Diese Woche sorgte eine Nachricht über Chinas hochmoderne IGBT-Massenproduktion für großes Aufsehen. Am 7. Juli nahm Zhixin Semiconductor die Serienproduktion seiner IGBT-Module in Automobilqualität auf. Dies ist der erste Erfolg der strategischen Kooperation zwischen der Dongfeng Corporation und CRRC zur Gründung der Zhixin Semiconductor Company.

Berichten zufolge zeichnet sich das diesmal in Produktion gegangene IGBT-Modul durch gute Wärmeableitung und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen aus und erfüllt die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen von Produkten für die Automobilindustrie. Dadurch steht chinesischen Herstellern von Elektrofahrzeugen eine weitere Option zur Verfügung, was die lokale Lieferkette für Leistungshalbleiter im Automobilbereich stärkt.

In letzter Zeit traten nicht nur bei Zhixin Semiconductor, sondern auch im vergangenen Juni und Anfang Juli, also in nur etwas mehr als einem Monat, unaufhörlich chinesische IGBT-Chips und -Module, insbesondere für Automobilprodukte, auf, was auf einen kollektiven Ausbruch hindeutet.

Im Juni unterzeichneten Huahong und Star Semiconductor ein strategisches Kooperationsabkommen. Beide Parteien gaben gemeinsam bekannt, dass der gemeinsam entwickelte, leistungsstarke 12-Zoll-IGBT-Chip für die Automobilindustrie die Serienproduktion erreicht hat, die Produktverifizierung durch Automobilhersteller bestanden hat und bereits im Markt für Leistungselektronik, insbesondere in Automobilanwendungen, weit verbreitet ist.

Am 21. Juni gab Silan Micro bekannt, dass das Unternehmen über seine Tochtergesellschaft Chengdu Jijia Technology Co., Ltd. in den Bau der ersten Phase einer Produktionslinie für die Herstellung von Leistungsmodulen und integrierten Leistungsbauteilen für die Automobil- und Industriebranche investieren wird. Das Gesamtinvestitionsvolumen beträgt 758 Millionen Yuan. Die Bauzeit und die Produktionszeit sind jeweils zwei Jahre. Nach Produktionsbeginn werden IGBT-Module das Hauptprodukt sein.

Am 23. Juni wurde die erste IGBT-Produktionslinie von Sunking Technology offiziell fertiggestellt und in Betrieb genommen. Die Linie befindet sich nun in der Testphase. Das Unternehmen plant, im Rahmen seines IGBT-Projekts zwei weitere Produktionslinien für die Rückseitenbearbeitung von IGBT-Chips sowie fünf Produktionslinien für die Verpackung und Prüfung von IGBT-Modulen zu errichten. Nach Fertigstellung wird die jährliche Produktionskapazität zwei Millionen IGBT-Module erreichen. Die IGBT-Produkte werden im Mittel- und Niederspannungsbereich von 600 V bis 1700 V eingesetzt und zielen auf Märkte wie Elektrofahrzeuge, Photovoltaik, Windkraft und industrielle Frequenzumrichter ab.

Am 5. Juli gab Wingtech Technology die Übernahme sämtlicher Anteile des britischen Halbleiterherstellers Newport Wafer Fab durch ihre niederländische Tochtergesellschaft Nexperia bekannt. Newport Wafer Fab wurde 1982 gegründet und produziert hauptsächlich hocheffiziente Leistungshalbleiter für die Automobilindustrie. Nexperia ist ein bedeutender Hersteller von Chips und Komponenten für die Automobilindustrie. Zhang Xuezheng, Vorsitzender von Wingtech Technology, erklärte zur Übernahme, dass die Integration von Newport die Kompetenzen von Nexperia im Bereich von IGBTs, MOSFETs, Analog- und Verbindungshalbleitern für die Automobilindustrie deutlich stärken werde.

Ob es sich um die Eröffnung von Fabriken, den Beginn der Massenproduktion oder Fusionen und Übernahmen handelt, diese Hersteller konzentrieren sich auf den Markt für IGBT-Produkte im Automobilbereich, was die Popularität des Marktes widerspiegelt.

Starke Nachfrage nach IGBT

In den nächsten Jahren wird ein Absatzwachstum von über 50 % bei Elektrofahrzeugen erwartet. Dank politischer Förderung und Verkaufssubventionen dürfte die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der weltweiten und chinesischen Verkäufe von Elektrofahrzeugen mit alternativen Antrieben 32 % erreichen. Dies wird die rasante Entwicklung der damit verbundenen Wertschöpfungsketten der Halbleiter- und Elektronikindustrie weiter vorantreiben. Es ist unbestritten, dass die Automobilindustrie neben 5G, dem Internet der Dinge und der Automobilelektronik zu den drei wichtigsten Treibern der Halbleiterindustrie in der nächsten Entwicklungswelle zählt.

Bei Anwendungen im Automobilbereich steht der Einsatz von Leistungshalbleitern direkt hinter Mikrocontrollern (MCUs) an zweiter Stelle, und ihr Marktanteil ist enorm.

Der Großteil der in Elektrofahrzeugen verwendeten Halbleiter besteht aus Leistungshalbleitern. In herkömmlichen Automobilen kommen Leistungshalbleiter hauptsächlich in Bereichen wie Anlasser, Stromerzeugung und Sicherheit zum Einsatz und machen 20 % der gesamten Halbleiter in herkömmlichen Automobilen aus. Der Wert eines einzelnen Fahrzeugs beträgt etwa 60 US-Dollar.

Da Elektrofahrzeuge in der Regel Hochspannungsschaltungen verwenden, ist bei hoher Batteriespannung eine häufige Spannungswandlung erforderlich. Dadurch steigt der Bedarf an Spannungswandlern (DC/DC-Wandlern) deutlich an. Zusätzlich werden zahlreiche DC/AC-Wechselrichter, Transformatoren, Konverter usw. benötigt. Der Bedarf an Halbleiterbauelementen wie IGBTs, MOSFETs und Dioden ist entsprechend gestiegen. All dies hat den Bedarf an Leistungshalbleitern in automobilen Elektroniksystemen erheblich erhöht.

Laut McKinsey-Statistiken belaufen sich die Halbleiterkosten für reine Elektrofahrzeuge auf 704 US-Dollar, was dem Doppelten der 350 US-Dollar für herkömmliche Fahrzeuge entspricht. Davon entfallen 387 US-Dollar auf die Leistungselektronik, was 55 % ausmacht. Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen betragen die neuen Halbleiterkosten für reine Elektrofahrzeuge rund 269 US-Dollar, was 76 % der Gesamtkosten entspricht.

Die Energieerzeugung und -übertragung in Elektrofahrzeugen unterscheidet sich grundlegend von der in Benzinmotoren und erfordert häufige Spannungs- und Wechselstromumwandlungen. Zudem hat die hohe Reichweite von Elektrofahrzeugen die Anforderungen an das Energiemanagement verfeinert. Der Bedarf an diskreten Leistungshalbleitern wie IGBTs, MOSFETs und Dioden ist deutlich höher als bei herkömmlichen Fahrzeugen. Angetrieben von der Nachfrage im Automobilsektor wird der Markt für IGBTs ein explosionsartiges Wachstum erleben.

Die Leistungsmodule für Kraftfahrzeuge (derzeit gängigste Typ sind IGBTs) bestimmen die wichtigsten Leistungsmerkmale des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs und machen mehr als 40 % der Kosten des Motorwechselrichters aus, der die Kernkomponente darstellt.

Der IGBT macht etwa ein Drittel der Kosten des Antriebsmotors aus, der wiederum etwa 15–20 % der Gesamtkosten des Fahrzeugs verursacht. Anders ausgedrückt: Der IGBT macht 5–7 % der Gesamtkosten des Fahrzeugs aus.

Auf technischer Ebene haben IGBT-Chips eine Reihe iterativer Prozesse durchlaufen, darunter Upgrades von PT zu NPT und dann zu FS, wodurch der Chip dünner wurde, der Wärmewiderstand reduziert und die J-Temperatur verbessert wurde; die Einführung von IEGT, CSTBT und MPT hat die Vce weiter gesenkt und die Leistungsdichte erhöht; durch Optimierung der Oberflächenmetallisierung und der Passivierungsschicht können sie die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen von Automobilen erfüllen.

In den letzten Jahren wurden IGBTs hinsichtlich ihrer Struktur weiterentwickelt, beispielsweise durch das Aufkommen von RC-IGBTs und Designs, die FWD und IGBTs integrieren; darüber hinaus gibt es auch funktionale Integrationen, wie z. B. integrierte Strom- und Temperatursensoren.

IGBTs finden breite Anwendung in Motorsteuerungssystemen von Kraftfahrzeugen. Aktuell benötigen diese Systeme Dutzende von IGBTs. Am Beispiel von Tesla lässt sich dies verdeutlichen: Der hintere Drehstrom-Asynchronmotor von Tesla verwendet 28 IGBTs pro Phase, insgesamt also 84 IGBTs. Berücksichtigt man die IGBTs in anderen Motorteilen, kommt Tesla auf insgesamt 96 IGBTs (die beiden Motoren plus 36 für den vorderen Motor). Bei einem Preis von 4 bis 5 US-Dollar pro Stück beläuft sich der Wert eines IGBT für zwei Motoren auf etwa 650 US-Dollar.

Obwohl SiC-MOSFETs fortschrittlicher als IGBTs sind und ein hohes Marktpotenzial aufweisen (Tesla setzt bereits auf SiC-MOSFETs, und NIO wird dies in Kürze ebenfalls tun), bestehen derzeit noch einige Probleme bei SiC-Leistungshalbleitern. Diese äußern sich insbesondere in geringer Ausbeute und hohen Kosten, zahlreichen Defekten an der Grenzfläche zwischen SiC und SiO₂ sowie der unzureichenden Langzeitstabilität des Gate-Oxids. Zudem fehlen Daten zur Langzeitstabilität von SiC-MOSFETs.

Darüber hinaus ist die Strombelastbarkeit von SiC-Bauelementen gering, die Kosten jedoch zu hoch. SiC-MOSFET-Chips der gleichen Leistungsklasse kosten das 8- bis 12-Fache von Silizium-basierten IGBTs. Hinsichtlich des Stromverbrauchs schaltet der SiC-MOSFET vor dem Silizium-basierten IGBT ein und nach diesem wieder aus. Der IGBT ermöglicht ZVS (Zero Voltage Switching), wodurch die Verluste deutlich reduziert werden.

Insgesamt weisen IGBTs nahezu 90 % der elektrischen Eigenschaften von SiC-MOSFET-Chips auf, während ihre Kosten nur 25 % betragen. Daher bieten Hybrid-Schaltmodule aus SiC und Silizium vielversprechende Marktchancen. Bis zur breiten Anwendung reiner SiC-Bauelemente in automobilen Stromversorgungssystemen wird es jedoch noch einige Zeit dauern. IGBTs sind nach wie vor der Marktführer.

Der chinesische Markt wächst

China ist einer der wichtigsten Märkte für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben; mehr als die Hälfte des weltweiten Absatzes entfällt auf Fahrzeuge mit alternativen Antrieben in China.

Vor diesem Marktumfeld haben große internationale Halbleiterhersteller strategische Partnerschaften mit inländischen Automobilherstellern geschlossen. So gründeten beispielsweise SAIC und Infineon im März 2018 das Joint Venture SAIC Infineon Semiconductor Company. Berichten zufolge konzentriert sich SAIC Infineon Semiconductor auf die Gehäusefertigung von IGBT-Modulen, um SAIC und andere inländische Hersteller von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben zu beliefern. Geplant ist eine jährliche Produktionskapazität von einer Million Einheiten.

Darüber hinaus hat Wingtech Technology die Mehrheitsbeteiligung an Nexperia erworben, einem Unternehmen mit umfassender Erfahrung im Bereich automobiler Leistungshalbleiterbauelemente. Mehr als 50 % der Produkte werden in der Automobilindustrie eingesetzt. Nexperia plant, die Produktion in Festlandchina schrittweise auszuweiten.

Vergleicht man die Wettbewerbslandschaft der Automobilhalbleiter mit der Entwicklungsgeschichte ausländischer Hersteller, so verfolgen chinesische Hersteller im Wesentlichen zwei Entwicklungswege: Zum einen die Gewinnung von Technologie und Kundenressourcen durch Akquisitionen im traditionellen Chipbereich; zum anderen die Entwicklung von Leistungshalbleitern für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben und Chips für intelligente Fahrzeuge.

Die Elektrifizierung hat zwar neue Nachfrage auf dem Markt für Halbleiter in der Automobilindustrie geschaffen, aber auch zahlreiche Chancen für inländische Halbleiterhersteller eröffnet. Immer mehr inländische Hersteller beginnen derzeit mit der Entwicklung von Leistungshalbleitern für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Zu den bekanntesten Herstellern zählen BYD, CRRC, Silan Microelectronics und die bereits erwähnten Unternehmen.

Chinas heimische Hersteller von Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie sind jedoch noch relativ schwach und verfügen über einen vergleichsweise geringen Marktanteil. Es wird schwierig sein, innerhalb kurzer Zeit eine echte Wettbewerbsposition gegenüber großen internationalen Herstellern aufzubauen; daher ist weiteres Wachstum notwendig.

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