车成本将近 10%,占充电桩成本约 20%。

     

    集邦咨询预测,到 2025 年,中国新能源汽车所用 IGBT 市场规模将达到 210 亿人民币,充电桩所用 IGBT 的市场规模将达到 100 亿人民币。可以预见,新能源汽车市场将成为助推 IGBT 市场增长的主要力量,国内 IGBT 厂商要抓住这一发展契机,争取扩大市场份额。

     

    小结:在新的市场需求与本土产业链协同发展的趋势下,国内 IGBT 行业逐渐在缩小差距。

     

    对于本土企业应该如何发力追赶,新能源及未来汽车技术路线独立研究者曹广平向笔者指出,“本土 IGBT 产业应汇集优质人才、企业、科研机构、资金等,向华为一样发力。这样的发力,一定不要限于报项目、批项目、验项目,而是要紧紧抓住权利的配套监管,不放松,不腐败,不乱来。”

     

    也许吧。产、学、研共同发力是产业发展和进步的基础,良好的制度和行业规则是产业进一步追赶的保障。

     

    写在最后

    总体来看,我国在 IGBT 领域已经解决了从 0 到 1 的问题,未来需要经历的是从 1 到 N 的漫长过程。

     

    新基建及战略新兴行业鼓励政策等机遇,看似是助力行业前进的大风口,大机遇。但实际上,也正如曹广平所言,“我们最缺乏的是不去迎合机遇,而是政府、行业、企业等能够踏踏实实长期真正做事情的耐心和决心。”

     

    毕竟,政策只是一时的,机遇和风口总会过去。剩下的,只有日复一日的耐心与“不破楼兰终不还”的决心,才能有不被受制于人的可能与下一次面对挑战时再来一次的勇气。

     

    文章参考
    《比亚迪的 IGBT 真的很牛?》,汽车公社—王小西;
    《IGBT 国内替代国外》,智能网联汽车;
    《IGBT 市场巨头林立 比亚迪beplay下载地址突围不易》,盖世汽车资讯;
    《电动车核心技术 IGBT,国产替代可期》,中信证券;
    “新能源及未来汽车技术路线独立研究者 曹广平”部分观点。

     

     

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