이번 주, 중국의 첨단 IGBT 양산 소식이 큰 주목을 받았습니다. 7월 7일, 즈신 반도체(Zhixin Semiconductor)가 자동차용 IGBT 모듈 양산에 성공했습니다. 이는 동풍기업(Dongfeng Corporation)과 CRRC가 전략적 협력을 통해 설립한 즈신 반도체의 첫 번째 결실입니다.

보도에 따르면 이번에 생산에 들어간 IGBT 모듈은 우수한 방열 및 전자기 간섭 방지 기능을 갖추고 있어 자동차용 제품의 높은 신뢰성 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이로써 중국 신에너지 자동차 업체들은 또 다른 선택지를 확보하게 되었으며, 국내 자동차 전력 반도체 공급망의 경쟁력이 강화되었습니다.

최근 즈신 반도체뿐만 아니라 지난 6월과 7월 초, 한 달 남짓한 기간 동안 중국산 IGBT 칩과 모듈, 특히 자동차용 제품에서 집단적인 생산량 증가 현상이 나타나고 있다.

지난 6월, 화홍(Huahong)과 스타 반도체(Star Semiconductor)는 전략적 협력 계약을 체결했다. 양사는 공동 개발한 고출력 자동차용 12인치 IGBT 칩이 양산에 성공하고, 최종 자동차 제조사의 제품 검증을 통과했으며, 자동차 애플리케이션으로 대표되는 전력 소자 시장에 본격적으로 진출했다고 공동 발표했다.

실란마이크로는 6월 21일 자회사인 청두 지지아 테크놀로지(Chengdu Jijia Technology Co., Ltd.)를 통해 "자동차 및 산업용 전력 모듈 및 전력 집적 소자 패키징 생산 라인 건설 프로젝트 1단계"에 투자할 계획이라고 발표했습니다. 총 투자액은 7억 5,800만 위안이며, 건설 기간은 2년, 생산 기간은 2년입니다. 가동 후에는 IGBT 모듈을 주력 제품으로 생산할 예정입니다.

6월 23일, 선킹 테크놀로지(Sunking Technology)의 첫 번째 IGBT 생산 라인이 공식적으로 완공되어 가동을 시작했으며, 시험 생산 단계에 진입했습니다. 선킹 테크놀로지는 IGBT 프로젝트를 통해 IGBT 칩 후면 공정 생산 라인 2개와 IGBT 모듈 패키징 및 테스트 생산 라인 5개를 추가로 구축할 계획입니다. 완공 후 연간 생산 능력은 200만 개의 IGBT 모듈 제품에 이를 것으로 예상됩니다. 선킹 테크놀로지의 IGBT 제품은 600V에서 1700V에 이르는 중저전압 분야를 아우르며, 전기 자동차, 태양광 및 풍력 발전, 산업용 주파수 변환 등의 시장을 목표로 하고 있습니다.

윙텍 테크놀로지는 7월 5일 네덜란드 자회사 넥스페리아를 통해 영국 반도체 제조업체 뉴포트 웨이퍼 팹(Newport Wafer Fab)의 모든 주식을 인수한다고 발표했습니다. 1982년에 설립된 뉴포트 웨이퍼 팹은 주로 자동차용 고효율 전력 반도체를 생산합니다. 넥스페리아는 자동차 칩 및 부품 분야의 주요 제조업체입니다. 이번 인수에 대해 윙텍 테크놀로지의 장쉐정 회장은 뉴포트 인수를 통해 넥스페리아의 자동차용 IGBT, MOSFET, 아날로그 및 화합물 반도체 역량을 효과적으로 강화할 수 있을 것이라고 밝혔습니다.

공장 개설, 대량 생산 개시, 인수합병 등 어떤 형태든 이들 제조업체는 자동차용 IGBT 제품 시장에 집중하고 있으며, 이는 해당 시장의 인기를 반영합니다.

IGBT에 대한 강력한 수요

향후 몇 년 안에 전기차 판매 성장률은 50%를 넘어설 것으로 예상됩니다. 정책 지원과 판매 보조금에 힘입어 전 세계 및 중국의 신에너지 전기차 판매 연평균 복합 성장률은 32%에 달할 것으로 전망되며, 이는 관련 반도체 및 전자 산업 사슬의 급속한 발전을 견인할 것입니다. 자동차는 반도체 산업 발전을 이끄는 세 가지 주요 동력(5G, 사물인터넷, 자동차 전자 장치) 중 하나라는 것은 부인할 수 없는 사실입니다.

자동차 분야에서 전력 반도체 사용량은 MCU 다음으로 많으며, 시장 점유율 또한 매우 높습니다.

신에너지 자동차에 사용되는 새로운 반도체의 대부분은 전력 반도체입니다. 기존 자동차에서는 전력 반도체가 주로 시동, 발전, 안전 장치 등의 분야에 사용되며, 기존 자동차에 사용되는 전체 반도체의 20%를 차지합니다. 차량 한 대당 전력 반도체의 가격은 약 60달러입니다.

신에너지 자동차는 일반적으로 고전압 회로를 사용하기 때문에 배터리에서 고전압이 출력될 때 빈번한 전압 변환이 필요합니다. 이때 DC-DC 컨버터와 같은 전압 변환 회로의 소비 전력이 크게 증가합니다. 또한, DC-AC 인버터, 변압기, 컨버터 등도 다량으로 필요하게 됩니다. 이로 인해 IGBT, MOSFET, 다이오드와 같은 반도체 소자에 대한 수요도 크게 증가했습니다. 따라서 자동차 전자 시스템용 전력 소자에 대한 수요가 급증했습니다.

맥킨지 통계에 따르면 순수 전기차의 반도체 비용은 704달러로, 기존 내연기관 차량의 350달러에 비해 두 배나 높습니다. 그중 전력 소자 비용이 387달러에 달해 전체 비용의 55%를 차지합니다. 순수 전기차에 새롭게 추가되는 반도체 비용은 기존 내연기관 차량 대비 전력 소자 비용이 약 269달러로, 전체 비용의 76%를 차지합니다.

신에너지 전기차의 발전 및 송전 과정은 가솔린 엔진 차량과는 상당히 다르며, 빈번한 전압 변환과 DC-AC 변환이 필요합니다. 또한, 순수 전기차의 주행거리에 대한 높은 요구로 인해 전력 관리 요구사항이 더욱 정교해졌습니다. 이러한 이유로 IGBT, MOSFET, 다이오드와 같은 전력 개별 소자에 대한 수요가 기존 차량보다 훨씬 높습니다. 자동차 산업의 수요 증가에 힘입어 IGBT 시장은 폭발적인 성장을 경험할 것으로 예상됩니다.

자동차 전력 모듈(현재 주류는 IGBT)은 차량 전기 구동 시스템의 핵심 성능을 결정하며, 모터 인버터 비용의 40% 이상을 차지하는 핵심 부품입니다.

IGBT는 모터 드라이버 비용의 약 3분의 1을 차지하고, 모터 드라이버는 차량 전체 비용의 약 15~20%를 차지합니다. 다시 말해, IGBT는 차량 전체 비용의 5~7%를 차지하는 셈입니다.

기술적인 측면에서 IGBT 칩은 PT에서 NPT, 그리고 FS로의 업그레이드를 포함한 일련의 반복적인 과정을 거쳐 칩을 더 얇게 만들고 열 저항을 줄이며 Tj를 향상시켰습니다. IEGT, CSTBT, MPT의 도입은 Vce를 지속적으로 낮추고 전력 밀도를 높였습니다. 또한 표면 금속 및 패시베이션 층 최적화를 통해 자동차의 높은 신뢰성 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 IGBT는 RC-IGBT의 등장이나 FWD와 IGBT를 통합한 설계와 같은 구조적 혁신을 거듭해 왔으며, 전류 및 온도 센서 통합과 같은 기능적 통합도 이루어지고 있습니다.

IGBT는 자동차 모터 제어 시스템에 널리 사용됩니다. 현재 자동차 모터 제어 시스템에는 수십 개의 IGBT가 필요합니다. 테슬라를 예로 들면, 테슬라의 후륜 3상 AC 비동기 모터는 상당 28개의 IGBT, 총 84개의 IGBT를 사용합니다. 모터의 다른 부분에 사용되는 IGBT까지 포함하면 테슬라는 총 96개의 IGBT(듀얼 모터용 36개와 전륜 모터용 36개)를 사용합니다. 개당 4~5달러로 계산하면 듀얼 모터용 IGBT 하나의 가격은 약 650달러입니다.

SiC MOSFET은 IGBT보다 발전된 기술이며 시장 개발 잠재력이 높습니다(테슬라는 이미 SiC MOSFET을 채택했고, 니오도 잇따라 채택할 예정입니다). 그러나 현재 SiC 전력 소자에는 몇 가지 문제점이 남아 있는데, 구체적으로는 낮은 수율과 높은 비용, SiC와 SiO2 계면에서의 잦은 결함, 게이트 산화막의 장기 신뢰성 문제, 그리고 SiC MOSFET의 장기 신뢰성 데이터 부족 등이 있습니다.

또한, SiC 소자의 전류 용량은 낮지만 가격이 너무 높다는 단점이 있습니다. 동일 수준의 SiC MOSFET 칩 가격은 실리콘 기반 IGBT보다 8~12배 비쌉니다. 전력 소비 측면에서 보면, SiC MOSFET은 실리콘 기반 IGBT보다 먼저 켜지고 IGBT보다 나중에 꺼집니다. IGBT는 ZVS(제로 전압 스위칭)를 구현할 수 있어 손실을 크게 줄일 수 있습니다.

전반적으로 IGBT의 전기적 특성은 SiC MOSFET 칩의 약 90%에 달하는 반면, 비용은 SiC MOSFET의 25% 수준입니다. 따라서 SiC 및 실리콘 하이브리드 스위치 모듈은 시장에서 큰 응용 가능성을 지니고 있지만, 순수 SiC 소자가 자동차 전력 시스템에 보편화되기까지는 시간이 걸릴 것입니다. IGBT는 여전히 시장을 주도하는 핵심 기술입니다.

중국 시장은 성장하고 있습니다.

중국은 신에너지 자동차의 가장 중요한 시장 중 하나이며, 중국에서의 신에너지 자동차 판매량은 전 세계 판매량의 절반 이상을 차지합니다.

이러한 시장 상황 속에서 주요 국제 반도체 제조업체들은 국내 자동차 OEM 업체들과 전략적 파트너십을 구축해 왔습니다. 예를 들어, 2018년 3월 SAIC와 인피니언은 합작 회사인 SAIC 인피니언 반도체(SAIC Infineon Semiconductor)를 설립했습니다. SAIC 인피니언 반도체는 IGBT 모듈 패키징 사업에 집중하여 SAIC를 비롯한 국내 신에너지 자동차 제조업체들을 대상으로 연간 100만 세트의 생산 능력을 달성하는 것을 목표로 하고 있는 것으로 알려져 있습니다.

또한, 윙텍 테크놀로지는 자동차 전력 반도체 분야에서 풍부한 경험을 보유한 넥스페리아의 지분 과반수를 인수했습니다. 넥스페리아는 제품의 50% 이상을 자동차 분야에 사용하고 있으며, 향후 중국 본토에서 생산을 점진적으로 확대할 계획입니다.

자동차용 반도체의 경쟁 구도와 해외 제조업체의 발전 역사를 비교해 보면, 중국 국내 제조업체는 크게 두 가지 발전 경로를 밟아왔습니다. 하나는 전통적인 반도체 분야에서 인수합병을 통해 기술과 고객 기반을 확보하는 것이고, 다른 하나는 신에너지 자동차용 전력 반도체와 스마트 자동차 칩을 개발하는 것입니다.

전기차 보급 확대는 자동차용 반도체 시장에 새로운 수요를 가져왔을 뿐만 아니라, 국내 자동차용 반도체 제조업체들에게도 많은 기회를 제공했습니다. 현재 BYD, CRRC, 실란마이크로일렉트로닉스, 그리고 앞서 언급한 업체들을 비롯한 점점 더 많은 국내 업체들이 신에너지 자동차용 전력 반도체 개발에 박차를 가하고 있습니다.

하지만 중국의 국내 자동차 전력 반도체 제조업체들은 여전히 ​​상대적으로 취약하고 시장 점유율도 낮습니다. 단기간 내에 주요 국제 제조업체들과 실질적인 경쟁 관계를 구축하기는 어려울 것이며, 지속적인 성장이 필요합니다.

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