I semiconduttori di potenza per il settore automobilistico hanno quasi 7 volte più spazio in 5 anni, con gli IGBT che ne hanno tratto maggior beneficio

Grazie al sostegno politico, al risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni, la diffusione dei veicoli a energia alternativa sta accelerando. Si prevede che il tasso di penetrazione dei veicoli a energia alternativa sul mercato interno raggiungerà il 20% nel 2025 e quello dei veicoli a energia alternativa nell'UE raggiungerà il 40% nel 2030. La tendenza all'elettrificazione del settore automobilistico ha notevolmente incrementato il valore dei semiconduttori di potenza utilizzati nelle automobili. Secondo le statistiche di Infineon, il prezzo medio di vendita (ASP) dei semiconduttori di potenza aumenterà significativamente, passando da 71 dollari per i veicoli a carburante tradizionale a 330 dollari per i veicoli ibridi plug-in/elettrici puri, ovvero 4.6 volte superiore. Secondo i nostri calcoli, il mercato globale dei semiconduttori di potenza per il settore automobilistico dovrebbe raggiungere gli 8 miliardi di dollari nel 2025. Il mercato globale dei semiconduttori di potenza per veicoli a energia alternativa raggiungerà i 5.3 miliardi di dollari nel 2025, 7.3 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita annuo composto del 48.8%. Nei prossimi dieci anni, il mercato degli IGBT per le colonnine di ricarica dei veicoli a nuova energia in Cina, Stati Uniti ed Europa registrerà una crescita di 9.4 miliardi di dollari. Attualmente, gli IGBT e i MOSFET sono utilizzati principalmente nei semiconduttori di potenza per autoveicoli. L'IGBT è il componente principale dell'inverter del sistema di trazione elettrica nei veicoli a nuova energia e può essere utilizzato in circuiti inverter ausiliari, circuiti chopper DC/DC, OBC (convertitori/caricatori), ecc. Il valore di un singolo veicolo raggiunge i 273 dollari, rappresentando l'83% del valore medio di vendita dei semiconduttori di potenza per autoveicoli, ovvero la quota maggiore. Prevediamo che il mercato globale degli IGBT per veicoli a nuova energia raggiungerà i 4.4 miliardi di dollari nel 2025, con un tasso di crescita annuo composto di circa il 48.8%. Si tratta della tipologia di semiconduttore di potenza per autoveicoli più redditizia nell'ambito del trend di elettrificazione.

Le tre principali barriere, ovvero il prodotto, il processo e il vantaggio del pioniere, creano un solido fossato.

1) Barriere di prodotto: gli IGBT per il settore automobilistico devono soddisfare requisiti rigorosi come una lunga durata, un basso tasso di guasto e un'elevata resistenza ai terremoti. Devono essere in grado di adattarsi a condizioni di lavoro difficili come temperature estremamente alte e basse, polvere e soluzioni saline. Devono resistere a frequenti variazioni di corrente causate da frequenti avviamenti e arresti e devono soddisfare requisiti di prodotto estremamente elevati.

2) Barriere di processo: nella progettazione di IGBT per applicazioni automobilistiche, è necessario garantire l'equilibrio tra accensione e spegnimento, resistenza al cortocircuito e caduta di tensione di conduzione, e l'ottimizzazione dei parametri risulta particolarmente complessa. Durante la produzione, il processo di lavorazione a foglio sottile è soggetto a frammentazione e il punto di fusione limitato del metallo frontale rende difficile il controllo della temperatura di ricottura. Inoltre, anche i requisiti tecnici per la saldatura e l'incollaggio del packaging dei moduli IGBT sono elevati.

3) Il ciclo di certificazione è lungo, il costo di sostituzione è elevato e presenta un effetto curva di esperienza. Ha evidenti vantaggi da pioniere nel settore.

a) Gli IGBT per uso automobilistico devono soddisfare gli standard di affidabilità, di gestione della qualità e di sicurezza funzionale per poter essere ammessi nella catena di fornitura dei produttori automobilistici di primo livello. Il periodo di certificazione è generalmente di almeno 2 anni.

b) Poiché i moduli IGBT sono componenti chiave nelle automobili, i produttori a valle sono spesso cauti nella loro sostituzione per motivi di sicurezza e affidabilità. Solo dopo aver effettuato un gran numero di test di verifica e valutazioni complete, si prendono decisioni di acquisto in grandi volumi. I costi di sostituzione sono elevati.

c) Il settore degli IGBT richiede un accumulo di esperienza a lungo termine per raggiungere un buon livello di know-how.

d) Il settore degli IGBT è un settore ad alta intensità di capitale e le apparecchiature di produzione e collaudo devono essere sostanzialmente importate. Inoltre, anche la domanda di capitale circolante per le aziende produttrici di IGBT è elevata. Le nuove imprese spesso si trovano ad affrontare ingenti investimenti e una bassa produzione nella fase iniziale. Hanno bisogno di un solido supporto finanziario per proseguire la ricerca e lo sviluppo, la produzione e la vendita dei prodotti. Nel complesso, le aziende pioniere nel settore degli IGBT godono di evidenti vantaggi derivanti dall'essere le prime ad entrare nel mercato.

Il panorama competitivo è diventato un "percorso di alta qualità" per i settori in crescita, ma l'attuale tasso di localizzazione è ancora basso.

Secondo le statistiche di Omdia del 2019, i primi dieci produttori globali di moduli IGBT detengono il 76% della quota di mercato. La quota di mercato è concentrata e la concorrenza è agguerrita. Per quanto riguarda gli IGBT per il settore automobilistico, a causa delle elevate barriere all'ingresso, la quota di mercato cinese dei moduli IGBT CR4 per veicoli a nuova energia ha raggiunto l'81% nel 2019, evidenziando una situazione di oligopolio. Tra questi, Infineon si posiziona al primo posto con una quota di mercato del 58.2%, BYD al secondo con il 18%, mentre Mitsubishi Electric e Semikron si classificano rispettivamente al terzo e quarto posto. Il settore degli IGBT per autoveicoli è diventato un segmento di alta qualità in crescita, grazie alle ampie prospettive di sviluppo e alla forte concorrenza. Tuttavia, tra i primi dieci produttori cinesi di IGBT per veicoli a nuova energia nel 2019, solo tre produttori nazionali – BYD, Star Semiconductor e CRRC Times Electric – detenevano una quota di mercato complessiva del 20.4%. Esiste quindi un ampio margine per la sostituzione con produttori nazionali.

Diversi fattori stanno accelerando la sostituzione dei prodotti nazionali, e i produttori nazionali hanno un enorme potenziale di sviluppo futuro.

Diversi fattori accelerano la sostituzione interna: 1) La Cina è già il più grande mercato automobilistico al mondo e la domanda di automobili continuerà ad aumentare in futuro, offrendo buone opportunità di sviluppo per i produttori nazionali di IGBT. 2) Con l'intensificarsi delle tensioni commerciali, la necessità di semiconduttori indipendenti e controllabili diventa sempre più urgente. 3) I produttori nazionali stanno assumendo un ruolo guida nello sviluppo del settore dei veicoli a nuova energia e stanno cogliendo il vantaggio del pioniere. Con l'aumento della quota di mercato dei produttori nazionali di veicoli a nuova energia, si prevede che verranno utilizzati più prodotti dei produttori nazionali di semiconduttori per motivi di sicurezza della catena di approvvigionamento. 4) I produttori nazionali di IGBT godono di vantaggi in termini di servizi locali, come un elevato rapporto qualità-prezzo e tempi di risposta rapidi, che soddisfano le esigenze dei veicoli a nuova energia di ridurre i costi e aumentare l'efficienza, e si prevede che aumenteranno la loro quota di mercato. 5) Gli incentivi politici e il supporto finanziario aiutano il settore nazionale degli IGBT a svilupparsi rapidamente. In termini di spazio di mercato interno, secondo i nostri calcoli, il mercato cinese dei semiconduttori di potenza per veicoli a nuova energia dovrebbe raggiungere i 17.7 miliardi di yuan nel 2025, ovvero 6 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita annuo composto fino al 44%. Si prevede che il mercato cinese degli IGBT per veicoli a nuova energia raggiungerà i 14.7 miliardi di yuan nel 2025, con un tasso di crescita annuo composto di circa il 44%. Nel 2025, il mercato cinese degli IGBT per colonnine di ricarica raggiungerà i 10.9 miliardi di yuan, con un tasso di crescita composto del 35%. Sulla base dell'analisi di cui sopra, riteniamo che il processo di sostituzione degli IGBT per autoveicoli con componenti nazionali accelererà. Considerando l'attuale bassa quota di mercato e l'ampio margine di crescita del settore, i produttori nazionali di IGBT hanno un enorme potenziale di crescita per il futuro.

La limitata capacità produttiva è difficile da alleviare nel breve termine e il boom dei semiconduttori di potenza continua a crescere.

L'utilizzo commerciale del 5G e l'economia basata sul lavoro da casa, generata dalla pandemia, stanno accelerando la trasformazione digitale della società. I ​​mercati dei veicoli a energia alternativa, degli elettrodomestici, dei dispositivi digitali e di altre apparecchiature terminali sono in fase di espansione, alimentando la domanda di semiconduttori. Inoltre, i produttori di semiconduttori devono incrementare le scorte di sicurezza per garantire la continuità della catena di approvvigionamento. La combinazione di molteplici fattori ha portato a una carenza di capacità produttiva di semiconduttori. Attualmente, tutte le principali fonderie di wafer operano a pieno regime. A livello globale, ICinsight prevede un aumento della capacità produttiva mondiale di 20.8 milioni di wafer da 8 pollici equivalenti nel 2021. A livello nazionale, la capacità produttiva di wafer da 8 pollici in fase di costruzione è di circa 27.96 milioni di wafer/anno, la maggior parte dei quali entrerà in produzione nel 2022. Tuttavia, considerando che ci sarà un periodo di avvio della produzione di circa 3-5 anni dopo l'entrata in funzione di una nuova linea di produzione, è difficile alleviare la carenza di capacità produttiva nel breve termine. Grazie al rapido aumento della domanda di veicoli a energia alternativa e di stazioni di ricarica, si prevede che la domanda globale di wafer da 8 pollici per moduli IGBT di grado automobilistico raggiungerà 1.69 milioni di pezzi nel 2025, con un incremento di 5.4 volte rispetto al 2020. Esiste un enorme divario tra domanda e offerta di wafer. Dall'inizio dell'anno, i principali produttori di chip, sia nazionali che esteri, hanno aumentato i prezzi dei prodotti o allungato i tempi di consegna. Si prevede che la prosperità della filiera dei semiconduttori continuerà a crescere.

  1    La diffusione dei veicoli a energia alternativa sta accelerando e il settore dei semiconduttori di potenza per autoveicoli è raddoppiato in 5 anni.

1.1. La diffusione dei veicoli a energia alternativa sta accelerando e i semiconduttori di potenza per il settore automobilistico stanno registrando aumenti sia in termini di volume che di prezzo.

Il sostegno politico, il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni favoriscono l'accelerazione della diffusione dei veicoli a nuova energia. Il "Piano di sviluppo dell'industria dei veicoli a nuova energia (2021-2035)" del mio Paese delinea una visione per lo sviluppo di tali veicoli. Si prevede che entro il 2025 il tasso di diffusione dei veicoli a nuova energia a livello nazionale raggiungerà il 20%.

A livello internazionale, molti paesi europei hanno adottato politiche a duplice binario, basate sulla limitazione delle emissioni di anidride carbonica e su incentivi per i veicoli a energia alternativa, per far fronte alla pressione del riscaldamento globale, e la transizione verso l'elettrificazione del settore automobilistico è diventata sempre più evidente. Nell'UE, l'accordo ACEA sulle emissioni di gas serra dei veicoli prevede che le emissioni di anidride carbonica dei veicoli debbano essere inferiori a 59 grammi per chilometro entro il 2030. Secondo i calcoli di Infineon, il tasso di diffusione dei veicoli a energia alternativa nell'UE raggiungerà il 40% nel 2030.

L'elettrificazione ha portato a un significativo aumento del valore dei semiconduttori di potenza per biciclette. Il prezzo medio di vendita (ASP) dei semiconduttori di potenza per veicoli puramente elettrici raggiunge i 330 dollari, ovvero 4.6 volte quello dei veicoli tradizionali a carburante. I veicoli a energia alternativa che utilizzano il sistema di alimentazione elettrica come fonte di energia pongono requisiti più elevati per le capacità di gestione e conversione dell'energia dei componenti elettronici.

Nelle automobili tradizionali, i semiconduttori di potenza sono utilizzati principalmente nei sistemi di avviamento, generazione di energia e sicurezza, e i componenti elettronici a bassa tensione e bassa potenza sono sufficienti a soddisfare le loro esigenze operative. Nei veicoli a energia alternativa, l'elevata tensione erogata dalla batteria richiede frequenti conversioni di tensione e inversioni di corrente. Questi circuiti hanno notevolmente incrementato la domanda di semiconduttori di potenza come IGBT e MOSFET. Secondo i dati di Infineon, il valore dei semiconduttori di potenza nei veicoli tradizionali a combustione interna è di 71 dollari, mentre nei veicoli ibridi plug-in/elettrici a batteria raggiunge i 330 dollari, ovvero 4.6 volte il valore dei veicoli tradizionali a combustione interna.

Il mercato globale dei semiconduttori di potenza per il settore automobilistico raggiungerà gli 8 miliardi di dollari nel 2025. Secondo Yole, il mercato globale dei semiconduttori di potenza raggiungerà i 22.5 miliardi di dollari nel 2025. Secondo le statistiche di Zhiyan Consulting, il settore automobilistico rappresentava il 35.4% del mercato globale dei semiconduttori di potenza nel 2019. Ipotizzando che tale percentuale rimanga invariata, si prevede che il mercato globale dei semiconduttori di potenza per il settore automobilistico raggiungerà i 7.965 miliardi di dollari nel 2025.

Si prevede che il mercato globale dei semiconduttori per veicoli a energia alternativa raggiungerà i 5.3 miliardi di dollari nel 2025, 7.3 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 48.8%. Secondo le previsioni di AlixPartners, le vendite globali di automobili aumenteranno da 70.5 milioni di unità nel 2020 a 94 milioni di unità nel 2025. EVTank prevede che le vendite globali di veicoli a energia alternativa aumenteranno da 2.21 milioni di unità nel 2019 a 12 milioni di unità nel 2025. Il tasso di penetrazione globale dei veicoli a energia alternativa raggiungerà il 13% nel 2025, con un aumento del 10.36% rispetto al 2019.

Come accennato in precedenza, secondo le ultime statistiche di Infineon del 2020, il valore di una bicicletta con semiconduttore per veicoli a nuova energia è di 330 dollari. Considerando l'attuale limitata capacità produttiva globale di wafer di semiconduttori, si prevede che il prezzo dei semiconduttori per veicoli a nuova energia rimarrà elevato quest'anno e che in futuro il valore di una bicicletta aumenterà gradualmente con la tendenza all'elettrificazione e la crescente diffusione dei veicoli a doppio motore. Sulla base dei dati sopra riportati, stimiamo che il mercato globale dei semiconduttori per veicoli a nuova energia raggiungerà i 5.3 miliardi di dollari nel 2025, 7.3 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita annuo composto del 48.8%.

1.2. Il mercato globale degli IGBT per le colonnine di ricarica dei veicoli è in rapida crescita.

Il numero di colonnine di ricarica nelle infrastrutture di supporto per i veicoli a nuova energia aumenterà rapidamente, determinando un rapido incremento della domanda di IGBT, un componente chiave. Con l'aumento graduale della diffusione dei veicoli a nuova energia, è necessario incrementare contemporaneamente anche il numero di colonnine di ricarica, infrastrutture di supporto fondamentali per tali veicoli. Secondo le statistiche di McKinsey, la domanda di ricarica per i veicoli a nuova energia in Cina, Stati Uniti ed Europa si attesterà intorno ai 18 miliardi di kilowattora nel 2020. Si prevede che entro il 2030 tale domanda raggiungerà i 271 miliardi di kilowattora, con un tasso di crescita annuo composto del 31.2%. La rapida crescita della domanda di infrastrutture di ricarica per veicoli a nuova energia comporterà anche un significativo aumento dell'utilizzo di IGBT, un componente chiave delle colonnine di ricarica.

Si prevede che il mercato degli IGBT per le colonnine di ricarica in Cina, negli Stati Uniti e in Europa registrerà una crescita incrementale di 9.4 miliardi di dollari nel decennio 2020-2030. Secondo le stime di McKinsey, Cina, Stati Uniti e Unione Europea dovranno investire rispettivamente 19 miliardi, 11 miliardi e 17 miliardi di dollari nel decennio 2020-2030 per costruire 20 milioni, 20 milioni e 25 milioni di colonnine di ricarica per veicoli a nuova energia, al fine di colmare il divario nella domanda di ricarica per tali veicoli. In una singola colonnina di ricarica, gli IGBT rappresentano circa il 20% del costo totale. Da ciò si può dedurre che il mercato degli IGBT per le colonnine di ricarica per veicoli a nuova energia in Cina, negli Stati Uniti e in Europa registrerà una crescita incrementale di 9.4 miliardi di dollari nei prossimi dieci anni.

  2  Tra i semiconduttori di potenza per autoveicoli, l'IGBT offre i maggiori vantaggi

Gli IGBT e i MOSFET sono i componenti principali dei semiconduttori di potenza per autoveicoli. Gli IGBT trovano quattro diverse applicazioni nelle automobili. La prima è il componente chiave dell'inverter principale. L'inverter principale converte la corrente continua (CC) proveniente dalla batteria in corrente alternata (CA) per alimentare il motore dell'auto; la seconda è utilizzata nel circuito inverter ausiliario per alimentare altri dispositivi elettronici dell'auto; la terza è utilizzata nel circuito chopper CC/CC per generare correnti con tensioni diverse; la quarta è utilizzata nel computer di bordo (OBC, caricabatterie/inverter) per convertire la corrente alternata esterna in corrente continua per caricare la batteria del veicolo a energia alternativa.

Nelle auto con un basso grado di elettrificazione, a causa della bassa tensione di uscita della batteria e della limitata gamma di potenza dei dispositivi di potenza, i MOSFET possono essere utilizzati per sostituire il circuito inverter ausiliario, il circuito chopper DC/DC DC e gli IGBT nell'OBC per contenere i costi.

2.1. L'IGBT è il dispositivo principale del sistema di azionamento del motore dei veicoli a nuova energia IGBT

Grazie alle sue prestazioni superiori, è il componente principale dei semiconduttori di potenza nei veicoli a energia alternativa. IGBT è l'acronimo di InsulatedGateBipolarTransistor, ovvero un transistor bipolare a gate isolato. Si tratta di un dispositivo semiconduttore di potenza composito, costituito da un BJT e un MOSFET. Unisce i vantaggi del MOSFET in termini di velocità di commutazione, elevata impedenza di ingresso, basso consumo energetico, circuito di pilotaggio semplice e basse perdite di commutazione, con quelli del BJT caratterizzati da bassa tensione di conduzione, elevata corrente di conduzione e basse perdite. Nei veicoli a energia alternativa, i moduli IGBT sono utilizzati principalmente negli inverter ad alta potenza per convertire la corrente continua in corrente alternata e alimentare il motore del veicolo; sono inoltre impiegati negli inverter di potenza ausiliari per alimentare apparecchiature elettroniche automobilistiche come i climatizzatori.

A seconda dell'ambiente di applicazione, gli IGBT possono essere suddivisi in IGBT monotubo, IGBT modulo e modulo intelligente IPM. L'IGBT monotubo è un transistor bipolare a gate isolato (IGBT) a canale N di tipo a arricchimento, che conduce l'intero circuito fornendo corrente di base al transistor di tipo PNP. Poiché la sua corrente applicabile è bassa, solitamente inferiore a 100 A, la sua potenza applicabile è limitata. Tuttavia, il circuito esterno di un IGBT monotubo è complesso e difficile da incapsulare, il che riflette il livello tecnologico e di processo del produttore di IGBT.

Il modulo IGBT è un prodotto semiconduttore modulare composto da un chip IGBT e un diodo a recupero rapido (FWD) incapsulati tramite uno specifico ponte di circuito. Più chip sono integrati e incapsulati nel modulo tramite isolamento. La sua sicurezza e affidabilità sono notevolmente migliorate, rendendolo più adatto al funzionamento in scenari ad alta tensione e alta corrente. Il modulo intelligente IPM integra dispositivi IGBT, circuiti di pilotaggio e circuiti di protezione in un unico modulo. Grazie alle sue funzioni di autodiagnosi e protezione del circuito, è più intelligente dei normali moduli IGBT e viene spesso utilizzato negli elettrodomestici a conversione di frequenza.

Attualmente, la gamma di prodotti IGBT di Infineon ha raggiunto la settima generazione e i produttori nazionali stanno gradualmente recuperando terreno rispetto agli standard più avanzati a livello mondiale. In oltre 30 anni, dal 1988 al 2019, Infineon ha lanciato un totale di 7 generazioni di prodotti IGBT. Il livello tecnologico si è evoluto verso la riduzione dell'area del chip, della larghezza delle linee di processo, della caduta di tensione di saturazione in stato attivo, del tempo di spegnimento, delle perdite di potenza e l'aumento della tensione in stato di spegnimento. Sebbene il mercato nazionale degli IGBT sia attualmente dominato da aziende straniere, grazie ai continui investimenti in ricerca e sviluppo da parte dei produttori nazionali, la tecnologia dei prodotti continua a raggiungere gli standard più avanzati a livello mondiale.

Ad esempio, il chip IGBT di seconda generazione sviluppato autonomamente da Star Semiconductor è stato confrontato con il chip IGBT di sesta generazione (FS-Trench) di Infineon ed è entrato in produzione di massa nel 2016. Nel 2019 sono stati assemblati complessivamente 160,000 set di moduli IGBT per applicazioni automotive; i prodotti IGBT4.0 di BYD presentano perdite di commutazione inferiori, maggiori capacità di uscita di corrente e una durata del ciclo termico superiore rispetto agli IGBT di quarta generazione di Infineon, i più diffusi sul mercato.

Il mercato globale degli IGBT per veicoli a nuova energia raggiungerà i 4.4 miliardi di dollari nel 2025, con un CAGR del 48.8%. Secondo i dati di Yole, la dimensione del mercato globale degli IGBT per veicoli a nuova energia era di 600 milioni di dollari nel 2019. I dati di EVSalesBlog hanno annunciato che le vendite globali di veicoli ibridi plug-in e veicoli elettrici a batteria pura nel 2019 sono state di circa 2.2 milioni. Da ciò si può dedurre che il valore medio delle biciclette con IGBT è di 273 dollari (pari all'83% del valore dei semiconduttori di potenza per biciclette). Considerando l'attuale limitata capacità produttiva globale delle fonderie di wafer di semiconduttori, si prevede che i prezzi dei semiconduttori di potenza per veicoli a nuova energia utilizzati quest'anno rimarranno elevati e il valore delle biciclette future aumenterà gradualmente con l'aumento delle tendenze di elettrificazione e la diffusione dei doppi motori. Moltiplicando per le previsioni di vendita globali di veicoli a nuova energia di EVtank per i prossimi anni, si prevede che il mercato globale degli IGBT per veicoli a nuova energia crescerà da circa 600 milioni di dollari nel 2020 a 4.4 miliardi di dollari nel 2025, con un tasso di crescita composto di circa il 48.8%.

2.2. Il SiC offre prestazioni migliori e si prevede che diventerà la tecnologia di prossima generazione.

I dispositivi di potenza basati su materiali semiconduttori di terza generazione offrono prestazioni superiori. Rispetto ai materiali semiconduttori a base di silicio, quelli di terza generazione, rappresentati da GaN e SiC, presentano bandgap più ampi, campi elettrici di rottura più elevati, maggiore conduttività termica, tassi di saturazione elettronica più elevati e maggiore resistenza alle radiazioni, risultando quindi più adatti alla realizzazione di dispositivi ad alta temperatura, alta frequenza, resistenti alle radiazioni e ad alta potenza.

Secondo i dati di Infineon, gli inverter in materiale SiC sono rispettivamente 3 e 4 volte più piccoli in volume e peso rispetto agli inverter in materiale a base di silicio; i dati di Rohm mostrano che, in pratica, la frequenza di commutazione dei SiCMOSFET può raggiungere oltre 50 kHz (mentre la frequenza di commutazione degli IGBT più diffusi è fino a 20 kHz) e la perdita di energia è inferiore del 73% rispetto a quella degli IGBT a base di silicio. I MOSFET a base di SiC offrono prestazioni superiori e dimensioni ridotte rispetto agli IGBT.

Alcuni modelli di fascia alta hanno adottato MOSFET basati su SiC, che si prevede diventeranno la direzione di sviluppo futura. La Tesla Model 3 è il primo modello ad integrare un modulo di potenza interamente in SiC. È stato realizzato dal reparto di progettazione ingegneristica di Tesla in collaborazione con STMicroelectronics. Subito dopo, anche Infineon è diventata fornitore di moduli di potenza in SiC per la Tesla Model 3. Inoltre, la versione a trazione integrale della BYD Han EV è diventata il primo modello in Cina ad essere equipaggiato in serie con componenti SiCMOSFET, e la sua efficienza complessiva di controllo elettronico in SiC supera il 97%.

Attualmente, anche i produttori nazionali stanno implementando attivamente applicazioni di produzione di SiC. Ad esempio, China Resources Micro ha avviato la produzione di massa della prima linea di produzione commerciale di SiC da 6 pollici in Cina nel luglio 2020, con una capacità produttiva prevista di 1,000 pezzi al mese. Anche New Clean Energy detiene diversi brevetti relativi ai semiconduttori di terza generazione e prevede di lanciare una serie di prodotti a diodi SiC. In futuro, si concentrerà sulle applicazioni per veicoli a energia alternativa.

Attualmente, il SiC è soggetto a fattori di costo e resa, e ci vorrà del tempo prima che venga adottato su larga scala. Al momento, le dimensioni standard internazionali dei substrati in SiC sono di 4 e 6 pollici. A causa della piccola area del wafer e della bassa efficienza di taglio dei chip, il costo dei substrati in SiC è elevato. Le basse rese di produzione e confezionamento nei processi successivi contribuiscono a mantenere alto il costo dei dispositivi in ​​SiC.

Secondo i dati dell'Accademia cinese delle scienze, il prezzo dei SiCMOSFET è quattro volte superiore a quello dei SiIGBT di pari livello. I dispositivi di controllo elettronico per il settore automobilistico devono soddisfare parametri prestazionali più rigorosi e garantire un funzionamento stabile in ambienti con temperature estreme e forti vibrazioni. Pertanto, prima di essere introdotti nei prodotti finali, i SiCMOSFET devono superare una certificazione di affidabilità a lungo termine. Generalmente, il periodo di certificazione per i moduli IGBT per il settore automobilistico è di circa due anni.

  3  Le tre principali barriere del prodotto, del processo e del vantaggio del primo arrivato creano un solido fossato

3.1. Il complesso ambiente di lavoro impone requisiti estremamente elevati in termini di sicurezza e affidabilità degli IGBT di grado automobilistico.

1) Necessità di adattarsi a condizioni di lavoro ad alta e bassa temperatura "estremamente calde" ed "estremamente fredde": gli IGBT di grado automobilistico hanno un ampio intervallo di temperatura di funzionamento e diverse posizioni di installazione hanno intervalli di temperatura diversi, come ad esempio i requisiti del vano motore -40℃-155℃, i requisiti del sistema di controllo della carrozzeria -40℃-125℃, mentre i chip e i componenti di consumo convenzionali devono raggiungere solo 0℃-70℃.

2) Necessità di resistere a frequenti variazioni di corrente causate da frequenti avviamenti e arresti: i veicoli sono spesso soggetti a frequenti avviamenti e arresti in condizioni di traffico intenso. In queste situazioni, la corrente di funzionamento del modulo IGBT del booster e dell'inverter aumenta e diminuisce frequentemente, provocando rapide variazioni della temperatura di giunzione dell'IGBT, il che richiede un'elevata resistenza alle alte temperature e un'ottima dissipazione del calore da parte dell'IGBT.

3) Necessità di elevata resistenza ai terremoti: a causa dell'imprevedibilità delle condizioni del veicolo, come montagne, fango, strade sterrate, ecc., gli IGBT per autoveicoli possono essere soggetti a forti vibrazioni e urti durante la marcia. Ciascun terminale del modulo IGBT deve possedere una resistenza meccanica sufficiente per poter funzionare normalmente in condizioni di forte vibrazione.

4) Capacità di adattarsi ad ambienti di lavoro difficili: considerando muffa, polvere, acqua, ambiente naturale salino-alcalino (mare, neve, pioggia, ecc.), compatibilità elettromagnetica ed erosione da gas nocivi, sono richiesti requisiti estremamente elevati in termini di sicurezza per gli IGBT, come impermeabilità, resistenza alla polvere e alla corrosione. In presenza di tali interferenze, l'IGBT non deve compromettere il proprio funzionamento in modo incontrollato né interferire con altre apparecchiature del veicolo (bus di controllo, MCU, sensori).

5) Deve avere una lunga durata e un basso tasso di guasti. La durata di progetto di un'automobile in genere è di circa 15 anni o 600,000 chilometri. Durante l'intero ciclo di vita, il requisito di base dei produttori automobilistici per i tassi di guasto dei semiconduttori per autoveicoli è di pochi PPM (una parte per milione). La maggior parte dei produttori automobilistici richiede che sia a livello di PPB (parti per miliardo), raggiungendo quasi una tolleranza zero per i guasti.

3.2. Il processo di progettazione, produzione e confezionamento degli IGBT di grado automobilistico è difficile

La progettazione degli IGBT per applicazioni automobilistiche deve garantire un equilibrio tra accensione e spegnimento, resistenza al cortocircuito e caduta di tensione di conduzione, e l'ottimizzazione dei parametri è un processo molto specifico e complesso. I chip IGBT per applicazioni automobilistiche operano solitamente in ambienti ad alta corrente, alta tensione e alta frequenza. La progettazione del chip deve garantire che l'accensione e lo spegnimento, la resistenza al cortocircuito e la caduta di tensione di conduzione (controllo termico) siano in uno stato di equilibrio. La progettazione del chip e la regolazione e ottimizzazione dei parametri sono attività molto specifiche e complesse.

Le principali difficoltà nel processo di progettazione dei chip sono:

(1) La progettazione del terminale deve garantire un'elevata affidabilità, pur mantenendo dimensioni ridotte e un'elevata tensione di tenuta;

(2) La progettazione della cella deve raggiungere un'elevata densità di corrente garantendo al contempo un'ampia area di lavoro sicura, che richiede capacità di dissipazione del calore estremamente elevate;

(3) La progettazione della cella deve raggiungere un'elevata densità di corrente garantendo al contempo una sufficiente capacità di cortocircuito;

Il processo di produzione è complesso: le lamine si rompono facilmente e il punto di fusione del metallo frontale è limitato, il che rende difficile il controllo della temperatura di ricottura. Quando l'IGBT è acceso, può essere considerato come un filo e la corrente lo attraversa verticalmente dall'alto verso il basso fino a raggiungere il motore di azionamento.

1) Più sottile è il chip, minore è la resistenza termica, ma è anche più soggetto a rotture. Processo di assottigliamento: più sottile è il chip, più breve è il percorso per il flusso di corrente e di conseguenza si riduce la perdita di energia sul chip, aumentando la durata della batteria del veicolo. Alla fine del 2018, BYD ha annunciato di poter assottigliare i wafer fino a 120 μm, mentre i chip IGBT di Infineon possono essere assottigliati fino a 40 μm. Le successive lavorazioni su wafer e chip con questo spessore sono tecnicamente molto complesse e i chip sono facilmente soggetti a rotture.

2) Il processo sul lato posteriore deve essere eseguito a bassa temperatura, altrimenti si rischia facilmente la fusione del metallo sul lato anteriore. Il processo sul lato posteriore comprende l'impiantazione ionica sul lato posteriore, l'attivazione tramite ricottura, la metallizzazione sul lato posteriore e altre fasi del processo. A causa della limitazione del punto di fusione del metallo sul lato anteriore e del continuo assottigliamento dei chip IGBT, questi processi sul lato posteriore devono essere eseguiti a basse temperature (non superiori a 450 °C), altrimenti si rischia facilmente la fusione del metallo sul lato anteriore e un'attivazione tramite ricottura estremamente difficile.

Le barriere tecniche per la saldatura e l'incollaggio del packaging dei moduli IGBT sono elevate. Gli IGBT per il settore automobilistico sono utilizzati principalmente sotto forma di moduli. La struttura di packaging dei moduli prevede l'integrazione di dispositivi semiconduttori discreti all'interno del modulo stesso attraverso un metodo specifico. Un modulo IGBT deve in genere passare attraverso un totale di nove processi: patching, saldatura, pulizia al plasma, rilevamento a raggi X, incollaggio, riempimento e polimerizzazione della colla, stampaggio, collaggio e marcatura, prima di poter essere immesso sul mercato. Tra questi, la saldatura e l'incollaggio rappresentano gli aspetti più complessi della tecnologia di packaging dei moduli.

(1) Saldatura: I parametri del processo di interconnessione a patch sinterizzate a bassa temperatura con argento sono difficili da padroneggiare e il costo dei materiali e delle attrezzature è elevato, il che rappresenta una barriera all'ingresso. Attualmente, la tecnologia di saldatura più diffusa è la saldatura a stagno. Tuttavia, questa tecnologia produce risultati meno coerenti e affidabili. A tal fine, è stato sviluppato un processo di interconnessione a patch sinterizzate a bassa temperatura con argento. Lo strato di saldatura ottenuto con questo processo presenta i vantaggi di un'elevata conduttività termica, un'elevata conduttività elettrica e un'elevata affidabilità. Tuttavia, questa tecnologia è molto complessa. L'impostazione dei parametri di processo, l'elevato costo di acquisto delle attrezzature e l'alto costo della polvere d'argento utilizzata nella produzione sono diventati ostacoli che impediscono ai produttori di utilizzare questa tecnologia. Attualmente, solo aziende all'avanguardia come Infineon e Mitsubishi hanno utilizzato la sinterizzazione a bassa temperatura dell'argento per la saldatura su alcuni dei loro moduli IGBT ad alte prestazioni.

(2) Collegamento: presenta un'elevata difficoltà di processo. Attualmente, i fili di collegamento comunemente utilizzati per l'interconnessione della superficie interna del chip dei moduli IGBT sono fili di alluminio e fili di rame. Il filo di rame ha bassa resistività, elevata conduttività termica e basso coefficiente di espansione, il che lo rende più adatto per i moduli automobilistici con elevata densità di potenza ed efficiente dissipazione del calore. Tuttavia, la difficoltà del processo di collegamento del filo di rame è che richiede un trattamento di metallizzazione del rame sulla superficie del chip e richiede un'energia ultrasonica più elevata, che può danneggiare il chip IGBT stesso. 1) Il rame ha una forte affinità con l'ossigeno e richiede una sigillatura rigorosa e un'operazione rapida. I fili di rame si ossidano immediatamente quando entrano in contatto con l'aria. In linea di principio, l'imballaggio può essere completato entro 48 ore dall'apertura della confezione. Il filo di rame ossidato è più duro, difficile da collegare e soggetto a distacco delle saldature o a bassa resistenza alla trazione. 2) Durante il processo di collegamento, il flusso di gas inerte protettivo è difficile da controllare. Per ridurre il grado di ossidazione del rame, è necessario aggiungere gas protettivo all'area di riscaldamento del truciolo soggetta a ossidazione. Un flusso eccessivo influirà sulla temperatura di riscaldamento, mentre un flusso insufficiente indebolirà l'effetto protettivo. 3) I requisiti dei materiali per la realizzazione delle attrezzature di saldatura a pressione sono rigorosi. La superficie dell'attrezzatura deve essere liscia per garantire che il supporto e i perni non siano allentati, altrimenti ciò influirà direttamente su una serie di problemi del filo di saldatura, come una scarsa combustione della sfera, fili corti e fili deformati durante il processo di saldatura del prodotto. 4) Le impostazioni dei parametri dell'apparecchiatura di incollaggio devono considerare in modo completo fattori quali la forza di saldatura, la potenza di standby e la possibilità di crateri, che sono difficili da bilanciare e controllare. Problemi in una qualsiasi fase comporteranno il fallimento dell'incollaggio.

3.3. Evidente vantaggio del pioniere: lunghi cicli di certificazione ed elevati costi di sostituzione.

A causa degli elevati requisiti di affidabilità degli IGBT per il settore automobilistico, il loro ciclo di certificazione è lungo e i costi di sostituzione sono elevati. Le aziende pioniere godono di evidenti vantaggi derivanti dall'essere state le prime ad entrare nel mercato.

1) La certificazione è rigorosa e il ciclo di tempo è lungo. I dispositivi o moduli discreti IGBT devono soddisfare gli standard di affidabilità AECQ100 (IC)/101 (dispositivi discreti), lo standard di gestione della qualità ISO/TS1649 e lo standard di sicurezza funzionale ISO26262ASILB (D) prima di poter essere ammessi nella catena di fornitura dei produttori automobilistici di primo livello. Il ciclo di certificazione è generalmente di almeno 2 anni.

2) Elevato costo di sostituzione. Il modulo IGBT è un componente chiave nei prodotti a valle, responsabile della regolazione di tensione, corrente, frequenza, fase, ecc. nel circuito. Le sue prestazioni, stabilità e affidabilità sono cruciali per i clienti a valle. I clienti tendono ad essere cauti nei confronti dei nuovi fornitori di IGBT. Non solo valutano in modo esaustivo la solidità del fornitore in teoria, ma prendono anche decisioni di acquisto di grandi volumi dopo aver testato i singoli prodotti, effettuato test completi su macchinari, eseguito numerose prove su piccoli lotti, ecc. Il costo di sostituzione è elevato e il ciclo decisionale di acquisto è lungo.

3) Il settore degli IGBT richiede un'esperienza pluriennale per raggiungere un buon livello di know-how. I chip IGBT e i diodi a recupero rapido sono elementi chiave nei moduli IGBT. La loro produzione prevede numerose fasi e richiede l'utilizzo di diverse apparecchiature. L'organizzazione della produzione, il controllo, la messa a punto delle apparecchiature e altre attività sono complesse. Ad esempio, la selezione e la lavorazione dei materiali di dissipazione del calore, il grado di assottigliamento, la concentrazione, la quantità e la velocità delle due iniezioni di ioni di fosforo, il controllo della temperatura del processo sul lato posteriore e delle apparecchiature in ogni fase, richiedono una lunga esperienza specifica per padroneggiare la progettazione e il processo di produzione dei chip.

Le applicazioni per veicoli a energia alternativa spesso richiedono la produzione in serie di moduli IGBT con elevata affidabilità e stabilità. Comprendere le caratteristiche delle apparecchiature e dei materiali e padroneggiare il processo produttivo richiede un lungo periodo di accumulo di esperienza. Prendendo ad esempio il processo di patch, esso implica la determinazione della posizione del chip, dei coefficienti di dilatazione termica e delle caratteristiche dei diversi materiali, l'impostazione della curva di rifusione del forno di rifusione e altri parametri. Questi processi produttivi richiedono lunghi periodi di ricerca e sviluppo per trovare la soluzione più appropriata.

4) Elevate barriere finanziarie. Il settore degli IGBT è un settore ad alta intensità di capitale. La catena industriale comprende la progettazione dei chip, la produzione dei chip, la produzione dei moduli e il collaudo. Le apparecchiature di produzione e collaudo devono essere sostanzialmente importate e il loro costo è elevato. Allo stesso tempo, la ricerca e lo sviluppo del prodotto e lo sviluppo del mercato richiedono molto tempo. Inoltre, anche la domanda di capitale circolante per le aziende produttrici di IGBT è elevata. I nuovi entranti spesso si trovano ad affrontare ingenti investimenti e una bassa produzione nella fase iniziale. Hanno bisogno di un solido supporto finanziario per proseguire la ricerca e lo sviluppo del prodotto, la produzione e la vendita.

Nel complesso, anche se una nuova azienda produce prodotti IGBT, ci vorrà molto tempo per ottenere il riconoscimento dei clienti e raggiungere un buon livello di know-how. Allo stesso tempo, dovrà affrontare le difficoltà legate a ingenti investimenti di capitale a lungo termine e allo sviluppo del mercato. Le aziende pioniere godono di evidenti vantaggi.

  4  Il panorama competitivo del settore degli IGBT per autoveicoli è eccellente, ma il tasso di localizzazione è ancora basso.

Il panorama competitivo è concentrato, con una quota totale di CR4 pari all'81%; tuttavia, il tasso di localizzazione è basso, con solo tre aziende nazionali presenti nella TOP 10. Secondo le statistiche di Omdia del 2019, i primi dieci fornitori globali di moduli IGBT detengono il 75.6% della quota di mercato. La struttura del mercato è concentrata e il modello competitivo è favorevole.

Secondo i dati di NE Times, nel 2019 in Cina sono stati assemblati complessivamente 1.08 milioni di moduli IGBT per il settore automobilistico, di cui Infineon deteneva una quota del 58.2% con 628,000 unità, risultando leader di mercato. BYD Microelectronics si è classificata al secondo posto con un totale di 194,000 unità assemblate, pari al 18%. Mitsubishi Electric e Semikron si sono posizionate rispettivamente al terzo e quarto posto, con quote del 5.2% e del 3%. Star Semiconductor si è classificata al quinto posto con una quota dell'1.6%. Un altro produttore nazionale, CRRC Times Electric, si è classificato al nono posto con una quota dello 0.8%. Nel 2019, i primi quattro produttori di moduli IGBT per veicoli a energia alternativa detenevano una quota combinata dell'81.4%, evidenziando una situazione di oligopolio. Tra i produttori nazionali, solo tre aziende, BYD Microelectronics, Star Semiconductor e CRRC Times Electric, figurano tra le prime 10 in termini di quota di mercato, con una percentuale del 20.4% e un basso tasso di localizzazione.

Dal punto di vista della copertura di tensione, la gamma di prodotti IGBT delle aziende nazionali sta diventando sempre più completa. Il produttore nazionale Star Semiconductor vanta attualmente una delle linee di prodotti di moduli IGBT più complete del paese, coprendo un'ampia gamma di campi di applicazione, dall'alta tensione (3300 V) alla media e bassa tensione (600 V); CRRC Times Electric si concentra principalmente su ferrovie ad alta velocità, treni ad alta velocità e altri settori correlati, e attualmente ha una certa competitività soprattutto nel campo dell'alta tensione superiore a 4500 V.

I prodotti di Infineon coprono completamente i campi di applicazione a valle di tutti i livelli di tensione, mentre ABB si concentra principalmente su prodotti ad alta tensione e ad altissima tensione. Nel complesso, i prodotti IGBT delle aziende nazionali coprono l'intero mercato, dalla bassa all'alta tensione, e la copertura nel settore della bassa tensione è relativamente completa. Tuttavia, rispetto ai produttori stranieri, i dispositivi discreti di potenza del nostro Paese necessitano ancora di essere rafforzati nel settore dell'alta tensione.

  5    Diversi fattori accelerano la sostituzione interna e promuovono l'aumento della quota di mercato.

Con l'intensificarsi delle tensioni commerciali, la necessità di semiconduttori autonomi e controllabili diventa sempre più urgente. Negli ultimi anni, le tensioni commerciali tra Cina e Stati Uniti hanno mostrato una tendenza all'intensificarsi.

Nel marzo 2016 e nell'aprile 2018, ZTE è stata inserita due volte nella "Entity List" statunitense. Il 15 maggio 2019, anche Huawei è stata inclusa nella "Entity List" e le è stato vietato di collaborare con aziende statunitensi o di acquistare da esse apparecchiature per le telecomunicazioni. A seguito di ciò, Google ha interrotto la fornitura di servizi a Huawei.

Il 15 maggio 2020, gli Stati Uniti hanno emesso un nuovo divieto nei confronti di Huawei, imponendo che i chip prodotti utilizzando tecnologie e apparecchiature americane debbano essere approvati dagli Stati Uniti prima di poter essere venduti all'azienda. Il 17 agosto 2020, 38 filiali di Huawei sono state incluse nella lista nera e il divieto è entrato pienamente in vigore il 15 settembre dello stesso anno.

Nel dicembre 2020, SMIC è stata inclusa dagli Stati Uniti nella lista delle aziende cinesi legate al settore militare. Nel contesto dell'intensificarsi del blocco tecnologico statunitense contro la Cina, quest'ultima rischia un'escalation delle tensioni commerciali, interruzioni delle forniture e una scarsa cooperazione internazionale. Diventa quindi sempre più urgente creare una catena di approvvigionamento di semiconduttori indipendente e controllabile e accelerare la sostituzione con la produzione interna.

La Cina è diventata il più grande mercato automobilistico al mondo, offrendo ottime opportunità di sviluppo per gli IGBT nel settore automobilistico. Nel 2019, le vendite di auto nuove in Cina hanno raggiunto i 25.75 milioni di unità, pari a circa il 28.5% delle vendite globali di auto nuove, confermandosi come il più grande mercato automobilistico al mondo. Sebbene nel mio Paese il numero di auto possedute superi attualmente i 260 milioni, il numero di auto pro capite è ancora ben al di sotto di quello dei Paesi sviluppati.

Secondo i dati della Banca Mondiale, nel 2019 il numero di automobili pro capite possedute nel mio Paese era di 0.173; negli Stati Uniti era di 0.837, 4.8 volte superiore a quello della Cina; in Giappone era di 0.591, ovvero 3.4 volte superiore a quello cinese. Si prevede che le vendite di automobili in Cina continueranno ad aumentare in futuro. L'ampio mercato automobilistico offre un grande spazio per lo sviluppo delle aziende IGBT del mio Paese e pone solide basi per la crescita.

La quota di produttori nazionali di nuove energie è aumentata, accelerando la sostituzione degli IGBT di produzione nazionale. Per quanto riguarda i veicoli a combustione interna, a causa del suo ingresso tardivo nel settore, la competitività del mio Paese è debole. Nei primi tre trimestri del 2020, le vendite di autovetture nel mio Paese sono state pari a 13.38 milioni di unità, di cui solo il 36% circa era rappresentato da autovetture di marchi cinesi. Nel settore dei veicoli a nuova energia, il mio Paese sta consolidando la sua posizione e ha acquisito notevoli vantaggi tecnologici e di mercato.

Nei primi tre trimestri del 2020, in Cina sono state vendute 620,000 unità di veicoli passeggeri a energia alternativa, di cui il 55% apparteneva a marchi indipendenti, il 15% a nuove case automobilistiche e il 30% a joint venture straniere. I produttori nazionali hanno rappresentato il 70% del mercato, una percentuale significativamente superiore a quella dei veicoli a carburante tradizionale. In futuro, con il graduale aumento della diffusione dei veicoli a energia alternativa, si prevede che anche la quota di mercato dei produttori automobilistici nazionali aumenterà, aprendo la strada a un sorpasso in diverse aree. Nel contesto dell'intensificarsi delle tensioni commerciali, si prevede che i produttori nazionali di veicoli a energia alternativa utilizzeranno un maggior numero di IGBT di produzione nazionale a causa delle preoccupazioni relative alla sicurezza della catena di approvvigionamento, determinando un aumento della quota di IGBT nazionali.

I produttori nazionali godono dei vantaggi di un buon rapporto qualità-prezzo e di una risposta rapida, in linea con la tendenza alla riduzione dei costi e al miglioramento dell'efficienza dei veicoli a energia alternativa. Rispetto ai concorrenti stranieri, i produttori nazionali di IGBT hanno bassi costi di comunicazione con le case automobilistiche, consegne rapide, solide capacità di assistenza e la capacità di rispondere tempestivamente alle esigenze dei clienti a valle, il che conferisce loro un vantaggio in termini di rapidità di risposta. Inoltre, i produttori nazionali di semiconduttori di potenza vantano anche un elevato rapporto qualità-prezzo e bassi costi di logistica e manodopera, che soddisfano l'esigenza dei produttori di veicoli a energia alternativa di ridurre i costi e aumentare l'efficienza, parallelamente all'aumento della penetrazione e della quota di mercato.

Politiche e finanziamenti supportano lo sviluppo dell'industria nazionale degli IGBT. Gli IGBT hanno un enorme mercato nazionale e internazionale e svolgono un ruolo insostituibile e importante nell'ammodernamento della struttura industriale, nel risparmio energetico e nella riduzione delle emissioni, nelle nuove energie e in altri settori. Negli ultimi anni, il Paese ha varato una serie di politiche a sostegno dello sviluppo dell'industria dei semiconduttori, compresi gli IGBT, sotto gli aspetti dello sviluppo industriale, della ricerca e sviluppo e degli investimenti fiscali e tributari.

Nell'agosto 2020, il Consiglio di Stato ha emanato "Diverse politiche per promuovere lo sviluppo di alta qualità dell'industria dei circuiti integrati e del software nella nuova era", al fine di supportare in modo completo lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori attraverso misure finanziarie e fiscali, investimenti e finanziamenti, ricerca e sviluppo, ecc. Un supporto politico completo darà un impulso efficace al rapido sviluppo dell'industria degli IGBT.

Inoltre, lo Stato fornisce anche un sostegno attivo a livello finanziario. La prima e la seconda fase del Fondo nazionale per l'industria dei circuiti integrati (denominato "Grande Fondo") sono state istituite rispettivamente nel 2014 e nel 2019. La prima fase del Grande Fondo ha raccolto 138.7 miliardi di yuan, mentre la seconda fase ha avuto un capitale sociale di 204.15 miliardi di yuan.

Secondo le statistiche di Jiwei.com, le aree di investimento della prima fase del grande fondo includono: produzione di circuiti integrati 67%, progettazione 17%, confezionamento e collaudo 10% e materiali per apparecchiature 6%. Grazie agli investimenti di grandi fondi e al capitale sociale che questi mobilitano, l'industria dei circuiti integrati, compresi gli IGBT, ha registrato un buon sviluppo.

In sintesi, si prevede un'accelerazione della sostituzione interna degli IGBT per il settore automobilistico, contribuendo ad aumentare la quota di mercato dei produttori nazionali. Primo: il mio Paese è il più grande mercato automobilistico al mondo e la domanda di automobili continuerà a crescere in futuro, offrendo un'ottima opportunità per lo sviluppo dei produttori nazionali di IGBT per il settore automobilistico. Secondo: le tensioni commerciali si sono intensificate e la necessità di semiconduttori autonomi e controllabili è diventata sempre più urgente. Terzo: i produttori nazionali nel settore dei veicoli a nuova energia sono all'avanguardia nell'applicazione del vantaggio del pioniere e si prevede che otterranno un vantaggio competitivo. Con l'aumento della quota di mercato delle aziende nazionali di veicoli a nuova energia e per ragioni di sicurezza della catena di approvvigionamento, si prevede che un numero maggiore di produttori nazionali di semiconduttori tenderà a utilizzare i prodotti, con conseguente aumento della quota di mercato degli IGBT nazionali. Quarto: i produttori nazionali di IGBT godono di vantaggi in termini di servizi locali, come un elevato rapporto qualità-prezzo e tempi di risposta rapidi, che soddisfano le esigenze dei veicoli a nuova energia in termini di riduzione dei costi e aumento dell'efficienza, e si prevede che aumenteranno la loro quota di mercato nella futura competizione. Quinto: le politiche e i finanziamenti nazionali supportano lo sviluppo del settore degli IGBT. In base all'analisi di cui sopra, riteniamo che il processo di sostituzione a livello nazionale degli IGBT per il settore automobilistico accelererà e raggiungerà una quota di mercato maggiore.

Oltre ad aumentare la propria quota di mercato, i produttori nazionali di IGBT beneficeranno appieno della rapida crescita del mercato automobilistico cinese. Secondo le nostre stime, il mercato cinese degli IGBT per veicoli a nuova energia dovrebbe raggiungere i 17.7 miliardi di yuan nel 2025, con un tasso di crescita composto del 43.45%. Il mercato cinese degli IGBT per le colonnine di ricarica dei veicoli a nuova energia raggiungerà i 14.7 miliardi di yuan nel 2025, con un tasso di crescita composto del 43.45%.

Si prevede che il mercato degli IGBT per veicoli a nuova energia in Cina raggiungerà i 17.7 miliardi di yuan nel 2025, ovvero 6 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita composto del 43.45%. Secondo i dati della China Automobile Association, le vendite di automobili in Cina nel 2020 saranno pari a 25.3 milioni di veicoli. Si prevede che le vendite di automobili in Cina raggiungeranno i 30 milioni di veicoli entro il 2025, di cui 1.32 milioni di veicoli a nuova energia saranno venduti nel 2020, con un tasso di penetrazione dei veicoli a nuova energia del 5.22%.

Se il tasso di penetrazione dei veicoli a nuova energia in Cina raggiungerà il 20% previsto nel "Piano di sviluppo dell'industria dei veicoli a nuova energia (2021-2035)" entro il 2025, le vendite di tali veicoli aumenteranno da 1.32 milioni di unità nel 2020 a 6 milioni di unità nel 2025. In base al valore di mercato dei semiconduttori per veicoli a nuova energia calcolato in precedenza, si prevede che il mercato cinese dei semiconduttori per veicoli a nuova energia raggiungerà i 17.7 miliardi di yuan nel 2025, ovvero 6 volte il valore del 2020, con un tasso di crescita composto del 43.45%.

Si stima che il mercato cinese degli IGBT per veicoli a nuova energia raggiungerà i 14.7 miliardi di yuan nel 2025, con un tasso di crescita composto del 43.45%, e gli IGBT saranno i principali beneficiari. Secondo i dati di Yole, la dimensione del mercato globale degli IGBT per veicoli a nuova energia era di 600 milioni di dollari nel 2019. I dati di EVSalesBlog hanno annunciato che le vendite globali di veicoli elettrici ibridi plug-in e veicoli elettrici a batteria pura nel 2019 sono state di circa 2.2 milioni. Da ciò si può calcolare che il valore medio delle biciclette con IGBT è di 273 dollari (che rappresenta l'83% del valore dei semiconduttori di potenza per biciclette), influenzato dalla scarsità di fonderie di wafer, e tenendo conto dell'attuale scarsa capacità produttiva globale di fonderie di wafer di semiconduttori, si prevede che il prezzo dei semiconduttori di potenza per veicoli a nuova energia rimarrà a un livello elevato quest'anno e che il valore delle biciclette in futuro aumenterà gradualmente con la tendenza all'elettrificazione e l'aumento della penetrazione dei doppi motori. Moltiplicando per le vendite di veicoli a nuova energia del mio Paese, pari a 6 milioni di unità nel 2025, si prevede che il mercato cinese degli IGBT per veicoli a nuova energia crescerà da circa 2.4 miliardi nel 2020 a 14.7 miliardi nel 2025, con un tasso di crescita composto del 43.45%.

Si prevede che il mercato cinese dei transistor IGBT per le colonnine di ricarica dei veicoli a nuova energia raggiungerà i 10.9 miliardi di yuan nel 2025, con un tasso di crescita composto del 35%. Attualmente, il ciclo di rottamazione dei veicoli a nuova energia è compreso tra 8 e 10 anni. In base ai calcoli delle vendite di veicoli a nuova energia per ogni anno menzionato in precedenza, si prevede che il numero di veicoli a nuova energia raggiungerà i 22.46 milioni nel 2025.

Con lo sviluppo di nuove infrastrutture, ipotizzando in modo prudente che il rapporto veicoli-pila di ricarica aumenterà a 2:1 entro il 2025, si può calcolare che il numero di colonnine di ricarica nel 2025 sarà di circa 11.23 milioni. Poiché la nuova politica infrastrutturale si concentra sulla costruzione di colonnine di ricarica pubbliche, si prevede che la percentuale di queste aumenterà dal 48% nel 2020 al 50% nel 2025. Inoltre, a causa dell'aumento della domanda di ricarica rapida, si prevede che la percentuale di colonnine di ricarica in corrente continua (DC) tra le colonnine di ricarica pubbliche aumenterà dal 38% nel 2020 al 50% nel 2025.

Secondo i dati relativi agli annunci di gara per i progetti di colonnine di ricarica per veicoli elettrici di State Grid pubblicati nel corso degli anni, abbiamo calcolato che il prezzo medio per watt delle colonnine di ricarica pubbliche in corrente continua da 60 kW, il principale fattore di gara, è sceso da 1.15 yuan/W nel 2017 a 0.9 yuan/W nel 2019 (il prezzo di una singola colonnina è sceso da 69,000 yuan nel 2017 a 54,000 yuan nel 2019); il prezzo medio di una singola colonnina presso le colonnine di ricarica pubbliche in corrente alternata è sceso da 9,500 yuan nel 2017 a 5,400 yuan nel 2019.

In base alla nostra ricerca sui prezzi delle colonnine di ricarica private dei principali produttori di veicoli a nuova energia presenti sul mercato, abbiamo calcolato che il prezzo delle colonnine di ricarica private è sceso da 12,700 yuan/unità nel 2017 a 7,800 yuan/unità nel 2020. Considerando che gli IGBT rappresentano circa il 20% del costo delle colonnine di ricarica, si prevede che il mercato interno degli IGBT per le colonnine di ricarica raggiungerà i 10.9 miliardi di yuan nel 2025, con un aumento di 3.4 volte rispetto ai 2.5 miliardi di yuan del 2020 e un tasso di crescita annuo composto del 34.5%.

  6    La limitata capacità produttiva è difficile da alleviare nel breve termine e il boom dei semiconduttori di potenza continua a crescere.

La capacità produttiva per i chip da 8 pollici è limitata e la fonderia opera a pieno regime. Nel 2020, la commercializzazione del 5G e l'economia del "lavoro da casa" causata dalla pandemia hanno accelerato la trasformazione digitale della società. Il mercato delle apparecchiature terminali, come automobili, elettrodomestici e dispositivi digitali, ha continuato a riprendersi, stimolando significativamente la crescita della domanda di semiconduttori.

Inoltre, l'epidemia in Europa e negli Stati Uniti non è ancora stata completamente debellata e fattori come le incerte prospettive per le relazioni commerciali sino-americane hanno spinto i produttori di chip ad aumentare le scorte di sicurezza. La combinazione di molteplici fattori ha fatto sì che l'offerta di capacità produttiva delle fonderie di wafer superasse la domanda, e la capacità produttiva di wafer da 8 pollici dei principali produttori è prossima alla piena capacità. Tra le aziende più avanzate al mondo, Huahong Hongli ha registrato un tasso di utilizzo della capacità produttiva superiore al 100% nel terzo trimestre del 2020, e anche UMC e SMIC hanno raggiunto un elevato livello del 95%.

Il periodo in cui la capacità produttiva globale di nuovi wafer raggiungerà la piena capacità è concentrato principalmente tra il 2023 e il 2025, e sarà difficile risolvere la carenza di capacità produttiva nel breve termine. Dal punto di vista della capacità produttiva globale, secondo i dati di ICInsights, si prevede che la nuova capacità produttiva mondiale di wafer (equivalenti a 8 pollici) sarà di circa 17.9 milioni di pezzi nel 2020, e di 20.8 milioni di pezzi nel 2021. Tuttavia, a causa dell'acquisto di apparecchiature, del collaudo, della verifica da parte dei clienti e di altri fattori, il periodo di avvio della capacità produttiva degli impianti di produzione di wafer è relativamente lungo, in genere dai 3 ai 5 anni. Si prevede che questa parte della nuova capacità produttiva raggiungerà la piena capacità tra il 2023 e il 2025, rendendo difficile risolvere la carenza di capacità produttiva nel breve termine.

La capacità produttiva nazionale di semiconduttori in fase di costruzione equivale a circa 27.96 milioni di wafer da 8 pollici all'anno, la maggior parte dei quali entrerà in produzione nel 2022. Tuttavia, considerando che ci sarà ancora un lungo periodo di avvio della produzione dopo l'entrata in funzione delle nuove linee di produzione, sarà difficile alleviare la carenza di capacità produttiva nel breve termine. Secondo le nostre statistiche incomplete, l'attuale capacità produttiva nazionale di semiconduttori è di circa 2.88 milioni di pezzi/mese (equivalenti a wafer da 8 pollici, inclusi wafer a base di silicio e wafer a base di semiconduttori composti), e la capacità produttiva totale nazionale di semiconduttori in fase di costruzione è di circa 2.33 milioni di pezzi/mese (27.96 milioni di pezzi/anno). La maggior parte delle nuove linee di produzione entrerà in funzione nel 2022. Tuttavia, considerando che ci sarà ancora un periodo di avvio della capacità produttiva di 3-5 anni dopo l'entrata in funzione delle nuove linee di produzione, non sarà possibile raggiungere la piena produzione in tempi brevi. Si prevede che, nel breve termine, sarà ancora difficile alleviare la carenza di capacità produttiva.

Si stima che entro il 2025 il numero di wafer da 8 pollici necessari a livello globale per i moduli IGBT di grado automobilistico raggiungerà 1.69 milioni, con un incremento di 5.4 volte rispetto al 2020. Attualmente, sul mercato esistono due tipi di veicoli elettrici: a motore singolo e a doppio motore. Al momento, i veicoli a nuova energia più diffusi utilizzano una configurazione a motore singolo. Tuttavia, con il miglioramento delle tecnologie di produzione dei veicoli a nuova energia in futuro, aumenterà il tasso di diffusione dei veicoli a nuova energia a doppio motore, in grado di offrire prestazioni superiori.

Nei veicoli a energia alternativa, ogni motore utilizza un inverter e ogni inverter utilizza un modulo IGBT. Viste le eccellenti prestazioni dei motori duali, si prevede che il loro tasso di penetrazione raggiungerà il 20% nel 2025. Si stima che nel 2025 il mondo avrà bisogno di assemblare moduli IGBT per 12 milioni di veicoli elettrici e 14.4 milioni di motori. Attualmente, da 10 a 18 chip IGBT sono confezionati in un singolo modulo IGBT per uso automobilistico (il numero di chip varia a seconda dei diversi livelli di tensione dei moduli IGBT). Calcolando una media di 15,216 milioni di chip IGBT, si prevede che ogni wafer da 8 pollici può contenere circa 128 chip IGBT, e che la domanda globale di wafer da 8 pollici per i soli moduli IGBT per uso automobilistico raggiungerà 1.69 milioni di pezzi nel 2025, con un aumento di 5.4 volte rispetto al 2020.

L'aumento dei prezzi dei wafer si è ripercosso lungo tutta la catena industriale e il boom dei semiconduttori continua a crescere. La domanda finale è in costante aumento, la capacità produttiva delle fonderie esistenti è già al massimo e non è possibile incrementarla rapidamente nel breve termine. La contraddizione tra domanda e offerta ha determinato un aumento dei prezzi dei wafer prodotti dalle fonderie.

TSMC ha annullato lo sconto del 3% per la fonderia di wafer da 12 pollici destinato ai principali clienti. UMC ha progressivamente aumentato il prezzo della fonderia di wafer da 8 pollici, per poi estendere l'aumento anche a quella dei wafer da 12 pollici. L'aumento dei prezzi di fonderia si è immediatamente ripercosso sui produttori nella parte inferiore della catena di fornitura, con la maggior parte di essi che ha incrementato i prezzi di oltre il 10%. Tra questi, Renesas Electronics ha annunciato aumenti di prezzo per alcuni prodotti analogici e di potenza compresi tra il 15% e il 100%. Approfittando dell'aumento dei prezzi dei prodotti, aziende come Infineon hanno allungato i tempi di consegna. Si prevede che la prosperità della filiera dei semiconduttori continuerà a crescere.

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