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新能源车的国产弱点：IGBT功率器件

牧之 丫丫港股圈 2022-03-21
在2018年，中美贸易战的开端之年，让国人和高层真正意识到被“卡脖子”的技术之痛。

华为、中兴的断产案例俨然在目，半导体行业也是在此刻，成为被寄予厚望的“国之重器”。

而最近一年内，汽车产业链相继传出“芯片荒”，限制了车企爆产能的可能性，传统燃油车里的MCU，新能源汽车里的IGBT，这也是疫情带来的海外影响。

IGBT对我们来说，有多重要？

IGBT的世界格局

lGBT通俗讲就是开关，即用小电流控制大流的开关，一般来说，电动车电池储存的是直流电，电机用的是交流电，功率芯片，充当了其中电流性质转换的桥梁；

得益于其独特的电路结构和工艺，IGBT芯片，成为桥梁中最为坚实的一座；

在我们日常生活中，用到的很多电器、风光伏发电设备、高铁等等，也一直都有IGBT的身影。

然而，如此重要的功率器件，其实跟随手机芯片一样，也是牢牢把握在国外企业手里。

根据全球权威咨询机构Omdia（Informa Tech与IHS整合后的全新咨询公司），在2019年，分立IGBT器件的前五强都是国外厂商，占据了全球约64%的市场份额，第一名是英飞凌（Infineon，德国），第二名是富士电机（Fuji Eeletric，日本）、第三名是安森美（On Semiconductor，美国）、第四名是东芝（Toshiba，日本）和第五名三菱（Mitsubishi，日本），

可以看到，领先第一的英飞凌独占32.5%的市场份额，近年来，也一直是国内厂商很难跨过的鸿沟。

资料来源：公众号：IGBT人

根据富士电机和三菱电机的标准，目前IGBT芯片经历了7代迭代：衬底从PT穿通，NPT非穿通到FS场截止，栅极从平面到Trench沟槽，最后到微沟槽。

从1988年至今，每一代产品的升级大概需要5年以上的时间才能占领50%左右的市场。


新一代的第七代技术，目前正由英飞凌把控领先着，对比国内产商，我们现在的差距在哪里？

自主国产的中坚力量

首先，可以看到，国内最早开始做IGBT功能器件的企业：比亚迪。

在2008就收购了宁波中玮的IDM晶圆厂，并且，在2015年之后，开始研发出自产的IGBT2.5代芯片，虽然还需要外购20%的芯片；且此前也是一直用英飞凌的车载IGBT。

真正意义上的100%用自主芯片的时候，还是2017-2018年，比亚迪的IGBT4.0,；整体装车量能够达到100万台车；

但是，比亚迪IGBT4.0目前只能对标英飞凌IGBT2.5代，为平面型+FS结构，比国内企业沟槽型的芯片性能还差一些（对比斯达、宏微、士兰微的4代都落后一代；导致饱和压降差2V，沟槽型的薄和压降差1.4V，所以平面结构的损耗大，最终影响输出功率效率）。

所以，目前外部采用比亚迪IGBT量产的客户只有深圳的蓝海华腾，做商用物流车；乘用车其他厂商没有一个是性能比较落后，另一个是比亚迪自研的模块是定制化封装，且跟目前标准化封装A71、A72等模块不一样，这也会一定影响器件性能。

在2020年底，比亚迪有推出最新的IGBT5.0出来，能对标国内同行沟槽型的芯片（英飞凌4.0代IGBT，还有斯达、士兰微的沟槽型产品），目前还需要看今年的市场检验和公司披露性能。

另外一家较早做IGBT芯片的，斯达半导，也是从2008年开始，从外购芯片，自己封装的生产开始。

斯达非常幸运的是，在2015年接盘了被英飞凌收购的芯片团队IR（international rectifier）；

让斯达在IR的第7代芯片（对标英飞凌第4代）基础上直接迭代开发。

2016年，斯达开始推广自己研发的芯片，客户如汇川、英威腾进行推广。这款是在别人基础上开发的，走了捷径，所以一次成功，迅速在国内主机厂进行推广。

在2017年，开始用在电控、整车厂，现在厂内自研的芯片占比70%，但是在车规上A00级、大巴、物流车这些应用比较多。

较为短板的是，目前，斯达750V的A级车模块还没有到车规级，寿命仅有4-5年（要求10年以上），失效率也没有达标（年失效率50ppm的等级），器件的有效率还需要进一步的检验。

第三家较早的国内产商是：时代电气（中车时代）。

在2012年，收购了英国的丹尼克斯，开始进行IGBT开发。2015年成立Fab厂（芯片设计），开始开发应用于轨交的IGBT高压模块6500V/7500V。

转型进入车规级的IGBT高压模块产品，是在2017-2018年，且开始有机会导入大巴车、物流车、A00级别的模块（当时国内主要是中车、比亚迪、斯达三家导入，中车的报价是里面最低的）；

但是受限于中车原来不是做工控产品，所以对于车规IGBT的应用功效，还有加速功效理解不深；例如：IGBT要和FRD并联使用，斯达和比亚迪是IGBT芯片和FRD芯片面积都是1:1使用，中车当时不太了解，却是用1:0.5，在特殊工况下，二极管电流会很大，失效导致炸机，所以当时中车第一版的模块推广不是很顺利。

2019-2021年，中车进行了芯片改版，以及和Tier-1客户紧密合作，目前汇川、小鹏、理想都对中车进行了两年的质量验证，今年有机会在乘用车上放量。

目前的中车产品质量达到车规要求的良率，比斯达、比亚迪都好；中车的Fab厂和封装厂也达到车规等级，今年中车上量以后还要看他的失效率。如果今年数据ok的话，后面中车有机会占据更大份额。

最后一家是：士兰微。

在2018年10月，打响了自己国产替代的IDM模式第一枪，也就是包含芯片设计制造的全产业链上的一条龙，从白电领域的功能器件切换进工业和车载IGBT。

虽然，士兰微是四家里面最晚开始做的；

但是，目前为止，士兰微车载IGBT有些样品已经出来了，而且有些A00级别客户已经开始采用了，零跑、菱电采用了士兰微模块。

士兰微要走的路线是中车、斯达的路径，先从物流、大巴、A00级别进入。

虽然起步慢，但是优势是在于有IDM厂，自有6、8、12英寸产线产品迭代非常快（迭代一版产品只要3个月，Fabless要6个月）。工业领域方面，士兰微未来是斯达最大的竞争对手，车载这块主要看他从A00级车切入A级车的情况。

整体来看，比亚迪IGBT的4.0平面型饱和压降在2V以上，但是斯达、士兰微、中车的沟槽型工艺能做到1.4V-1.6V，平面损耗大，最终影响输出功率差；

如果以A级车750V模块为例，士兰微是目前国内做最好的，能对标英飞凌输出160KW-180KW，然后是中车，也能做到160KW但是到不了180KW，斯达半导产品在140-150KW的功率，比亚迪用平面型工艺最高只能做到140KW；

各家最后比拼的，还是会体现在输出功率上的性能差异。

新能源车IGBT未来发展方向

总的来说，A级车的整车厂对车载IGBT模块导入其实更倾向于IDM厂商；

主要是基于对芯片寿命、可靠性、失效率的要求考核，IDM厂商相对Fab厂商，对工艺、参数能有自己的把控。

这也是行业内相对不看好斯达竞争力的原因，只能找晶圆代工，没法证明自己的芯片来料是车规级的（虽然最终模块出厂是车规级，但是芯片来料不能保证）；

例如：斯达给华虹下单，在晶圆出来以后，芯片还要经过多轮筛选，经过所有测试后，还有质量筛选，然后，再拿去封装，封装完以后，还要老化测试，动态负载测试等，最后才会出给整机客户，整体的流程会非常长。

而IDM模式在Fab厂那段就可以做到质量把控，并把参数做到一致，就可以让芯片达到车规等级，出来以后不需要经过很多轮的筛选，直接就可以供货给厂商，节约了时间，也能保证工艺。

相对来说，每一代工艺的提升都是对于材料更高效的利用，硅基IGBT芯片在第7代之后基本也到了极限，饱和压降和关断损耗通过芯片技术已经很难提高，下一步发展中心转移到模块封装上。

目前车规封装有四代产品：

（1）第一代是单面间接水冷，主要应用在经济型方案上，如A00、物流车等；这个封装模块国内厂商比亚迪、斯达、宏微等都可以量产，从工业级封装过来没有什么技术难度。

（2）第二代是单面直接水冷；主要应用在A00和A级车以上，乘用车主要用这种方案。国内产商基本都可以量产，细微区别在于斯达、中车用的铜底板，比亚迪用的铝硅钛底板，比亚迪的底板更可靠，但是散热没有铜好，牺牲了一定的性能。

（3）第三代是双面散热；华为塞力斯的车主要采用这种方案，国外安森美、英飞凌、电桩也是这个方案；目前，比亚迪和斯达有在做，但是对工艺要求比较高，距离量产还有一段时间，大概一年左右。

（4）第四代是双面直接水冷，目前全球只有日本的日立可以量产，给奥迪etron、雷克萨斯等高端车型工艺，国内目前没有量产的，还处于技术开发阶段。

未来，电控是电动车里面IGBT价值量最大头：

物流车单车价值量大概在1000元以内，主要用三个模块，中车报价在280元。

大巴车单车价值量在3000-3600元，主要用6个模块，对应8米和10米车型。

A00级（小车）：用一个模块，英飞凌900左右（斯达报价600）。

A级车以上：15万左右车型用单电控方案，用第二代直接水冷的HP Drive模块，英飞凌报价1300-2000元（斯达1000元）；

20-30万一般是四驱，前后各有一个电机，英飞凌2600（国产2000）；

高级车型，蔚来ES8（硅基单控单个160-180kw，后驱需要240kw），前驱一个，后驱并联使用两个模块，所以一共需要3个，合计3000-3900元。

充电桩：目前主要做慢充20kw以内用半桥工业IGBT，200元以内；未来的话要做到超级快充100kw以上，越大功率去做会采用SiC方案，成本成倍增加，可能到1000元以上。

整体来看的话，一辆车功率半导体价值量3000元，预测2022年国内500万辆（150亿市场空间），叠加充电桩的发展，还会大更多。

结语

不同于传统的摩尔定律芯片的越来越小化，特色工艺的功能器件，会要有更多的优越物理特性，这也导致国际上做的好的厂商，基本上都是IDM结构形态的公司所占有，对于未来更大的车规级IGBT市场，也有着更显著的优势。

并且，行业龙头英飞凌目前对国内厂商有着明显的降维打击，在国内的销售策略，第七代售价跟第四代差不多，且国内厂商做出的IGBT仅仅只能对标第四代，我们要追赶的道路还有一定的差距。

而几家器件的对比，比亚迪的工艺还相对落后，跟斯达半导一样需要找外包代工；士兰微有自己的IDM厂，迭代版本也很快（3个月），但是还没有车规的质量数据，目前还是炒预期；时代电气已经进入A级车的认证，虽然迭代没有士兰微快，目前放量是最有保证的。

最后，目前市场对于四家公司的估值都是打满了，短期内很难赚到超额的收益，关注最近市场的调整，短期有提升市场份额可能性的时代电气，和长远迭代较快的士兰微。

资料来源：
1.独家：陈向东解读士兰微IDM特色工艺发展模式；
2.士兰微陈向东：中国有望成长出几家规模较大的IDM模式IC企业，但需要长期坚守；
3.公众号：IGBT人《全球IGBT前五强！》；
4.方正证券-《IGBT功率半导体研究框架》-陈杭；
5.纪要-IGBT功率半导体行业情况-20211017；


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