核心观点

年12月10日，比亚迪发布了在车规级领域具有标杆性意义的IGBT4.0技术，再一次展示出其在电动车领域的领先地位。IGBT是电控系统中价值量最高，也是技术壁垒最高的器件，堪称电动车技术皇冠上的明珠。本期车闻天下将带您深入了解IGBT的前世今生，以及IGBT的技术壁垒何在。

正文

01

IGBT——电动车皇冠上的明珠

电控系统价值量仅次于电池，IGBT器件技术壁垒最高

IGBT是能源变换与传输的核心器件。IGBT全称为InsulatedGateBipolarTransistor，即绝缘栅型双极型晶体管，主要作用是进行交流电和直流电的转换、电压高低的转换，其作用类似于电脑的CPU。电动汽车上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。

新能源汽车电控系统价值量仅次于电池。纯电动新能源汽车成本结构中，动力电池以42%的占比位居第一，紧随其后的是电控系统，占比达11%。在电控系统成本中，IGBT占比高达41%，是电控系统中最重要的构成器件。根据全球权威研究机构Yole的统计，年，全球电动车共消耗约9亿美元的IGBT管；据此测算，IGBT单车价值量约为美元。

IGBT制造难度大，具有极高的技术壁垒。中国功率半导体市场约占世界市场份额50%，但是中高端的MOSFET（绝缘栅型场效应管）及IGBT主流器件市场基本被欧美、日本企业垄断。我国IGBT产品对外依赖度达到90%。国外IGBT主要制造商包括英飞凌（Infineon）、ABB、三菱、西门子、东芝和富士。此外，丰田汽车是目前全球唯一能够自产IGBT的整车厂。

功率半导体IGBT的前世今生

IGBT是功率半导体器件（PowerSemiconductorDevice）的一种。功率半导体根据载流子类型，可分为双极型和单极型；根据材料类型，可分为硅基功率半导体器件和宽禁带材料功率半导体器件。IGBT属于双极型、硅基功率半导体。同样广泛应用于新能源汽车车电控、充电模块的MOSFET（Metal-oxide-semiconductorField-effectTransistor，绝缘栅型场效应管）属于单极型、硅基功率半导体器件。

IGBT是MOSFET的加强版本，具有更好的耐高压特性。MOSFET的优点是开关响应速度快、工作频率高，可以达到MHz甚至10MHz；但缺点是不耐高压，在高压大电流场合功率损耗较大。当传输功率达到W（对应电流约为2.3A）时，MOSFET的功率损耗开始超过IGBT；随着传输功率进一步提升，这一差距将进一步拉大。因此，相比MOSFET，IGBT优点是导通压降小，耐高压，传输功率可以达到W。

IGBT融合了BJT（Bipolarjunctiontransistor，双极型三极管）和MOSFET（Metal-oxide-semiconductorField-effectTransistor，绝缘栅型场效应管）的性能优势，已经发展到了第六代。IGBT同时具有BJT器件通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点。其芯片在结构上是由上万个元胞经大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞分为体结构、正面MOS结构及背面集电极区结构三部分。自年以来，IGBT主要经历了六代技术改进，在性能方面显著提升，功率损耗降低三分之二，断态电压提高至十倍。

应用领域不同，IGBT产品的工作电压也不同。其中，家电和工业安装等领域的工作电压最低，为V；工业电机、高铁、动车和智能电网对工作电压要求最高，为0V。新能源汽车IGBT的电压一般为V和V级别。

SiC和GaN材料开始渗透高端应用

功率半导体材料步入第三代。按照功率分立器件使用材料，可将其分为三代：1）第一代为硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料；2）第二代为砷化镓（GaAs）等化合物半导体材料、GaAsAl等三元化合物半导体、Ge-Si等固溶半导体、非晶硅等玻璃半导体以及酞菁等有机半导体；3）第三代为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料。但是目前硅（Si）由于经济性的原因，仍是功率半导体器件的主要材料，95%以上半导体器件和99%集成电路均为硅材器件。

SiC器件相比Si器件优势明显，但价格较高。相比硅材器件，SiC功率器件具有三大优势：1）高压特性。SiC器件是同等Si器件耐压的10倍；2）高频、高效特性，SiC器件的工作频率一般是Si器件的10倍。3）耐高温、低损耗，SiC芯片可在°C下工作，而一般的Si器件最多为°C；同时SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%左右，发热量也约为其50%。SiC和GaN材料性能优异，但是由于价格较贵，是普通Si材料的大约6倍，暂时应用还只停留在高端产品。

02

IGBT的全球行业格局

年，IGBT全球市场规模达到42.9亿美元，市场份额排名前三的公司是英飞凌（25%）、三菱电机（24%）和富士电机（12%）。

中国IGBT有90%的份额依赖进口，仅在大功率轨道交通领域实现国产化。年，中国IGBT收入前三的厂商分别为兰士微、中国中车和吉林华微电子。

03

做好IGBT为什么这么难？

晶圆制造、背板减薄和封装工艺是IGBT制造技术的核心难点。IGBT的加工过程大致分为三步：衬底加工、器件加工和封装。国外IGBT技术起步较早，在设备、材料、芯片设计和晶圆制造商均构筑起了较高的壁垒，国产IGBT芯片的主要工艺设备和衬底片都必须从国外采购。在IGBT大功率模块的封装方面，国产产品的功率密度、散热性能、可靠性以及模块设计等指标远远落后于国际IGBT厂商。

大尺寸晶圆工艺落后

国内公司在大尺寸晶圆生产商工艺仍落后于全球龙头。晶圆是最常用的半导体材料，可按直径分为4/6/8/12英寸等规格。晶圆越大，同一圆片上可制造的集成电路就越多，生产就越经济；但晶圆越大，离晶圆中心越远就越容易产生坏点，后续加工也更加困难，对生产技术的要求也越高。因此，硅晶圆的直径越大，代表生产晶圆的工厂具有更先进的技术。目前，IGBT产品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，已经于12英寸生产线量产IGBT产品。国内晶圆生产企业绝大部分还停留在6英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有上海先进、株洲中车时代和华虹宏力，但其产品良率与国际龙头相比还存在一定差距。

背板减薄工艺要求严苛

IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大，但背面工艺要求严苛：IGBT的背面工艺需要减薄6-8毫米，这样漏极和源极的漂移区长度完全可以通过背面减薄来控制，有利于管子之间的并联结构实现大功率化。一般来说，特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度需要减薄到-μm；对于要求较高的期间，甚至需要减薄到80μm。当硅片厚度减到-μm的量级，后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎和翘曲。目前国内普遍可以将晶圆减薄到μm，比亚迪近期公布能将晶圆减薄到μm。

减薄后后续处理工艺难度加大。晶圆减薄之后，后续处理工艺的难度加大，极易引起碎片和翘曲：1）离子注入。IGBT需要注入一层薄磷做缓冲层，而第四代IGBT需要注入两次，注入的过程非常容易引起碎片。2）后处理。磷注入后，IGBT需要进行清洗、金属化（在背面蒸镀一层钛或银），最后是Alloy，而这个过程中，硅片容易翘曲或碎片。针对背板严苛的制造要求，企业不但必须不断改进生产工艺提高良率，而且还需要针对工艺开发生产设备，以达到最好的生产控制效果。

英飞凌毫米薄晶圆工艺业界领先，早于年就达到了40μm的厚度水平。其厚度甚至小于一张标准的书写用纸（约μm，合0.11毫米）。英飞凌的薄晶圆工艺可以最大限度降低功耗，并支持紧凑的场效应管设计，以提高系统效率和功率密度。

封装要求远高于工业级别

IGBT封装的主要目的在于散热，而散热的关键是材料。自第六代技术以后，各大厂商开始将精力转移到IGBT的封装上。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。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°C，同时还要考虑强振动条件，车轨迹的IGBT远在工业级之上。

IGBT功能失效主要由热循环引起，一方面可能是不同层元器件热膨胀系数的不匹配，另一方面可能是填充凝胶无法承受高温，从而导致元器件脱接。具体的失效方式包括芯片键合失效、连接（焊接、烧结）方式失效和衬板连接失效。

英飞凌XT技术大幅延长IGBT模块使用寿命。英飞凌的PrimePACK功率模块采用了IGBT5芯片和XT模块工艺技术。XT技术涉及到了芯片正面的键合线、芯片背面的焊接（芯片至DCB）和DCB（直接键合铜）至基板的焊接等多项IGBT封装关键技术点。XT技术的应用使得IGBT模块静态和动态损失更低，并具有更强的热量和功率循环功能，操作温度高达°C。通过增强热管理和功率循坏周次，产品功率密度提高25%，使用寿命延长10倍。

设计优化和材料升级是封装技术进化的两个维度。设计升级方面主要是：1）采用聚对二甲苯进行封装。聚对二甲苯具有极其优良的导电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性。2）采用低温银烧结和瞬态液相扩散焊接。在焊接工艺方面，低温银烧结技术、瞬态液相扩散焊接与传统的锡铅合金焊接相比，导热性、耐热性更好，可靠性更高。材料升级方面主要是：1）通过使用新的焊材，例如薄膜烧结、金烧结、胶水或甚至草酸银，来提升散热性能。2）通过使用陶瓷散热片来增加散热性能。3）通过使用球形键合来提升散热性能。

04

国内IGBT相关企业梳理

国内IGBT技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前均处于起步阶段。国内IGBT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。目前国内能够在新能源汽车上量产IGBT的只有中车株洲时代和比亚迪。

中车时代

株洲中车时代电气股份有限公司是中国中车旗下股份制企业，6年于香港联交所上市。拥有国内首条、全球第二条8吋IGBT芯片及模块生产线，具备年产12万片芯片、万只IGBT模块的自动化封装测试能力。公司IGBT产品的芯片与模块电压范围实现了从V到0V的全覆盖。年，公司研制的3A/0V压接型IGBT模块是目前市场可见产品中容量最大，具备双面散热、长期稳定失效短路能力的器件，打破了国外厂商在大功率压接型IGBT产品上的垄断。

年底，中车株洲所旗下时代电气公司与北汽集团旗下的北汽新能源签署协议，全面启动汽车级IGBT、电机驱动系统等业务的合作，并宣布未来共同打造自主新能源汽车品牌。

比亚迪

深圳比亚迪微电子有限公司是比亚迪集团旗下的独立子公司。5年开始，公司组建研发团队，正式进军IGBT领域。8年，比亚迪集团斥资2.7亿元人民币收购宁波中纬晶圆代工厂，进一步完善了半导体产业的自主开发生产地位。9年9月，比亚迪IGBT芯片成功通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定。年，公司与上海先进半导体签署战略产业联盟协议，共同打造IGBT国产化产业链。目前，比亚迪是国内唯一一家拥有完整产业链的车企：包含IGBT芯片设计和制造，模组设计和制造，大功率器件测试应用平台，电源及电控等。截至年11月，累计申请IGBT相关专利件，其中授权专利件。

年12月10日，比亚迪发布了在车规级领域具有标杆性意义的IGBT4.0技术，并宣布：比亚迪已投入巨资布局性能更加优异的第三代半导体材料SiC(碳化硅)，有望于年推出搭载SiC电控的电动车。预计到年，比亚迪旗下的电动车将全面搭载SiC电控。比亚迪的IGBT4.0技术在诸多关键技术指标上优于当前市场主流产品：

1)电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

2)同等工况下，综合损耗较当前市场主流的IGBT降低约20%。这意味着电流通过IGBT器件时，受到的损耗降低，使得整车电耗显著降低。以比亚迪全新一代唐为例，在其他条件不变的情况下，仅此一项技术，就成功将百公里电耗降低约3%。

温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时，能有更高的可靠性和更长的使用寿命。

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特别声明

本文节选自中信证券研究部已于年12月17日发布的报告《电动技术皇冠上的明珠——IGBT》，具体分析内容（包括相关风险提示等）请详见相关报告。

本资料所载的证券市场研究信息是由中信证券股份有限公司（以下简称“中信证券”）的研究部编写。中信证券研究部定位为面向专业机构投资者的卖方研究团队。通过

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