Der Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie hat sich innerhalb von 5 Jahren fast versiebenfacht, wobei IGBTs am meisten davon profitieren.

Angetrieben durch politische Förderprogramme sowie Energieeinsparung und Emissionsreduzierung beschleunigt sich die Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben. Es wird erwartet, dass der Marktanteil solcher Fahrzeuge in China bis 2025 20 % und in der EU bis 2030 40 % erreichen wird. Der Trend zur Elektrifizierung von Fahrzeugen hat den Wert von Leistungshalbleitern in Automobilen deutlich gesteigert. Laut Infineon-Statistiken wird der durchschnittliche Verkaufspreis (ASP) von Leistungshalbleitern von 71 US-Dollar für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor auf 330 US-Dollar für Plug-in-Hybrid- bzw. reine Elektrofahrzeuge steigen – das 4.6-Fache des Wertes für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Unseren Berechnungen zufolge wird der globale Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie bis 2025 voraussichtlich 8 Milliarden US-Dollar erreichen. Der globale Markt für Leistungshalbleiter in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben wird bis 2025 ein Volumen von 5.3 Milliarden US-Dollar erreichen – das 7.3-Fache des Wertes von 2020 – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 48.8 %. In den nächsten zehn Jahren wird der Markt für IGBTs in Ladesäulen für Elektrofahrzeuge in China, den USA und Europa um 9.4 Milliarden US-Dollar wachsen. Aktuell werden IGBTs und MOSFETs hauptsächlich in automobilen Leistungshalbleitern eingesetzt. IGBTs sind Kernkomponenten der Hauptwechselrichter von Elektroantrieben und finden Verwendung in Hilfswechselrichterschaltungen, DC/DC-Wandlerschaltungen, Bordnetz-Ladeelektronik (OBC) usw. Der Wert eines einzelnen Fahrzeugs beträgt 273 US-Dollar, was 83 % des durchschnittlichen Verkaufspreises (ASP) von automobilen Leistungshalbleitern entspricht – ein absoluter Spitzenwert. Wir prognostizieren, dass der globale Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen bis 2025 ein Volumen von 4.4 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von ca. 48.8 %. IGBTs sind im Zuge der Elektrifizierung die vielversprechendste Art von automobilen Leistungshalbleitern.

Die drei Hauptbarrieren – Produkt-, Prozess- und First-Mover-Vorteil – bilden einen starken Burggraben.

1) Produktbarrieren: IGBTs für die Automobilindustrie müssen strenge Anforderungen erfüllen, wie z. B. lange Lebensdauer, geringe Ausfallrate und hohe Erdbebensicherheit. Sie müssen sich an extreme Betriebsbedingungen wie hohe und niedrige Temperaturen, Staub und Salz-Laugen-Umgebungen anpassen können. Sie müssen häufigen Stromänderungen durch häufiges Ein- und Ausschalten standhalten und extrem hohen Produktanforderungen genügen.

2) Prozessbarrieren: Bei der Entwicklung von IGBTs für die Automobilindustrie muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltverhalten, Kurzschlusswiderstand und Durchlassspannungsabfall gewährleistet werden, was die Parameteroptimierung besonders komplex gestaltet. Während der Fertigung neigt das Dünnblechverfahren zu Fragmentierung, und der begrenzte Schmelzpunkt des Frontmetalls erschwert die Kontrolle der Glühtemperatur. Zudem sind die technischen Anforderungen an das Schweißen und Kleben der IGBT-Modulgehäuse hoch.

3) Der Zertifizierungszyklus ist lang, die Ersatzkosten sind hoch, und es gibt einen Erfahrungskurveneffekt. Es bietet deutliche Vorteile des Erstanbieters in der Branche.

a) IGBTs in Automobilqualität müssen Zuverlässigkeits-, Qualitätsmanagement- und funktionale Sicherheitsstandards erfüllen, um in die Lieferkette von Automobilherstellern der ersten Stufe aufgenommen zu werden. Die Zertifizierungsdauer beträgt in der Regel mindestens zwei Jahre.

b) Da IGBT-Module Schlüsselkomponenten in Automobilen sind, gehen nachgelagerte Hersteller beim Austausch aufgrund von Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbedenken oft vorsichtig vor. Erst nach zahlreichen Verifizierungstests und umfassenden Bewertungen werden Entscheidungen über die Beschaffung großer Stückzahlen getroffen. Die Austauschkosten sind hoch.

c) Das IGBT-Geschäft erfordert den Aufbau langfristiger Erfahrung, um ein gutes Know-how-Niveau zu erreichen.

d) Die IGBT-Industrie ist kapitalintensiv, und Produktions- und Prüfgeräte müssen im Wesentlichen importiert werden. Zudem ist der Bedarf an Betriebskapital für IGBT-Hersteller hoch. Neue Marktteilnehmer sehen sich in der Anfangsphase oft mit hohen Investitionen und geringer Produktion konfrontiert. Sie benötigen eine solide finanzielle Basis, um Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb fortsetzen zu können. Insgesamt genießen Pionierunternehmen in der IGBT-Industrie deutliche Wettbewerbsvorteile.

Das Wettbewerbsumfeld hat sich zu einem „qualitativ hochwertigen Weg“ für Wachstumsbranchen entwickelt, doch die Lokalisierungsrate ist derzeit noch niedrig.

Laut Omdia-Statistiken von 2019 entfallen 76 % des globalen Marktanteils auf die zehn größten IGBT-Modulhersteller. Der Markt ist konzentriert, und der Wettbewerb ist gut. Im Bereich der IGBTs für Automobile erreichte der Marktanteil des chinesischen IGBT-Moduls CR4 für Elektrofahrzeuge aufgrund hoher Markteintrittsbarrieren 2019 insgesamt 81 %, was auf ein Oligopol hindeutet. Infineon belegt mit einem Marktanteil von 58.2 % den ersten Platz, gefolgt von BYD mit 18 %. Mitsubishi Electric und Semikron belegen die Plätze drei und vier. Der Markt für IGBTs in der Automobilindustrie hat sich mit seinem großen Wachstumspotenzial und dem guten Wettbewerbsumfeld zu einem Qualitätssegment innerhalb der wachsenden Branche entwickelt. Unter den zehn größten IGBT-Herstellern für chinesische Elektrofahrzeuge im Jahr 2019 waren jedoch nur drei inländische Hersteller vertreten: BYD, Star Semiconductor und CRRC Times Electric mit einem gemeinsamen Marktanteil von lediglich 20.4 %. Hier besteht erhebliches Potenzial für eine Substitution durch inländische Hersteller.

Mehrere Faktoren beschleunigen die Substitution durch inländische Produkte, und die inländischen Hersteller haben ein enormes Potenzial für die zukünftige Entwicklung.

Mehrere Faktoren beschleunigen die Substitution durch inländische Hersteller: 1) China ist bereits der weltweit größte Automobilmarkt, und die Nachfrage wird weiter steigen, was den inländischen IGBT-Herstellern gute Entwicklungschancen bietet. 2) Mit zunehmenden Handelskonflikten steigt der Bedarf an unabhängigen und steuerbaren Halbleitern. 3) Inländische Hersteller spielen eine führende Rolle beim Aufbau der Elektromobilität und sichern sich einen Wettbewerbsvorteil. Mit dem wachsenden Marktanteil inländischer Elektromobilitätshersteller ist aufgrund der Versorgungssicherheit mit einem verstärkten Einsatz von Produkten inländischer Halbleiterhersteller zu rechnen. 4) Inländische IGBT-Hersteller verfügen über lokale Servicevorteile wie ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis und schnelle Reaktionszeiten, die den Bedarf der Elektromobilität an Kostensenkung und Effizienzsteigerung decken und ihren Marktanteil voraussichtlich weiter erhöhen werden. 5) Politische Förderung und finanzielle Unterstützung tragen zur rasanten Entwicklung der inländischen IGBT-Industrie bei. Bezüglich des Inlandsmarktes wird der chinesische Markt für Leistungshalbleiter in Elektrofahrzeugen unseren Berechnungen zufolge bis 2025 ein Volumen von 17.7 Milliarden Yuan erreichen – das Sechsfache des Wertes von 2020 – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von bis zu 44 %. Der Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen wird voraussichtlich 2025 ein Volumen von 14.7 Milliarden Yuan erreichen, ebenfalls mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von rund 44 %. Der Markt für IGBTs für Ladesäulen wird 2025 voraussichtlich 10.9 Milliarden Yuan erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 35 % entspricht. Basierend auf dieser Analyse gehen wir davon aus, dass sich die Substitution von IGBTs im Automobilbereich durch inländische Hersteller beschleunigen wird. Angesichts des derzeit geringen Marktanteils und des großen Wachstumspotenzials der Branche verfügen inländische IGBT-Hersteller über ein enormes zukünftiges Wachstumspotenzial.

Die angespannte Produktionssituation lässt sich kurzfristig nur schwer verbessern, und der Boom im Bereich der Leistungshalbleiter hält weiter an.

Die kommerzielle Nutzung von 5G und die durch die Pandemie bedingte Verlagerung der Arbeitszeit ins Homeoffice beschleunigen die digitale Transformation der Gesellschaft. Die Märkte für Elektrofahrzeuge, Haushaltsgeräte, digitale Endgeräte und andere Endgeräte boomen und treiben die Nachfrage nach Halbleitern an. Zudem müssen Halbleiterhersteller aufgrund der Lieferkettensicherheit ihre Sicherheitsbestände erhöhen. Das Zusammenwirken mehrerer Faktoren führt zu einer angespannten Halbleiterproduktionslage. Derzeit arbeiten alle großen Wafer-Foundries mit voller Kapazität. ICinsight prognostiziert, dass die weltweite Produktionskapazität für 8-Zoll-Wafer im Jahr 2021 um 20.8 Millionen Wafer pro Jahr steigen wird. In China befinden sich derzeit Produktionsanlagen mit einer Kapazität von rund 27.96 Millionen Wafern pro Jahr im Bau, die größtenteils 2022 in Betrieb gehen sollen. Da nach Inbetriebnahme der neuen Produktionslinien jedoch mit einer Anlaufphase von etwa drei bis fünf Jahren zu rechnen ist, lässt sich die angespannte Produktionslage kurzfristig kaum entspannen. Aufgrund der rasant steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und Ladeinfrastruktur wird erwartet, dass die weltweite Nachfrage nach 8-Zoll-Wafern für IGBT-Module in Automobilqualität bis 2025 1.69 Millionen Stück erreichen wird – ein Anstieg um das 5.4-Fache gegenüber 2020. Derzeit besteht eine erhebliche Lücke in der Wafer-Produktion. Seit Jahresbeginn haben große Chiphersteller im In- und Ausland die Preise erhöht oder die Lieferzeiten verlängert. Es wird erwartet, dass die Halbleiterindustrie weiterhin florieren wird.

  1    Die Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben beschleunigt sich, und der Markt für automobile Leistungshalbleiter hat sich in 5 Jahren verdoppelt.

1.1. Die Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben beschleunigt sich, und sowohl Mengen- als auch Preissteigerungen bei Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie sind zu verzeichnen.

Politische Förderung sowie Energieeinsparung und Emissionsreduzierung treiben die beschleunigte Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben voran. Der nationale Entwicklungsplan für die Fahrzeugindustrie mit alternativen Antrieben (2021–2035) skizziert eine Vision für deren Entwicklung. Bis 2025 soll der Marktanteil dieser Fahrzeuge im Inland 20 % erreichen.

International haben viele europäische Länder zweigleisige Strategien zur Begrenzung von Kohlendioxidemissionen und zur Förderung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben eingeführt, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Die Elektrifizierung des Automobilverkehrs gewinnt dadurch zunehmend an Bedeutung. In der EU sieht das ACEA-Abkommen über Treibhausgasemissionen von Fahrzeugen vor, dass die Kohlendioxidemissionen von Fahrzeugen bis 2030 auf unter 59 Gramm pro Kilometer sinken müssen. Berechnungen von Infineon zufolge wird der Anteil von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in der EU im Jahr 2030 40 % erreichen.

Die Elektrifizierung hat zu einem deutlichen Wertanstieg bei Leistungshalbleitern für Fahrräder geführt. Der durchschnittliche Verkaufspreis von Leistungshalbleitern für reine Elektrofahrzeuge erreicht 330 US-Dollar, was dem 4.6-Fachen des Preises für herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor entspricht. Fahrzeuge mit alternativen Antrieben, die elektrische Energie als Energiequelle nutzen, stellen höhere Anforderungen an das Energiemanagement und die Leistungswandlungsleistung elektronischer Komponenten.

In herkömmlichen Automobilen werden Leistungshalbleiter hauptsächlich für Fahrzeugstart, Stromerzeugung und Sicherheitssysteme eingesetzt. Hierfür genügen elektronische Bauteile mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch. In Elektrofahrzeugen erfordert die hohe Ausgangsspannung der Batterie häufige Spannungswandlungen und Stromumkehrungen. Diese Schaltungen haben den Bedarf an Leistungshalbleitern wie IGBTs und MOSFETs erheblich gesteigert. Laut Infineon-Daten beläuft sich der Wert der Leistungshalbleiter in herkömmlichen Fahrzeugen auf 71 US-Dollar, während er in Plug-in-Hybridfahrzeugen bzw. rein batterieelektrischen Fahrzeugen 330 US-Dollar beträgt – das 4.6-Fache.

Der globale Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie wird im Jahr 2025 ein Volumen von 8 Milliarden US-Dollar erreichen. Laut Yole wird der globale Markt für Leistungshalbleiter im Jahr 2025 ein Volumen von 22.5 Milliarden US-Dollar erreichen. Statistiken von Zhiyan Consulting zufolge entfielen 2019 35.4 % des globalen Marktes für Leistungshalbleiter auf den Automobilsektor. Unter der Annahme, dass dieser Anteil unverändert bleibt, wird erwartet, dass der globale Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie im Jahr 2025 ein Volumen von 7.965 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Der globale Markt für Leistungshalbleiter in Elektrofahrzeugen wird voraussichtlich bis 2025 ein Volumen von 5.3 Milliarden US-Dollar erreichen – das 7.3-Fache des Wertes von 2020 – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 48.8 %. Laut Prognose von AlixPartners werden die weltweiten Autoverkäufe von 70.5 Millionen Einheiten im Jahr 2020 auf 94 Millionen Einheiten im Jahr 2025 steigen. EVTank prognostiziert einen Anstieg der weltweiten Verkäufe von Elektrofahrzeugen von 2.21 Millionen Einheiten im Jahr 2019 auf 12 Millionen Einheiten im Jahr 2025. Die weltweite Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen wird bis 2025 13 % erreichen, ein Anstieg um 10.36 % gegenüber 2019.

Wie bereits erwähnt, lag der Wert eines Leistungshalbleiters für Fahrräder in Elektrofahrzeugen laut den neuesten Statistiken von Infineon aus dem Jahr 2020 bei 330 US-Dollar. Angesichts der derzeit angespannten globalen Produktionskapazitäten von Halbleiter-Waferherstellern ist zu erwarten, dass der Preis für Leistungshalbleiter in Elektrofahrzeugen auch in diesem Jahr hoch bleiben wird und der Wert eines solchen Fahrrads mit dem Trend zur Elektrifizierung und der zunehmenden Verbreitung von Zweimotoren zukünftig stetig steigen wird. Basierend auf diesen Daten schätzen wir, dass der globale Markt für Leistungshalbleiter in Elektrofahrzeugen bis 2025 ein Volumen von 5.3 Milliarden US-Dollar erreichen wird – das 7.3-Fache des Wertes von 2020 –, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 48.8 % entspricht.

1.2. Der globale Markt für IGBT-Ladesäulen für Elektrofahrzeuge wächst rasant.

Die Anzahl der Ladesäulen in wichtigen Infrastrukturen für Elektrofahrzeuge wird rasant steigen, wodurch die Nachfrage nach IGBTs, einer Schlüsselkomponente, rapide zunimmt. Mit der steigenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen muss auch die Anzahl der Ladesäulen, die eine wichtige Infrastruktur für diese Fahrzeuge darstellen, entsprechend erhöht werden. Laut McKinsey-Statistiken wird der Ladebedarf für Elektrofahrzeuge in China, den USA und Europa im Jahr 2020 bei rund 18 Milliarden Kilowattstunden liegen. Bis 2030 wird ein Anstieg auf 271 Milliarden Kilowattstunden erwartet, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 31.2 % entspricht. Das rasante Wachstum des Bedarfs an Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird auch einen deutlichen Anstieg des Einsatzes von IGBTs, einer Schlüsselkomponente von Ladesäulen, zur Folge haben.

Es wird erwartet, dass der Markt für IGBT-Ladesäulen in China, den USA und Europa im Zeitraum von 2020 bis 2030 ein zusätzliches Volumen von 9.4 Milliarden US-Dollar aufweisen wird. Laut Schätzungen von McKinsey müssen China, die USA und die EU im selben Zeitraum 19 Milliarden, 11 Milliarden bzw. 17 Milliarden US-Dollar investieren, um 20 Millionen, 20 Millionen bzw. 25 Millionen Ladesäulen für Elektrofahrzeuge zu errichten und so die bestehende Nachfrage zu decken. Bei einer einzelnen Ladesäule machen IGBTs etwa 20 % der Gesamtkosten aus. Daraus lässt sich ableiten, dass der Markt für IGBT-Ladesäulen in China, den USA und Europa in den nächsten zehn Jahren ein zusätzliches Volumen von 9.4 Milliarden US-Dollar aufweisen wird.

  2  Unter den Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie bietet IGBT den größten Nutzen.

IGBTs und MOSFETs sind die Hauptkomponenten von Leistungshalbleitern in der Automobilindustrie. IGBTs finden in Fahrzeugen vier verschiedene Anwendungen. Erstens bilden sie das Kernstück des Hauptwechselrichters. Dieser wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom um, um den Fahrzeugmotor anzutreiben. Zweitens werden sie im Hilfswechselrichter zur Versorgung weiterer Fahrzeugelektronik eingesetzt. Drittens dienen sie im DC/DC-Wandler zur Erzeugung von Strömen mit unterschiedlichen Spannungen. Viertens wandeln sie im Bordcomputer (Lade-/Wechselrichter) den externen Wechselstrom in Gleichstrom um, um die Batterie des Elektrofahrzeugs zu laden.

Bei Fahrzeugen mit geringem Elektrifizierungsgrad können aufgrund der niedrigen Batteriespannung und des geringen Leistungsbereichs der Leistungshalbleiter MOSFETs anstelle des Hilfswechselrichters, des DC/DC-Wandlers und der IGBTs im Bordcomputer eingesetzt werden, um die Kosten zu senken.

2.1. Der IGBT ist das Kernbauteil des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen.

Dank seiner überlegenen Leistung ist der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) die Kernkomponente von Leistungshalbleitern in Elektrofahrzeugen. Er ist ein zusammengesetztes Leistungshalbleiterbauelement, das aus BJT und MOSFET besteht. Er vereint die Vorteile des MOSFET (schnelle Schaltgeschwindigkeit, hohe Eingangsimpedanz, geringe Steuerleistung, einfache Ansteuerschaltung, geringe Schaltverluste) mit der niedrigen Durchlassspannung, dem hohen Durchlassstrom und den geringen Verlusten des BJT. In Elektrofahrzeugen werden IGBT-Module hauptsächlich in Hochleistungswechselrichtern eingesetzt, um Gleichstrom in Wechselstrom für den Antrieb des Fahrzeugmotors umzuwandeln. Sie finden außerdem Verwendung in Hilfswechselrichtern zur Versorgung von Fahrzeugelektronik wie Klimaanlagen.

IGBTs lassen sich je nach Anwendungsumgebung in Einzelröhren-IGBTs, IGBT-Module und intelligente IPM-Module unterteilen. Die Einzelröhren-IGBT ist ein N-Kanal-Anreicherungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate, der den gesamten Stromkreis durch die Bereitstellung von Basisstrom für den PNP-Transistor leitet. Da der zulässige Strom gering ist (üblicherweise unter 100 A), ist auch die zulässige Verlustleistung niedrig. Die externe Schaltung einer Einzelröhren-IGBT ist jedoch komplex und schwierig zu verkapseln, was den technologischen und prozesstechnischen Stand des IGBT-Herstellers widerspiegelt.

Das IGBT-Modul ist ein modulares Halbleiterprodukt, bestehend aus einem IGBT-Chip und einer FWD (Fast Recovery Diode), die über eine spezielle Brückenschaltung verbunden sind. Mehrere Chips sind im Modul integriert und durch eine Isolierung geschützt. Dadurch werden Sicherheit und Zuverlässigkeit deutlich verbessert, und es eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Spannungen und Strömen. Das intelligente IPM-Modul integriert IGBT-Bauelemente, Treiberschaltungen und Schutzschaltungen in einem Modul. Dank seiner Selbstdiagnose- und Schutzfunktionen ist es intelligenter als herkömmliche IGBT-Module und wird häufig in frequenzumwandelnden Haushaltsgeräten eingesetzt.

Infineon hat seine IGBT-Produkte mittlerweile in der siebten Generation entwickelt, und die heimischen Hersteller holen allmählich zum internationalen Standard auf. In über 30 Jahren, von 1988 bis 2019, brachte Infineon insgesamt sieben Generationen von IGBT-Produkten auf den Markt. Die technologischen Fortschritte zielten auf die Reduzierung der Chipfläche, der Linienbreite, des Sättigungsspannungsabfalls im Durchlasszustand, der Ausschaltzeit und der Verlustleistung bei gleichzeitiger Erhöhung der Sperrspannung ab. Obwohl der heimische IGBT-Markt derzeit hauptsächlich von ausländischen Unternehmen dominiert wird, holt die Produkttechnologie dank kontinuierlicher Investitionen in Forschung und Entwicklung der heimischen Hersteller stetig auf und orientiert sich am internationalen Standard.

Der von Star Semiconductor unabhängig entwickelte IGBT-Chip der zweiten Generation wurde beispielsweise mit dem IGBT-Chip der sechsten Generation von Infineon (FS-Trench) verglichen und wird seit 2016 in Serie produziert. Insgesamt wurden 2019 160,000 Sätze von IGBT-Modulen in Automobilqualität montiert; die IGBT4.0-Produkte von BYD weisen geringere Schaltverluste, höhere Stromausgangskapazitäten und eine längere Temperaturwechselbeständigkeit auf als die gängigen IGBTs der vierten Generation von Infineon auf dem Markt.

Der globale Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen wird bis 2025 ein Volumen von 4.4 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 48.8 % entspricht. Laut Daten von Yole lag das Marktvolumen im Jahr 2019 bei 600 Millionen US-Dollar. EVSalesBlog zufolge wurden 2019 weltweit rund 2.2 Millionen Plug-in-Hybridfahrzeuge und rein batterieelektrische Fahrzeuge verkauft. Daraus lässt sich ableiten, dass der durchschnittliche Wert von IGBT-basierten Fahrrädern bei 273 US-Dollar liegt (entsprechend 83 % des Wertes der Leistungshalbleiter für Fahrräder). Angesichts der derzeit angespannten globalen Produktionskapazitäten für Halbleiterwafer ist zu erwarten, dass Leistungshalbleiter für Elektrofahrzeuge bereits in diesem Jahr zum Einsatz kommen werden. Die Preise werden weiterhin hoch bleiben, und der Wert zukünftiger Fahrräder wird mit der zunehmenden Elektrifizierung und dem steigenden Anteil von Zweimotoren stetig steigen. Multipliziert man dies mit der globalen Absatzprognose von EVtank für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben für die nächsten Jahre, so wird erwartet, dass der globale Markt für IGBT-Systeme für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben von etwa 600 Millionen US-Dollar im Jahr 2020 auf 4.4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 anwachsen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 48.8 % entspricht.

2.2.SiC bietet eine bessere Leistung und wird voraussichtlich die Technologie der nächsten Generation werden.

Leistungshalbleiter auf Basis von Halbleitermaterialien der dritten Generation bieten deutliche Leistungsvorteile. Im Vergleich zu Silizium-basierten Halbleitermaterialien weisen Halbleitermaterialien der dritten Generation, wie beispielsweise GaN und SiC, größere Bandlücken, höhere Durchbruchfeldstärken, eine höhere Wärmeleitfähigkeit, höhere Elektronensättigungsraten und eine höhere Strahlungsbeständigkeit auf und eignen sich daher besser für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, strahlungsbeständigen und Hochleistungsbauelementen.

Laut Infineon-Daten sind SiC-basierte Inverter im Vergleich zu Si-basierten Invertern drei- bzw. viermal kleiner in Volumen und Gewicht. Rohm-Daten zeigen, dass die Schaltfrequenz von SiCMOSFETs in der Anwendung über 50 kHz erreichen kann (während die Schaltfrequenz gängiger IGBTs bis zu 20 kHz beträgt) und der Energieverlust um 73 % geringer ist als bei Si-basierten IGBTs. SiC-basierte MOSFETs bieten somit eine höhere Leistung und kleinere Abmessungen als IGBTs.

Einige High-End-Modelle verwenden bereits SiC-basierte MOSFETs, die voraussichtlich die zukünftige Entwicklungsrichtung darstellen werden. Das Tesla Model 3 war das erste Modell mit einem vollständig integrierten SiC-Leistungsmodul. Es wurde von Teslas Entwicklungsabteilung in Zusammenarbeit mit STMicroelectronics entwickelt. Infineon wurde daraufhin ebenfalls zum Lieferanten der SiC-Leistungsmodule für das Tesla Model 3. Darüber hinaus war der BYD Han EV mit Allradantrieb das erste inländische Modell, das in Serie mit SiCMOSFET-Komponenten ausgestattet wurde. Seine SiC-Elektronik erreicht einen Wirkungsgrad von über 97 %.

Derzeit treiben auch inländische Hersteller die Entwicklung von SiC-Produktionsanlagen aktiv voran. So hat beispielsweise China Resources Micro im Juli 2020 die Serienproduktion der ersten kommerziellen 6-Zoll-SiC-Produktionslinie Chinas mit einer geplanten Produktionskapazität von 1,000 Stück pro Monat aufgenommen. New Clean Energy besitzt ebenfalls mehrere Patente der dritten Generation im Bereich Halbleiter und plant die Markteinführung einer Reihe von SiC-Diodenprodukten. Zukünftig wird sich das Unternehmen auf Anwendungen in Elektrofahrzeugen konzentrieren.

Aktuell unterliegt SiC Kosten- und Ausbeutefaktoren, und eine breite Anwendung wird Zeit in Anspruch nehmen. Derzeit sind international gängige SiC-Substratgrößen 4 und 6 Zoll. Aufgrund der geringen Waferfläche und der niedrigen Chip-Schneidleistung sind die Kosten für SiC-Substrate hoch. Die geringen Fertigungs- und Verpackungsausbeuten in nachfolgenden Prozessen tragen ebenfalls zu den hohen Kosten von SiC-Bauelementen bei.

Laut Angaben der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist der Preis von SiCMOSFETs viermal so hoch wie der von SiIGBTs gleicher Leistungsklasse. Elektronische Steuergeräte für die Automobilindustrie müssen strengere Leistungskriterien erfüllen und auch unter extremen Temperaturen und starken Vibrationen stabil funktionieren. Daher müssen SiCMOSFETs vor ihrem Einsatz in Endprodukten eine Langzeit-Zuverlässigkeitszertifizierung durchlaufen. Die Zertifizierungsdauer für IGBT-Module in der Automobilindustrie beträgt in der Regel etwa zwei Jahre.

  3  Die drei Hauptbarrieren – Produkt-, Prozess- und First-Mover-Vorteil – bilden einen starken Burggraben.

3.1. Die komplexe Arbeitsumgebung stellt extrem hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit von IGBTs in Automobilqualität.

1) Anpassung an „extrem heiße“ und „extrem kalte“ Betriebsbedingungen mit hohen und niedrigen Temperaturen erforderlich: IGBTs in Automobilqualität weisen einen breiten Betriebstemperaturbereich auf, und unterschiedliche Einbauorte erfordern unterschiedliche Temperaturbereiche, z. B. Anforderungen im Motorraum von -40℃ bis 155℃, Anforderungen in der Karosseriesteuerung von -40℃ bis 125℃, während herkömmliche Chips und Komponenten für Endverbraucher nur 0℃ bis 70℃ erreichen müssen.

2) Erforderlich ist die Fähigkeit, häufigen Stromänderungen durch häufiges Anfahren und Anhalten standzuhalten: Fahrzeuge sind im dichten Straßenverkehr häufigen Anfahr- und Anhaltevorgängen ausgesetzt. Dabei steigt und fällt der Betriebsstrom des IGBT-Moduls im Booster und Wechselrichter entsprechend häufig, was zu schnellen Änderungen der Sperrschichttemperatur des IGBT führt. Dies erfordert eine hohe Temperaturbeständigkeit und gute Wärmeableitung des IGBT.

3) Hohe Erdbebensicherheit erforderlich: Aufgrund der unvorhersehbaren Fahrbedingungen (z. B. Gebirge, Schlamm, Schotterpisten usw.) können IGBTs im Automobilbereich während der Fahrt starken Vibrationen und Stößen ausgesetzt sein. Jeder Anschluss des IGBT-Moduls muss daher über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um auch unter starken Vibrationsbedingungen einwandfrei zu funktionieren.

4) Anpassungsfähigkeit an raue Arbeitsumgebungen: Angesichts von Schimmel, Staub, Wasser, salz- und alkalischen Umgebungsbedingungen (Meeresküste, Schnee, Regen usw.), elektromagnetischen Störungen und schädlichen Gasen werden extrem hohe Anforderungen an die Sicherheitseigenschaften von IGBTs gestellt, wie z. B. Wasserdichtigkeit, Staubdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Unter diesen Bedingungen darf der IGBT weder seine Funktion unkontrolliert beeinträchtigen noch andere Fahrzeugkomponenten (Steuerbus, MCU, Sensoren) stören.

5) Es muss eine lange Lebensdauer und eine geringe Ausfallrate aufweisen. Die geplante Lebensdauer eines Pkw beträgt etwa 15 Jahre oder 600,000 Kilometer. Während des gesamten Lebenszyklus fordern Automobilhersteller für Halbleiter eine Ausfallrate im einstelligen ppm-Bereich (ein Teil pro Million). Die meisten Hersteller legen jedoch Wert im ppb-Bereich (Teile pro Milliarde) fest, was einer nahezu vollständigen Ausfalltoleranz entspricht.

3.2. Der Design-, Herstellungs- und Verpackungsprozess von IGBTs in Automobilqualität ist schwierig

Die Entwicklung von IGBTs für die Automobilindustrie erfordert ein optimales Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltverhalten, Kurzschlusswiderstand und Durchlassspannungsabfall. Die Parameteroptimierung ist daher besonders komplex. IGBT-Chips für die Automobilindustrie arbeiten üblicherweise in Umgebungen mit hohen Strömen, Spannungen und Frequenzen. Das Chipdesign muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltverhalten, Kurzschlusswiderstand und Durchlassspannungsabfall (zur Wärmeregulierung) gewährleisten. Chipdesign, Parametereinstellung und -optimierung sind daher sehr anspruchsvoll.

Die größten Schwierigkeiten im Chip-Designprozess sind:

(1) Die Anschlusskonstruktion muss eine hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitig geringer Größe und hoher Spannungsfestigkeit gewährleisten;

(2) Die Zellenkonstruktion muss eine hohe Stromdichte bei gleichzeitig großer sicherer Arbeitsfläche erreichen, was extrem hohe Wärmeableitungsfähigkeiten erfordert.

(3) Die Zelle muss so konstruiert sein, dass eine hohe Stromdichte bei gleichzeitig ausreichender Kurzschlussfestigkeit erreicht wird.

Der Herstellungsprozess ist schwierig: Die Bleche brechen leicht, und der Schmelzpunkt des Oberflächenmetalls ist begrenzt, was die Kontrolle der Glühtemperatur erschwert. Beim Einschalten des IGBT verhält er sich wie ein Leiter, und der Strom fließt vertikal von oben nach unten durch den IGBT bis zum Antriebsmotor.

1) Je dünner der Chip, desto geringer der Wärmewiderstand, aber desto bruchgefährdeter ist er auch. Durch die Verdünnung des Chips verkürzt sich der Strompfad, wodurch die Energieverluste reduziert und die Batterielebensdauer des Fahrzeugs verlängert werden. Ende 2018 gab BYD bekannt, Wafer auf 120 µm verdünnen zu können, während Infineons IGBT-Chips sogar auf bis zu 40 µm verdünnbar sind. Die Weiterverarbeitung von Wafern und Chips dieser Dicke ist technisch sehr anspruchsvoll und birgt ein hohes Bruchrisiko.

2) Die Rückseitenbearbeitung muss bei niedriger Temperatur erfolgen, da sonst das Metall der Vorderseite leicht schmilzt. Rückseitenbearbeitung: umfasst Ionenimplantation, Aktivierungsglühen, Metallisierung der Rückseite und weitere Prozessschritte. Aufgrund des begrenzten Schmelzpunkts des Metalls der Vorderseite und der kontinuierlichen Reduzierung der Dicke von IGBT-Chips müssen diese Rückseitenbearbeitungsprozesse bei niedrigen Temperaturen (maximal 450 °C) durchgeführt werden, da es sonst leicht zum Schmelzen des Metalls der Vorderseite und zu einer extrem schwierigen Aktivierungsglühung kommt.

Die technischen Hürden beim Schweißen und Kleben von IGBT-Modulgehäusen sind hoch. Automobil-IGBTs werden überwiegend in Modulform eingesetzt. Die Modulgehäusestruktur besteht darin, diskrete Halbleiterbauelemente mittels eines integrierten Verfahrens in das Modul zu integrieren. Ein IGBT-Modul durchläuft üblicherweise insgesamt neun Prozesse – Patching, Schweißen, Plasmareinigung, Röntgenprüfung, Kleben, Klebstofffüllung und -aushärtung, Formgebung, Prüfung und Kennzeichnung –, bevor es auf den Markt gebracht werden kann. Schweißen und Kleben zählen dabei zu den anspruchsvollsten Aspekten der Modulgehäusetechnologie.

(1) Schweißen: Die Parameter des neuesten Niedertemperatur-Silbersinterverfahrens für Patch-Verbindungen sind schwer zu beherrschen, und die hohen Material- und Anlagenkosten stellen eine Markteintrittsbarriere dar. Derzeit ist das Löten die gängigste Schweißtechnologie. Diese Technologie liefert jedoch weniger konsistente und zuverlässige Ergebnisse. Aus diesem Grund wurde ein Niedertemperatur-Silbersinterverfahren für Patch-Verbindungen entwickelt. Die Lötschicht dieses Verfahrens zeichnet sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Zuverlässigkeit aus. Allerdings ist diese Technologie sehr anspruchsvoll. Die Einstellung der Prozessparameter, die hohen Anschaffungskosten der Anlagen und die hohen Kosten des verwendeten Silberpulvers stellen Hürden dar, die Hersteller von der Anwendung dieser Technologie abhalten. Derzeit nutzen nur führende Unternehmen wie Infineon und Mitsubishi das Niedertemperatur-Silbersintern zum Schweißen einiger ihrer Hochleistungs-IGBT-Module.

(2) Bonden: Der Prozess ist komplex. Aktuell werden für die interne Chip-Oberflächenverbindung von IGBT-Modulen üblicherweise Aluminium- und Kupferdrähte verwendet. Kupferdraht zeichnet sich durch geringen spezifischen Widerstand, hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus und eignet sich daher besonders für Automobilmodule mit hoher Leistungsdichte und effizienter Wärmeableitung. Die Schwierigkeit beim Bonden von Kupferdraht liegt jedoch darin, dass eine Kupfermetallisierung der Chipoberfläche und eine höhere Ultraschallenergie erforderlich sind, was den IGBT-Chip beschädigen kann. 1) Kupfer hat eine hohe Sauerstoffaffinität und erfordert daher eine sorgfältige Abdichtung und schnelle Bearbeitung. Kupferdrähte oxidieren sofort bei Kontakt mit Luft. Die Verpackung kann prinzipiell innerhalb von 48 Stunden nach dem Auspacken abgeschlossen sein. Oxidierter Kupferdraht ist härter, lässt sich schwerer verbinden und neigt zu Lötstellenablösungen oder geringer Zugfestigkeit. 2) Während des Bondprozesses ist der Fluss des Schutzgases schwer zu kontrollieren. Um die Kupferoxidation zu reduzieren, muss dem oxidationsanfälligen Heizbereich des Chips Schutzgas zugeführt werden. Zu hoher Durchfluss beeinflusst die Heiztemperatur, zu geringer Durchfluss schwächt die Schutzwirkung. 3) Die Materialanforderungen für Druckschweißvorrichtungen sind hoch. Die Oberfläche der Vorrichtung muss glatt sein, um ein Lockern von Träger und Stiften zu gewährleisten. Andernfalls kann es während des Schweißprozesses zu Problemen mit dem Schweißdraht kommen, wie z. B. ungleichmäßiges Anbrennen, Kurzschlüsse und Drahtverzug. 4) Bei der Einstellung der Parameter der Schweißanlage müssen Faktoren wie Schweißkraft, Standby-Leistung und die Gefahr von Kratern berücksichtigt werden, die schwer auszubalancieren und zu kontrollieren sind. Fehler in einem dieser Schritte führen zu einem Fehlschlag der Schweißung.

3.3. Offensichtlicher Vorteil des Erstanbieters: langer Zertifizierungszyklus und hohe Ersatzkosten

Aufgrund der hohen Zuverlässigkeitsanforderungen an IGBTs im Automobilbereich ist deren Zertifizierungszyklus lang und die Austauschkosten sind hoch. Pionierunternehmen genießen daher deutliche Wettbewerbsvorteile.

1) Die Zertifizierung ist streng und der Zyklus lang. IGBT-Bauelemente oder -Module müssen die Zuverlässigkeitsstandards AEC Q100 (IC)/101 (diskrete Bauelemente), den Qualitätsmanagementstandard ISO/TS 1649 und den Standard für funktionale Sicherheit ISO 26262ASILB (D) erfüllen, bevor sie in die Lieferkette von Automobilzulieferern aufgenommen werden dürfen. Der Zertifizierungszyklus beträgt in der Regel mindestens zwei Jahre.

2) Hohe Ersatzkosten. Das IGBT-Modul ist eine Schlüsselkomponente in nachgelagerten Produkten und regelt Spannung, Strom, Frequenz, Phase usw. im Stromkreis. Seine Leistung, Stabilität und Zuverlässigkeit sind für die Kunden entscheidend. Kunden sind neuen IGBT-Lieferanten gegenüber oft vorsichtig. Sie bewerten nicht nur die theoretischen Grundlagen des Lieferanten, sondern treffen auch Kaufentscheidungen für große Mengen nach Einzelprodukttests, umfassenden Maschinentests, zahlreichen Kleinserienversuchen usw. Die Ersatzkosten sind hoch und der Kaufentscheidungsprozess lang.

3) Die IGBT-Produktion erfordert langjährige Erfahrung, um ein hohes Maß an Know-how zu erreichen. IGBT-Chips und schnelle Erholungsdioden sind Schlüsselelemente von IGBT-Modulen. Ihre Herstellung umfasst viele Produktionsschritte und erfordert eine Vielzahl an Produktionsanlagen. Produktionsorganisation, -steuerung, Anlageninbetriebnahme und weitere Aufgaben sind komplex. Beispielsweise erfordern die Auswahl und Verarbeitung von Wärmeableitungsmaterialien, der Dünnungsgrad, die Konzentration, Menge und Geschwindigkeit der beiden Phosphorionen-Injektionen, die Kontrolle der Rückseitenprozesstemperatur und der Anlagen in jedem Produktionsschritt langjährige Erfahrung, um das Chipdesign und den Produktionsprozess zu beherrschen.

Anwendungen in Elektrofahrzeugen erfordern häufig die Massenproduktion von IGBT-Modulen mit hoher Zuverlässigkeit und Stabilität. Um die Eigenschaften von Anlagen und Materialien zu verstehen und den Produktionsprozess zu beherrschen, ist langjährige Erfahrung notwendig. Am Beispiel des Patch-Prozesses lässt sich dies verdeutlichen: Er umfasst die Bestimmung der Chipposition, der Wärmeausdehnungskoeffizienten und Eigenschaften verschiedener Materialien, die Einstellung der Reflow-Kurve des Reflow-Ofens sowie weiterer Parameter. Diese Produktionsprozesse erfordern langfristige Forschungs- und Entwicklungsarbeit, um die optimale Lösung zu finden.

4) Hohe finanzielle Hürden. Die IGBT-Industrie ist kapitalintensiv. Die Wertschöpfungskette umfasst Chipdesign, Chipfertigung, Modulherstellung und -prüfung. Produktions- und Testausrüstung muss größtenteils importiert werden, was hohe Kosten verursacht. Gleichzeitig sind Produktforschung und -entwicklung sowie Marktentwicklung zeitaufwendig. Darüber hinaus ist der Bedarf an Betriebskapital für IGBT-Hersteller hoch. Neue Marktteilnehmer sehen sich in der Anfangsphase oft mit hohen Investitionen und geringer Produktion konfrontiert. Sie benötigen eine solide finanzielle Basis, um Produktforschung und -entwicklung, Produktion und Vertrieb fortzuführen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es selbst für ein neues Unternehmen, das IGBT-Produkte herstellt, lange dauern wird, bis es die Anerkennung der Kunden gewinnt und ein hohes Maß an Know-how erreicht. Gleichzeitig wird es mit den Herausforderungen langfristiger, hoher Kapitalinvestitionen und der Marktentwicklung konfrontiert sein. Unternehmen, die als Erste auf den Markt kommen, genießen daher deutliche Wettbewerbsvorteile.

  4  Die Wettbewerbslandschaft der IGBT-Industrie im Automobilbereich ist ausgezeichnet, aber der Lokalisierungsgrad ist noch gering.

Der Wettbewerb ist konzentriert, wobei CR4 einen Marktanteil von 81 % hält. Die Lokalisierungsrate ist jedoch gering, da sich nur drei einheimische Unternehmen unter den Top 10 befinden. Laut Omdia-Statistiken von 2019 entfallen 75.6 % des globalen Marktanteils auf die zehn größten IGBT-Modulanbieter. Die Marktstruktur ist konzentriert und der Wettbewerb intensiv.

Laut Daten der NE Times wurden 2019 in China insgesamt 1.08 Millionen IGBT-Module für die Automobilindustrie montiert. Infineon war mit 628,000 Modulen und einem Marktanteil von 58.2 % Marktführer. BYD Microelectronics belegte mit 18 % und 194,000 montierten Einheiten den zweiten Platz. Mitsubishi Electric und Semikron folgten mit Marktanteilen von 5.2 % bzw. 3 % auf den Plätzen drei und vier. Star Semiconductor erreichte mit 1.6 % den fünften Platz. Der chinesische Hersteller CRRC Times Electric belegte mit 0.8 % den neunten Platz. Die vier größten Hersteller von IGBT-Modulen für Elektrofahrzeuge erreichten 2019 zusammen einen Marktanteil von 81.4 %, was auf eine oligopolistische Marktstellung hindeutet. Unter den inländischen Herstellern befinden sich nur drei Unternehmen, BYD Microelectronics, Star Semiconductor und CRRC Times Electric, unter den Top 10 in Bezug auf den Marktanteil und erreichen 20.4 %, wobei die Lokalisierungsrate niedrig ist.

Hinsichtlich der Spannungsabdeckung wird das IGBT-Produktsortiment inländischer Unternehmen immer umfassender. Der chinesische Hersteller Star Semiconductor verfügt derzeit über eines der umfangreichsten IGBT-Modulsortimente des Landes und deckt ein breites Anwendungsspektrum von Hochspannung (3300 V) bis Mittel- und Niederspannung (600 V) ab. CRRC Times Electric konzentriert sich hauptsächlich auf Hochgeschwindigkeitszüge und andere Teilbereiche und ist derzeit vor allem im Hochspannungsbereich über 4500 V wettbewerbsfähig.

Die Produkte von Infineon decken alle Anwendungsbereiche der nachgelagerten Spannungsebenen vollständig ab, während ABB sich hauptsächlich auf Hochspannungs- und Höchstspannungsprodukte konzentriert. Insgesamt decken die IGBT-Produkte inländischer Unternehmen den gesamten Markt von Niederspannung bis Hochspannung ab, wobei die Produktpalette im Niederspannungsbereich relativ vollständig ist. Im Vergleich zu ausländischen Herstellern besteht jedoch im Hochspannungsbereich noch Verbesserungsbedarf bei den diskreten Leistungshalbleitern in China.

  5    Mehrere Faktoren beschleunigen die Substitution durch inländische Anbieter und fördern den Anstieg des Marktanteils.

Mit zunehmenden Handelskonflikten steigt der Bedarf an autonomen und steuerbaren Halbleitern. In den letzten Jahren hat sich der Handelskonflikt zwischen China und den USA tendenziell verschärft.

Im März 2016 und April 2018 wurde ZTE zweimal auf die US-Sanktionsliste („Entity List“) gesetzt. Am 15. Mai 2019 folgte Huawei und durfte weder mit US-Unternehmen Geschäfte tätigen noch Telekommunikationsausrüstung von ihnen beziehen. Infolgedessen stellte Google seine Dienstleistungen für Huawei ein.

Am 15. Mai 2020 verhängten die Vereinigten Staaten erneut ein Verbot gegen Huawei. Chips, die mit amerikanischer Technologie und Ausrüstung hergestellt werden, müssen demnach von den USA zugelassen werden, bevor sie an Huawei verkauft werden dürfen. Am 17. August 2020 wurden 38 Huawei-Tochtergesellschaften auf die Sanktionsliste gesetzt, und das Verbot trat am 15. September desselben Jahres vollständig in Kraft.

Im Dezember 2020 wurde SMIC von den USA auf die Liste chinesischer Unternehmen mit Bezug zum Militär gesetzt. Angesichts der verschärften technologischen Blockade der USA gegen China drohen China zunehmende Handelskonflikte, Lieferengpässe und eine mangelhafte internationale Zusammenarbeit. Der Aufbau einer unabhängigen und kontrollierbaren Halbleiterlieferkette sowie die Beschleunigung der inländischen Substitution sind daher dringend geboten.

China hat sich zum weltweit größten Automobilmarkt entwickelt und bietet damit ein großes Entwicklungspotenzial für IGBTs im Automobilbereich. 2019 erreichte der Neuwagenabsatz in China 25.75 Millionen Einheiten, was etwa 28.5 % des weltweiten Neuwagenabsatzes entspricht und China zum größten Automobilmarkt der Welt macht. Obwohl in meinem Land derzeit über 260 Millionen Fahrzeuge zugelassen sind, liegt die Pro-Kopf-Autodichte noch weit hinter derjenigen entwickelter Länder zurück.

Laut Daten der Weltbank lag der Pkw-Bestand pro Kopf in meinem Land im Jahr 2019 bei 0.173; in den Vereinigten Staaten betrug er 0.837, also das 4.8-Fache des chinesischen Wertes; in Japan lag er bei 0.591, was dem 3.4-Fachen des chinesischen Wertes entspricht. Es wird erwartet, dass Chinas Pkw-Verkäufe in Zukunft weiter steigen werden. Der riesige Automobilmarkt bietet den IGBT-Unternehmen meines Landes ein breites Entwicklungspotenzial und bildet eine gute Grundlage für zukünftiges Wachstum.

Der Anteil inländischer Hersteller von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben ist gestiegen und hat die Substitution von im Inland produzierten IGBTs beschleunigt. Im Bereich der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ist die Wettbewerbsfähigkeit meines Landes aufgrund des späten Markteintritts schwach. In den ersten drei Quartalen 2020 wurden in meinem Land 13.38 Millionen Pkw verkauft, wovon nur etwa 36 % auf chinesische Marken entfielen. Im Bereich der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben hat sich mein Land eine führende Position erarbeitet und beträchtliche technologische und marktbezogene Vorteile erzielt.

In den ersten drei Quartalen 2020 wurden in China 620,000 Pkw mit alternativen Antrieben verkauft. Davon entfielen 55 % auf unabhängige Marken, 15 % auf neue Automobilhersteller und 30 % auf ausländische Joint Ventures. Der Marktanteil inländischer Hersteller lag bei 70 % und damit deutlich über dem von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Mit der zunehmenden Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben wird erwartet, dass der Marktanteil inländischer Automobilhersteller weiter steigt und es zu Überholmanövern kommt. Angesichts der zunehmenden Handelskonflikte dürften inländische Hersteller von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Lieferkettensicherheit verstärkt auf inländische IGBTs setzen, was den Anteil inländischer IGBTs weiter erhöhen dürfte.

Inländische Hersteller bieten Kostenvorteile und schnelle Reaktionszeiten, was dem Trend zu Kostensenkung und Effizienzsteigerung bei Elektrofahrzeugen entspricht. Im Vergleich zu ausländischen Wettbewerbern zeichnen sich inländische IGBT-Hersteller durch geringe Kommunikationskosten mit Automobilherstellern, schnelle Lieferzeiten, hohe Servicequalität und die Fähigkeit aus, rasch auf Kundenbedürfnisse zu reagieren. Dies verschafft ihnen einen Wettbewerbsvorteil. Darüber hinaus bieten inländische Leistungshalbleiterhersteller ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis sowie niedrige Logistik- und Arbeitskosten. Diese Vorteile kommen den Elektrofahrzeugherstellern entgegen, die Kosten senken und die Effizienz steigern wollen, um Marktdurchdringung und Marktanteile auszubauen.

Politische Maßnahmen und Fördermittel unterstützen die Entwicklung der heimischen IGBT-Industrie. IGBTs verfügen über einen riesigen nationalen und internationalen Markt und spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Modernisierung der Industriestruktur, der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sowie bei neuen Energien und anderen Bereichen. In den letzten Jahren hat das Land eine Reihe von Maßnahmen zur Förderung der Halbleiterindustrie, einschließlich der IGBT-Industrie, in den Bereichen Industrieentwicklung, Forschung und Entwicklung sowie Investitionen durch Steuer- und Investitionsförderung ergriffen.

Im August 2020 erließ der Staatsrat die „Mehrere Richtlinien zur Förderung der qualitativ hochwertigen Entwicklung der integrierten Schaltungs- und Softwareindustrie im neuen Zeitalter“, um die Entwicklung der Halbleiterindustrie umfassend in den Bereichen Finanzen und Steuern, Investitionen und Finanzierung, Forschung und Entwicklung usw. zu unterstützen. Diese umfassende politische Unterstützung wird die rasante Entwicklung der IGBT-Industrie wirksam fördern.

Darüber hinaus leistet der Staat auch aktive finanzielle Unterstützung. Die erste und zweite Phase des Nationalen Fonds für die Integrierte Schaltungstechnik (im Folgenden: der Große Fonds) wurden 2014 bzw. 2019 eingerichtet. Die erste Phase des Großen Fonds brachte 138.7 Milliarden Yuan ein, die zweite Phase verfügte über ein Stammkapital von 204.15 Milliarden Yuan.

Laut Statistiken von Jiwei.com umfassen die Investitionsbereiche der ersten Phase des Großfonds folgende Bereiche: Herstellung integrierter Schaltungen (67 %), Design (17 %), Verpackung und Prüfung (10 %) sowie Ausrüstungsmaterialien (6 %). Dank der Investitionen großer Fonds und des von ihnen mobilisierten sozialen Kapitals hat die Halbleiterindustrie, einschließlich IGBTs, eine positive Entwicklung erfahren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Substitution von IGBTs im Automobilbereich durch inländische Hersteller voraussichtlich zunehmen und deren Marktanteil steigern wird. Erstens: China ist der weltweit größte Automobilmarkt, und die Nachfrage wird weiter steigen, was inländischen IGBT-Herstellern gute Entwicklungsmöglichkeiten bietet. Zweitens: Die Handelskonflikte haben sich verschärft, und der Bedarf an autonomen und steuerbaren Halbleitern ist dringlicher denn je. Drittens: Inländische Hersteller in der Elektromobilitätsbranche sichern sich einen Vorsprung und werden voraussichtlich Marktanteile gewinnen. Mit dem steigenden Anteil inländischer Elektromobilitätsunternehmen und aufgrund der Notwendigkeit einer sicheren Lieferkette werden inländische Halbleiterhersteller voraussichtlich vermehrt auf deren Produkte setzen, wodurch der Anteil inländischer IGBTs steigen dürfte. Viertens: Inländische IGBT-Hersteller verfügen über lokale Servicevorteile wie ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis und schnelle Reaktionszeiten, die den Bedarf der Elektromobilitätsbranche an Kostensenkung und Effizienzsteigerung decken und ihnen im zukünftigen Wettbewerb zu Marktanteilsgewinnen verhelfen dürften. Fünftens: Nationale Förderprogramme und -maßnahmen unterstützen die Entwicklung der IGBT-Industrie. Auf Grundlage der obigen Analyse gehen wir davon aus, dass sich der Substitutionsprozess von IGBTs im Automobilbereich im Inland beschleunigen und zu einem Anstieg des Marktanteils führen wird.

Neben der Steigerung ihres Marktanteils werden inländische IGBT-Hersteller auch vom rasanten Wachstum des chinesischen Marktes für IGBTs im Automobilbereich profitieren. Unseren Berechnungen zufolge wird der chinesische Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen bis 2025 voraussichtlich 17.7 Milliarden Yuan erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 % entspricht. Der Markt für IGBTs in Ladesäulen für Elektrofahrzeuge wird im selben Zeitraum 14.7 Milliarden Yuan erreichen, ebenfalls mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 %.

Der Markt für IGBT-Batterien in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in China wird voraussichtlich bis 2025 ein Volumen von 17.7 Milliarden Yuan erreichen – das Sechsfache des Wertes von 2020 – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 %. Laut Daten des chinesischen Automobilverbands (CAA) werden in China im Jahr 2020 25.3 Millionen Fahrzeuge verkauft. Bis 2025 wird mit einem Anstieg auf 30 Millionen Fahrzeuge gerechnet, wovon 1.32 Millionen auf Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entfallen. Die Marktdurchdringung dieser Fahrzeuge liegt somit bei 5.22 %.

Wenn Chinas Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen bis 2025 die im „Entwicklungsplan für die Elektrofahrzeugindustrie (2021–2035)“ vorgeschlagenen 20 % erreicht, werden die Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen in China von 1.32 Millionen Einheiten im Jahr 2020 auf 6 Millionen Einheiten im Jahr 2025 steigen. Basierend auf dem oben berechneten Wert von Leistungshalbleitern für Elektrofahrzeuge wird erwartet, dass der chinesische Markt für Leistungshalbleiter für Elektrofahrzeuge im Jahr 2025 ein Volumen von 17.7 Milliarden Yuan erreichen wird – das Sechsfache des Wertes von 2020 – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 %.

Es wird geschätzt, dass der chinesische Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen bis 2025 ein Volumen von 14.7 Milliarden Yuan erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 % entspricht. IGBTs werden dabei am stärksten profitieren. Laut Daten von Yole betrug der weltweite Markt für IGBTs in Elektrofahrzeugen im Jahr 2019 600 Millionen US-Dollar. EVSalesBlog zufolge wurden 2019 weltweit rund 2.2 Millionen Plug-in-Hybrid- und batterieelektrische Fahrzeuge verkauft. Daraus lässt sich berechnen, dass der durchschnittliche Wert von IGBT-Komponenten in Fahrrädern bei 273 US-Dollar liegt (was 83 % des Wertes von Leistungshalbleitern für Fahrräder entspricht). Angesichts der angespannten Lage bei der Waferfertigung und der derzeit begrenzten globalen Produktionskapazitäten für Halbleiterwafer wird erwartet, dass die Preise für Leistungshalbleiter in Elektrofahrzeugen in diesem Jahr hoch bleiben und der Wert von Fahrrädern mit dem Trend zur Elektrifizierung und der zunehmenden Verbreitung von Zweimotorenfahrzeugen zukünftig stetig steigen wird. Multipliziert man dies mit den 6 Millionen verkauften Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in meinem Land im Jahr 2025, so wird erwartet, dass der Markt für IGBT-Systeme für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben in China von etwa 2.4 Milliarden im Jahr 2020 auf 14.7 Milliarden im Jahr 2025 anwachsen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 43.45 % entspricht.

Es wird erwartet, dass der chinesische Markt für IGBT-Ladesäulen für Elektrofahrzeuge bis 2025 ein Volumen von 10.9 Milliarden Yuan erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 35 % entspricht. Derzeit liegt der durchschnittliche Nutzungszyklus von Elektrofahrzeugen zwischen 8 und 10 Jahren. Basierend auf den oben genannten Berechnungen der jährlichen Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen wird erwartet, dass die Anzahl der Fahrzeuge im Jahr 2025 22.46 Millionen erreichen wird.

Mit dem Ausbau der Ladeinfrastruktur und der konservativen Annahme, dass das Verhältnis von Fahrzeugen zu Ladesäulen bis 2025 auf 2:1 steigen wird, lässt sich die Anzahl der Ladesäulen im Jahr 2025 auf etwa 11.23 Millionen berechnen. Da die neue Infrastrukturpolitik den Bau öffentlicher Ladesäulen in den Mittelpunkt stellt, wird deren Anteil voraussichtlich von 48 % im Jahr 2020 auf 50 % im Jahr 2025 steigen. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Schnellladung wird zudem erwartet, dass der Anteil von Gleichstrom-Ladesäulen an den öffentlichen Ladesäulen von 38 % im Jahr 2020 auf 50 % im Jahr 2025 ansteigt.

Laut den Ausschreibungsdaten von State Grid für Ladeinfrastrukturprojekte der letzten Jahre haben wir berechnet, dass der durchschnittliche Wattpreis für die 60-kW-Gleichstrom-Ladesäule, den Hauptfaktor bei den Ausschreibungen, von 1.15 Yuan/W im Jahr 2017 auf 0.9 Yuan/W im Jahr 2019 gesunken ist (der Preis für ein einzelnes Gerät sank von 69,000 Yuan im Jahr 2017 auf 54,000 Yuan im Jahr 2019); der durchschnittliche Preis für ein einzelnes Gerät an öffentlichen Wechselstrom-Ladesäulen sank von 9,500 Yuan im Jahr 2017 auf 5,400 Yuan im Jahr 2019.

Auf Grundlage unserer Recherchen zu den Preisen privater Ladesäulen führender Hersteller von Elektrofahrzeugen auf dem Markt haben wir berechnet, dass der Preis für private Ladesäulen von 12,700 Yuan/Einheit im Jahr 2017 auf 7,800 Yuan/Einheit im Jahr 2020 gesunken ist. Unter der Annahme, dass IGBTs etwa 20 % der Kosten von Ladesäulen ausmachen, wird erwartet, dass der inländische Markt für IGBT-Ladesäulen bis 2025 ein Volumen von 10.9 Milliarden Yuan erreichen wird. Dies entspricht einer Steigerung um das 3.4-Fache gegenüber 2.5 Milliarden Yuan im Jahr 2020 und einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 34.5 %.

  6    Die angespannte Produktionssituation lässt sich kurzfristig nur schwer verbessern, und der Boom im Bereich der Leistungshalbleiter hält weiter an.

Die Produktionskapazität für 8-Zoll-Chips ist knapp bemessen, und die Halbleiterfertigung arbeitet unter Volllast. Im Jahr 2020 haben die Kommerzialisierung von 5G und die durch die Pandemie bedingte „Homeoffice-Wirtschaft“ die digitale Transformation der Gesellschaft beschleunigt. Der Markt für Endgeräte wie Automobile, Haushaltsgeräte und digitale Geräte hat sich weiter erholt und das Wachstum der Halbleiternachfrage deutlich angekurbelt.

Zudem ist die Epidemie in Europa und den USA noch nicht vollständig unter Kontrolle, und Faktoren wie die unsicheren Aussichten für die Handelsbeziehungen zwischen China und den USA haben Chiphersteller veranlasst, ihre Sicherheitsbestände aufzustocken. Das Zusammenwirken mehrerer Faktoren hat dazu geführt, dass das Angebot an Produktionskapazitäten in Waferfabriken die Nachfrage übersteigt und die 8-Zoll-Produktionskapazitäten der großen Waferfabriken nahezu ausgelastet sind. Bei den weltweit führenden Unternehmen lag die Kapazitätsauslastung von Huahong Hongli im dritten Quartal 2020 bei über 100 %, während UMC und SMIC ebenfalls hohe Auslastungsraten von 95 % erreichten.

Die weltweite Produktionskapazität für neue Wafer wird voraussichtlich erst im Zeitraum 2023–2025 ihre volle Kapazität erreichen. Kurzfristig lässt sich die angespannte Produktionslage kaum beheben. Laut Daten von ICInsights wird die weltweite Produktionskapazität für neue Wafer (8-Zoll-Äquivalent) im Jahr 2020 voraussichtlich bei rund 17.9 Millionen Stück liegen und 2021 um weitere 20.8 Millionen Stück steigen. Aufgrund von Anschaffungen, Inbetriebnahmen, Kundenprüfungen und anderen Faktoren ist die Anlaufphase der Waferfertigungsanlagen jedoch relativ lang und dauert in der Regel drei bis fünf Jahre. Da diese neue Produktionskapazität voraussichtlich erst im Zeitraum 2023–2025 ihre volle Kapazität erreichen wird, lässt sich die angespannte Produktionslage kurzfristig nur schwer beheben.

Die im Bau befindliche inländische Halbleiterfertigungskapazität entspricht etwa 27.96 Millionen 8-Zoll-Wafern pro Jahr, die größtenteils 2022 in Betrieb gehen sollen. Da nach der Inbetriebnahme der neuen Produktionslinien jedoch eine lange Anlaufphase zu erwarten ist, lässt sich die angespannte Produktionskapazität kurzfristig nur schwer beheben. Laut unseren unvollständigen Statistiken beträgt die aktuelle inländische Halbleiterfertigungskapazität etwa 2.88 Millionen Stück pro Monat (entspricht 8-Zoll-Wafern, einschließlich Silizium- und Verbindungshalbleiterwafern), während die gesamte im Bau befindliche inländische Halbleiterfertigungskapazität etwa 2.33 Millionen Stück pro Monat (27.96 Millionen Stück pro Jahr) beträgt. Die meisten der neuen Produktionslinien werden 2022 in Betrieb gehen. Da jedoch nach der Inbetriebnahme der neuen Produktionslinien noch eine Anlaufphase von 3–5 Jahren zu erwarten ist, kann die volle Produktionskapazität nicht schnell erreicht werden. Es ist daher davon auszugehen, dass der Produktionskapazitätsengpass kurzfristig weiterhin bestehen bleibt.

Schätzungen zufolge wird der Bedarf an 8-Zoll-Wafern für IGBT-Module in Automobilqualität bis 2025 auf 1.69 Millionen steigen – ein Anstieg um das 5.4-Fache gegenüber 2020. Aktuell sind zwei Arten von Elektrofahrzeugen auf dem Markt: Fahrzeuge mit einem und mit zwei Motoren. Derzeit sind die meisten Elektrofahrzeuge mit einem Motor ausgestattet. Mit der Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie für Elektrofahrzeuge wird jedoch der Marktanteil von Fahrzeugen mit zwei Motoren, die eine höhere Leistung bieten, steigen.

In Elektrofahrzeugen nutzt jeder Motor einen Wechselrichter, und jeder Wechselrichter verwendet ein IGBT-Modul. Angesichts der hervorragenden Leistung von Zweimotoren gehen wir davon aus, dass deren Marktdurchdringung bis 2025 20 % erreichen wird. Schätzungen zufolge werden im Jahr 2025 weltweit IGBT-Module für 12 Millionen Elektrofahrzeuge und 14.4 Millionen Motoren benötigt. Aktuell sind 10–18 IGBT-Chips in einem einzelnen IGBT-Modul in Automobilqualität untergebracht (die Anzahl der Chips variiert aufgrund der unterschiedlichen Spannungspegel der IGBT-Module). Berechnet man den durchschnittlichen Bedarf auf 15,216 Millionen IGBT-Chips, so ergibt sich aus der Berechnung, dass aus einem 8-Zoll-Wafer etwa 128 IGBT-Chips gewonnen werden können, wird erwartet, dass die weltweite Nachfrage nach 8-Zoll-Wafern allein für IGBT-Module in Automobilqualität im Jahr 2025 1.69 Millionen Stück erreichen wird – ein Anstieg um das 5.4-Fache gegenüber 2020.

Der Anstieg der Waferpreise hat sich auf die nachgelagerten Bereiche der industriellen Wertschöpfungskette ausgewirkt, und der Halbleiterboom hält an. Die Nachfrage der Endkunden wächst stetig, die bestehenden Produktionskapazitäten der Foundries sind bereits voll ausgelastet, und ein rascher Ausbau der Produktionskapazitäten ist kurzfristig nicht möglich. Dieses Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage hat zu einem Anstieg der Preise für Wafer in Foundries geführt.

TSMC hat den 3%igen Rabatt für Großkunden bei der Waferfertigung von 12-Zoll-Wafern gestrichen. UMC hat zunächst die Preise für 8-Zoll-Wafer und anschließend auch für 12-Zoll-Wafer erhöht. Diese Preiserhöhungen wurden umgehend an die Hersteller in den unteren Stufen der Wertschöpfungskette weitergegeben, wobei die meisten ihre Preise um mehr als 10 % anhoben. Renesas Electronics kündigte beispielsweise Preiserhöhungen von 15 % bis 100 % für einige Analog- und Leistungselektronikprodukte an. Unternehmen wie Infineon profitierten von den gestiegenen Produktpreisen und verlängerten ihre Lieferzeiten. Es wird erwartet, dass die Halbleiterindustrie weiterhin florieren wird.

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