5年近7倍空間，IGBT最受益！汽車功率半導體行業(yè)深度報告 | 附完整報告下載
報告出品方/作者：民生證券，王芳、王浩然
汽車功率半導體5年近7倍空間，IGBT最受益
政策支持、節(jié)能減排雙重驅動，新能源汽車加速滲透，預計 2025 年國內新能源汽車滲透 率將達到 20%，2030 年歐盟新能源汽車滲透率將達到 40%。汽車電動化趨勢下車用功率 半導體單車價值大幅提升。據英飛凌統(tǒng)計，功率半導體 ASP 將從傳統(tǒng)燃油車的 71 美元 大幅提升至全插混/純電汽車的 330 美元，是傳統(tǒng)燃油車的 4.6 倍。根據我們的測算，預 計 2025 年全球汽車功率半導體市場規(guī)模將達到 80 億美元，2025 年全球新能源車用功率 半導體市場規(guī)模將達到 53 億美元，是 2020 年的 7.3 倍，年復合增速高達 48.8%，未來 十年中美歐三地區(qū)新能源汽車充電樁用 IGBT 市場將有 94 億美元增量空間。目前車用功 率半導體中主要用到的是 IGBT 和 MOSFET，而 IGBT 在新能源車中是電驅系統(tǒng)主逆變 器的核心器件，并可用于輔逆變電路、DC/DC 直流斬波電路、OBC（充電/逆變）等，單 車價值達到 273 美元，占車用功率半導體 ASP 的 83%，是絕對大頭。我們預計 2025 年 全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模將達到 44 億美元，年復合增速約 48.8%，是電動化趨勢 下的汽車功率半導體中最受益品種。
產品、工藝、先發(fā)優(yōu)勢三大壁壘構筑強護城河
1）產品壁壘：車規(guī)級 IGBT 需具備使用壽命長、故障率低、抗震性高等嚴格要求，能適 應“極熱”“極冷”的高低溫工況、粉塵、鹽堿等惡劣的工況環(huán)境，承受頻繁啟停帶來的 電流頻繁變化，對產品要求極高。2）工藝壁壘：車規(guī)級 IGBT 設計時需保證開通關斷、 抗短路和導通壓降三者的平衡，參數優(yōu)化特殊復雜。生產制造時薄片工藝容易碎裂、正 面金屬熔點限制導致退火溫度控制難度大。此外，IGBT 模塊封裝的焊接和鍵合環(huán)節(jié)技 術要求同樣較高。3）認證周期長、替換成本高、具備經驗曲線效應，行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯。a）車規(guī)級 IGBT 需滿足可靠性標準、質量管理標準、功能安全標準，才有資格進入一級 汽車廠商的供應鏈，認證周期一般至少 2 年。b）由于 IGBT 模塊是汽車中的關鍵部件， 下游廠商出于安全性、可靠性的考慮，替換時往往呈謹慎態(tài)度，只有經過大量驗證測試 并通過綜合評定后，才會做出大批量采購決策，替換成本高。c）IGBT 業(yè)務需要長期的 經驗積累才能達到良好的 know-how 水平。d）IGBT 行業(yè)屬于資本密集型行業(yè)，生產、 測試設備基本需要進口。此外，對 IGBT 生產企業(yè)的流動資金需求量也較大，新進入者 在前期往往面臨投入大、產出少的情況，需要較強的資金實力作后盾，才能持續(xù)進行產 品的研發(fā)、生產和銷售。綜合來看，IGBT 行業(yè)中的先行企業(yè)具有明顯的先發(fā)優(yōu)勢。
競爭格局優(yōu)成為成長行業(yè)“優(yōu)質賽道”，但當前國產化率仍然較低
據 Omdia 2019 年統(tǒng)計數據，全球 IGBT 模塊前十大廠商占據了 76%份額，市場份額集 中，競爭格局較好。車規(guī)級 IGBT 方面，由于較高的行業(yè)壁壘，2019 年中國新能源汽車 IGBT 模塊 CR4 份額合計達 81%，呈現(xiàn)寡頭壟斷格局。其中，英飛凌市占率 58.2%排名 第一，比亞迪市占率 18%排名第二，三菱電機、賽米控分列第三、第四。車用 IGBT 憑 借廣闊的成長空間和良好的競爭格局已成為成長行業(yè)中的“優(yōu)質賽道”。但 2019 年中國 新能源汽車 IGBT 前十大廠商中僅有比亞迪、斯達半導及中車時代電氣三家國內廠商入 圍，市場份額合計 20.4%，國產替代空間廣闊。
多重因素加速國產替代，國內廠商未來發(fā)展?jié)摿薮?/span>
多重因素加速國產替代：1）中國已是全球最大的汽車消費市場，且未來汽車消費需求仍 將提升，為國內 IGBT 廠商提供了良好的發(fā)展契機。2）貿易摩擦加劇，半導體自主可控需求日益迫切。3）國內廠商率先布局新能源汽車產業(yè)，搶占先發(fā)優(yōu)勢，隨著國內新能 源車廠商的份額提升，出于供應鏈安全考慮，預計將更多采用國內半導體廠商產品。4） 國內 IGBT 廠商具備性價比高、響應速度快等本土化服務優(yōu)勢，契合新能源車降本增效 需要，有望實現(xiàn)份額提升。5）政策鼓勵、資金支持助力國內 IGBT 行業(yè)快速發(fā)展。國 內市場空間方面，根據我們的測算，預計 2025 年中國新能源車用功率半導體市場規(guī)模 將達到 177 億元，是 2020 年的 6 倍，年復合增速高達 44%，預計 2025 年中國新能源 汽車 IGBT 市場規(guī)模將達到 147 億元，年復合增速約 44%。2025 年中國充電樁用 IGBT 市場規(guī)模將達 109 億元，復合增速達 35%。綜合以上分析，我們認為車用 IGBT 國產替 代進程將加速推進，結合目前較低的市場份額占比和廣闊的行業(yè)成長空間，未來國內 IGBT 廠商增長潛力巨大。
產能緊張短期內較難緩解，功率半導體景氣持續(xù)上行
5G 商用以及疫情宅經濟加速推動社會數字化轉型，新能源車、家電、數碼等終端設備 市場景氣度轉暖，帶動半導體需求增長，疊加半導體廠商因供應鏈安全需要提高安全庫 存，多項因素共振導致半導體產能緊張，目前各大晶圓代工廠商均處于滿產狀態(tài)。從全 球來看，IC insight 預計 2021 年全球將新增 2080 萬片等效 8 寸晶圓產能，從國內來看， 在建的晶圓制造等效 8 寸產能約 2796 萬片/年，大部分集中在 2022 年投產。但考慮到 新產線投產后約有 3-5 年的產能爬坡期，短期內產能緊張較難緩解。受益于新能源汽車 和充電樁需求的快速提升，預計 2025 年全球僅車規(guī)級 IGBT 模塊所需的 8 寸晶圓量就 達 169 萬片，較 2020 年增長 5.4 倍，晶圓制造需求缺口巨大。年初以來海內外各大芯 片廠商紛紛上調產品價格或延長交期，預計半導體產業(yè)鏈景氣度仍將持續(xù)上升。
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新能源車加速滲透，汽車功率半導體
5 年 7 倍空間
1.1. 新能源汽車滲透加速，汽車功率半導體迎來量價齊升
政策支持&節(jié)能減排驅動新能源汽車加速滲透。我國《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021— 2035 年）》提出新能源汽車發(fā)展愿景，計劃到 2025 年，國內新能源汽車滲透率達到 20%。國 際上，歐洲多國二氧化碳限排政策，新能源汽車補貼政策雙管齊下，以應對全球氣候變暖的壓 力，汽車電動化路線愈加明顯。在歐盟，ACEA 汽車溫室氣體排放協(xié)議規(guī)定，到 2030 年以前， 汽車二氧化碳排放量需低于每公里 59 克。根據英飛凌測算，歐盟新能源汽車滲透率將在 2030 達到 40%。
電動化帶動功率半導體單車價值大幅提升，純電車用功率半導體 ASP 達 330 美元是傳統(tǒng) 燃油車的 4.6 倍。以電力系統(tǒng)作為動力源的新能源汽車，對電子元器件功率管理，功率轉換能 力提出了更高的要求。在傳統(tǒng)汽車中，功率半導體主要應用于車輛啟動，發(fā)電和安全領域，低 壓低功率電子元器件即可滿足其工作需求。而在新能源汽車中，電池輸出的高電壓需要進行頻 繁的電壓變換，電流逆變，這些電路大幅提高了汽車對 IGBT、MOSFET 等功率半導體的需求。根據英飛凌數據，傳統(tǒng)燃油車中，功率半導體含量為 71 美元，全插混/純電池電動車中，功率 半導體價值量為 330 美元，是傳統(tǒng)燃油車的 4.6 倍。
2025 年全球汽車功率半導體市場規(guī)模將達到 80 億美元。根據 Yole 預計，2025 年全球功 率半導體市場規(guī)模將達到 225 億美元。智研咨詢統(tǒng)計 2019 年全球功率半導體市場中汽車領域 占比 35.4%，假設該比例維持不變，則預計 2025 年全球汽車功率半導體市場規(guī)模將達到 79.65 億美元。
預計 2025 年全球新能源汽車功率半導體市場規(guī)模將達 53 億美元，是 2020 年的 7.3 倍， CAGR 為 48.8%。根據 Alix Partners 預測全球汽車銷量將從 2020 年 7050 萬輛增長至 2025 年 9400 萬輛，EV Tank 預計全球新能源汽車銷量將從 2019 年 221 萬輛增長至 2025 年 1200 萬 輛，2025 年全球新能源汽車滲透率將達到 13%，較 2019 年提升 10.36pct。上文提到，英飛凌 2020 年最新統(tǒng)計數據中，新能源汽車功率半導體單車價值量為 330 美元，考慮到目前全球半 導體晶圓代工產能緊張，預計今年新能源汽車功率半導體價格仍將保持在較高水平，且未來單 車價值將隨著電動化趨勢及雙電機滲透率的增加逐步提升。根據以上數據，我們測算 2025 年 全球新能源汽車功率半導體市場規(guī)模將達到 53 億美元，是 2020 年的 7.3 倍，年復合增速為 48.8%。
1.2. 全球車用充電樁 IGBT 市場空間快速增長
新能源車重要配套設施充電樁數量將快速增長，帶動關鍵零部件 IGBT 需求快速提升。隨著新能源汽車滲透率的逐步提高，作為新能源汽車重要配套設施的充電樁數量也需要同步 提升。根據麥肯錫統(tǒng)計，2020 年中美歐新能源汽車充電需求約為 180 億千瓦時，預計到 2030 年，新能源汽車充電需求量將達到 2710 億千瓦時，年復合增速 31.2%。新能源汽車充電設施 需求的快速增長，也將帶動充電樁關鍵零部件 IGBT 用量的大幅提升。
預計 2020-2030 十年間中美歐充電樁 IGBT 市場將有 94 億美元增量空間。根據麥肯錫預 計，中國、美國、歐盟三個地區(qū)需要在 2020-2030 十年間分別投入 190 億/110 億/170 億美元資金建設新能源汽車充電樁 2000 萬/2000 萬/2500 萬座，用以填補新能源汽車充電需求缺口。單 個充電樁中，IGBT 占總成本比例約 20%.。由此我們可以推算出，未來十年中美歐新能源汽車 充電樁用 IGBT 市場將有 94 億美元增量空間。
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汽車功率半導體中，IGBT 最受益
IGBT 和 MOSFET 是車用功率半導體的主要器件。IGBT 在汽車內有四種不同應用，第 一是主逆變器核心器件，主逆變器將電池輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟婒寗悠囯姍C；第二應用 在輔助逆變電路中，用來為其他汽車電子供電；第三應用在 DC/DC 直流斬波電路中，用來輸 出電壓不同的電流；第四應用在 OBC（充電/逆變）中，將外部輸入的交流電逆變?yōu)橹绷麟姙?新能源汽車電池充電。在電動化程度較低的汽車中，由于其電池輸出電壓低，功率器件工作的 功率范圍不高，可以用 MOSFET 替代輔助逆變電路、DC/DC 直流斬波電路、OBC 中的 IGBT ， 以達到控制成本的目的。
2.1. IGBT 是新能源汽車電機驅動系統(tǒng)的核心器件
IGBT性能優(yōu)越，是新能源汽車中功率半導體的核心部件。IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫，即絕緣柵極雙極型晶體管。它是 BJT 和 MOSFET 組成的復合功率半導體器 件，集合了 MOSFET 開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小和 BJT 導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點。在新能源汽車中，IGBT 模塊主要用于大功率 逆變器，以逆變直流電為交流電從而驅動汽車電機；還用于輔助功率逆變器，為車載空調等汽 車電子設備供電。
IGBT 按照不同應用環(huán)境，可分為 IGBT 單管，IGBT 模塊和 IPM 智能模塊。IGBT 單管 是 N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管，通過向 PNP 型晶體管提供基極電流，導通整個電路。由 于其適用電流較小，通常在 100A 以下，適用功率較低。但 IGBT 單管外部電路復雜，封裝難 度高，能體現(xiàn) IGBT 制造商技術、工藝水平。IGBT 模塊是由 IGBT 芯片與 FWD（快速回復二 極管）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，多芯片通過絕緣方式并聯(lián)集成封裝 在模塊中，其安全性、可靠性得到有效提升，更適合在高壓大電流場景中工作。IPM 智能模塊 是將 IGBT 器件與驅動電路、保護電路集成在一個模塊上，由于其具有自我電路診斷、保護的 功能，相比普通 IGBT 模塊更智能化，常用于變頻家電中。
當前英飛凌 IGBT 已發(fā)展至第 7 代產品，國內廠商逐步趕上世界先進水平。從 1988 年到 2019 年間 30 余年間，英飛凌共發(fā)布了 7 代 IGBT 產品，技術水平朝著減少芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關斷時間、功率損耗和提高斷態(tài)電壓的趨勢發(fā)展。雖然目前國內 IGBT 市 場主要由國外企業(yè)占據，但在國內廠商不斷地研發(fā)投入下，產品技術不斷趕上世界先進水平。例如斯達半導自主研發(fā)的第二代 IGBT 芯片，對標英飛凌第六代 IGBT 芯片（FS-Trench），且 已于 2016 年實現(xiàn)量產，2019 年共裝配 16 萬套車規(guī)級 IGBT 模塊；比亞迪 IGBT4.0 產品相比 市場上主流的英飛凌第四代 IGBT，開關損耗更低、電流輸出能力更強、溫度循環(huán)壽命更長。
2025 年全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模達 44 億美元，CAGR 為 48.8%。根據 Yole 數 據，2019 年全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模為 6 億美元。EV Sales Blog 數據公布 2019 年全球 插電式混合動力汽車和純電池電動車的銷量約為 220 萬輛，由此可推算出 IGBT 單車平均價 值量為 273 美元（占單車功率半導體價值量 83%），考慮到目前全球半導體晶圓代工產能緊張， 預計今年新能源汽車功率半導體價格仍將保持在較高水平，且未來單車價值將隨著電動化趨 勢及雙電機滲透率的增加逐步提升，乘以 EV tank 給出的未來各年全球新能源汽車的銷量預 測，預計全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模將從 2020 年約 6 億增長至 2025 年 44 億美元，復合 增速約 48.8%。
2.2. SiC 性能更優(yōu)，有望成為下一代技術
第三代半導體材料基底的功率器件具有更好的性能優(yōu)勢。與硅基半導體材料相比，以 GaN，SiC 為代表的第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、 更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。據英飛凌數據顯示 SiC 材料的逆變器在體積、重量上比 Si 基材料逆變器分別低 3 倍、4 倍；Rohm 數據顯示 SiC MOSFET 在應用中，開關頻率可達到 50KHz 以上（而主流 IGBT 開關頻 率最高 20KHz），能量損耗比 Si 基 IGBT 低 73%。SiC 基 MOSFET 相比 IGBT 具備更高的性 能和更小的體積優(yōu)勢。
部分高端車型已啟用 SiC 基 MOSFET，有望成為未來發(fā)展方向。特斯拉 Model 3 是第一 款集成全 SiC 功率模塊的車型，由特斯拉工程設計部門與意法半導體合作完成，隨即，英飛凌 也成為了特斯拉 Model 3SiC 功率模塊供應商。除此之外，比亞迪漢 EV 四驅版，成為國內首 款批量搭載 SiC MOSFET 組件的車型，其 SiC 電控的綜合效率高達 97%以上。目前國內廠商 也在積極布局 SiC 生產應用，如華潤微在 2020 年 7 月已實現(xiàn)國內首條商用的 6 寸 SiC 生產線 量產，規(guī)劃產能為 1000 片/月。新潔能也已擁有多項第三代半導體相關專利，并預計推出 SiC 二極管系列產品，未來將重點布局新能源汽車應用領域。
當前 SiC 受制于成本、良率因素，大規(guī)模普遍采用還需時間。目前國際主流 SiC 襯底尺 寸為 4 英寸、6 英寸，由于晶圓面積小，芯片裁切效率低導致 SiC 襯底成本高昂，后續(xù)工藝中 制造、封裝良率低更使得 SiC 器件成本居高不下。根據中科院數據，同一級別下，SiC MOSFET 的價格比 Si IGBT 高 4 倍。車規(guī)級電控器件要滿足更為嚴格的性能指標，需要在極端溫度、強 烈震動的環(huán)境下保持穩(wěn)定工作。因此在導入終端產品之前，SiC MOSFET 需要經過長時間的可 靠性認證，一般車規(guī)級 IGBT 模組認證期在 2 年左右。
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產品、工藝、先發(fā)優(yōu)勢三大壁壘構筑強護城河
3.1. 工作環(huán)境復雜對車規(guī)級 IGBT 的安全、可靠提出極高要求
1）需適應“極熱”“極冷”的高低溫工況：車規(guī)級 IGBT 的工作溫度范圍廣，不同的安裝位 置有不同的溫度區(qū)間，比如發(fā)動機艙要求-40℃-155℃、車身控制要求-40℃-125℃，而常規(guī)消 費類芯片和元器件只需要達到 0℃-70℃。
2）需承受頻繁啟停帶來的電流頻繁變化：車輛在擁堵路況時常會遇到頻繁啟停，此時升 壓器、逆變器的 IGBT 模塊工作電流會相應的頻繁升降，從而導致 IGBT 的結溫快速變化， 對 IGBT 的耐高溫與散熱性能要求甚高。
3）需具備高抗震性：由于車況的不確定性，如山地、泥地、石子路等，車用 IGBT 在車 輛行駛中可能會受到較大的震動和顛簸，要求 IGBT 模塊的各引線端子有足夠強的機械強度， 能夠在強震動情況下正常運行。
4）能適應惡劣的工作環(huán)境：考慮到發(fā)霉、粉塵、水、鹽堿自然環(huán)境（海邊，雪水，雨水 等）、EMC 以及有害氣體侵蝕等，對 IGBT 防水防塵防腐蝕等安全性能提出了極高要求。IGBT 在這些干擾下既不能不可控地影響工作，也不能干擾車內別的設備（控制總線，MCU，傳感 器）。
5）需具備長使用壽命，低故障率。一般的汽車設計壽命都在 15 年或 60 萬公里左右。在 整個壽命周期里，車廠對車用半導體故障率基本要求是個位數 PPM（百萬分之一）量級，大 部分車廠要求到 PPB（十億分之一）量級，幾乎達到故障零忍受。
3.2.車規(guī)級 IGBT 設計、制造和封裝工藝難度大
車規(guī)級 IGBT 設計需保證開通關斷、抗短路和導通壓降三者平衡，參數優(yōu)化非常特殊復雜。車規(guī)級 IGBT 芯片通常在大電流、高電壓、高頻率的環(huán)境下工作，芯片設計需保證開通關 斷、抗短路能力和導通壓降（控制熱量）三者處于均衡狀態(tài)，芯片設計與參數調整優(yōu)化非常特 殊復雜。芯片設計環(huán)節(jié)的主要難點有：
（1）終端設計實現(xiàn)小尺寸滿足高耐壓的前提下須保證其高可靠性；
（2）元胞設計實現(xiàn)高電流密度的同時須保證其較寬泛的安全工作區(qū)，要求極高的散熱能力；
（3）元胞設計實現(xiàn)高電流密度的同時須保證其足夠的短路能力；
生產工藝難度大：薄片容易碎裂、正面金屬熔點限制導致退火溫度控制難度大。IGBT 導 通時可以看作導線，電流從上而下垂直穿過 IGBT，直至抵達驅動電機。1）芯片越薄，熱阻越 小，但極易破碎。減薄工藝：芯片越薄，電流流過的路徑越短，損耗在芯片上的能量也就隨之 降低，整車電池續(xù)航時間越長。2018 年底，比亞迪公布能將晶圓減薄到 120 μm，而英飛凌的 IGBT 芯片最低已經可減薄到 40 μm。在此厚度的晶圓和芯片上進行后續(xù)的加工，技術難度非常高，極易破碎。2）背面工藝須在低溫下進行，否則易導致正面金屬熔化。
背面工藝：包括背面離子注入，退火激活，背面金屬化等工藝步驟，由于正面金屬熔點的限制與 IGBT 芯片不 斷減薄，這些背面工藝必須在低溫下進行(不超過 450°C)，否則容易導致正面金屬熔化，退火 激活難度極大。
IGBT 模塊封裝的焊接和鍵合技術壁壘高。車用 IGBT 多為模塊形式使用，模塊封裝結構 是將半導體分立器件通過某種集成方式封裝到模塊內部，一個 IGBT 模塊通常需要經過貼片、 焊接、等離子清洗、X 光檢測、鍵合、灌膠&固化、成型、測試、打標共 9 道工藝后才能投放 到市場。其中，又以焊接和鍵合是模塊封裝技術難點。
（1）焊接：最新的低溫銀燒結貼片互聯(lián)工藝參數難掌握、材料與設備成本高，成為進入 壁壘。目前，主流的焊接技術是軟釬焊接。但是這項技術生產的一致性和可靠性不高。為此已 經開發(fā)出了低溫銀燒結貼片互聯(lián)工藝，這種工藝的焊接層具有高熱導率、高電導率、高可靠性 的優(yōu)點。但是，這項技術難度很高，工藝參數的設定、設備購置成本高昂、生產所用銀粉成本 高等成為制約廠商使用這一技術的壁壘。目前，只有英飛凌、三菱為代表的先進企業(yè)已在其部 分高性能 IGBT 模塊上使用低溫銀燒結進行焊接。
（2）鍵合：具有較高的工藝難度。目前，IGBT 模塊內部芯片表面互連普遍采用的鍵合 線為鋁線與銅線。銅線電阻率低、熱導系數高，膨脹系數低，更適合車用高功率密度、高效散 熱的模塊。但是銅線鍵合工藝的難點是需要對芯片表面進行銅金屬化處理，同時需要更高的超 聲能量，很有可能損害 IGBT 芯片本身。
1）銅具有較強的親氧性，要求嚴格密封，操作迅速。銅線與空氣接觸即刻產生氧化，原則上在拆封 48 小時內完成封裝。氧化的銅絲更堅硬，難鍵 合，容易產生焊點脫落或拉力強度低。
2）在鍵合過程中，起保護作用的惰性氣體流量難把控。為了降低銅氧化程度，需將保護氣體加在易出現(xiàn)氧化的芯片加熱區(qū)域，流量太大會影響加熱溫 度，太小則會削弱保護效果。3）壓焊夾具制作材料要求嚴格。夾具表面要光滑，保證載體和 管腳無松動，否則將直接影響產品焊接過程中燒球不良、短線、翹絲等一系列焊線問題。4） 鍵合設備參數設置必須綜合考慮焊接力、待機功率、彈坑的可能性等因素，難以平衡調控。任 何步驟出現(xiàn)問題，都將導致鍵合失敗。
3.3. 先發(fā)優(yōu)勢明顯：認證周期長，替換成本高
因車用 IGBT 高可靠性的要求，其認證周期長，替換成本高，先行企業(yè)具有明顯的先發(fā) 優(yōu)勢。1） 認證嚴格，時間周期長。IGBT 分立器件或模塊必須滿足可靠性標準 AECQ100(IC)/101(分立器件)、質量管理標準 ISO/TS1649，和功能安全標準 ISO 26262 ASIL B(D)，才有資格進入一級汽車廠商的供應鏈，認證周期一般至少 2 年。
2）替換成本高。IGBT 模塊是下游產品中的關鍵部件，負責調節(jié)電路中的電壓、電流、頻 率、相位等，其性能表現(xiàn)、穩(wěn)定性和可靠性對下游客戶來說至關重要。對于新的 IGBT 供應商， 客戶往往會保持謹慎態(tài)度，不僅會從理論上綜合評定供應商的實力，而且要經過產品單體測 試、整機測試、多次小批量試用等環(huán)節(jié)后，才會做出大批量采購決策，替換成本較高，采購決 策周期較長。
3）IGBT 業(yè)務需要長期的經驗積累才能達到良好的 know-how 水平。IGBT 芯片和快恢復 二極管芯片是 IGBT 模塊的關鍵環(huán)節(jié)，其生產步驟多，使用的生產設備多，生產的組織、控制、 設備調試等工作龐雜。比如散熱材料的選擇與處理，減薄程度與兩次注入磷離子的濃度、數量 與速度，背面工藝溫度的把控以及各環(huán)節(jié)設備，均需要長期相關經驗的摸索才能掌握芯片的設 計和生產工藝。新能源汽車應用中往往要求大批量地生產出可靠性高、穩(wěn)定性好的 IGBT 模 塊，需要經過長時間的經驗積累，才能了解器材和材料的特性，掌握生產工藝。以貼片流程為 例，就涉及到芯片位置的確定、不同材料的熱膨脹系數及其特性、回流爐回流曲線及其他參數 的設置等，這些生產工藝要經過長期的研發(fā)試驗才能找到合適的方案。
4）資金壁壘高。IGBT 行業(yè)屬于資本密集型行業(yè)，產業(yè)鏈涵蓋芯片設計、芯片制造、模 塊制造及測試等環(huán)節(jié)，其生產、測試設備基本需要進口，設備成本較高，同時產品的研發(fā)和市 場開拓都需要較長時間。此外，對 IGBT 生產企業(yè)的流動資金需求量也較大，新進入者在前期 往往面臨投入大、產出少的情況，需要較強的資金實力作后盾，才能持續(xù)進行產品的研發(fā)、生 產和銷售。
綜合來看，新入行的公司即使生產出 IGBT 產品，也需要耗費較長時間才能贏得客戶的 認可，并需要長時間才能達到良好的 know-how 水平，同時還要面臨長期較大的資金投入和 市場開發(fā)的困難，先行企業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯。
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車用 IGBT 行業(yè)競爭格局優(yōu)，
但國產化率仍然較低
競爭格局集中，CR4 份額合計 81%；但國產化率較低，TOP10 中僅 3 家內資入圍。 據 Omdia 2019 年統(tǒng)計數據顯示，全球 IGBT 模塊前十大供應商占據市場份額的 75.6%，市場 格局集中,競爭格局較好。根據 NE 時代數據，2019 年中國共裝配 108 萬套車用 IGBT 模塊， 其中英飛凌以 62.8 萬套裝配數量占據了 58.2%的份額，處于市場領先地位。比亞迪微電子排 名第二，共裝配 19.4 萬套，份額占比為 18%。三菱電機、賽米控分列第三、第四，份額為 5.2% 和 3%。斯達半導位列第五，份額占比為 1.6%。另一家國內廠商中車時代電氣位列第九，份額 占比為 0.8%。2019 年新能源汽車 IGBT 模塊前 4 大廠商份額合計 81.4%，呈現(xiàn)寡頭壟斷格局。而國內廠商僅有比亞迪微電子、斯達半導及中車時代電氣三家企業(yè)入圍市場份額 TOP10，占 比 20.4%，國產化率較低。
從電壓覆蓋看，國產企業(yè) IGBT 產品線覆蓋日趨完善。國內廠商斯達半導目前擁有國內 最全面的 IGBT 模塊產品線之一，廣泛覆蓋高壓（3300V）至中低壓（600V）的應用領域；中 車時代電器則以高鐵、動車等細分領域為主，目前主要在 4500V 以上高壓領域具備一定競爭 力。英飛凌的產品完整覆蓋了下游全電壓等級應用領域，ABB 則主要面向高壓和最高電壓等 級產品。整體看來，內資企業(yè) IGBT 產品覆蓋低壓至高壓的全市場，低壓領域布局較為完善， 但與國外廠商相比，我國功率分立器件在高壓領域仍需加強。
5
多重因素加速國產替代，促進份額提升
貿易摩擦加劇，半導體自主可控需求日益迫切。近年中美貿易摩擦呈現(xiàn)加劇趨勢。2016 年 3 月及 2018 年 4 月，中興兩次被列入美國“實體清單”。2019 年 5 月 15 日，華為被列入 “實體清單”，被禁止與美國企業(yè)進行業(yè)務合作或向其采購電信設備，受此影響谷歌已停止 向華為提供服務。2020 年 5 月 15 日，美國再次頒布針對華為的新禁令，要求采用美國技術 和設備生產的芯片，經美國批準才能出售給華為。2020 年 8 月 17 日，華為 38 家子公司被 列入實體清單，同年 9 月 15 日禁令全面實施。2020 年 12 月，中芯國際被美國列入中國涉 軍企業(yè)名單。在美對華加強技術封鎖的背景下，中國面臨貿易摩擦加劇、供給受阻、國際合 作不暢的風險，建立自主可控的半導體供應鏈，加速國產替代的需求日益迫切。
中國已成為全球最大的汽車消費市場，奠定車用 IGBT 良好發(fā)展契機。2019 年中國新 車銷量達 2575 萬輛，約占全球新車銷量的 28.5%，是全球最大的汽車消費市場。雖然我國 目前汽車保有量超過 2.6 億量，但人均汽車保有量與發(fā)達國家仍有較大差距。根據世界銀行 數據顯示，2019 年我國人均汽車保有量為 0.173 輛；美國為 0.837 輛，是中國的 4.8 倍；日 本為 0.591 量，是中國的 3.4 倍，預計未來中國汽車銷量仍將持續(xù)提升。廣大的汽車消費市 場為我國 IGBT 企業(yè)的發(fā)展提供了廣闊空間，奠定了良好的發(fā)展基礎。
國內新能源廠商份額提升，加速 IGBT 國產替代。燃油車方面，我國由于起步較晚，在傳 統(tǒng)燃油汽車行業(yè)競爭力偏弱，2020 年前三季度我國乘用車銷量 1338 萬輛，其中國產品牌乘用 車銷量占比僅約 36%。而在新能源汽車行業(yè)，我國搶抓布局，已建立起不俗的技術、市場優(yōu) 勢。2020 年前三季度，中國新能源乘用車銷量 62 萬輛，其中自主品牌/造車新勢力/外資合資 廠商占比分別為 55%、15%、30%，國內廠商占比合計達到 70%，較傳統(tǒng)燃油車提升明顯。未 來隨著新能源汽車滲透率的逐步提升，預計國內汽車廠商的市場份額也將隨之提升，迎來彎道 超車。在貿易摩擦加劇背景下，國內新能源廠商出于供應鏈安全考慮，預計將更多使用國產 IGBT，帶動國產 IGBT 份額提升。
國內廠商具有性價比和快速響應優(yōu)勢，契合新能源汽車降本增效趨勢。與國外競爭對手 相比，國內 IGBT 廠商與汽車廠商的溝通成本低，供貨速度快，服務能力強，能夠快速響應下 游客戶需求，具有快速響應的優(yōu)勢。此外，國內功率半導體廠商還具有高性價比優(yōu)勢以及較低 的物流和人工成本，契合新能源汽車廠商提升滲透率、市占率要求下的降本增效需求。
政策、資金助力國內 IGBT 行業(yè)發(fā)展。IGBT 具有巨大的國內和國際市場，且在產業(yè)結構 升級、節(jié)能減排、新能源等領域發(fā)揮著不可替代的重要作用。近年來，國家推出多項政策分別 從產業(yè)發(fā)展、研究開發(fā)、財稅投資等方面支持包括 IGBT 在內的半導體產業(yè)發(fā)展。國務院于 2020 年 8 月印發(fā)《新時期促進集成電路產業(yè)和軟件產業(yè)高質量發(fā)展的若干政策》從財稅、投 融資、研究開發(fā)等全面支持半導體行業(yè)的發(fā)展。政策的全面支持將成為 IGBT 行業(yè)快速發(fā)展的 有效助力。此外國家在資金層面也給予積極支持，國家集成電路產業(yè)基金（簡稱大基金）一期、 二期也先后于 2014 年、2019 年成立，其中大基金一期募資金額 1387 億元，大基金二期注冊 資本 2041.5 億元。據集微網統(tǒng)計，大基金一期投資領域包括：集成電路制造 67%，設計 17%， 封測 10%，裝備材料 6%。在大基金及其所撬動的社會資本的投資帶動下，包括 IGBT 在內的 集成電路產業(yè)取得了良好發(fā)展。
綜上所述, 我們預計車用 IGBT 國產替代將加速推進，助力國內廠商份額提升。第一：我 國是全球最大的汽車消費市場，且未來汽車消費需求仍將持續(xù)提升，為國內車用 IGBT 廠商 的發(fā)展提供了良好契機。第二：貿易摩擦加劇，半導體自主可控需求日益迫切。第三：新能 源汽車產業(yè)國內廠商率先布局，搶占先發(fā)優(yōu)勢，有望實現(xiàn)彎道超車，隨著國內新能源車企業(yè)份 額提升，并出于供應鏈安全考慮，預計將更多傾向使用國內半導體廠商產品，國產 IGBT 份額 有望提升。第四：國內 IGBT 廠商具備性價比高、響應速度快等本土化服務優(yōu)勢，契合新能源 車降本增效的需要，有望在未來的競爭中提高市場份額。第五：國家政策、資金助力 IGBT 行 業(yè)發(fā)展。綜合以上分析，我們認為車用 IGBT 國產替代進程將加速推進，實現(xiàn)份額提升。
除了份額提升外，國內 IGBT 廠商還將充分受益國內車用 IGBT 市場空間的快速增長。 據我們測算，預計 2025 年中國新能源汽車用 IGBT 市場規(guī)模達 177 億元，復合增速為 43.45%， 2025 年中國新能源車充電樁 IGBT 市場空間將達 147 億元，復合增速為 43.45%。
預計 2025 年中國新能源汽車用 IGBT 市場規(guī)模達 177 億元，是 2020 年的 6 倍，復合增 速為 43.45%，根據中汽協(xié)數據，2020 年中國汽車銷量為 2530 萬輛，預計到 2025 年中國汽車 銷量將達到 3000 萬輛，其中 2020 年中國新能源汽車銷量為 132 萬輛，新能源車滲透率為 5.22%。若 2025 年中國新能源汽車滲透率能夠達到《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》中提出的 20%，則 2025 年中國新能源汽車銷量將從 2020 年 132 萬輛提升至 2025 年 600 萬輛。按上文中我們測算的新能源汽車功率半導體單車價值量，預計 2025 年中國新能源汽車 功率半導體市場規(guī)模將達到 177 億元，是 2020 年的 6 倍，復合增速為 43.45%。
預計 2025 年中國新能源汽車用 IGBT 市場規(guī)模達 147 億元，復合增速為 43.45%。IGBT 最受益。根據 Yole 數據，2019 年全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模為 6 億美元。EV Sales Blog 數據公布 2019 年全球插電式混合動力汽車和純電池電動車的銷量約為 220 萬輛，由此可推算 出 IGBT 單車平均價值量為 273 美元（占單車功率半導體價值量 83%），受晶圓代工緊張影響， 考慮到目前全球半導體晶圓代工產能緊張，預計今年新能源汽車功率半導體價格仍將保持在 較高水平，且未來單車價值將隨著電動化趨勢及雙電機滲透率的增加逐步提升。乘以 2025 年 我國新能源汽車銷量 600 萬輛，預計中國新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模將從 2020 年約 24 億增 長至 2025 年 147 億元，復合增速為 43.45%。
預計 2025 年中國新能源車充電樁 IGBT 市場空間將達 109 億元，復合增速為 35%。目 前，新能源汽車的報廢周期在 8-10 年之間，按照上文各年新能源汽車銷量的測算，預計 2025 年新能源汽車的保有量將達到 2246 萬輛。隨著新基建的推進，保守假設到 2025 年車樁比提 升至 2：1，可推算出 2025 年充電樁保有量約為 1123 萬個。由于新基建政策側重公共充電樁 的建設，預計公共充電樁占比將從 2020 年 48%提升至 2025 年 50%。
此外由于快充需求的增加，預計直流充電樁在公共充電樁中的比例將從 2020 年 38%提升至 2025 年 50%。根據國家 電網歷年充電車樁項目招標公示數據，我們統(tǒng)計出招標主力 60Kw 公共直流充電樁平均單瓦 價格從 2017 年 1.15 元/W 降至 2019 年 0.9 元/W（單機價格從 2017 年 6.9 萬元降至 2019 年 5.4 萬元）；公共交流充電樁單機平均價格從 2017 年 0.95 萬元降至 2019 年 0.54 萬元。
根據我們調研的市場上主流新能源汽車廠商私人充電樁價格，我們測算出私人充電樁價格從 2017 年 1.27 萬元/臺降至 2020 年 0.78 萬元/臺。按 IGBT 在充電樁中成本占比約 20％測算，預計 2025 年國內充電樁用 IGBT 市場規(guī)模將達到 109 億元，較 2020 年的 25 億元增長 3.4 倍，年復合增 速為 34.5%。
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產能緊張短期內較難緩解，功率半導體
景氣持續(xù)上行
8 寸產能緊張，代工廠產能滿載。2020 年 5G 商用化、以及疫情“宅經濟”加速推動社 會數字化轉型，汽車、家電、數碼等終端設備市場景氣度持續(xù)回暖，大幅拉動了半導體需求 增長。此外，歐美疫情尚未得到完全控制，中美貿易關系前景不明朗等因素驅動芯片廠商提 高安全庫存，多重因素共振導致晶圓代工產能供不應求，各大晶圓代工廠商 8 英寸產能接 近滿載。世界先進，華虹宏力 2020Q3 產能利用率均超過 100%，聯(lián)電，中芯國際產能利 用率也處在 95%的高位附近。
全球新增晶圓產能滿產時間主要集中在 2023-2025 年，短期內較難解決產能緊張狀 況。從全球產能來看，根據 IC Insights 數據，預計 2020 年全球新增（等效 8 寸）晶圓產 能約 1790 萬片，2021 年新增 2080 萬片。但由于設備購買、調試、客戶驗證等原因，晶 圓制造廠的產能爬坡期較長，通常在 3-5 年左右，這部分新增產能真正實現(xiàn)滿產預計將在 2023-2025 年，短期內較難解決產能緊張狀況。
國內在建半導體制造產能折合 8 英寸約 2796 萬片/年，大部分集中在 2022 年投產， 但考慮到新產線投產后仍有較長時間的產能爬坡期，短期內產能緊張較難緩解。據我們不 完全統(tǒng)計，目前國內半導體制造產能約為 288 萬片/月（折合 8 英寸晶圓計算，包含硅基 晶圓及化合物半導體基底晶圓），國內在建的半導體制造產能合計約為 233 萬片/月（2796 萬片/年），其中大部分新產線的投產時間集中在 2022 年，但考慮到新產線投產后仍有 3- 5 年的產能爬坡期，無法迅速實現(xiàn)滿產，預計產能緊缺情況短期內仍較難緩解。
預計到 2025 年，全球車規(guī)級 IGBT 模塊所需的 8 寸晶圓數量為 169 萬片，較 2020 年 將增長 5.4 倍。目前市場上的電動車有單電機與雙電機兩種，目前主流的新能源汽車使用 的是單電機配置，但隨著未來新能源汽車制造技術的提升，可為車輛提供更高性能的雙電 機新能源汽車滲透率將得到提升。在新能源車中，每個電機使用一個逆變器，每個逆變器 中使用一個 IGBT 模塊。鑒于雙電機優(yōu)異性能，我們假設其滲透率在 2025 年達到 20%， 可以測算出 2025 年全球共需要向 1200 萬輛電動車 1440 萬臺電機裝配 IGBT 模塊。目前 單個車規(guī)級 IGBT 模塊中封裝 10-18 個 IGBT 芯片（因 IGBT 模塊電壓級別不同，芯片數 量有所差異）按平均 15 個計算，則需要 2.16 億個 IGBT 芯片。按每片 8 寸晶圓約可切出 128 個 IGBT 芯片計算，則預計 2025 年全球僅車規(guī)級 IGBT 模塊所需的 8 寸晶圓量就達 169 萬片，較 2020 年增長 5.4 倍。
晶圓漲價已傳導至產業(yè)鏈下游，半導體景氣度持續(xù)上升。終端需求持續(xù)增長、現(xiàn)有代工 產能已經滿產、新增產能短期內無法快速放量，供需矛盾導致了晶圓代工價格的上漲。臺積 電已取消了針對主要客戶 12 寸晶圓代工 3%的折扣優(yōu)惠，聯(lián)電在陸續(xù)調漲 8 寸晶圓代工價格 后跟進調漲 12 寸晶圓代工價格。代工價格調漲隨即傳導到了產業(yè)鏈下游的廠商，大部分廠 商漲價幅度都在 10%以上，其中瑞薩電子宣布部分模擬和電源產品價格將調漲 15%-100%。受益產品漲價趨勢，英飛凌等公司延長產品交期，預計半導體產業(yè)鏈景氣度還將持續(xù)上升。
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