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IGBT 產業
1
台大財金碩一 柯采綾、台大財金四 柯傅蓉、台大財金三 林庚遠、台大財金三 林妤蓁、台大農經碩一 陳羿勳
大綱
#
2
1. IGBT產業及應用簡介
2. 需求分析
3. 供給分析
3
目錄
結論
1
4
5
結論
1. IGBT是兼有 MOSFET 高輸入阻抗及 BJT 低導通電阻的複合式功率半導體元件,具有功率耗損小、降
低飽和壓的優點,適用於需高電壓、高功率的電器裝置,電動車即為其中之一。
2. IGBT零組件與模組主要被運用於變頻家電、太陽能發電、工業變壓、交通中牽引變流器與電動車控制系
統。其中IGBT模組佔電動車所有成本的10%。
3. IGBT的下游應用中,以電動車的規模成長最快,因電動化程度越高的汽車,對功率半導體的需求愈大,
所需的驅動功率和系統電壓也越高,適合使用 IGBT 功率元件,推動 IGBT 市場需求。
4. IGBT晶片應用在高壓領域,因此晶片內線條尺寸較大,因此切割數量也相對其他8吋晶圓應用產品少,
且供給端則受制於8吋晶圓代工產能滿載、無擴廠誘因,故供給緊張。
5. IGBT晶片、模組的關鍵技術多掌握在歐、美、日的IDM大廠手裡,如英飛凌、富士電機;臺灣以
Fabless 模式為主,主要負責晶片製造和封裝,如茂矽、捷敏-KY。
IGBT 產業及應用簡介
1
6
功率半導體
功率 IC
動力控制
IC
電源管理
IC
智慧型
功率IC
功率分離式元件
(Power Discrete)
二極體
(Diode)
功率電晶體
(Power Transistor)
IGBT MOSFET BJT
閘流體
(Thyristor)
• 「功率」代表單位時間內能量轉換的速率,電器系統中只要需經電能(電壓、電流、頻率)轉換者,皆須
使用相關零組件,即功率半導體,其為電子裝置中電能轉換與電路控制的核心,用途包含變頻、整流
變壓、功率放大、功率控制及節能,只要是擁有電流電壓及相位轉換的電路系統中,都會用到功率零
組件。
• 功率半導體可分為功率積體電路 (Power IC)及功率離散元件 (Power Discrete) 2 種,後者包含
MOSFET、二極體及 IGBT,可以將電壓和頻率雜亂不一的電流轉換為特定電能參數的電流,供應各類
終端電子設備,成為電子電力變化裝置的核心元件之一。
功率半導體為整流變壓、控制電路的核心元件
7
圖1-1 功率半導體體系概念圖
功率模組
功率分離式元件 功率 IC
設備
應用
功率大
(整流器)
功率小
(穩壓器)
成本 較低 較高
應用
要求
穩定性 預算速度
表1-1 功率分離式元件及功率 IC 簡要比較
資料來源:自行整理
• 功率半導體最大的兩個需求為汽車與通訊方面,應用則包含除能、家電、IT產品、網路通訊等。
• 通訊產業如基地台、交換器、路由器等,以基地台需求最大,佔比50%。在進入5G時代後,功率半導
體的需求顯著增長。
汽車、通訊兩大終端需求動能 5G基地台推升需求
8
資料來源:方正證券、資料整理
功
率
頻率
晶
閘
館 二
極
管
IGBT
GTO/IGCT
MOSFET
圖1-2 不同功率及頻率適合元件 圖1-3 功率半導體原理簡圖
• 以最基礎的MOSFET原理為例,組成部分包含P、N型半導體、源極(Source)、汲極(Drain)與閘
極。以閘極(Gate)做為控制電子流的控制極,透過氧化物絕緣層(如 SiO2 )與P型半導體間接相連,後
者並隔離源極、汲極;一旦電壓施以閘極,便能允許電子流於兩極流動。
• 相較之下,BJT以基極作為控制極,原理是透過「小電流控制大電流」。而MOSFET的閘極(控制極)
與氧化物相接(極佳絕緣體,無電流通過),本質是「以電壓控制電壓」。
電路控制基本原理-以基本BJT、MOSFET為例
9
圖1-5 基本IGBT示意圖
圖1-4 MOSFET基本原理構造
• MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor, 金屬氧化物半導體場效電晶體)
是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場
效電晶體。
• MOSFET 的特色是導通電阻小、損耗低,驅動電
路簡單,熱阻特性佳,適用於 PC、手機、行動電
源、車載導航等電源控制領域。2016 年 全球市
場規模達 62 億美元,主要由德商英飛凌佔據(市
占達 27%) 。
MOSFET 導通電組小、損耗低 適用低頻應用
10
10
圖1-6 MOSFET基本構造簡圖
參考資料:圖
• IGBT結合輸入端 MOSFET、輸出端
BJT 的優勢,達到功率耗損小、降低飽
和壓完成高輸入抗阻的電路驅動方式。
• MOSFET 可通過電流大小視內部結構
而定,優勢為可適用於高頻領域(幾十
到幾兆Hz的射頻產品皆可運用),但耐
電壓能力不如 IGBT。
• IGBT相當於在MOSFET的汲極背後增
加一層P型半導體,增加載流能力及抗
壓能力,又兼具MOSFET 的高頻開關
特性,更有利直交流電、高低壓轉換。
IGBT結合MOSFET、BJT 輸入抗阻小、飽和壓下降
11
MOSFET BJT IGBT
控制端 閘級電壓 基級電流 閘級電壓
驅動電力 較少(電壓為主) 較多 較少(電壓為主)
圖1-7
不同功率半導體原理簡圖及比較
IGBT兼具MOSFET、BJT 優勢 近年市值成長穩健
12
• IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT,絕緣閘極雙極性電晶體) 是由雙載子接面電晶體 (BJT) 和
MOSFET 組成的複合式半導體功率元件。兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 BJT 的低導通電阻兩大優點。
IGBT 的驅動功率小,適合應用於直流電壓 600V 及以上的變流系統,例如:交流電機、變頻器、開關電
源、照明電路。
• IGBT 自 1988 年發明以來,具備高頻、高電壓、大電流,容易開關的特性,近年成長幅度居所有分離式元
件之冠,成長動能來自電動車強勁需求,可說是功率變流裝置藉的CPU。
圖1-8 IGBT模組結構示意圖(經重新整理)
樹酯外殼
輔助端子
樹酯外蓋
絕緣基板
主端子
金屬基板
IGBT晶片
FWD晶片
• IGBT可分為裝置零件,與由基本零件所組成的模組。其在工作頻率上有限制,大約到10kHZ即為極
限,因此更高的頻率必須使用MOSFET來完成,工作頻率可以從幾百kHZ到幾十MHZ。另外如果元件
需要高速開關,IGBT因為整合BJT,存在電荷存儲問題,能量會損耗過大而發熱,也在關掉時需要耗
費比較長的時間,因此要仰賴MOSFET進行高速開關工作。
• 主要特色是耐高壓,MOSFET在高壓(900V以上)就難以運作, 適用攜帶型充電電池領域及消費型電
子; IGBT則能在各式電壓範圍使用,被廣泛運用於工業領域
IGBT耐高壓,補足MOSFET缺點,應用範圍廣
13
風力發電、
光伏發電整流
器、逆變器
高壓直流輸電中
FACTS柔性輸電技術
電力電子變壓
器(PET)
家用電器、微波
爐、LED照明驅動
發電端 輸電
端
變電端 用電端
31%
27%
20%
11%
圖1-9 2018 IGBT 以應用端區分
新能源汽車
家電
工控
新能源發電
圖1-10 依智能電網看IGBT應用
資料來源:方正證券、資料整理、經濟部技術處
不同功率半導體比較-IGBT 抗阻、抗壓、功率高
14
• 電器的理想狀態為高耐壓、高輸入阻抗(阻礙電流的程度)、驅動功率小、開關速度快且損耗小。
• 就開關速度方面,MOSFET 具絕對優勢、IGBT居中,原因在後者尚有整合 BJT,由於 BJT 本身儲存電荷時
間較長,關閉時需耗費較長時間,無法高速開關。
• 綜上所述,MOSFET 適合用於相對低壓的攜帶型充電器或行動裝置;IGBT 適用於高電壓、大功率的設備,
如電動馬達、汽車動力電池等。
特性 驅動方式
(開關)
驅動
電路
輸入
抗阻
功率
耗損
開關
速度
工作
頻率
飽和壓
MOSFET 電壓 簡單 高 低 快 高 高
BJT 電流 複雜 低 高 慢 低 低
IGBT 電壓 簡單 高 低 中 中間 高
因為後端還會結合BJT
(雙載流子導電)
驅動電流比MOSFET大
控制端功率耗損比BJT低
兼具閘極電壓控制電晶體
(高輸入阻抗)、雙載流子,達到大電
流、驅動功率小、飽和壓降低的目標
圖1-11 不同功率半導體特性比較
• 綜如前述,適用高電壓、大功率設備的IGBT,驅動功率小、飽和壓較低,依據不同電壓即領域,有其
各自適用的終端應用範圍,如:馬達、動力電池、交流電機、變頻、開關電源。
IGBT依領域及電壓可區分為不同終端應用
15
IGBT < 600:
消費電子領域
IGBT > 1200:
電力設備、汽車電子、軌道交通
電
流
頻率
數位相機閃光
燈、
汽車店火氣
電動車
電機控制器、
家用電器 風力發電
軌道交通動車、
機車
智能電網
圖1-12 IGBT依電壓分應用領域
資料來源:方正證券、資料整理、經濟部技術處
圖1-13 不同輸出容量及頻率適合元件
IGBT 產業鏈
資料來源:產業資訊觀測網
上游
晶片設計、製造
中游
模組設計、製造、測試
下游
終端應用
茂矽(2342) 晶圓代工
捷敏KY(6525) 封裝測試
界霖(5285) 導線架
朋程(8255)IGBT模組
強茂(8255) IGBT 模組
國
外
廠
商
台
廠
16
• 主流家電主要由電機、電機控制器以及功率變換模塊IPM(IGBT模組)組成,中國為家電製造大國,對
IGBT產生大量的需求。
• IGBT模組為家電變頻功能的核心元件,具有較小導通損耗和開關損耗,可通過改變驅動電阻的大小滿
足 EMI 需求的同時保持開關損耗在合理範圍內、強大的抗短路能力以及較小的電壓尖峰(對家電起到
保護作用)。IPM將IGBT、驅動電路以及保護電路集中,由IGBT決定輸出的電流與耐壓。
• 變頻器:工控調速和節能的主要裝置,如電梯、起重機、油氣管網建設,輸出電壓越高,壓縮機的運
轉頻率、輸出功率越大。
• 電焊機:電焊機是對2個以上的金屬部件加熱或加壓,從而使其融為一體的裝置,主要用於鋼鐵行業。
由於逆變焊割設備大於傳統設備,需求逐漸明顯。
用於焊接汽車的車身等,包括對金屬加壓通電,利用電阻熱將其熔化進而連為一體的點焊等。
IGBT模組運用於變頻家電與工業應用
17
資料來源:方正證券、資料整理、經濟部技術處
• 現代軌道交通其中核心技術之一為交流傳動技術
• 牽引變流器:電動車輛、鐵路、機車與動車組的交流電電動機輸出裝置,透過轉換直流制和交流制間
的能量,產生控制與調節的作用,控制機車的運行。
• 每個動車組列車(如高鐵)大約有 4 台牽引變流器,若每一台搭載了 32 個 IGBT 模組,則總共128
個。不同類型需要的數量不一樣,從80-150都有。
IGBT為牽引變流器主要控制模組之一
18
受電弓
牽引變壓器 牽引變流器 轉向架
單柵25千伏交流電
三相交流異步牽
引電動機
驅動
單向交流 直流 三相交
整流器 逆變器
資料來源:方正證券、微文庫、資料整理
圖1-14 交流傳動技術示意圖
• 應用範圍一般都在耐壓600V 以上,電流 10A 以上,頻率 1KHz 以上的區域。電動車成本中,電池占比約
40%,驅動系統約10-20%,其中IGBT模組佔約50%。車身與底盤約15%。
• 汽車本身的系統比工業要求高,車規級 IGBT 對耐受指標要求更為嚴格,在高溫、電器可靠性、震動下環
境穩定性,以及快速切換都有更高的要求。
• 汽車的引擎壓力感測器、驅動系統的變速、制動,車燈、儀表板、電力監控以及運作控制都需要功率半導
體。電機驅動:在逆變器中,利把直流電轉換為交流電,一個系統約需要用到十數個IGBT。
• 電源系統:車載充電器(AC-DC)和變換器(DC-DC)中,實現鋰電池充電和所需電壓等級的電源變
換。
• 充電樁:電網的電都是交流(AC)電,而充電樁分類快充的直流充電樁和慢充的交流充電樁,IGBT主要
用在直流快充的充電樁。作為開關元件使用。
功率半導體在電動車佔比提升,運用於系統控制
19
車載空調控制系統:
小功率直流、交流電,使用
電流小的IGBT模組
電機控制器:
大功率直流、交流逆變後驅動
汽車電機
充電樁:
智能充電中IGBT被作為開關
元件使用
0%
25%
50%
75%
100%
傳統汽車 混合動力車 純電動車
圖1-15 各型汽車電子元件佔比
其他
傳感器
MCU
功率半導體
資料來源:方正證券、資料整理、中國經濟產業局
0%
25%
50%
75%
100%
小型汽油車 高級汽油車 油電混合車 純電動車
其他零件比
重
電子零件比
重
圖1-16 電子零組件在車輛成本佔比
• 逆變設備:把蓄電池中的直流電轉為與市場上相同的交流電,利用IGBT的開關原理,控制電路,給予
開工、關段信號,把直流電轉變為交流電。也可以透過調節信號的脈寬控制電流大小,控制交流頻
率,操控逆變器的輸出功率。
• 柔性輸電網:在電網中接入了一個開關和電源,對電壓等參數進行控制,隔離電網故障擴散,可以降
低功率、發電成本,提高穩定性與可靠性。
IGBT開關原理用於輸電、發電裝置的逆變設備
20
柔
性
輸
電
裝
置
示
意
圖
網路
太陽能板
逆變器 變壓器
濾波器
電網
資料來源:方正證券、資料整理、新浪、Fuji官網
圖1-17 柔性輸電裝置示意圖 圖1-18 太陽能發電示意圖
想要
推動
的東
西
需求分析
2
21
• 全球 IGBT 市場規模穩健增長,2018 年全球 IGBT 市場規模達50 億美元。其中中國 IGBT 市場規模達
21 億美元,約占全球 40%,為最大市場,並持續高速成長。
• 以 IGBT 下游應用來看,電動機、新能源發電、電動車為前幾大規模應用領域,其中以電動車成長速
度最快,為 IGBT市場重要驅動力。
中國為IGBT最大市場,應用領域以電動車成長最快
22
圖2-1 全球IGBT市場規模
全球IGBT市場規模(億美元) 增速(%,右軸)
圖2-2 各國IGBT市場規模(百萬美金) 圖2-3 IGBT下游應用領域規模
2018年全球IGBT下游應用拆分(十億美元)
2024年全球IGBT下游應用拆分(十億美元)
資料來源:中信建投
• 依據IHS Markit研究,預計2022年汽車功率半導體市場將達到80億美元,CAGR約為7%,其中以電
動車對功率半導體市場總值成長的貢獻最大。
• 傳統燃油汽車中,功率半導體主要用在啟動、停止和安全等領域,在汽車電子的成本佔比只有20%,
而電動車電池動力模塊需要大量的電力設備,對功率半導體的需求量大,佔比55%,預計其使用量約
為傳統內燃機引擎汽車的 5 至 10 倍,為汽車電子價值成長最多的部分。
電動車為車用功率半導體成長的主要動力
23
圖2-4 汽車功率半導體市場規模(億美金) 圖2-5 各車型電子元件價值占比
20%
40%
55%
23%
15%
11%
14%
10%
7%
43% 35% 27%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
傳統汽車 混合動力 純電動
功率半導體 MCU 傳感器 其他
資料來源:方正證券
燃油車貢獻 電動車貢獻
• 一般來說,電動化程度越高的汽車,所需功率半導體的
的驅動功率和系統電壓越高。
• 由於輸入電源為高電壓的車用電池,在配合高電壓高功
率的工作條件下,承受電力的功率元件也需更改為適合
高電壓工作範圍的 IGBT 元件或 IGBT 模組, 對 IGBT 元
件的需求量大,挹注 IGBT 市場需求。
• 2018年全球汽車IGBT市場規模已達到18.4億美元,預計
2022年可來到約23億美元。
IGBT可工作於高電壓環境,適合電動車發展
24
資料來源:方正證券、中信建投
圖2-6 不同車種所需驅動電壓與系統電壓
• IGBT IPM (Intelligent Power Module)為結合IGBT芯片及其驅動電路、控制電路和保護電路的新型
控制模塊,在開關損耗、轉換效率均優於IGBT模組,具有節能的效果,目前以消費電子領域占比
50%為最大市場,主要用於家用電器。
• IPM 模組為變頻白色家電的核心電子元件,其中又以空調需求最大,隨著對環保節能的趨勢興起,預
計全球變頻家電的銷售將持續增加,並帶動整體IPM 模組的需求。
變頻白色家電帶動IGBT IPM 需求
25
50%
26%
7%
17%
消費電子 工業機電 小型與輕型卡車 其他
圖2-7 全球IPM市場不同領域占比 圖2-8 全球變頻家電銷售量(億台) 圖2-9 各家電單機所需IPM數量及變頻率
資料來源:方正證券、中信建投
單機需要IPM數量(個) 變頻率(%,右軸)
空調 冰箱 洗衣機
• 新能源發電主要以太陽能發電和風力發電為主,預計全球2020年太陽能發電量將達 736.62GW,年
增 20.48%,風電發電量則為 711GW,年增 9.55%。
• 新能源發電輸出的電能不符合電網要求,需通過逆變器將其整流成直流電,再逆變成符合電網要求的
交流電後輸入電網。IGBT 是太陽能逆變器和風力發電逆變器的核心器件,新能源發電行業的迅速發
展將成為 IGBT行業持續增長的動力。
新能源發電推升IGBT逆變器需求
26
圖2-10 全球太陽能累積發電量
全球太陽能累計發電量(GW) YOY
全球風電累計發電量(GW) YOY
圖2-11 全球風電累積發電量
資料來源:東吳證券
• IGBT 是變頻器、逆變焊機等傳統工業控制及電源行業的核心元件,在冶金、煤炭、石油化工、電
力等工業領域已得到廣泛使用。
• 受惠於中國新基建的需求,預計具有高效節能的工業高壓變頻器將受政策驅動持續成長,預計
2023年市場規模將達到175億人民幣,未來幾年保持10%以上的高成長率。
• 逆變焊機根據中國國家統計局資料,2018 年電焊機產量為 853.3 萬台,同比2017年增加了
58.46 萬台,電焊機市場的穩定增長有望驅動 IGBT 的市場需求。
中國新基建政策帶動工業領域IGBT需求
27
100
117
175
0
50
100
150
200
2016年 2017年 … 2023年E
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
…
…
圖2-12 中國高壓變頻器市場規模(億人民幣) 圖2-13 中國電焊機產量(萬輛)
資料來源:方正證券
供給分析
3
28
• IGBT晶片屬於資本密集型產業,且受限於高階技術門檻因此IGBT晶片由少數大廠壟斷,如英飛凌、
三菱、富士電機。
• IGBT基本供貨周期為7-8周,目前由於代工產能不足正常供貨周期已達13-30周、最長52周,交期拉
長供應鏈吃緊Q4調漲報價15-20%。
8吋晶圓廠產能吃緊交期延長,Q4調漲報價15-20%
資料來源:Trendforce、ON
圖3-1 2018-2022 IGBT出貨量(左軸:百萬個;右軸:%YoY) 圖3-2 2018-2022 IGBT報價(單位:美元/個)
• 全球前十大晶圓代工廠有40座8吋晶圓廠,其中33座在亞洲,台灣占15座、中國占7座。
• 聯電、台積電、世界先進也先後宣布將擴大8吋晶圓產能,Semi估計在產能利用率100%下,2018到
2020產能約年增3%。
8吋晶圓廠保守擴廠,2018-2020產能約年增3%
圖3-4 2019全球8吋晶圓廠月產能占比
資料來源 : IC insights、TrendForce
0%
2%
4%
6%
8%
10%
0
100
200
300
400
Samsung TSMC Micron SK Hynix Kioxia/WD
圖3-3 2018、20198吋晶圓廠月產能(左軸:萬片;右軸:%YoY)
• 8吋晶圓廠應用產品別逐漸增加(如:MCU、TDDI),但8吋晶圓售價偏低、漲幅有限擴廠並不符合成本
效益;設備商多已停止生產8吋機台且二手機台開價高,因此代工廠對8吋擴廠持保守態度。導致有限
產能從2019下半年開始供不應求,疫情停工影響缺口擴大,8吋晶圓代工廠2020 Q4開始漲價15-
20%、緊急訂單漲幅40%。
• 6吋晶圓廠退出市場,原產線產品轉向8吋晶圓廠,加劇8吋晶圓產能緊張。
8吋晶圓廠無擴廠誘因,產能滿載至2021
3%
18%
79%
8吋
6吋
12吋
2017產能占比
2%
13%
85%
8吋
6吋
12吋
2019產能占比
資料來源 : Semi、METI
圖3-5 2017&2019 全球晶圓產能占比
0
200
400
600
800
1000
2016 2017 2018 2019 2020
圖3-6 2013-2019 日本IGBT市場平均報價(單位:日圓/個)
最大漲幅17%
• 家用IGBT技術門檻較低,缺貨主要來自於8吋晶圓代工廠產能不足,每年價格漲幅約12%。
• 高壓IGBT晶片(如:車用IGBT由國際大廠如英飛凌、三菱、ABB等IDM大廠壟斷。因產能有限且大多專注
於12吋晶圓產線,故外包8吋晶圓產品給代工廠。
• 車用IGBT晶片毛利雖高,但工藝技術門檻也較高,在有限高階晶圓代工廠下,每年價格漲幅約25%。
車用IGBT晶片以每年25%持續漲價
圖3-7 2018-2022 IGBT報價(單位:美元/個)
IGBT國內外廠商介紹
4
33
34
成立 國家 市值 產品項目
Infineon 1999年 德國 392億歐元
功率元件、微控制器、二極管、
SiC/GaN產品
Fuji Electric 1923年 日本 5050億日圓
工業電力系統、電子設備、發電
設備、自動化設備
ON Semi 1999年 美國 126億美元
分離式與整合式半導體產品、微
控制器、傳感器
Toshiba 1875年 日本 1.4兆日圓
數位產品、電子設備、社會基礎、
家電設備
Mitsubishi 1921年 日本 3.26兆日圓
重型電力系統、工業機電、通信
系統、電子設備、家電設備
茂矽(2342) 1987年 臺灣 46.4億新台幣
MOSFET/IGBT、Diode/MCD、
Analog/TVS
捷敏-KY(6525) 1998年 臺灣 84.5億新台幣 半導體封裝
朋程(8255) 1998年 臺灣 9.15億新台幣
汽車整流二極體、電磁閥、電壓
調節器
強茂(2481) 1986年 臺灣 146.8億新台幣
整流二極體、電晶體、閘流體保
護元件
界霖(5285) 2000年 臺灣 61.63億新台幣 導線架、分離式元件
健策(3653) 1987年 臺灣 324.3億新台幣 均熱片、LED導線架
資料來源:維基百科、MoneyDJ、自行整理
國內外IGBT相關大廠概況
35
32%
12%
8%
6%
6%
36%
圖4-1 2019年全球IGBT晶片市場份額
Infineon
Fuji Electric
ON Semiconductor
Toshiba
Mitsuibishi
Others
36%
12%
10%
7%
4%
31%
圖4-2 2019年全球IGBT模組市場份額
Infineon
Mitsuibishi
Fuji Electric
Semikron
Vincotech
Others
• 功率半導體廠商大多有完整的晶圓廠、晶片製造廠和封裝廠,英飛凌、安森美等龍頭企業均為 IDM 模式,對成本和品質
控制能力很強,透過不斷併購相關競爭對手來壯大自己的市場定位
• 歐美日的功率半導體廠家大多是 IDM 模式,以高階產品為主;中國大陸的廠商大多也是 IDM模式,產品以低端二極體和
低壓 MOSFET 為主,實力較弱;臺灣以 Fabless 模式為主,主要負責晶片製造和封裝
• 英飛凌、富士電機和安森美等供應商在 1700V 以下的中低電壓 IGBT 領域處於領導地位,三菱則主宰了 2500V 以上的高
電壓 IGBT 領域
資料來源:英飛凌財報、科技新報
IGBT晶片模組龍頭-英飛凌(Infineon)
36
44%
18%
30%
8%
Automotive
Industrial Power Control
Power Management &Multimarket
Digital Security Solutions
2,015 2,062
1,916 1,986
2,174
2,490
36.50% 35.45% 37.00%
34.54%
27.00%
31.80%
0%
10%
20%
30%
40%
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3 2020Q4
營業收入(單位:百萬歐元) 毛利率(%)
• Infineon原為德國西門子集團(Siemens)子公司,自1999年起半導體業務部分獨立上市形成英飛凌,為IGBT技術領導
者,於低、中、高電壓的IGBT領域,均處於領先地位,公司主要事業體分為車用電子(ATV)、工業功率控制(IPC)、電源
管理(PMM)、資安互聯系統(DSS)四大部門
• 2020年收購Cypress Semiconductor,其主要產品有微控制器(MCU)、連接元件、高性能記憶體,收購之後也使得英飛
凌成為全球車用半導體龍頭;2016年收購Cree旗下的Wolfspeed功率與射頻部門,包括功率與射頻功率的SiC晶圓機板
事業;2014年收購美商International Rectifier(IR),其主要產品有低功率、能源效率的IGBT和智慧型功率模組、
MOSFET及電源管理IC
• 2020年11月6日宣布將擴大中國無錫廠的IGBT模組生產線,以滿足IGBT在再生能源、新能源汽車等領域的應用需求
資料來源:維基百科、英飛凌財報、MoneyDJ
車用半導體導向-安森美(ON Semiconductor)
37
1347.7
1381.8
1401.8
1277.9
1213.5
1317.3
37.03%
34.39%
34.65%
31.51% 30.84%
33.49%
0%
10%
20%
30%
40%
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:百萬美元) 毛利率(%)
33%
26%
19%
11%
11%
Automotive
Industrial
Communciations
Computing
Consumer
• 安森美半導體前身是摩托羅拉集團(Motorola)的半導體元件,於1999年獨立上市 ,主要從事設計、製造及銷售半導體零
件,用於電子系統及產品,主要分為三個部門:模擬方案部(ASG)、智能感知部(ISG)及電源方案部(PSG)
• 2019年收購Wi-Fi晶片供應商領導者Quantenna,取得相對領先的Wi-Fi技術及軟體;2018年併購IBM旗下實驗室及取
得汽車雷達毫米波(mmWave)技術;2016年併購專攻電源MOSFET的Fairchild;2011年併購同業Cypress
Semiconductor的CMOS部門,這一系列併購很明顯為朝向車用半導體布局
• 長期在車用半導體領域耕耘,相關產品約佔公司產銷組合的33%
資料來源:維基百科、安森美財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
綜合性機電產品製造廠商-富士電機(Fuji Electric)
38
176,010
230,651
205,071
288,872
168,844
188,149
26.56%
22.46%
24.73% 24.67%
25.45%
24.16%
22%
23%
24%
25%
26%
27%
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2
營業收入(單位:百萬日圓) 毛利率(%)
24%
35%
15%
12%
12%
2%
Power Electronics Systems Energy
Power Electronics Systems Industry
Electronic Devices
Food and Beverage Distribution
Power Gernation
Others
• Fuji Electric成立於1923年為日本最大的綜合性機電產品製造商之一,產品範圍從水力、火力、地熱發電設備到受配電設
備、工廠自動化設備,以及各種控制設備、能源節約設備、電子器件、半導體、自動售貨機等多項產品
• 公司主要分為四大事業單位:電力系統、電子設備、零售系統及其他
• 電子設備部門主要生產IGBT模組及IPM模組,產品在工業控制和變頻家電中被廣泛使用
• 電子設備部門最大的競爭優勢為其產品RC-IGBT已成功應用於汽車上,並且其輸出功率密度比競爭對手的產品高60%。
目前正計畫將第七代IGBT商業化,並應用於電源調節系統及綠能發電設備上,估計未來在這兩個領域的全球占比將在
20%-30%
資料來源:維基百科、富士電機財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
中高電壓IGBT龍頭-三菱電機(Mitsubishi Electric)
39
1,050,764
1,131,764
1,067,601
1,212,380
858,151
1,043,873
28.64%
28.21%
27.92%
28.38%
27.70%
26.77%
26%
27%
27%
28%
28%
29%
29%
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
1,200,000
1,400,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2
營業收入(單位:百萬日圓) 毛利率(%)
26%
27%
9%
4%
21%
13%
Energy and Electric Systems
Industrial Automation Systems
Information and Communciation Systems
Electronic Devices
Home Appliances
Others
• 三菱電機株式會社為三菱集團的核心企業之一,成立於1921年。其半導體產品主要包含功率模組(IGBT、IPM、MOSFET
等)、微波/射頻和高頻光器件等。在中、高電壓IGBT領域處於領先地位
• 三菱電機的HVIGBT模組已廣泛運用於全球軌道及交通市場上,並且進攻小功率變頻市場,發展相關功率元件,採用RC-
IGBT晶片實現更高的集成度,使得IPM體積變得更小
• 2010年首先將SiC功率半導體引入自家的空調裝置中;2015年於日本新幹線的子彈列車上安裝配有完整SiC功率半導體模
組的鐵道車輛牽引系統,致力於SiC功率半導體的持續開發,以降低成本、增進效能,進而提供重要的節能裝置
資料來源:維基百科、三菱電機財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
日本最大半導體製造商-東芝(Toshiba)
40
813,158
898,242
747,178
931,293
599,823
771,562
24.92%
27.11%
27.63%
28.49%
27.17%
25.94%
23%
24%
25%
26%
27%
28%
29%
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2
營業收入(單位:百萬日圓) 毛利率(%)
17%
22%
17%
14%
22%
7%
1%
Energy Systems & Solutions
Infrastructure Systems & Solutions
Building Solutions
Retail & Printing Solutions
Electronic Devices & Storage Solutions
Digital Solutions
Others
• Toshiba是日本最大的半導體製造商,全球第二大NAND Flash廠,也是日本第二大綜合電機製造商,隸屬於三井集團旗
下。東芝原名東京芝浦電氣株式會社,1939年由株式會社芝浦製作所和東京電氣株式會社合併而成,從1875年開創至今
• 公司業務主要分為五大部分:數位產品、電子設備、社會基礎設施、家電領域及其他(如:物流服務)
• Toshiba計畫為期五年(2019年-2023年)的增產計畫,將累積投資1000億日圓用以電動車控制馬達及家電等使用的電源
控制IC等功率半導體產線的設備購置
• Toshiba提供應用於IGBT/MOSFET柵極驅動的光耦,適合應用於像逆變器和伺服器等在電噪聲環境中的安裝應用
資料來源:維基百科、東芝財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
功率半導體晶圓代工-茂矽(2342)
41
368,662
263,208
333,735
392,016 396,948
517,831
489,534
-0.18 -0.39
-1.1 -0.88 -0.69 -0.91
2
-2
-1
0
1
2
3
0
100,000
200,000
300,000
400,000
500,000
600,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) EPS
62%
25%
11%
2%
MOSFET/IGBT
Diode/MCD
Analog/TVS
Others
• 茂矽成立於1987年1月,早期為DRAM製造廠商,於2003年退出DRAM市場,轉型為晶圓代工生產,聚焦於功率分離式
元件、電源管理IC等類比製程技術,2006年起投入太陽能電池及電子標籤等產品之研發及生產。
• MOSFET與二極體晶圓代工為主要營收來源,佔營收比重接近9成
• 近年已順利量產IGBT產品,提供600V到1200V的工業及家電用IGBT產品線,2021年Q1將推出第五代IGBT布局1200V
以上之高壓工業功率元件市場,2020年Q4也開始試產車用IGBT,期待成為明年新成長動能之一
• 2020年Q2完成8吋和6吋共用的IGBT晶背製程無塵室建置,Q3完成後段關鍵設備的裝機,Q4進入試產階段,第一階段
月產能約5,000片,後續將會擴充,成為台灣第一條車用IGBT的晶圓生產線。
資料來源:茂矽財報、法說會、MoneyDJ、科技新報
整流二極體製造廠-強茂(2481)
42
• 強茂成立於1986年5月,從事晶圓、功率性元件及控制模組的製造與銷售,以自我品牌行銷,亦有OEM業務,為台灣二
極體之生產廠商,二極體為強茂營運主軸
• 目前強茂主攻中高壓金氧半場效電晶體(MOSFET)及絕緣柵雙極電晶體(IGBT)市場,預期2021年將會開始進軍
650V/1200V的工業用市場,2022年開始布局650~750V的電動車領域
• 2018年強茂與工研院簽約合作IGBT功率模組開發,並在2019年Q1設立IGBT模組試量產線,成為大中華區唯一能提供客
戶IGBT從晶片到模組整體解決方案的供應商,希望能逐步拉近與歐美國際大廠技術距離
2,047,752
2,380,235
2,356,189
2,358,474
2,138,465
2,582,846
2,771,468
21.3% 21.2%
20.2%
21.4% 19.8%
25.3%
23.5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
0
500,000
1,000,000
1,500,000
2,000,000
2,500,000
3,000,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) 毛利率(%)
91%
9%
整流二極體
其他
資料來源:強茂財報、法說會、MoneyDJ、工研院官網
全球最大車用發電機二極體-朋程(8255)
43
• 朋程成立於1998年11月,隸屬光寶集團,為全球最大車用發電機二極體廠,市佔率近五成。車用二極體認證嚴格,生產
技術難度高,進入門檻高,全球車用二極體市場屬寡佔市場
• 朋程 IGBT 產品仍處於研發階段,預估對短期營運貢獻低。根據法說會提到模組產線預計2020年Q4、2021年Q1就會送
樣給客戶,初期產能預估約3萬組,依據認證期推算,最快2021年Q4、2022 年H1就可配合新廠落成出貨給客戶
• 朋程目前IGBT模組為採用外國晶片、散熱模組,並由力積電、世界進行正面晶圓製造,再交由昇陽半導體進行薄化製
程,背面晶圓處理則交由茂矽,最後由朋程進行封裝
85%
3%
7%
5%
汽車整流二極體
電壓調節器IC
ABS電磁閥
其他
808,564
768,549
830,080
952,709
857,363
567,145
723,015
30.6% 29.3% 29.3% 30.2% 29.4%
21.5%
23.4%
0%
10%
20%
30%
40%
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) 毛利率(%)
資料來源:朋程財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
功率半導體封測-捷敏-KY(6525)
44
• 捷敏-KY成立於1998年4月,為全球前三大專業功率半導體封裝測試公司
• 公司主要為分離式元件、IC 設計以及整合元件廠(IDM),提供高、低電壓半功率金氧場效電晶體(Power MOSFET)、絕緣
閘雙載子功率場效電晶體(IGBT)及電源轉換或電源管理IC、二極體等封裝測試服務
• 中國合肥三廠預計在2021年9月完工,Q3即可進入小量生產,主要生產高壓產品,該廠空間為現有廠區的3.5倍,估計
可支應未來十年的擴廠需求
795,199
848,222
931,738
887,894
718,817
1,014,357 1,004,173
29.3%
30.8% 32.5% 32.4%
26.7%
34.2% 34.1%
0%
10%
20%
30%
40%
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) 毛利率(%)
98%
2%
半導體產品封裝與測試
其他
資料來源:捷敏財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
半導體封裝導線架-界霖(5285)
45
• 界霖成立於2000年10月,主要從事各式功率導線架之研發、製造,為國內半導體導線架製造商
• 界霖主要客戶涵蓋歐、美、日、台等IDM與國際封裝大廠客戶,包括英飛凌、ST、NXP、Vishay、三菱電機與日月光等
• 導線架的功能為晶片、LED或電晶體與印刷電路板連接之媒介。依其晶片運用功能而可分為單體(分離式元件)導線架及積體
電路導線架二部份,其中單體導線架又可分為四大類:電晶體導線架、二極體導線架、整流二極體導線架及光電元件導線架
• 在IGBT的產品部份主要應用在汽車的MCU與EMS端,終端客戶有歐系、美系與日系汽車大廠,目前車用導線架佔界霖整體
出貨的四成,當中的六成就是取自電池控制模組,IGBT的營收包含在內
1,101,062
1,121,204 1,121,408 1,114,472
969,577
1,105,151
996,180
15.8%
17.8%
14.4%
15.6%
11.0%
13.1%
15.2%
0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
850,000
900,000
950,000
1,000,000
1,050,000
1,100,000
1,150,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) 毛利率(%)
32%
37%
8%
23% TO導線架
分離式元件
模組
其他
資料來源:界霖財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
IGBT水冷散熱模組廠商-健策(3653)
46
• 健策成立於1987年3月,公司為專業沖壓件製造商,主要產品為均熱片、LED導線架
• 公司IGBT水冷散熱模組已拿到兩家歐洲、一家日本廠及台廠認證,自2019年開始出貨,帶動2019年IGBT出貨量較2018年
成長166%,為因應客戶訂單需求,健策大園二廠於2020年2月完工,並於Q2正式量產
• 電動車中的逆變器及整流器上,因有大功率的晶片模組散熱問題,目前設計主流都是以水冷散熱基板為解決方案
• 健策於法說會上提到IGBT是未來兩到三年公司重點項目,公司亦將持續進行Tier 1廠認證,提高市佔率
資料來源:健策財報、法說會、MoneyDJ、新聞整理
1,271,939
1,304,559
1,385,060
1,526,962 1,671,532 1,789,254 1,671,674
27.3%
29.1% 30.4%
33.7%
29.4%
30.4% 29.0%
0%
10%
20%
30%
40%
0
500,000
1,000,000
1,500,000
2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3
營業收入(單位:千元) 毛利率(%)
48%
26%
13%
6%
7%
均熱片
導線架
電子週邊設備及相關配件
通訊設備及相關配件
其他
47
結論
1. IGBT是兼有 MOSFET 的高輸入阻抗及 BJT 的低導通電阻的複合式功率半導體元件,具有功率耗損
小、降低飽和壓的優點,適用於需高電壓、高功率的電器裝置,電動車即為其中之一。
2. IGBT零組件與模組主要被運用於變頻家電、太陽能發電、工業變壓、交通中牽引變流器與電動車控制系
統。其中IGBT模組佔電動車所有成本的10%。
3. IGBT的下游應用中,以電動車的規模成長最快,因電動化程度越高的汽車,對功率半導體的需求愈大,
所需的驅動功率和系統電壓也越高,適合使用 IGBT 功率元件,推動 IGBT 市場需求。
4. IGBT晶片應用在高壓領域,因此晶片內線條尺寸較大,因此切割數量也相對其他8吋晶圓應用產品少,
且供給端則受制於8吋晶圓代工產能滿載、無擴廠誘因,故供給緊張。
5. IGBT晶片、模組的關鍵技術多掌握在歐、美、日的IDM大廠手裡,如英飛凌、富士電機;臺灣以
Fabless 模式為主,主要負責晶片製造和封裝,如茂矽、捷敏-KY。
Appendix
#
48
附件一、功率半導體產業體系圖、零組件照片
49
附件 1 功率半導體產業示意圖 附件2 車用MOSFET元件(上)、車用IGBT元件(下)
半導體產業
分離元件
功率
分離元件
電晶管
二極體
MOSFET
IGBT
二極管 晶閘管
小訊號
分離元件 功率IC
IC 光電元件
附錄
400V以下
600-650V
1200V
1700V
2500-3300V
4500V以上

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