新能源汽车行业IGBT专题报告：电动车核心技术国产替代迎机遇-20200218-中信证券-19页 (2).pdf

证券研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款 电动电动车车核心核心技术技术，国产国产替代替代迎机遇迎机遇 新能源汽车行业 IGBT 专题报告2020.2.18 中信证券研究部中信证券研究部 核心观点核心观点 宋韶灵宋韶灵 首席新能源汽车 分析师 S1010518090002 陈俊斌陈俊斌 首席制造产业 分析师 S1010512070001 弓永峰弓永峰 首席电新分析师 S1010517070002 徐涛徐涛 首席电子分析师 S1010517080003 刘海博刘海博 首席机械分析师 S1010512080011 IGBT 作为作为汽车汽车电动化核心部件电动化核心部件，其安全性、节能性直接决定了电动车性能，其安全性、节能性直接决定了电动车性能，但但车用车用 IGBT 的的技术、技术、制造、制造、资金资金等等壁垒高，壁垒高，国产化率国产化率低，供应长期被欧美日低，供应长期被欧美日企业垄断企业垄断。随着随着 IGBT 技术技术不断进步不断进步，国内企业，国内企业快速快速发展发展，国产国产 IGBT 已经已经开开启大规模生产并启大规模生产并批量应用于电动车批量应用于电动车，长期有望逐步实现，长期有望逐步实现进口进口替代替代。重点推荐：重点推荐：已经在已经在 IGBT 产业链布局、并实现规模化生产和批量应用的比亚迪（产业链布局、并实现规模化生产和批量应用的比亚迪（A+H）、）、中车时代电气（中车时代电气（H）。）。IGBT 在电动车起到什么作用，市场空间有多大？在电动车起到什么作用，市场空间有多大？IGBT 是电动车技术皇冠上的是电动车技术皇冠上的明珠，明珠，预计预计 2025 年全球空间年全球空间 370 亿元亿元。IGBT 是电动车中控制交直流、高低压转换的核心半导体器件，应用在电控、空调与热管理、充电系统三大主要场景，其安全性、节能性直接决定了电动车性能。电动乘用车依据配置不同，IGBT 单车价值量高达 1000-5000 元，预计 2020 年全球空间接近百亿元，伴随全球电动车产销快速增长，预计行业 2025 年空间有望达 370 亿，CAGR 约+30%。车用车用 IGBT 行业格局如何行业格局如何？英飞凌等欧美日企业垄断，国内企业英飞凌等欧美日企业垄断，国内企业积极布局积极布局。由于芯片设计、晶圆制造是产业链核心技术环节，海外巨头议价能力高、盈利能力强，例如英飞凌 PMM 业务净利率高达 25%；而模块制造、电控制造等环节利润率相对合理。2019 年，中国电动车用 IBGT 国产化率低于 30%，CR3 超过 81%，英飞凌/比亚迪/三菱电机分别为 58%/18%/5%，比亚迪凭借自身品牌电动车优势，率先实现了国产 IGBT 规模化生产和应用。与此同时，比亚迪、中车时代等中国企业正在产业链多个环节布局，并向设计、晶圆制造等核心技术环节加大投入。车用车用 IGBT 壁垒高，壁垒高，自主企业进展如何？自主企业进展如何？技术差距技术差距在在缩小，国产缩小，国产替代可期替代可期。从全产业链看，IGBT 的前期资本开支大，中期制造良品率重要，后面市场开拓需要培育，壁垒极高。IGBT 产品三个核心因素是安全性、性能、成本：1）安全性方面，欧美日企业凭借长期经验积累具备先发优势，而比亚迪凭借电动车量产优势快速看齐。2）性能方面，国产 IGBT 晶圆目前减薄至 110-130m，较英飞凌 70-110m 水平虽然仍有差距，但性能差异有限；同时精细化网格栅等技术也推动比亚迪等国产 IGBT 性能不断追赶海外巨头。3）成本上，伴随国内 8 寸晶圆陆续量产以及良率逐步提升，国产 IGBT 的成本优势正逐步显现。风险因素：风险因素：新能源汽车产销不及预期；新能源汽车政策波动；IGBT 降价幅度超预期；技术路线变动。投资策略投资策略：IGBT 作为电动化核心部件，进入壁垒高，目前国产化率低，供应长期被欧美日企业垄断，随着 IGBT 技术趋势成熟，国内企业快速发展，已经逐步批量应用于电动车，长期有望逐步实现国产替代。重点推荐：已经在 IGBT 产业链布局、并实现规模化生产和批量应用的比亚迪（A+H）、中车时代电气（H）。重点公司盈利预测、估值及投资评级重点公司盈利预测、估值及投资评级 简称简称 收盘价收盘价（元）（元）EPS（元）（元）PE 评级评级 2018 2019E 2020E 2018 2019E 2020E 比亚迪（A）58.48 1.02 0.61 0.71 57 96 82 买入 比亚迪（H）45.10 1.02 0.61 0.71 40 66 57 买入 中车时代电气（H）28.80 2.22 2.45 2.70 12 11 10 增持 资料来源：Wind，中信证券研究部预测 注：（1）股价为 2020 年 2 月 17 日收盘价（2）比亚迪 H、中车时代电气 H 股价为港元，EPS 为人民币 新能源汽车新能源汽车行业行业 评级评级 强于大市强于大市（维持维持）新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录目录 IGBT：电动车技术皇冠上的明珠：电动车技术皇冠上的明珠.1 IGBT 广泛应用在电动车等电气化领域.1 电动车 IGBT 是电控核心部件，2025 年全球空间 370 亿元.2 行业格局：英飞凌垄断，国内积极布局行业格局：英飞凌垄断，国内积极布局.4 IGBT 产业链：技术与利润集中在设计、晶圆制造环节.4 电动车 IGBT 格局：英飞凌稳居第一，比亚迪在国内率先突破.6 趋势：技术差趋势：技术差距缩小，成本优势凸显，国产替代可期距缩小，成本优势凸显，国产替代可期.7 IGBT 产业具备资金、制造、技术壁垒，进入门槛高.8 安全性是电动车 IGBT 首要考虑.8 IGBT 技术不断进步，国内企业与海外产品性能差距正在相对缩小.10 国内企业制造成本优势逐渐显现.12 风风险因素险因素.14 投资建议投资建议.14 比亚迪.14 中车时代电气.15 oPnOtNxOrQoOrOsRrOqMrQ7N9R8OmOpPpNpPfQpPmOeRmNzQaQmOoNMYpNpQvPnNqP 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 插图目录插图目录 图 1：在半导体应用场景中.1 图 2：IGBT 主要应用领域.2 图 3：某纯电动车（单电机）物料成本结构.2 图 4：某插电混动车（双电机）物料成本结构.2 图 5：某纯电动、插电混动车型物料成本结构对比.3 图 6：电控系统的成本结构.3 图 7：比亚迪唐双电机插混车型全车三大部位（电控、热管理、充电）使用 IGBT.3 图 8：不同电动车型单车 IGBT 价值量估算.3 图 9：全球电动车 IGBT 市场空间测算.3 图 10：IGBT 的加工流程.4 图 11：一个典型的“电动车-电控-IGBT 模块-IGBT 晶圆”产业链价值量估算.6 图 12：2018 年 IGBT 分离件市场份额.7 图 13：2018 年 IPM（主要是家电）市场份额.7 图 14：2018 年 IGBT 模组市场份额.7 图 15：2017 年 IGBT 分离件市场份额.7 图 16：2017 年 IPM（主要是家电）市场份额.7 图 17：2017 年 IGBT 模组市场份额.7 图 18：电动车用 IGBT 的三个核心因素：安全、性能、成本.8 图 19：IGBT 一般工业封装.9 图 20：IGBT 车规级封装.9 图 21：IGBT 的主要失效方式.9 图 22：英飞凌的 PrimePACK 技术.10 图 23：封装技术未来发展趋势.10 图 24：各企业 IGBT 晶圆厚度对比.11 图 25：英飞凌 300mm 毫米（12 寸）直径晶圆.11 图 26：IGBT 器件.11 图 27：平面（左）、沟槽（右）技术的 IGBT 结构和导电差异.12 图 28：平面（左）、沟槽（右）技术的 IGBT 带来损耗不同.12 图 29：比亚迪 IGBT 用平面栅实现了超过主流沟槽技术性能.12 图 30：不同企业 8 寸 IGBT 晶圆价格、成本.13 表格目录表格目录 表 1：BJT、MOSFET 和 IGBT 特性对比.1 表 2：全球电动车 IGBT 市场空间测算.4 表 3：部分主要 IGBT 产业链企业布局图.5 表 4：中国电动乘用车 2019 年 IGBT 配套份额.7 表 5：部分主要 IGBT 企业产线晶圆尺寸.13 表 6：比亚迪 IGBT 发展历程.13 表 7：电动车 IGBT 板块重点公司盈利预测.14 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1 IGBT：电动车技术皇冠上的明珠：电动车技术皇冠上的明珠 IGBT 广泛应用在电动车等电气化领域广泛应用在电动车等电气化领域 IGBT 是电力交直流、高低压转换的核心器件。是电力交直流、高低压转换的核心器件。IGBT 全称为 Insulated Gate Bipolar Transistor，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，广泛应用在电动车、光伏、高铁、电网、工业控制等领域。图 1：在半导体应用场景中 资料来源：英飞凌官网 IGBT 是是 MOSFET 的加强版本，的加强版本，具有更具有更好的耐好的耐高压特性高压特性，当前在，当前在 650V 以上应用场景以上应用场景被广泛使用被广泛使用。MOSFET 的优点是开关响应速度快、工作频率高，可以达到 1MHz 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 1500W（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 5000W。表 1：BJT、MOSFET 和 IGBT 特性对比 BJT MOSFET IGBT 驱动方式 电流 电压 电压 驱动电路 复杂 简单简单 简单简单 输入阻抗 低 高 高 驱动功率 高 低 低 开关速度 慢 快快 居中居中 工作频率 低 高高 居中居中 饱和压降 低 低 高高 资料来源：中信证券研究部 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 IGBT 下游应用主要依据工作下游应用主要依据工作电压电压高低划分，电动车用高低划分，电动车用 IGBT 电压位于电压位于 6501200V 区区间场景。间场景。家电、工业安装等领域的工作电压最低，为 650V；新能源汽车 IGBT 的电压相对居中，一般为 650V 和 1200V 级别；光伏、工业电机、高铁、动车、智能电网工作电压要求更高，在 1700V 以上，甚至可达 6500V。图 2：IGBT 主要应用领域 资料来源：Yole，中信证券研究部 电动车电动车 IGBT 是电控核心部件，是电控核心部件，2025 年全球空间年全球空间 370 亿元亿元 功能上：电动车的电控、热管理、充电功能上：电动车的电控、热管理、充电系统系统都需要用到都需要用到 IGBT。纯电动车上 IGBT 主要用于电控、电池热管理、电动车空调、充电系统几个方面。插电混动车上，与低压系统相独立的高压系统需要用到 IGBT。部分搭载了 48V 混动系统的燃油车也需要用到少量IGBT。价值量上：电动车电控系统是电动车价值量第二大单个部件。价值量上：电动车电控系统是电动车价值量第二大单个部件。在一辆典型的电动车中，单个电控采购成本约 0.3-0.5 万元，考虑存在单电机、双电机不同版本电动车，实际电控成本一般占总物料成本的 3-7%，是动力电池外的第二大单个零部件。图 3：某纯电动车（单电机）物料成本结构 资料来源：中信证券研究部估算 图 4：某插电混动车（双电机）物料成本结构 资料来源：中信证券研究部估算 电池 41%电控 3%电机 3%三电其车身 7%外饰 5%内饰 8%电子电器11%底盘10%电池12%电控 7%电机 6%三电其它6%车身 10%外饰 6%内饰 10%电子电器16%底盘 13%燃油动力总成 14%新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图 5：某纯电动、插电混动车型物料成本结构对比 资料来源：中信证券研究部估算 注：电控为采购价格 图 6：电控系统的成本结构 资料来源：大地和公开转让说明书，中信证券研究部 IGBT 在电控成本中占比高达约在电控成本中占比高达约 40%，是电控核心部件。，是电控核心部件。A 级以上纯电动车 IGBT 单车价值量在 20004000 元，豪华车甚至高达 5000 元以上，插电混动车型也在 2500-3500元量级。电动公交车由于对 IGBT 体积要求相对低，因而单车价值量也略低于高端纯电动。图 7：比亚迪唐双电机插混车型全车三大部位（电控、热管理、充电）使用 IGBT 资料来源：汽车之家 图 8：不同电动车型单车 IGBT 价值量估算 资料来源：中信证券研究部估算 注：价值量为估计值可能与实际存在一定差异 图 9：全球电动车 IGBT 市场空间测算 资料来源：中信证券研究部估算 5.91.40.40.80.40.70246810121416某中档EV(单电机)某中档PHEV(双电机)万元/辆燃油动力总成底盘电子电器内饰外饰车身三电其它电机电控电池IGBT 41%散热底板10%大电容10%PCB板 8%其他材料22%劳动制造成本 9%2500-350040001500-20000100020003000400050006000PHEVA00/A0级 A级以上 豪华电动商用车元/辆3557709813819136863%22%40%41%39%24%0%10%20%30%40%50%60%70%01002003004002017 2018 2019 2020E2021E2022E2025E亿元全球电动车IGBT市场空间YoY(右轴)15 万元 11 万元 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 全球电动车高增长（尤其是全球电动车高增长（尤其是 A 级以上车型）带动级以上车型）带动 IGBT 需求放量，我们测算需求放量，我们测算 2020 年年行业空间约行业空间约 97 亿元，预计亿元，预计 2025 年有望达到年有望达到 370 亿元，亿元，CAGR+30%。表 2：全球电动车 IGBT 市场空间测算 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2025E 电动车销量(万辆)中国 EV 乘用车 45 76 85 118 165 223 414 A00/A0占比 76%65%42%34%29%26%18%PHEV 乘用车 11 24 20 28 41 56 108 中国乘用中国乘用 56 100 106 147 206 279 523 中国商用车中国商用车 20 19 14 18 21 34 51 海外 EV 乘用车 34 61 80 110 155 220 430 PHEV 乘用车 33 39 43 56 75 95 171 海外乘用海外乘用 67 100 123 166 230 315 601 合计合计 123 200 229 331 457 628 1175 单车价值量(万元/辆)A 级以上 EV 0.35 A00/A0 级 EV 0.08 PHEV 0.30 商用车 0.18 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2025E 电动车IGBT 市场规模(亿元)中国 EV 乘用车 7 13 20 30 45 63 124 PHEV 乘用车 3 7 6 9 12 17 33 中国小计中国小计 10 21 26 39 57 79 157 中国商用车中国商用车 4 4 3 3 4 6 9 海外 EV 乘用车 12 21 28 39 54 77 150 PHEV 乘用车 10 12 13 17 23 29 51 海外小计海外小计 22 33 41 55 77 106 202 合计合计 35 57 70 97 138 191 368 YoY 63%22%40%41%39%24%资料来源：乘联会，Marklines，中信证券研究部预测 注：IGBT 单车价值量为估计平均值 行业格局：英飞凌垄断，国内行业格局：英飞凌垄断，国内积极布局积极布局 IGBT 产业链：技术与利润集中在设计、晶圆制造环节产业链：技术与利润集中在设计、晶圆制造环节 巨头在设计、晶圆制造环节利润丰厚。巨头在设计、晶圆制造环节利润丰厚。英飞凌等全球巨头凭借在电路设计、晶圆制造技术优势，其 PMM 业务（其 IGBT 所属板块）净利率高达 25%。相比之下，下游封装以及应用端的电控、整车的盈利水平则低于晶圆环节。图 10：IGBT 的加工流程 资料来源：Yole 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 表 3：部分主要 IGBT 产业链企业布局图 原材料原材料 供应链供应链 设计电路图设计电路图 晶圆制造晶圆制造 模组封装模组封装 模块制造模块制造 电控电控 整车整车 国内 比亚迪 中车时代 华虹半导体 上海先进 士兰微 华微电子 扬杰科技 宏微科技 斯达半导 汇川技术 英威腾 海外巨头 英飞凌 三菱 富士 代表公司代表公司 英飞凌英飞凌 汇川技术汇川技术 等等 比亚迪比亚迪 特斯拉等特斯拉等 毛利率毛利率 全公司毛利率全公司毛利率 35-40%毛利率毛利率 20-30%毛利率毛利率 10-25%净利率净利率 ROCE PMM 业务净利率业务净利率 25%全公司全公司 ROCE 25%资料来源：公司公告，英飞凌财报，IHS，中信证券研究部 注：标红为该公司经营产业链这一环节业务 图 4：全球主要 IGBT 产业链企业 资料来源：Yole 除晶圆外的模块、电控各环节都拥有合理利润，中国企业多环节布局国产替代。除晶圆外的模块、电控各环节都拥有合理利润，中国企业多环节布局国产替代。IGBT从晶圆制造完成后，下游的模块封装环节毛利率在 25-35%，电控制造环节毛利率在20-30%，目前都拥有相对稳定的盈利。国内比亚迪、中车株洲时代纵向一体化布局，而华虹半导体、上海先进等专注晶圆制造，宏微科技、斯达半导布局设计与封装。整体看，中国 IGBT 产业链正逐步具备国产替代能力。新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 图 11：一个典型的“电动车-电控-IGBT 模块-IGBT 晶圆”产业链价值量估算 资料来源：英飞凌财报，IHS，比亚迪财报，斯达半导招股书，中信证券研究部测算 注：这里我们没有考虑充电、空调用 IGBT 电动车电动车 IGBT 格局：英飞凌稳居第一，比亚迪在国内率先突破格局：英飞凌稳居第一，比亚迪在国内率先突破 IGBT 制造难度大，具有极高的技术壁垒，制造难度大，具有极高的技术壁垒，IGBT 主要被欧美日企垄断。主要被欧美日企垄断。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）、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、ABB、三菱、西门子、东芝、富士等。国内国内 IGBT 技术技术（芯片设计、芯片设计、晶圆晶圆制造制造、模块封装模块封装）目前均处于起步阶段。目前均处于起步阶段。目前国内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。目前国内能够在电动车上量产 IGBT 的只有中车株洲时代和比亚迪。英飞凌供应国内电动车市场超过一半英飞凌供应国内电动车市场超过一半 IGBT，但比亚迪凭借电动车应用优势率先突破。，但比亚迪凭借电动车应用优势率先突破。目前英飞凌在全球 IGBT 分离件、模组市场份额居第一，份额均超过第二、三、四名总和；英飞凌在全球 IPM 市场居第三位。2019 年英飞凌在中国国内电动车供应 63 万套 IGBT 模块，市占率达到 58%；比亚迪凭借自身品牌电动车优势，国内市占率 18%居第二位。新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 图 12：2018 年 IGBT 分离件市场份额 图 13：2018 年 IPM（主要是家电）市场份额 图 14：2018 年 IGBT 模组市场份额 资料来源：英飞凌财报 资料来源：英飞凌财报 资料来源：英飞凌财报 图 15：2017 年 IGBT 分离件市场份额 图 16：2017 年 IPM（主要是家电）市场份额 图 17：2017 年 IGBT 模组市场份额 资料来源：英飞凌财报 资料来源：英飞凌财报 资料来源：英飞凌财报 表 4：中国电动乘用车 2019 年 IGBT 配套份额 排名排名 公司公司 配套量配套量(万套万套)市场份额市场份额 1 英飞凌 62.8 58.2%2 比亚迪微电子 19.4 18.0%3 三菱电机 5.6 5.2%4 赛米控 3.3 3.0%5 斯达 1.7 1.6%6 电装 1.7 1.6%7 法雷奥 1.4 1.3%8 德尔福 1.0 0.9%9 中车时代 0.8 0.8%10 东芝 0.3 0.3%其它 9.8 9.1%合计合计 108 100%资料来源：NE 时代 趋势：技术差距缩小，成本优势凸显趋势：技术差距缩小，成本优势凸显，国产替代可期，国产替代可期 电动车 IGBT 核心关注安全性、电能损耗、成本三个因素。13.9%1.6%3.1%3.8%4.8%5.0%5.4%5.9%9.5%9.6%37.4%0%10%20%30%40%其它MicrochipToshibaMagnaChipRenesasMitsubishiSTMicroLittelfuseFuji ElectricON SemiInfineon13.5%0.5%0.6%1.4%2.1%2.9%5.8%10.0%12.0%18.9%32.3%0%10%20%30%40%其它Jilin Sino-MicroMicrochipRohmSTMicroSankenSemikronFuji ElectricInfineonON SemiMitsubishi20.5%1.8%2.1%2.2%2.4%3.5%4.9%8.0%9.7%10.4%34.5%0%10%20%30%40%其它ON semiToshibaStarpowerDanfossHitachiVincotechSemikronFuji ElectricMitsubishiInfineon13.7%1.6%2.6%3.4%3.6%3.7%4.1%5.2%11.6%12.0%38.5%0%10%20%30%40%其它IXYSLittelfuseToshibaMitsubishiRenesasMagnaChipSTMicroON SemiFuji ElectricInfineon12.7%0.4%0.6%1.2%1.7%3.2%4.9%9.9%10.3%18.7%36.4%0%10%20%30%40%其它StarpowerMicrochipRohmSTMicroSankenSemikronFuji ElectricInfineonON SemiMitsubishi19.8%1.9%2.0%2.4%3.2%3.8%5.9%8.3%9.6%10.5%32.6%0%10%20%30%40%其它StarpowerBoschToshibaDanfossHitachiVincotechSemikronMitsubishiFuji ElectricInfineon空间 13 亿美元 空间 26 亿美元 空间 16 亿美元 空间 11 亿美元 空间 33 亿美元 空间 17 亿美元 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 图 18：电动车用 IGBT 的三个核心因素：安全、性能、成本 资料来源：IHS，斯达半导招股书，中信证券研究部绘制 IGBT 产业具备资金、制造、技术壁垒，进入门槛高产业具备资金、制造、技术壁垒，进入门槛高 从全产业链看，IGBT 的前期资本开支大，中期制造良品率重要，后面市场开拓需要培育，壁垒极高。资本开支大：资本开支大：以中车在株洲的 8 英寸 IGBT 基地项目为例，2016 年年产 12 万片 8 英寸 IGBT 芯片、100 万只 IGBT 模块的基地总投资高达 15 亿元；士兰微的第一条年产能24 万片的 8 寸产线投资也高达 10 亿元。制造良品率重要：制造良品率重要：良品率直接决定了 IGBT 模块生产成本，并影响盈利能力。目前在同尺寸产线横向比较上，中国企业与国际龙头相比还存在一定差距。市场开拓需要培育：市场开拓需要培育：由于 IGBT 寿命、稳定性直接影响电动车安全性，其性能也直接决定了续航里程等电动车性能，因此全球电动车 IGBT 市场此前一直被英飞凌等海外巨头垄断。车企切换至国内供应商，需要对其产品稳定性、性价比、公司整体研发与资金实力等综合评估，因此 IGBT 在国产替代过程中面临较大市场难度。安全性是电动车安全性是电动车 IGBT 首要考虑首要考虑 量产经验与装车量方面，量产经验与装车量方面，英飞凌等海外巨头量产经验丰富，国内市场比亚迪凭借自身品牌电动车稳定应用场景具备独有优势。电动车用 IGBT 封装要求远高于工业级别。IGBT 封装的主要目的是散热，其关键是材料。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，同时还要考虑强振动条件，车规级的 IGBT 远在工业级之上。自第六代技术以后，各大厂商开始将精力转移到 IGBT 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。新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图 19：IGBT 一般工业封装 资料来源：电力电子网 图 20：IGBT 车规级封装 资料来源：电力电子网 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。图 21：IGBT 的主要失效方式 资料来源：Power Modules Packaging Technologies&Market-Yole 英飞凌英飞凌 XT 技术大幅延长技术大幅延长 IGBT 模块使用寿命。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 175C。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。新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 图 22：英飞凌的 PrimePACK 技术 资料来源：英飞凌官网 设计设计优化、材料升级优化、材料升级是封装是封装技术技术进化的两个维度。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。图 23：封装技术未来发展趋势 资料来源：Power Electronics Overview:what are the markets and trends?Yole IGBT 技术技术不断进步不断进步，国内企业与海外产品性能差距正在相对缩小，国内企业与海外产品性能差距正在相对缩小 晶圆减薄：目前国内企业晶圆普遍可以减薄至晶圆减薄：目前国内企业晶圆普遍可以减薄至 110-130m，虽然与英飞凌，虽然与英飞凌 70-110m 水平仍有差距，但这一差距相比以往已经相对缩小了水平仍有差距，但这一差距相比以往已经相对缩小了。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 6-8mm，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 200-100m；对于要 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 求较高的期间，甚至需要减薄到 80m。当硅片厚度减到 200-100m 的量级，后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎和翘曲。图 24：各企业 IGBT 晶圆厚度对比 资料来源：HIS，英飞凌官网，比亚迪官方微博，中信证券研究部 晶圆减薄之后，后续处理工艺的难度也有所加大，极易引起碎片和翘曲：1）离子注入。IGBT 需注入一层薄磷做缓冲层，而第四代 IGBT 需注入两次，过程非常容易引起碎片。2）后处理。磷注入后，IGBT 需进行清洗、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 300 毫米（12 寸）直径晶圆工艺业界领先，早于 2013 年就达到了 40m 厚度水平。其厚度甚至小于一张标准的书写用纸（约 110m，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。图 25：英飞凌 300mm 毫米（12 寸）直径晶圆 资料来源：英飞凌官网 图 26：IGBT 器件 资料来源：英飞凌官网 沟槽技术：沟槽技术路线相比平面技术路线更可节约电能损耗。沟槽技术：沟槽技术路线相比平面技术路线更可节约电能损耗。IGBT 本身是一个非通即断的开关，导通时可以看作导线，断开时可以看作开路。在电控中，IGBT 将动力电池输出的直流电转化为交流电。电流从上而下垂直穿过 IGBT，直至抵达驱动电机。芯片越薄，电流所上面流过的路径就越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低。18018018012013011011070050100150200G1.0(2011年)G2.0(2013年)G2.5(2016年)G4.0(2018年)最厚最薄最厚最薄比亚迪国内主流英飞凌m 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 图 27：平面（左）、沟槽（右）技术的 IGBT 结构和导电差异 资料来源：英飞凌微信公众号 图 28：平面（左）、沟槽（右）技术的 IGBT 带来损耗不同 资料来源：英飞凌微信公众号 精细化网格栅：比亚迪在平面技术路线达到了超过沟槽技术路线的电能节约效果。精细化网格栅：比亚迪在平面技术路线达到了超过沟槽技术路线的电能节约效果。图 29：比亚迪 IGBT 用平面栅实现了超过主流沟槽技术性能 资料来源：比亚迪官方微博 国内企业制造成本优势逐渐显现国内企业制造成本优势逐渐显现 国内公司大尺寸晶圆工艺落后于全球龙头，目前国内公司大尺寸晶圆工艺落后于全球龙头，目前 8 寸线基本布局完毕。寸线基本布局完毕。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，芯片分摊成本就越低；但另一方面，晶圆越大会导致离晶圆中心越远位置越容易产生坏点，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。国内晶圆生产企业此前绝大部分还停留在 6 英寸产品的阶段。目前国内实现 8英寸产品量产的有比亚迪、株洲中车时代、上海先进、华虹宏力、士兰微，并且士兰微 12寸晶圆产线预计 2020 年底量产。新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 表 5：部分主要 IGBT 企业产线晶圆尺寸 6 寸寸 8 寸寸 12 寸寸 比亚迪 中车时代 华虹半导体 上海先进 士兰微 华微电子 扬杰科技 英飞凌 资料来源：IHS，Yole，比亚迪官方微博，中信证券研究部 良率：同尺寸产线相比，中国企业良率：同尺寸产线相比，中国企业与国际龙头相比还存在一定差距与国际龙头相比还存在一定差距。英飞凌目前主力8 寸晶圆产线良率在 92-95%，而国内士兰微 8 寸晶圆产线良率仍在 70%左右。比亚迪凭借十年 6 寸晶圆生产积累，目前在 6 寸产线良率达到接近 90%水平。伴随国内企业伴随国内企业 8 寸晶圆产线先后投产，良率逐步提升，国产寸晶圆产线先后投产，良率逐步提升，国产 IGBT 有望较此前采购英有望较此前采购英飞凌等巨头晶圆价格大幅下降。飞凌等巨头晶圆价格大幅下降。图 30：不同企业 8 寸 IGBT 晶圆价格、成本 资料来源：英飞凌财报，IHS，中信证券研究部估算 国内电动车国内电动车 IGBT 龙头比亚迪龙头比亚迪深耕深耕 IGBT 十五年，十五年，自主掌握核心技术自主掌握核心技术，产品力持续提，产品力持续提升升。比亚迪经过 15 年布局，自主开发了 IGBT 1.0/2.0/2.5/4.0 四代产品，以及大巴专用 IGBT模块。其中 2018 年量产装车的 IGBT 4.0 产品能耗性能超越了当前主流沟槽产品，并实现IGBT 2.5 模块批量外供。表 6：比亚迪 IGBT 发展历程 比亚迪比亚迪 IGBT 发展重大事件发展重大事件 2005 年 组建 IGBT 研发团队，正式布局 2007 年 建立 IGBT 模块产线，组装首款电动车 IGBT 模块样品 2008 年 建立 IGBT 晶圆工厂 2009 年 IGBT 1.0 研发成果，并通过中国电力电子协会组织的科技成果鉴定 2010 年 自主 IGBT 量产配套 F3DM 2011 年 自主 IGBT 量产配套 e6 5500-65003500-40002000-300001000200030004000500060007000英飞凌售价上海先进售价比亚迪成本元/片8寸晶圆 新能源汽车新能源汽车行业行业 IGBT 专题报告专题报告2020.2.18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 比亚迪比亚迪 IGBT 发展重大事件发展重大事件 2012 年 全球首创将航空航天级 AlSiC（碳化硅铝）材料大批量用于车用 IGBT 模块 IGBT 2.0 芯片芯片成功 2013 年 IGBT 2.0 模块模块通过汽车全面认证 2014 年 IGBT 2.0 模块模块量产配套 e