Questa settimana, una notizia riguardante la produzione di massa di IGBT all'avanguardia in Cina ha attirato molta attenzione. Il 7 luglio, Zhixin Semiconductor ha avviato la produzione di massa dei suoi moduli IGBT per il settore automobilistico. Questo è il primo risultato concreto della cooperazione strategica tra Dongfeng Corporation e CRRC per la creazione di Zhixin Semiconductor Company.

Secondo quanto riportato, il modulo IGBT messo in produzione questa volta presenta una buona dissipazione del calore e resistenza alle interferenze elettromagnetiche, ed è in grado di soddisfare gli elevati requisiti di affidabilità dei prodotti per il settore automobilistico. Di conseguenza, le aziende cinesi di veicoli a energia alternativa hanno a disposizione un'ulteriore opzione, rafforzando la filiera locale dei semiconduttori di potenza per il settore automobilistico.

Di recente, non solo Zhixin Semiconductor, ma anche tra giugno e inizio luglio, in poco più di un mese, sono apparsi invariabilmente chip e moduli IGBT cinesi, soprattutto per il settore automobilistico, a testimonianza di una vera e propria esplosione di domanda.

A giugno, Huahong e Star Semiconductor hanno firmato un accordo di cooperazione strategica. Entrambe le parti hanno annunciato congiuntamente che il chip IGBT da 12 pollici ad alta potenza per applicazioni automobilistiche, sviluppato congiuntamente, ha raggiunto la produzione di massa, ha superato le verifiche di prodotto da parte delle case automobilistiche e ha fatto ampio ingresso nel mercato delle unità di potenza, in particolare nel settore automobilistico.

Il 21 giugno, Silan Micro ha annunciato, tramite la sua controllata Chengdu Jijia Technology Co., Ltd., l'intenzione di investire nella costruzione della "Prima fase del progetto per la realizzazione di una linea di produzione di moduli di potenza e dispositivi di potenza integrati per il settore automobilistico e industriale". L'investimento totale per il progetto ammonta a 758 milioni di yuan. La durata della costruzione è di 2 anni, a cui si aggiungeranno altri 2 anni per la fase di produzione. Una volta avviata la produzione, i moduli IGBT saranno i prodotti principali.

Il 23 giugno, la prima linea di produzione di IGBT di Sunking Technology è stata ufficialmente completata e messa in funzione, entrando così nella fase di produzione di prova. Secondo quanto riportato, il progetto IGBT dell'azienda prevede la costruzione di 2 linee di produzione per il processo di lavorazione del retro del chip IGBT e 5 linee di produzione per il confezionamento e il collaudo dei moduli IGBT. Una volta completata, la capacità produttiva annua raggiungerà i 2 milioni di moduli IGBT. Le applicazioni dei prodotti IGBT copriranno i settori della media e bassa tensione, da 600V a 1700V, con particolare attenzione a mercati quali veicoli elettrici, energia eolica fotovoltaica e conversione di frequenza industriale.

Il 5 luglio, Wingtech Technology ha annunciato l'acquisizione di tutte le azioni del produttore britannico di semiconduttori Newport Wafer Fab tramite la sua filiale olandese Nexperia. Fondata nel 1982, Newport Wafer Fab produce principalmente semiconduttori di potenza ad alta efficienza energetica per il settore automobilistico. Nexperia è un importante produttore di chip e componenti per il settore automobilistico. In merito all'acquisizione, Zhang Xuezheng, presidente di Wingtech Technology, ha affermato che l'integrazione di Newport rafforzerà significativamente le capacità di Nexperia nel settore dei semiconduttori IGBT, MOSFET, analogici e compositi per applicazioni automotive.

Che si tratti dell'apertura di stabilimenti, dell'avvio della produzione di massa o di fusioni e acquisizioni, questi produttori si stanno concentrando sul mercato dei prodotti IGBT per il settore automobilistico, a testimonianza della popolarità di tale mercato.

Forte domanda di IGBT

Nei prossimi anni, si prevede che il tasso di crescita delle vendite di veicoli elettrici supererà il 50%. Grazie al sostegno politico e ai sussidi alle vendite, si prevede che il tasso di crescita annuo composto delle vendite globali e cinesi di veicoli elettrici a nuova energia raggiungerà il 32%, il che stimolerà il rapido sviluppo delle relative filiere industriali dei semiconduttori e dell'elettronica. È innegabile che il settore automobilistico sia uno dei tre motori trainanti dello sviluppo dell'industria dei semiconduttori (5G, Internet delle cose ed elettronica automobilistica sono considerati i tre principali motori che guideranno lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori nella prossima fase).

Nel settore automobilistico, l'utilizzo dei semiconduttori di potenza è secondo solo a quello dei microcontrollori (MCU), e la loro quota di mercato è enorme.

La maggior parte dei nuovi semiconduttori utilizzati nei veicoli a energia alternativa è costituita da semiconduttori di potenza. Nelle automobili tradizionali, i semiconduttori di potenza sono utilizzati principalmente in settori quali l'avviamento, la generazione di energia e la sicurezza, rappresentando il 20% del totale dei semiconduttori presenti nelle automobili tradizionali. Il valore di un singolo veicolo è di circa 60 dollari USA.

Poiché i veicoli a energia alternativa utilizzano generalmente circuiti ad alta tensione, quando la batteria eroga un'alta tensione, è necessaria una frequente conversione di tensione. In questo contesto, il consumo di circuiti di conversione di tensione (DC-DC) aumenta significativamente. Inoltre, è richiesto anche un gran numero di inverter DC-AC, trasformatori, convertitori, ecc. Anche la domanda di dispositivi a semiconduttore come IGBT, MOSFET e diodi è aumentata notevolmente. Tutto ciò ha determinato un forte incremento della domanda di dispositivi di potenza nei sistemi elettronici automobilistici.

Secondo le statistiche di McKinsey, il costo dei semiconduttori per i veicoli elettrici puri è di 704 dollari, il doppio rispetto ai 350 dollari dei veicoli tradizionali. Di questi, il costo dei dispositivi di potenza ammonta a ben 387 dollari, pari al 55%. Rispetto ai veicoli tradizionali, il costo dei nuovi semiconduttori per i veicoli elettrici puri è di circa 269 dollari, ovvero il 76% dei nuovi costi.

Il processo di generazione e trasmissione di energia dei veicoli elettrici è molto diverso da quello dei motori a benzina, richiedendo frequenti conversioni di tensione e conversioni da corrente continua a corrente alternata. Inoltre, l'elevata autonomia richiesta dai veicoli puramente elettrici ha reso più stringenti i requisiti di gestione dell'energia. Queste esigenze in termini di dispositivi di potenza discreti come IGBT, MOSFET e diodi sono molto più elevate rispetto a quelle dei veicoli tradizionali. Spinta dalla domanda del settore automobilistico, la tecnologia IGBT è destinata a una crescita esponenziale.

I moduli di potenza per autoveicoli (attualmente la tecnologia più diffusa è l'IGBT) determinano le prestazioni chiave del sistema di trazione elettrica del veicolo e rappresentano oltre il 40% del costo dell'inverter del motore, che ne costituisce il componente principale.

Gli IGBT rappresentano circa un terzo del costo del driver del motore, e il driver del motore rappresenta circa il 15-20% del costo totale del veicolo. In altre parole, gli IGBT rappresentano il 5-7% del costo totale del veicolo.

A livello tecnico, i chip IGBT hanno attraversato una serie di processi iterativi, tra cui gli aggiornamenti da PT a NPT e poi a FS, che hanno reso il chip più sottile, ridotto la resistenza termica e migliorato Tj; l'introduzione di IEGT, CSTBT e MPT ha continuato a ridurre Vce e ad aumentare la densità di potenza; grazie all'ottimizzazione del metallo di superficie e dello strato di passivazione, è possibile soddisfare gli elevati requisiti di affidabilità del settore automobilistico.

Negli ultimi anni, gli IGBT hanno subito innovazioni strutturali, come l'emergere degli RC-IGBT e di progetti che integrano FWD e IGBT; inoltre, si sono registrate anche integrazioni funzionali, come i sensori di corrente e temperatura integrati.

Gli IGBT sono ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo dei motori automobilistici. Attualmente, tali sistemi richiedono decine di IGBT. Prendendo Tesla come esempio, il motore asincrono trifase a corrente alternata posteriore utilizza 28 IGBT per fase, per un totale di 84 IGBT. Includendo gli IGBT presenti in altre parti del motore, Tesla ne utilizza un totale di 96 (i due motori più 36 per il motore anteriore). Calcolando un prezzo unitario di 4-5 dollari, il valore di un IGBT per due motori si aggira intorno ai 650 dollari.

Sebbene i MOSFET in SiC siano più avanzati degli IGBT e abbiano un buon potenziale di sviluppo del mercato (Tesla li ha già adottati e anche NIO li adotterà a breve), al momento persistono alcuni problemi nei dispositivi di potenza in SiC, che si manifestano in particolare in: bassa resa e costi elevati; presenza di numerosi difetti all'interfaccia tra SiC e SiO2, con conseguenti problemi di affidabilità a lungo termine dell'ossido di gate; mancanza di dati sull'affidabilità a lungo termine dei MOSFET in SiC.

Inoltre, la capacità di trasporto di corrente dei dispositivi SiC è bassa, ma il costo è troppo elevato. Il costo dei chip MOSFET SiC dello stesso livello è da 8 a 12 volte superiore a quello degli IGBT a base di silicio. In termini di consumo energetico, il MOSFET SiC viene acceso prima dell'IGBT a base di silicio e spento dopo l'IGBT. L'IGBT può realizzare la commutazione a tensione zero (ZVS), che può ridurre significativamente le perdite.

Nel complesso, le caratteristiche elettriche degli IGBT si avvicinano al 90% di quelle dei MOSFET in SiC, mentre il costo è pari al 25% di quello dei MOSFET in SiC. Pertanto, i moduli di commutazione ibridi in SiC e silicio avranno ottime prospettive di applicazione sul mercato, ma ci vorrà del tempo prima che i dispositivi in ​​puro SiC si diffondano nei sistemi di alimentazione automobilistici. Gli IGBT rimangono tuttora la tecnologia dominante sul mercato.

Il mercato cinese è in crescita

La Cina è uno dei mercati più importanti per i veicoli a energia alternativa, con vendite che rappresentano oltre la metà delle vendite globali.

In questo contesto di mercato, i principali produttori internazionali di semiconduttori hanno stretto partnership strategiche con i produttori automobilistici nazionali. Ad esempio, nel marzo 2018, SAIC e Infineon hanno costituito una joint venture, SAIC Infineon Semiconductor Company. Secondo quanto riportato, SAIC Infineon Semiconductor si concentra sul settore del packaging dei moduli IGBT, con l'obiettivo di servire SAIC e altri produttori nazionali di veicoli a energia alternativa, e prevede di raggiungere una capacità produttiva annua di 1 milione di unità.

Inoltre, Wingtech Technology ha acquisito una partecipazione di controllo in Nexperia, azienda con una solida esperienza nel settore dei dispositivi semiconduttori di potenza per il settore automobilistico. Oltre il 50% dei suoi prodotti è utilizzato in questo settore. Secondo i piani, Nexperia espanderà gradualmente la produzione nella Cina continentale.

Confrontando il panorama competitivo dei semiconduttori per il settore automobilistico e la storia dello sviluppo dei produttori stranieri, i produttori cinesi seguono principalmente due percorsi di sviluppo: il primo consiste nell'acquisire tecnologia e risorse di clienti tramite acquisizioni nel settore tradizionale dei chip; il secondo nello sviluppare semiconduttori di potenza per veicoli a energia alternativa e chip per auto intelligenti.

Se da un lato l'elettrificazione ha generato una nuova domanda nel mercato dei semiconduttori per il settore automobilistico, dall'altro ha anche offerto numerose opportunità ai produttori nazionali di semiconduttori per auto. Attualmente, sempre più produttori nazionali stanno iniziando a sviluppare semiconduttori di potenza per veicoli a energia alternativa. Tra i produttori più rappresentativi figurano BYD, CRRC, Silan Microelectronics e quelli già menzionati.

Tuttavia, i produttori cinesi di semiconduttori di potenza per il settore automobilistico sono ancora relativamente deboli e detengono una quota di mercato piuttosto bassa. Sarà difficile instaurare in breve tempo una reale competitività con i principali produttori internazionali e necessitano quindi di continuare a crescere.

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