Cette semaine, une information concernant la production en série de semi-conducteurs IGBT de pointe en Chine a suscité un vif intérêt. Le 7 juillet, Zhixin Semiconductor a lancé la production en série de modules IGBT de qualité automobile. Il s'agit du premier résultat concret de la coopération stratégique entre Dongfeng Corporation et CRRC, qui a permis la création de Zhixin Semiconductor.

D'après les informations disponibles, le module IGBT mis en production cette fois-ci présente une bonne dissipation thermique et une excellente immunité aux interférences électromagnétiques, et répond aux exigences élevées de fiabilité des produits automobiles. De ce fait, les constructeurs chinois de véhicules à énergies nouvelles disposent d'une option supplémentaire, renforçant ainsi la filière locale des semi-conducteurs de puissance pour l'automobile.

Récemment, non seulement Zhixin Semiconductor, mais aussi en juin et début juillet derniers, en un peu plus d'un mois, les puces et modules IGBT locaux chinois, en particulier pour les produits automobiles, sont apparus invariablement, témoignant d'une flambée collective.

En juin, Huahong et Star Semiconductor ont signé un accord de coopération stratégique. Les deux parties ont annoncé conjointement que la puce IGBT 12 pouces haute puissance de qualité automobile, qu'elles ont créée ensemble, est désormais produite en série, a passé avec succès la validation du produit par les constructeurs automobiles et est largement commercialisée sur le marché des alimentations pour applications automobiles.

Le 21 juin, Silan Micro a annoncé son intention d'investir, par l'intermédiaire de sa filiale Chengdu Jijia Technology Co., Ltd., dans la construction de la première phase d'une ligne de production de modules de puissance et d'intégration de dispositifs de puissance de qualité automobile et industrielle. L'investissement total s'élève à 758 millions de yuans. La construction et la production, d'une durée de deux ans chacune, mettront en production principalement des modules IGBT.

Le 23 juin, la première ligne de production d'IGBT de Sunking Technology a été officiellement achevée et mise en service, entrant ainsi en phase de production pilote. L'entreprise prévoit de construire deux lignes de production pour le traitement de la face arrière des puces IGBT et cinq lignes de production pour l'encapsulation et le test des modules IGBT. À terme, sa capacité de production annuelle atteindra deux millions de modules IGBT. Ces produits seront destinés aux applications moyennes et basses tensions (de 600 V à 1 700 V) et cibleront des marchés tels que les véhicules électriques, l'énergie photovoltaïque et éolienne, ainsi que la conversion de fréquence industrielle.

Le 5 juillet, Wingtech Technology a annoncé l'acquisition de la totalité des actions du fabricant britannique de semi-conducteurs Newport Wafer Fab par l'intermédiaire de sa filiale néerlandaise Nexperia. Fondée en 1982, Newport Wafer Fab produit principalement des semi-conducteurs de puissance à haut rendement énergétique pour l'automobile. Nexperia est un important fabricant de puces et de composants automobiles. Concernant cette acquisition, Zhang Xuezheng, président de Wingtech Technology, a déclaré que l'intégration de Newport renforcerait significativement les capacités de Nexperia dans le domaine des IGBT, MOSFET, semi-conducteurs analogiques et composés destinés à l'automobile.

Qu’il s’agisse d’ouvertures d’usines, du lancement de la production de masse ou de fusions-acquisitions, ces fabricants se concentrent sur le marché des produits IGBT automobiles, ce qui témoigne de la popularité de ce marché.

Forte demande pour les IGBT

Dans les prochaines années, le taux de croissance des ventes de véhicules électriques devrait dépasser les 50 %. Grâce aux mesures de soutien politiques et aux subventions à la vente, le taux de croissance annuel composé des ventes mondiales et chinoises de véhicules électriques à énergies nouvelles devrait atteindre 32 %, ce qui stimulera le développement rapide des chaînes de valeur de l'industrie des semi-conducteurs et de l'électronique. Il est indéniable que l'automobile constitue l'un des trois piliers du développement de l'industrie des semi-conducteurs (avec la 5G, l'Internet des objets et l'électronique automobile, considérés comme les trois principaux moteurs de la prochaine vague de croissance de cette industrie).

Dans le secteur automobile, l'utilisation des semi-conducteurs de puissance n'est devancée que par celle des microcontrôleurs, et sa part de marché est énorme.

La plupart des nouveaux semi-conducteurs utilisés dans les véhicules à énergies nouvelles sont des semi-conducteurs de puissance. Dans les automobiles traditionnelles, ces semi-conducteurs sont principalement utilisés pour le démarrage, la production d'énergie et la sécurité, et représentent 20 % du total des semi-conducteurs. Le prix d'un véhicule équipé de ces semi-conducteurs est d'environ 60 dollars américains.

Les véhicules à énergies nouvelles utilisant généralement des circuits haute tension, la fourniture d'une tension élevée par la batterie nécessite des conversions de tension fréquentes. De ce fait, la consommation des convertisseurs de tension (DC-DC) augmente considérablement. Par ailleurs, un grand nombre d'onduleurs DC-AC, de transformateurs, de convertisseurs, etc., sont également nécessaires. Ces besoins en composants semi-conducteurs, tels que les IGBT, les MOSFET et les diodes, ont également fortement progressé. L'ensemble de ces éléments a engendré une augmentation significative de la demande en composants de puissance pour les systèmes électroniques automobiles.

D'après les statistiques de McKinsey, le coût des semi-conducteurs pour véhicules électriques s'élève à 704 dollars américains, soit le double des 350 dollars américains nécessaires pour les véhicules traditionnels. Parmi ces semi-conducteurs, les composants de puissance représentent à eux seuls 387 dollars américains, soit 55 % du total. Sur l'ensemble des nouveaux coûts liés aux semi-conducteurs pour véhicules électriques, comparés à ceux des véhicules traditionnels, les composants de puissance représentent environ 269 dollars américains, soit 76 % du total.

Le processus de production et de transmission de l'énergie des véhicules électriques est très différent de celui des moteurs à essence, nécessitant des conversions de tension et de courant continu-alternatif fréquentes. De plus, la forte autonomie requise pour les véhicules 100 % électriques a rendu la gestion de l'énergie plus exigeante. Les besoins en composants discrets de puissance, tels que les IGBT, les MOSFET et les diodes, sont donc bien supérieurs à ceux des véhicules traditionnels. Porté par la demande automobile, le marché des IGBT devrait connaître une croissance exponentielle.

Les modules de puissance automobiles (dont le plus répandu est actuellement l'IGBT) déterminent les performances clés du système de propulsion électrique du véhicule et représentent plus de 40 % du coût de l'onduleur moteur, qui est le composant central.

L'IGBT représente environ un tiers du coût du moteur d'entraînement, et ce dernier représente environ 15 à 20 % du coût total du véhicule. Autrement dit, l'IGBT représente 5 à 7 % du coût total du véhicule.

Sur le plan technique, les puces IGBT ont subi une série de processus itératifs, notamment des mises à niveau de PT à NPT puis à FS, qui ont permis de réduire l'épaisseur de la puce, la résistance thermique et d'améliorer Tj ; l'introduction des technologies IEGT, CSTBT et MPT a permis de réduire la tension Vce et d'augmenter la densité de puissance ; grâce à l'optimisation de la couche métallique de surface et de la couche de passivation, elles peuvent répondre aux exigences de haute fiabilité des automobiles.

Ces dernières années, les IGBT ont connu des innovations structurelles, comme l'émergence des RC-IGBT et des conceptions intégrant FWD et IGBT ; de plus, on observe également des intégrations fonctionnelles, telles que des capteurs de courant et de température intégrés.

Les IGBT sont largement utilisés dans les systèmes de commande des moteurs automobiles. Actuellement, ces systèmes nécessitent plusieurs dizaines d'IGBT. Prenons l'exemple de Tesla : le moteur asynchrone triphasé arrière utilise 28 IGBT par phase, soit un total de 84 IGBT. En incluant les IGBT présents dans d'autres parties du moteur, Tesla utilise au total 96 IGBT (les deux moteurs et 36 pour le moteur avant). À un prix unitaire de 4 à 5 $US, la valeur d'un IGBT pour un moteur double est d'environ 650 $US.

Bien que les MOSFET SiC soient plus avancés que les IGBT et présentent un fort potentiel de développement commercial (Tesla les a déjà adoptés et NIO suivra prochainement), les dispositifs de puissance en SiC souffrent encore de certains problèmes, notamment un faible rendement et un coût élevé ; de nombreux défauts à l’interface SiC/SiO₂ et une fiabilité à long terme de l’oxyde de grille problématique ; et un manque de données sur la fiabilité à long terme des MOSFET SiC.

De plus, la capacité de courant des dispositifs SiC est faible, mais leur coût est prohibitif. Le prix des puces MOSFET SiC de même niveau est 8 à 12 fois supérieur à celui des IGBT à base de silicium. En termes de consommation d'énergie, le MOSFET SiC est activé avant l'IGBT à base de silicium, puis désactivé après ce dernier. L'IGBT permet une commutation à tension nulle (ZVS), ce qui réduit considérablement les pertes.

Globalement, les caractéristiques électriques des IGBT atteignent près de 90 % de celles des puces MOSFET en SiC, pour un coût quatre fois inférieur. Par conséquent, les modules de commutation hybrides SiC/silicium présentent un fort potentiel d'application, mais la généralisation des dispositifs 25 % SiC dans les systèmes d'alimentation automobile prendra du temps. Les IGBT restent pour l'instant la technologie dominante sur le marché.

Le marché chinois est en pleine croissance

La Chine est l'un des marchés les plus importants pour les véhicules à énergies nouvelles, les ventes de ces véhicules en Chine représentant plus de la moitié des ventes mondiales.

Dans ce contexte de marché, les principaux fabricants internationaux de semi-conducteurs ont noué des partenariats stratégiques avec les constructeurs automobiles chinois. Par exemple, en mars 2018, SAIC et Infineon ont créé une coentreprise : SAIC Infineon Semiconductor Company. Cette dernière se concentre sur le conditionnement de modules IGBT, avec pour objectif de fournir SAIC et d’autres constructeurs chinois de véhicules à énergies nouvelles, et ambitionne d’atteindre une capacité de production annuelle d’un million d’unités.

Par ailleurs, Wingtech Technology a acquis une participation majoritaire dans Nexperia, entreprise fortement spécialisée dans les semi-conducteurs de puissance pour l'automobile. Plus de 50 % de ses produits sont destinés au secteur automobile. Conformément à son plan, Nexperia étendra progressivement sa production en Chine continentale.

En comparant le paysage concurrentiel des semi-conducteurs automobiles et l'historique de développement des fabricants étrangers, les fabricants chinois suivent principalement deux voies de développement : l'une consiste à acquérir des technologies et des ressources clients par le biais d'acquisitions dans le domaine traditionnel des puces ; l'autre consiste à développer des semi-conducteurs de puissance pour les véhicules à énergies nouvelles et les puces pour voitures intelligentes.

L'électrification a certes généré une nouvelle demande sur le marché des semi-conducteurs automobiles, mais elle a également offert de nombreuses opportunités aux fabricants nationaux de semi-conducteurs automobiles. Actuellement, de plus en plus de fabricants nationaux se lancent dans le développement de semi-conducteurs de puissance pour les véhicules à énergies nouvelles. Parmi les fabricants représentatifs, citons BYD, CRRC, Silan Microelectronics et ceux mentionnés précédemment.

Cependant, les fabricants chinois de semi-conducteurs de puissance pour l'automobile restent relativement faibles et leur part de marché est relativement basse. Il leur sera difficile d'établir rapidement une véritable relation concurrentielle avec les grands fabricants internationaux et ils devront poursuivre leur croissance.

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