中国IGBT市场发展潜力大,将快速成长

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  IGBT是功率器件技术演变的最新产品,是未来功率器件的主流发展方向。IGBT 器件(绝缘栅双极型晶体管)是一种MOSFET与双极晶体管复合器件。既有功率MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高的优点。又有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。基于技术和功能上的优势,IGBT产品可以实现对以往功率器件产品的逐步替代。IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势。IGBT能够实现节能减排,具有很好的环境保护效益。IGBT被公认为是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,是未来应用发展的必然方向。IGBT可广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域,市场前景广阔。

  变频家电市场的爆发性增长推动IGBT的快速成长。低功率IGBT主要应用于变频家电,目前中国变频家电渗透率低,具有较大市场潜力。除了变频家电,无火烹饪时尚电磁炉也有IGBT 的用武之地。电磁炉正逐渐演变为主要炊具,IGBT由于其高频、低损耗的特性成为电磁炉内的关键器件。目前中国电磁炉年产量为4000万台,未来将以20%~30%速度增长,直接带动IGBT单管的发展。

  电机用电是国家用电主体,变频器节能地位的凸显,是IGBT产业成长的另一大助力。变频器是目前最理想的电机节能设备,有着极为广阔的应用空间。通过应用变频调速技术,变频器能过调节电机转速,使电动机在最节能的转速下运行,大大降低运行时的电能消耗。IGBT是变频器的关键零部件。IGBT是3kV及以上高压变频器的重要零部件,单台高压变频器中IGBT占成本4%~15%。3kV以下中低压变频器方面,根据深圳英威腾资料显示,IGBT占总成本26%左右。目前中国电机配备变频器不足10%,尚处于粗放式用电的阶段,市场潜力巨大。变频器还广泛应用于造纸、机床、冶金等领域,对IGBT部件的需求广泛。

  高速列车市场对IGBT有巨大的需求潜力。未来三年中国高速铁路需完成1万公里的里程建设,铁路建设进度加快。截至2009年底中国高速铁路运营总里程为2830公里,而根据规划2012年需达到1.3万公里。地铁、城铁规划风生水起。至少25个城市计划建设或扩展地铁,总计达数千公里,对车厢需求在1000个以上。长三角等区域拟定总计逾3000公里的城际铁路规划,加大了对动车组列车的需求。大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的必需组件。电力机车一般需要500个IGBT模块,动车组需要超过100个IGBT模块,一节地铁需要50-80个IGBT模块。高速列车市场的繁荣必然带动对IGBT模块的巨大需求。根据预测高铁领域每年对IGBT的市场需求达3亿元。

  新能源产业的兴起成为未来IGBT市场的突破点。太阳能和风能发电都需用到逆变器,IGBT是解决逆变器的通用方式。太阳能需要将直流电变为交流电,再并网使用;风力发电需要将产生的非固定频率交流电进行“交—直—交”转换,再并网使用。太阳能、风能在发电过程中需要逆变器才能实现电流的转换。IGBT是逆变器的重要部件,决定逆变器的性能。混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)的出现为IGBT 创造了一个新的市场。在HEV和EV领域,IGBT 应用于逆变器中,逆变器负责蓄电池的直-交转换,从而驱动电机运转。

  智能电网从规划到大规模的实施,也将成为IGBT 新的市场增长点。在智能电网领域,中国拥有全球领先超高压直流输变电技术与特高压交流输电技术。2009年国家电网向家坝至上海±800千伏特高压直流输电线路全线贯通,该工程多项创新直流输电技术处于世界领先水平。IGBT是超高压直流输变电技术、特高压交流输电技术的核心元器件,为技术提供保障。智能电网的大规模实施将实现中国IGBT和智能电网的“双赢”。智能电网对IGBT需求量每年可达4亿元,IGBT将直接受益于其巨大的市场需求。同时,IGBT国产化有利于维护中国在智能电网领域的全球领先地位。

  IGBT符合产业发展趋势,其国产化具有重要的战略意义。中国以前只有少数小功率IGBT的封装线,还不具备研发、制造管芯的能力和大功率IGBT 的封装能力。国内市场所需的高端电力电子器件90%主要依赖进口, 技术上长期受制于人。IGBT供应主要控制在英飞凌、三菱、ABB、富士等外资巨头手中。高铁、智能电网、新能源与高压变频器领域所用IGBT模式均在6500V 以上规格产品,技术壁垒最强。IGBT国产化将提高IGBT自主研发、制造能力,帮助高铁、智能电网这些领域摆脱进口依赖,维护产业安全。

    IGBT 市场分类

  应用领域产品规格驱动因素市场特征

  家电节能1700V以下

  变、定频家电价差已经缩短至新增成本国外企业主市场体并不在此

  电机节能1700V~4500V 为IGBT主流应用

  高铁、智能电网、变频器与新能源等

  3300V~9200V

  中国在高铁、智能电网等拥有国际领先技术,需要解决IGBT国产化毛利率高,技术难度最大

  政策的扶持为IGBT 的发展提供了明确的方向和有力的推动。2010年发改委高技[2010]614号文加大了对IGBT等电力电子器件的支持。文件明确支持MOSFET、IGBT等量大面广的新型电力电子芯片和器件的产业化。强调重点解决芯片设计,制造和封装技术进步的问题,包括结构设计,可靠性设计等。2009年《电子信息产业调整和振兴规划》明确了IGBT等相关产业的发展方向。《规划》提出提高新型电力电子器件的研发能力,形成完整配套、相互支撑的产业体系。

  IGBT市场在未来发展前景非常乐观。中国功率半导体市场在未来几年里将继续保持增长。预计2010年增长10%,市场规模将达956.9亿元,2011年将达到1060.5亿元。IGBT未来市场规模将逐步扩大,保持高速增长态势。2009年中国IGBT市场为53亿元左右,占整体功率器件市场份额尚不足10%。预计未来几年IGBT市场增速将达到20%~30%,远超功率器件市场平均水平。

  IGBT产业链初具规模

  多晶硅产能上万吨,生产厂商超过10家,多晶硅生产技术也取得长足进步。新光硅业采用改良西门子工艺技术,且具备多项世界先进技术。新光硅业实际投资11.21亿元的1000吨多晶硅高技术产业化示范工程项目于2009年5月通过验收。具有世界先进水平的关键技术:三氯氢硅精馏、大型节能还原炉、四氯化硅氢化、还原尾气干法回收等配套技术。主要应用是电子芯片和太阳能电池用多晶硅。多晶硅厂商开始陆续投产,并大量供货。重庆万州大全1500吨多晶硅项目于2008年7月18日在重庆万州正式投产,公司已陆续向无锡尚德、镇江辉煌、浙江昱辉、天威英利等客户提供产品。宁夏阳光2009年全年供应海润科技太阳能级原生多晶硅1000-1200吨,总金额约为27亿元人民币。

  大直径区熔硅单晶实现规模化生产,并占据市场三分之一。高阻抗单晶已应用到同步辐射加速等多个领域,并实现规模化生产。环欧公司开发的大直径超高阻硅单晶已成功地应用在上海同步辐射加速器、国家高能物理分光仪、中国气象研究院海洋气候及大气环流等关键探测器器件上。在光学系统、原子能反应堆系统、卫星导航等科研领域上开辟了新的应用范围,该技术拉制的硅材料直接与三峡工程的输变电工程配套。环欧公司的产品产量已上升至国际第三,连续六年位居国内第一,国内市场占有率达到70%以上。中国已具备12英寸以上直拉硅单晶的生产能力。有研硅股在2009年就实现大直径硅单晶销售20吨,如果有研硅股大直径单晶产量达到120吨,将与三菱、东芝等国际企业三分天下。12英寸硅片是目前需求最为旺盛的尺寸,利润率很高。

  国内已具备生产大功率IGBT模块的能力,不少生产厂商与国外合作,具备功率半导体行业产业链一体化的优势。多家厂商实现了IGBT多个批次的生产。科达半导体公司在2008年完成了1200V IGBT 4个批次的试流片,并对产出的芯片进行了封装,经测试产品性能良好,部分产品已送给客户试用,反映良好。华微电子公司15A/1200V IGBT产品在三家客户通过小批量认证,批量供货后将在一定程度上缓解当前市场供应紧张的局面。嘉兴斯达半导体有限公司针对工业应用中的中压大功率驱动市场,推出了1700V,2500V中大功率模块产品,电流最高达到3600A。同时采用优化的材料组合,利用特殊的工艺来增强其可靠性,产品适合于风力发电和中压大功率变频驱动等应用场合。通过与国外企业合作,部分企业掌握了先进技术。科达股份由于有美方的强力技术支持,直接利用世界最先进的技术,能够生产出国内同类厂商无法生产的高端产品。同类产品科达半导体的晶片厚度远低于国内厂商,采用的产品生产线也领先于国内同类厂商。南车时代在2008年并购加拿大Dynex公司,南车时代集团通过此次并购,拥有了大功率IGBT、高压电力电子组件等产品和技术。

  具备了芯片测试和封装能力。采用国外先进的设备,可以满足功率器件所有常规可靠性测试要求。科达股份建立了完善的功率半导体测试实验室和可靠性实验室,采用日本TESEC原产的动态参数测试系统,可以完成所有的动态参数的测试。静态参数测试方面,最高电压测试能力可达2000V,最大电流测试能力可达200A。在芯片封装上实现规模化生产。长电科技已拥有与国际先进技术同步的IC三大核心技术研发平台,形成年产集成电路75亿块、大中小功率晶体管250亿只、分立器件芯片120万片的生产能力。能提供硅片测试和硅片磨片等范围广泛的服务。上海先进半导体提供包括存储器电路、逻辑电路和混合信号电路的硅片测试以及硅片的磨片,可满足工厂的各种需求。

  国内企业IGBT技术实现突破

  多晶硅技术创新获突破。江西赛维LDK多晶硅锭生产工艺与设备研究等技术成果达到国际领先水平,生产出世界上第一个800kg多晶硅锭也是最大的多晶硅锭。江西赛维LDK还开发出技术能够从多晶硅线切割废浆料中回收硅和硅块机加工过程中回收硅粉。新光硅业的四氯化硅热氢化技术取得突破,成为国内第一个掌握该核心技术的多晶硅企业。

    利用外部资源发展大功率器件,并取得技术突破。2008年,南车时代并购加拿大Dynex公司,实现了在功率半导体领域技术和产业的跨越式发展。Dynex大功率半导体器件销售额居全球第6位,是国际上少数掌握高压IGBT制造技术的公司之一。南车时代集团通过此次并购,拥有了大功率IGBT、高压电力电子组件等产品和技术。现在已经生产出在高铁上广泛应用的IGBT,已经通过7MW变流器机组试验,还生产出在特高压直流输电工程上使用的6英寸高压晶闸管。2010年5月,南车时代电气在英国成立了半导体器件海外研发中心,成为公司吸收海内外半导体器件技术人才的窗口,将加速新型电力电子器件的技术提升。

  领导企业率先实现IGBT制造技术突破。华微电子公司6寸MOSFET生产线已经能够生产出1200V/35A的IGBT器件,产量约为4000片/月。

  引进国外技术,在高端封装技术上实现突破。长电科技通过引进国外专利技术、自主创新以及收购国外集成电路封装技术研发机构,已进入了FCBGA、TSV、MIS等先进的封装技术领域的研发。同时实现了WLCSP、SiP等封装技术成果的产业化。在高密度、系统集成、微小体积封装技术领域已达到国际先进水平。

  结论与展望

  随着中国工业化进程加快,未来对IGBT等半导体器件的需求将保持快速增长,并成为全球主要市场。预计全球大功率电力电子市场增长的40%~50%会在中国,另外30%在欧洲,20%在美国,以IGBT为代表的大功率半导体器件的销售将大幅增长。

  IGBT模块迅速在中国发展,国外产品将努力争夺中国市场。随着家电产品对IGBT产品的需求增大,外国企业产品纷纷进入中国市场。变频家电对IGBT需求增大,飞兆、三菱、富士、三洋等IGBT智能模块产品纷纷打入国内市场。相机闪光灯充电器对于IGBT的需求量也很大,东芝、瑞萨等公司都推出了其相机闪光灯用IGBT。

  中国企业晋身成为世界领先的功率半导体器件供应商指日可待。IGBT模块迅速在中国发展将提升国产IGBT模块的国际地位。随着南车时代、华微电子等中国企业在IGBT领域实现技术突破,国内企业有望借助国内市场的火爆从而实现快速成长。南车时代等企业借助海外并购,实现与海外企业联手拓展国际市场。南车时代电气已经在北美设立分公司,主要面向北美、南美地区的销售;欧洲则由并购后的Dynex负责销售,其大功率半导体器件走出国门。

  未来化合物半导体等新材料的应用将把IGBT产业引入一个新的竞争平台,中国企业将与外国企业处于同一起跑线,前景看好。在传统硅基IGBT产品领域,欧美和日本的公司已经在过去20多年中产生了很多专利,从而形成技术壁垒。以化合物半导体等新材料为基础的IGBT将产业引入一个新的技术平台。采用碳化硅等新材料的半导体器件,具有无需冷却装置等性能优势正逐渐引起业界关注,中国企业在新材料形成大规模应用前夕积极开发将有望实现技术追赶。

  目前是投资中国IGBT模块行业最佳时机,半导体厂商应积极与家电等应用厂商建立紧密合作关系,与之一起分享市场增长。随着人们节能意识的逐步增强,变频空调、变频洗衣机等变频家电的比例逐年扩大,中国家电企业对IGBT模块国产化需求迫切。为了简化电路设计提高IGBT使用的可靠性,变频家电中主要使用集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT智能模块。中国IGBT模块企业技术成熟与产品良品率提升将推动家电领域IGBT模块国产化进程。目前,IGBT智能模块还没有形成技术规格标准化,因此半导体厂商与家电厂商密切合作颇为重要。家电厂商若更换IGBT供应商就要对电路进行重新设计,势必造成产品成本的提升。