本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 1 Table_Summary 报告摘要 ： 汽车功率半导体 5年近 7倍空间， IGBT最受益 政策支持、节能减排双重驱动，新能源汽车加速渗透，预计 2025 年国内新能源汽车渗透 率 将达到 20%， 2030 年欧盟新能源汽车渗透率 将 达 到 40%。汽车电动化 趋势下 车用功率 半导体单车价值大幅提升 。 据英飞凌统计，功率半导体 ASP 将从传统燃油车的 71 美元 大幅提升至全插混 /纯电汽车的 330 美元 ， 是传统燃油车的 4.6 倍 。 根据我们的测算，预 计 2025 年全球汽车功率半导体市场规模将达到 80 亿美 元， 2025 年全球新能源车用功率 半导体市场规模将达到 53 亿美元， 是 2020 年的 7.3 倍 ， 年 复合增速高达 48.8%， 未来 十年中美欧三地区新能源汽车充电桩用 IGBT 市场将有 94 亿美元增量空间 。目前车用功 率半导体中主要用到的是 IGBT 和 MOSFET，而 IGBT 在新能源车中是电驱 系统 主逆变 器的核心器件，并可用于辅逆变电路、 DC/DC 直流斩波电路、 OBC（充电 /逆变） 等， 单 车价值达 到 273 美元，占 车用 功率半导体 ASP 的 83%， 是绝对大头。 我们 预计 2025 年 全球 新能源汽车 IGBT 市场规模将 达到 44 亿 美 元， 年 复合增速约 48.8%，是电动化趋势 下的 汽车功率半导体中 最受益品种。 产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河 1）产品 壁垒 ： 车 规级 IGBT 需具备使用寿命长、故障率低、抗震性高等严格要求，能适 应“极热”“极冷”的高低温工况、粉尘、盐碱等恶劣的工 况 环境，承受频繁启停带来的 电流频繁变化，对产品要求极高。 2） 工艺壁垒 ： 车规级 IGBT 设计 时 需保证开通关断、 抗短路和导通压降三者 的 平衡，参数优化特殊复杂。生产制造时薄片工艺容易碎裂、正 面金属熔点限制导致退火温度控制难度大。此外， IGBT 模块封装的焊接和键合 环节 技 术 要求 同样 较 高。 3）认证周期长 、 替换成本 高、 具备经验曲线效应 ， 行业 先发优势明显。 a）车规级 IGBT 需满足可靠性标准、质量管理标准、功能安 全标准，才有资格进入一级 汽车厂商 的 供应链，认证周期一般至少 2 年。 b） 由于 IGBT 模块是汽车中的关键部件， 下游厂商 出 于安全性、可靠性的考虑，替换时往往呈谨慎态度，只有经过大量验证测试 并通过综合评定后，才会做出大批量采购决策，替换成本高。 c） IGBT 业务需要长期的 经验积累才能达到良好的 know-how 水平。 d） IGBT 行业属于资本密集型行业，生产、 测试设备基本需要进口 。 此外，对 IGBT 生产企业的流动资金需求量也较大，新进入者 在前期往往面临投入大、产出少的情况，需要较强的资金实力作后盾，才能持续进行产 品的研发、生产和销售。综合来看， IGBT 行业中的先行企业具有明显的先发优势。 竞争格局优成为成长行业 “ 优质赛道 ” ， 但当前国产化率仍然较低 据 Omdia 2019 年统计数据，全球 IGBT 模块前十大厂商占据了 76%份额，市场份额集 中，竞争格局较好。车规级 IGBT 方面，由于较高的行业壁垒， 2019 年中国新能源汽车 IGBT 模块 CR4 份额合计达 81%，呈现寡头垄断格局。其中，英飞凌市占率 58.2%排名 第一，比亚迪市占率 18%排名第二，三菱电机、赛米控分列第三、第四。车用 IGBT 凭 借广阔的成长空间和良好的竞争格局已成为成长行业中的 “ 优质赛道 ” 。但 2019 年中国 新能源汽车 IGBT 前十大厂商中仅有比亚迪、斯达半导及中车时代电气三家国内厂商入 围，市场份额合计 20.4%，国产替代空间广阔。 多重 因素加速国产替代， 国内厂商未来发展潜力巨大 多重因素加速国产替代 ： 1）中国已是全球最大的汽车消费市场，且未来汽车消费需求仍 将提升，为国内 IGBT 厂商提供了良好的发展契机。 2）贸易摩擦加剧，半导体自主 可控 Table_Invest 推荐 维持 评级 Table_QuotePic 行业与沪深 300 走势比较 资料来源： Wind，民生证券研究院 Table_Author 分析师：王芳 执业证号： S0100519090004 电话： 021-60876730 邮箱： 研究助理：王浩然 执业证号： S0100120070002 电话： 021-60876715 邮箱： Table_docReport 相关研究 【民生电子】电子行业深度报告：功率半 导体量价齐升，国产替代正当时 -20% 0% 20% 40% 20-1 20-4 20-7 20-10 21-1 沪深 300 电子 (申万 ) Table_Title 电子 行业研究 /深度报告 成长行业 “ 优质赛道 ” ，国内龙头 旭日东升 汽车电子行业系列报告之功率篇 行业深度报告 /电子 2021 年 1 月 19 日 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 2 Table_Page 深度研究 /电子行业 需求日益迫切。 3）国内厂商率先布局新能源汽车产业，抢占先发优势，随着国内新能 源车厂商的份额提升，出于供应链安全考虑，预计将更多采用国内半导体厂商产品。 4） 国内 IGBT 厂商具备性价比高、响应速度快等本土化服务优势，契合新能源车降本增效 需要，有望实现份额提升。 5）政策鼓励、资金支持助力国内 IGBT 行业快速发展。 国 内市场空间方面， 根据我们的测算，预计 2025 年中国新能源车用功率半导体市场规模 将达到 177 亿元，是 2020 年的 6 倍 ，年复合增速高达 44%， 预计 2025 年中国新能源 汽车 IGBT 市场规模将 达到 147 亿元， 年 复合增速约 44%。 2025 年 中国 充电桩 用 IGBT 市场 规模 将达 109 亿元，复合增速 达 35%。 综合以上分析，我们认为车用 IGBT 国产替 代进程将加速推进，结合目前较低的市场份额占比和广阔的行业成长空间，未来国 内 IGBT 厂商 增长潜力巨大。 产能紧张短期内较难缓解，功率半导体景气持续 上行 5G 商用以及疫情宅 经济加速推动社会数字化转型， 新能源车、家电、数码等终端设备 市场景气度转暖，带动半导体需求增长 ，叠加半导体厂商因供应链安全需要提高安全库 存，多项因素共振导致半导体产能紧张，目前各大晶圆代工厂商均处于满产状态。从全 球来看， IC insight 预计 2021 年全球将新增 2080 万片等效 8 寸晶圆产能，从国内来看， 在建的晶圆制造等效 8 寸产能约 2796 万片 /年，大部分集中在 2022 年投产。但考虑到 新产线投产后约有 3-5 年的产能爬坡期，短期内产能紧张较难缓解。受益于新能源汽车 和充电桩需求的快速提升，预计 2025 年 全球仅车规 级 IGBT 模块所需的 8 寸晶圆量就 达 169 万片，较 2020 年增长 5.4 倍，晶圆制造需求缺口巨大。年初以来海内外各大芯 片厂商纷纷上调产品价格或延长交期，预计半导体产业链景气度仍将持续上升。 投资建议 新能源汽车加速渗透，汽车电动化趋势下带动功率半导体单车价值大幅提升。 根据我们 测算，预计 2025 年全球汽车功率半导体市场规模将达 80 亿美元， 2025 年全球新能源 车用功率半导体市场规模将达 53 亿美元， CAGR 高达 48.8%， 5 年 7 倍空间。 产品类 型上， 车用功率半导体中 IGBT ASP 占比达 83%，是电动化趋势下的最受益品种。壁垒 方面，车规级 IGBT 产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河， 且 该行业 竞争格局 良好， 2019 年中国新能源汽车 IGBT 模块 CR4 份额合计 81%， 成为成长行业 “ 优质赛 道 ” 。但当前国产化率仍然较低 ， 前十大厂商中仅三家国内厂商入围，市场份额合计 20.4%。展望未来， 我们认为车用 IGBT 国产替代将加速推进，结合目前较低的市场份 额和广阔的成长空间，国 内 IGBT 厂商 增长潜力巨大。 此外，当前功率半导体需求旺盛， 产能紧张，在建的国内晶圆制造产能 大 都 集中在 2022 年投产 ，还需经过 3-5 年的产能 爬坡，预计 短期内产能紧张较难缓解 ，功率 半导体 产业链 仍将 景气向上 。 建议关注：斯达半导、 中车时代电气 、 闻泰科技 、华润微、新洁能、立昂微 。 风险提示 新能源汽车销量不及预期 ， 国内企业技术进步不及预期 ， 产品替代风险 。 盈利预测与财务指标 代码 重点公司 现价 EPS PE 评级 1月 18 日 2020E 2021E 2022E 2020E 2021E 2022E 603290.SH 斯达半导 271.94 1.17 1.62 2.17 232 168 125 - 3898.HK 中车时代电气 40.95 2.13 2.49 2.73 19 16 15 - 600745.SH 闻泰科技 125.6 3.12 4.38 5.64 40 29 22 推荐 688396.SH 华润微 72.2 0.8 1.03 1.22 90 70 59 - 605111.SH 新洁能 186.2 1.48 2.17 2.92 126 86 64 - 605358.SH 立昂微 106.56 0.51 0.75 0.98 209 142 109 - 资料来源： Wind、民生证券研究院 （备注：斯达半导 、中车时代电气 、华润微、新洁能、立昂微 预测数据来源为万得一致预期） 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 3 Table_Page 深度研究 /电子行业 目录 1 新能源车加速渗透，汽车功率半导体 5年 7倍空间 . 4 1.1. 新能源汽车渗透加速，汽车功率半导体迎来量价齐升 . 4 1.2. 全 球车用充电桩 IGBT 市场空间快速增长 . 6 2 汽车功率半导体中， IGBT 最受益 . 8 2.1. IGBT 是新能源汽车电机驱动系统的核心器件 . 8 2.2. SIC 性能更优，有望成为下一代技术 . 11 3 产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河 . 13 3.1. 工作环境复杂对车规级 IGBT 的安全、可靠提出极高要求 . 13 3.2. 车规级 IGBT 设计、制造和封装工艺难度大 . 13 3.3. 先发优势明显：认证周期长，替换成本高 . 16 4 车用 IGBT 行业竞争格局优，但国产化率仍然较低 . 17 5 多重因素加速国产替代，促进份额提升 . 19 6 产能紧张短期内较难缓解，功率半导体景气持 续上行 . 24 7 投资建议 . 30 7.1. 斯达半导 . 30 7.2. 中车时代电气 . 30 7.3. 闻泰科技 . 31 8 风险提示 . 32 插图目录 . 33 表格目录 . 33 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 4 Table_Page 深度研究 /电子行业 1 新能源车加速渗透， 汽车功率半导体 5 年 7 倍空间 1.1. 新能源汽车渗透加速，汽车功率半导体迎来量价齐升 政策 支持 &节能减排驱动 新能源汽车 加速 渗透。 我国 新能源汽车产业发展规划（ 2021 2035 年）提出新能源汽车发展愿景，计划到 2025 年，国内新能源汽车渗透率达到 20%。国 际上，欧洲多国二氧化碳限排政策，新能源汽车补贴政策双管齐下，以应对全球气候变暖的压 力，汽车电动化路线愈加明显。在欧盟， ACEA 汽车温室气体排放协议规定，到 2030 年以前， 汽车二氧化碳排放量需低于每公里 59 克。根据英飞凌测算，欧盟新能源汽车渗透率将在 2030 达到 40%。 图 1: 全球主要国家二氧化碳 减排目标 资料来源：英飞凌，民生证券研究院 电动化带动功率半导体单车价值大幅提升 ，纯电车用功率半导体 ASP 达 330 美元是传统 燃油车的 4.6 倍。 以电力系统作为动力源的新能源汽车，对电子元器件功率管理，功率转换能 力提出了更高的要求。在传统汽车中，功率半导体主要应用于车辆启动，发电和安全领域，低 压低功率电子元器件即可满足其工作需求。而在新能源汽车中，电池输出的高电压需要进行频 繁的电压变换，电流逆变，这些电路大幅提高了汽车对 IGBT、 MOSFET 等功率半导体的 需求。 根据英飞凌数据， 传统燃 油 车中，功率半导体含量为 71 美元，全插混 /纯电池电动车中，功率 半导体价值量为 330 美元， 是传统燃油车的 4.6 倍。 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 5 Table_Page 深度研究 /电子行业 2025 年全球汽车功率半导体市场规模将达到 80 亿美元 。 根据 Yole 预计， 2025 年全球功 率半导体市场规模将达到 225 亿美元。智研咨询统计 2019 年全球功率半导体市场中汽车领域 占比 35.4%，假设该比例维持不变，则预计 2025 年全球汽车功率半导体市场规模将达到 79.65 亿美元。 预计 2025 年全球新能源汽车功率半导体市场规模将达 53 亿美元，是 2020 年的 7.3 倍， CAGR 为 48.8%。 根据 Alix Partners 预测全球汽车销量将 从 2020 年 7050 万辆 增长 至 2025 年 9400 万辆， EV Tank 预计 全球新能源汽 车销量将从 2019 年 221 万辆增长 至 2025 年 1200 万 辆 ， 2025 年 全球新能源汽车渗透率将达到 13%，较 2019 年提升 10.36pct。 上文提到，英飞凌 2020 年最新统计数据中，新能源汽车功率半导体单车价值量为 330 美元，考虑到目前 全球 半 导体晶圆 代工 产能紧张，预计今年新能源汽车功率半导体 价格 仍将保持在较高水平， 且未来单 车价值将随着电动化趋势及双电机渗透率的增加逐步提升 。根据以上数据，我们测算 2025 年 全球新能源汽车功率半导体市场规模将达到 53 亿美元，是 2020 年的 7.3 倍，年复合增速为 48.8%。 表 1:全球新能源汽车功率半导体市场规模测算 年份 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球汽车销量（万辆） 9130 7050 7325.66 7612.09 7909.72 8218.09 9400 全球新能源汽车销量（万辆） 221 220 308.88 433.67 608.87 854.85 1200 全球新能源汽车渗透率 2.41% 3.12% 4.22% 5.70% 7.70% 10.40% 12.77% 新能源汽车功率半导体单车价值（美元） 354 330 363 381 400 420 441 新能源汽车功率半导体市场规模（亿美元） 7.29 7.26 11.212 16.53 24.37 35.92 52.95 资料来源： Alix Partners， OICA, 英飞凌， EV Tank， 民生证券研究院 图 2:传统内燃机汽车功率半导体价值细分（美元） 图 3:全电池 和全插电混合电动车功率半导体价值细分（美元） 资料来源： 英飞凌 ，民生证券研究院 资料来源： 英飞凌 ，民生证券研究院 44 78 71 145 338 0% 20% 40% 60% 80% 100% 396 38 14 23 330 32 833 0% 20% 40% 60% 80% 100% 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 6 Table_Page 深度研究 /电子行业 图 4:全球新能源汽车功率半导体市场规模 （ 亿 美 元） 资料来源： EV Tank，英飞凌， 民生证券研究院 图 5:全球 汽车、新能源汽车销量测算（万辆） 资料来源： AlixPartners， OICA, 民生证券研究院 1.2. 全球 车用 充电桩 IGBT 市场空间 快速增长 新能源车 重要配套设施 充电桩 数量 将 快速增长 ，带动 关键零部件 IGBT 需 求 快速提升 。 随着新能源汽车渗透率的逐步提高， 作为 新能源汽车 重要配套设施的 充电桩数量也需要同步 提升。根据麦肯锡统计， 2020 年中美欧 新能源汽车充电需求约为 180 亿千瓦时，预计到 2030 年，新能源汽车充电需求量将达到 2710 亿千瓦时，年复合增速 31.2%。新能源汽车充电设施 需求的 快速增长 ，也将带动 充电桩关键零部件 IGBT 用量 的大幅提升。 预计 2020-2030 十年间 中美欧 充电桩 IGBT 市场将有 94 亿美元增量空间 。 根据麦肯锡 预 计， 中国、美国、欧盟三个地区需要在 2020-2030 十年间分别投入 190 亿 /110 亿 /170 亿美元资 0 10 20 30 40 50 60 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球新能源汽车功率半导体市场规模（亿美元） 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球汽车销量（万辆） 全球新能源汽车销量（万辆） 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 7 Table_Page 深度研究 /电子行业 金建设新能源汽车充电桩 2000 万 /2000 万 /2500 万座，用以填补新能源汽车充电需求缺口 。 单 个充电桩中， IGBT 占总成本比例约 20%.。 由此我们可以推算出 ，未来十年 中美欧 新能源汽车 充电桩用 IGBT 市场将有 94 亿美元增量空间。 图 6:2020-2030 年中美欧 充电桩数量 （百万座） 图 7:2020-2030 中美欧 新建充电桩投资额 （十亿美元） 资料来源： 麦肯锡 ，民生证券研究院 资料来源： 麦肯锡 ，民生证券研究院 0 10 20 30 40 50 2020 2025 2030 中国 美国 欧盟 0 5 10 15 20 中国 美国 欧盟 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 8 Table_Page 深度研究 /电子行业 2 汽车功率半导体中， IGBT 最受益 IGBT 和 MOSFET 是车用功率半导体的主要器件。 IGBT 在 汽 车内有四种不同应用，第 一是主逆变器核心器件，主逆变器将电池输出的直流电逆变为交流电驱动汽车电机；第二应用 在辅助逆变电路中，用来为其他汽车电子供电；第三应用在 DC/DC 直流斩波电路中，用来输 出电压不同的电流；第四应用在 OBC（充电 /逆变）中，将外部输入的交流电 逆变 为直流电为 新能源汽车电池充电。在电动化程度较低的汽车中，由于其电池输出电压低，功率器件工作的 功率范围不高，可以用 MOSFET 替代辅助逆变电路、 DC/DC 直流斩波电路、 OBC 中的 IGBT ， 以达到控制成本的目的 。 图 8:新能源汽车新增主要功率器件分布图 资料来源： 比亚迪， 民生证券研究院 2.1. IGBT 是新能源汽车电机驱动 系统 的 核心器件 IGBT 性能优越，是新能源汽车中功率半导体的核心部件。 IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，即绝缘栅极双极型晶体管。它是 BJT 和 MOSFET 组成的复合功率半导体器 件，集合了 MOSFET 开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小和 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。在新能源汽车中， IGBT 模块主要用于大功率 逆变器，以逆变直流电为交流电从而驱动汽车电机；还用于辅助功率逆变器，为车载空调等汽 车电子设备供电。 表 2:MOSFET、 IGBT 和 BJT 性能对比 特性 BJT MOSFET IGBT 驱动方法 电流 电压 电压 驱动电路 复杂 简单 简单 输入阻抗 低 高 高 驱动功率 高 低 低 开关速度 慢（ us） 快（ ns） 中 开关频率 低 快（小于 1MHz） 中 安全工作区 窄 宽 宽 饱和电压 低 高 低 资料来源： 瑞萨、中国产业信息网 ，民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 9 Table_Page 深度研究 /电子行业 图 9:主要功率半导体功率和频率分布 资料来源： Applied Materials， 英飞凌， 民生证券研究院 IGBT 按照不同应用环境，可分为 IGBT 单管， IGBT 模块和 IPM 智能模块。 IGBT 单管 是 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管，通过向 PNP 型晶体管提供基极电流，导通整个电路。由 于其适用电流较小，通常在 100A 以下，适用功率较低。但 IGBT 单管外部电路复杂，封装难 度高，能体现 IGBT 制造商技术、工艺水平。 IGBT 模块是由 IGBT 芯片与 FWD（快速回复二 极管）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，多芯片通过绝缘方式并联集成封装 在模块中，其安全性、可靠性得到有效提升，更适合在高压大电流场景中工作。 IPM 智能模块 是将 IGBT 器件与驱动电路、保护电路集成在一个模块上，由于其具有自我电路诊断、保护的 功能，相比普通 IGBT 模块更智能化，常用于变频家电中。 当前 英飞凌 IGBT 已发展至第 7 代产品， 国内厂商 逐步赶上世界先进水平。 从 1988 年到 2019 年间 30 余年间， 英飞凌共发布了 7 代 IGBT 产品 ，技术水平朝着减少芯片面积、工艺线 图 10:IGBT单管、 IGBT模块、 IPM 智能模块 资料来源： 斯达半导公司 ， 民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 10 Table_Page 深度研究 /电子行业 宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗和提高断态电压的趋势发展。虽然目前国内 IGBT 市 场 主要由国外企业占据，但 在国内厂商 不断地研发投入下，产品技术不断赶上世界先进水平 。 例如斯达半导自主研发的第二代 IGBT 芯片，对标英飞凌第六代 IGBT 芯片（ FS-Trench），且 已于 2016 年实现量产， 2019 年共装配 16 万套车规级 IGBT 模块；比亚迪 IGBT4.0 产品相比 市场上主流的英飞凌第四代 IGBT，开关损耗更低、电流输出能力更强、温度循环寿命更长 。 表 3:IGBT 芯片技术发展及 国产 厂商 最新技术产品 代际 以技术特点命名 芯片面积(相对值 ) 相对上一代工艺提 升 通态饱和压降 (伏 ) 关断时间 (微秒 ) 功率密度 发明 时间 有等代际产品的 国内厂商 1 Planar+PT 100 3.7 0.3 30 1991 2 Planar+NPT 65 低饱和压降低开关 损耗 3.1 0.28 50 1994 3 FS-Trench 44 低导通压降低开关 损耗 2.1 0.16 70 2000 4 FS-Trench+薄晶圆 40 高开关频率高开关 软度 2 0.06 85 2007 斯达半导 ， 新节能 5 FS-Trench+表面覆铜 32 低饱和压降；输出电流能力提升 30% 1.7 0.3 110 2013 比亚迪 6 FS-Trench 26 低导通损耗低开关 损耗 1.5 0.08 170 2017 斯达半导 7 FS-Micro-pattern Trench 更小 高开关软度； Vce(sat)比 IGBT4 降低 20% 1.4 0.15 250 2018 资料来源： 英飞凌，比亚迪，斯达半导， 新洁能， 民生证券研究院 2025 年全球 新能源汽车 IGBT 市场规模达 44 亿 美 元 ， CAGR 为 48.8%。 根据 Yole 数 据， 2019 年全球新能源汽车 IGBT 市场规模为 6 亿美元。 EV Sales Blog 数据公布 2019 年全球 插电式混合动力汽车 和纯电池电动车 的销量约为 220 万辆，由此可推算出 IGBT 单车平均价 值量为 273 美元（ 占单车功率半导体价值量 83%） ， 考虑到目前全球半导体晶圆代工产能紧张， 预计今年新能源汽车功率半导体价格仍将保持在较高水平，且未来单车价值将随着电动化趋 势及双电机渗透率的增加逐步提升 ， 乘以 EV tank 给出的未来各年 全球新能源汽车 的 销量 预 测 ，预计 全球 新能源汽车 IGBT 市场规模将 从 2020 年约 6 亿增长至 2025 年 44 亿 美 元 ，复合 增速 约 48.8%。 表 4:全球 新能源汽车 IGBT 市场规模测算 年份 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球 汽车销量（万辆） 9130 7050 7326 7612 7910 8219 9400 全球 新能源汽车渗透率 2.42% 3.12% 4.22% 5.70% 7.70% 10.40% 12.77% 全球 新能源汽车销量（万辆） 221 220 309 434 609 855 1200 新能源汽车 IGBT 单车价值（美元 ) 273 273 300 315 331 348 365 新能源汽车 IGBT 市场规模（亿 美 元） 6.03 6.01 9.28 13.67 20.16 29.72 43.80 资料来源： Yole， Alix Partners， OICA, EV Tank， 民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 11 Table_Page 深度研究 /电子行业 图 11:全球 新能源汽车 IGBT市场规模预测 资料来源： Yole， Alix Partners， OICA, EV Tank， 民生证券研究院 2.2. SiC 性能更优， 有望成为下一代技术 第三代半导体材料基底的功率器件具有更好的性能优势。 与硅基半导体材料相比，以 GaN， SiC 为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、 更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。 据 英 飞凌数据显示 SiC 材料的逆变器在体积、重量上比 Si 基材料逆变器分别低 3 倍、 4 倍； Rohm 数据显示 SiC MOSFET 在应用中，开关频率可达到 50KHz 以上（而主流 IGBT 开关频 率最高 20KHz），能量损耗比 Si 基 IGBT 低 73%。 SiC 基 MOSFET 相比 IGBT 具备更高的性 能和更小的体积优势。 表 5:碳化硅材料与硅基材料对比 特性 硅 IGBT 碳化硅 MOSFET 驱动器要求 开关频率 低， 30kHz 高 50500kHz 采用大功率门极电阻， 优化散热环境。提高 DCDC 变换电路的效率，降低驱动功率整体损耗。 阈值电压 5V-6V 1.6V-4.5V 负压关断 /米勒钳位防止误开通 开关时间 (tr， tf) 300ns 50ns 采用数字隔离驱动芯片，可以达到信号传输延迟 50ns，并且具有比较高的一致性，传输抖动小于 5ns； 选用低传输延时推挽芯片。 开通电压 15V 15V22V 优先稳负压，保证关断电压稳定；增加负压钳位电路， 保证关断时候负压不超标。 关断电压 -15V-5V -5V0V 短路耐受时间 10us 25ps 采用二极管或电阻串检测短路，短路保护最短时间限制在 1.5us 左右。 CMTI 15kV/ps 100kV/ps 采用共模抗扰能力达到 100kV/ps 的隔离芯片进行信号 传输；采用优化的隔离变压器设计，原边与次边采用屏 蔽层，减少相互间串扰，米勒钳位，防止同桥臂管子开 关影响 资料来源： Basic semi， 民生证券研究院 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球新能源汽车 IGBT市场规模（亿美元） 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 12 Table_Page 深度研究 /电子行业 部分高端车型已启用 SiC 基 MOSFET，有望成为未来发展方向。 特斯拉 Model 3 是第一 款集成全 SiC 功率模块的车型，由特斯拉工程设计部门与意法半导体合作完成，随即，英飞凌 也成为了特斯拉 Model 3SiC 功率模块供应商。 除此之外，比亚迪汉 EV 四驱版，成为 国内首 款批量搭载 SiC MOSFET 组件的车型，其 SiC 电控的综合效率高达 97%以上。 目前国内厂商 也在积极布局 SiC 生产 应用， 如华润微在 2020 年 7 月已实现国内首条商用的 6 寸 SiC 生产线 量产，规划产能为 1000 片 /月。 新洁能 也已拥有多项第三代半导体相关专利，并预计推出 SiC 二极管系列产品，未来 将 重点布局新能源汽车应用领域。 当前 SiC 受制于成本、良率因素， 大规模普遍采用还需时间 。 目前国际主流 SiC 衬底尺 寸为 4 英寸、 6 英寸， 由于晶圆 面积小， 芯片裁切效率低导 致 SiC 衬底成本高昂，后续工艺中 制造、封装良率低更使得 SiC 器件成本居高不下。根据中科院数据，同一级别下， SiC MOSFET 的价格比 Si IGBT 高 4 倍。车规级电控 器件 要满足更为严格的性能指标，需要在极端温度、强 烈震动的环境下保持稳定工作。因此在导入终端产品之前， SiC MOSFET 需要 经 过长时间的可 靠性认证，一般车规级 IGBT 模组认证期在 2 年 左右 。 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 13 Table_Page 深度研究 /电子行业 3 产品、工艺、 先发优势 三大壁垒构筑强护城河 3.1. 工作环境复杂对车规级 IGBT 的安全、可靠提出极高要求 1） 需 适应 “极热 ”“极冷 ”的高低温工况： 车规级 IGBT 的工作 温度范围 广 ，不同的安装位 置有不同的 温度 区间，比如发动机舱要求 -40 -155 、车身控制要求 -40 -125 ，而常规消 费类芯片和元器件只需要达到 0 -70 。 2） 需 承受频繁启停带来 的 电流频繁变化： 车辆在拥堵路况时 常会遇到 频繁启停，此时升 压器、逆变器的 IGBT 模块工作电流会相应的频繁升降，从而导致 IGBT 的结温快速变化， 对 IGBT 的耐高温与散热性能 要求甚高 。 3）需具备高抗震性： 由于车况的不确定性 ，如山地、泥地、石子路等 ，车用 IGBT 在车 辆行驶中可能会受到较大的震动和 颠簸 ， 要求 IGBT 模块的各引线端子有足够强的机械强度， 能够在强震动情况下正常运行。 4）能适应恶劣的工作环境： 考虑到发霉、粉尘、水、盐碱自然环境（海边，雪水，雨水 等）、 EMC 以及有害气体侵蚀等 ， 对 IGBT 防水防尘防腐蚀等安全性能提出了 极 高要求。 IGBT 在这些干扰下既不能不可控 地 影响工作 ，也不能干扰车内别的设备（控制总线， MCU，传感 器）。 5） 需具备长 使用寿命， 低 故障率。 一般的汽车设计寿命都在 15 年或 60 万公里左右。在 整个寿命周期里，车厂对车用半导体故障率基本要求是个位数 PPM（百万分之一）量级，大 部分车厂要求到 PPB（十亿分之一）量级，几乎达到故障零忍受。 表 6:各应用场景 IGBT 参数对比 参数要求 消费类 工业级 汽车级 温度 -20 -70 -40 -85 -40 -125 湿度 低 根据使用环境确定 0%-100% 验证 JESD47（ chips) JESD47（ chips) AEC-Q 100（ chips） ISO16750（ modules) ISO16750（ modules) ISO16750（ modules) 出错率 3% 1% 0 使用时间 1-3 年 5-10 年 15 年 供货时间 高至 2 年 高至 5 年 高至 30 年 工艺处理 防水处理 防水、防潮、防腐、防霉变处理 增强封装设计和散热处理 电路设计 防雷设计、短路保护、热 保护等 多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰 设计、短路保护、热保护、超高压保护 等 多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰设计、多 重短路保护、多重热保护、超高压保护等 系统成本 线路板一体化设计。价格 低廉但维护费用较高 积木式结构，每个电路均带有自检功 能，造价稍高但维护费用低 积木式结构，每个电路均带有自检功能并增强了 散热处理，造价较高维护费用也高 资料来源： AEC-Q 100 标准，民生证券研究院 3.2. 车 规级 IGBT设计、制造和封装工艺难度大 车规级 IGBT 设计 需保证开通关断、抗短路和导通压降 三者 平衡 ， 参数优化非常特殊复 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 14 Table_Page 深度研究 /电子行业 杂。 车规级 IGBT 芯片通常在大电流、高电压、高频率的环境下工作，芯片设计需保证开通关 断、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化非常特 殊复杂。芯片设计环节的主要难点有： （ 1）终端设计实现小尺寸满足高耐压的前提下须保证其高可靠性； （ 2） 元胞设计实现高电流密度的同时须保证其较宽泛的安全工作区，要求 极 高的散热能力； （ 3）元胞设计实现高电流密度的同时须保证其足够的短路能力； 生产工艺难度大：薄片容易碎裂、正面金属熔点限制导致 退火 温度控制难度大 。 IGBT 导 通时可以看作导线，电流从上而下垂直穿过 IGBT，直至抵达驱动电机。 1） 芯片越薄，热阻越 小，但极易破碎。 减薄工艺： 芯片越薄，电流流过的路径越短，损耗在芯片上的能量也就随之 降低，整车电池续航时间越长。 2018 年底，比亚迪公布能将晶圆减薄到 120 m，而英飞凌的 IGBT 芯片最低已经可减薄到 40 m。在此厚度的晶圆和芯片上进行后续的加工，技术难度非 常高，极易破碎。 2）背面工艺须在低温下进行，否则易导致正面金属熔化。 背面工艺： 包括 背面离子注入，退火激活，背面金属化等工艺步骤，由于正面金属熔点的限制与 IGBT 芯片不 断减薄，这些背面工艺必须在低温下进行 (不超过 450C)，否则容易导致正面金属熔化，退火 激活难度极大。 IGBT 模块封装的焊接和键合技术壁垒高。 车用 IGBT 多为模块形式使用，模块封装结构 是将半导体分立器件通过某种集成方式封装到模块内部，一个 IGBT 模块通常需要经过贴片、 焊接、等离子清洗、 X 光检测、键合、灌胶 &固化、成型、测试、打标共 9 道工艺后才能投放 到市场。其中，又以焊接和键合是模块封装技术难点。 图 12: 典型焊接式 IGBT 模块结构示意图 资料来源： 中国汽车工业信息网 ， 民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 15 Table_Page 深度研究 /电子行业 图 13: IGBT 模块封装工艺流程 资料来源： 中国汽车工业信息网 ， 民生证券研究院 （ 1）焊接： 最新的 低温银烧结贴片互联工艺 参数难掌握、材料与设备成本高，成为进入 壁垒。 目前，主流的焊接技术是软钎焊接。 但是这项技术生产的一致性和可靠性不高 。为此已