Półprzewodniki mocy w motoryzacji zajmują w ciągu 5 lat prawie 7 razy więcej miejsca, przy czym najwięcej korzyści przynoszą tranzystory IGBT

Dzięki wsparciu polityki oraz oszczędności energii i redukcji emisji, penetracja rynku pojazdów o nowych źródłach energii przyspiesza. Oczekuje się, że wskaźnik penetracji krajowych pojazdów o nowych źródłach energii osiągnie 20% w 2025 r., a wskaźnik penetracji pojazdów o nowych źródłach energii w UE osiągnie 40% w 2030 r. Trend elektryfikacji samochodów znacznie zwiększył wartość półprzewodników mocy stosowanych w samochodach. Według statystyk Infineon, średnia cena sprzedaży półprzewodników mocy znacznie wzrośnie z 71 USD w przypadku pojazdów o tradycyjnym napędzie do 330 USD w przypadku pojazdów hybrydowych typu plug-in/w pełni elektrycznych, co stanowi 4.6-krotność wartości pojazdów o tradycyjnym napędzie. Według naszych obliczeń, globalny rynek półprzewodników mocy dla motoryzacji ma osiągnąć 8 mld USD w 2025 r. Globalny rynek półprzewodników mocy dla pojazdów o nowych źródłach energii osiągnie 5.3 mld USD w 2025 r., 7.3-krotnie więcej niż w 2020 r., przy średniorocznej stopie wzrostu na poziomie 48.8%. W ciągu najbliższych dziesięciu lat rynek IGBT dla nowych akumulatorów do ładowania pojazdów elektrycznych w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie osiągnie wartość 9.4 mld USD. Obecnie IGBT i MOSFET są wykorzystywane głównie w samochodowych półprzewodnikach mocy. IGBT jest głównym elementem głównego falownika układu napędowego w pojazdach elektrycznych i może być stosowany w pomocniczych obwodach falownika, obwodach rozdrabniacza DC/DC, OBC (ładowanie/falownik) itp. Wartość pojedynczego pojazdu sięga 273 USD, co stanowi 83% średniej ceny sprzedaży samochodowych półprzewodników mocy, co stanowi zdecydowaną większość. Przewidujemy, że globalny rynek IGBT dla nowych pojazdów elektrycznych osiągnie 4.4 mld USD w 2025 r., ze skumulowaną roczną stopą wzrostu na poziomie około 48.8%. Jest to najbardziej korzystny rodzaj samochodowego półprzewodnika mocy w trendzie elektryfikacji.

Trzy główne bariery: produkt, proces i przewaga pierwszego gracza, tworzą silną fosę.

1) Bariery produktowe: Tranzystory IGBT klasy motoryzacyjnej muszą spełniać rygorystyczne wymagania, takie jak długa żywotność, niska awaryjność i wysoka odporność na trzęsienia ziemi. Muszą być w stanie przystosować się do trudnych warunków pracy, takich jak ekstremalnie wysokie i niskie temperatury pracy, pył oraz sole i zasady. Muszą wytrzymywać częste zmiany prądu spowodowane częstym uruchamianiem i zatrzymywaniem oraz spełniać niezwykle wysokie wymagania produktowe.

2) Bariery procesowe: Projektując tranzystory IGBT klasy motoryzacyjnej, konieczne jest zapewnienie równowagi między włączaniem i wyłączaniem, rezystancją zwarciową i spadkiem napięcia przewodzenia, a optymalizacja parametrów jest szczególnie skomplikowana. Podczas produkcji cienkich arkuszy proces jest podatny na fragmentację, a ograniczona temperatura topnienia metalu frontowego utrudnia kontrolę temperatury wyżarzania. Ponadto, wymagania techniczne dotyczące spawania i klejenia obudów modułów IGBT są również wysokie.

3) Cykl certyfikacji jest długi, koszty wymiany wysokie, a krzywa doświadczenia ma wpływ na proces. Daje to oczywiste korzyści z bycia pionierem w branży.

a) Tranzystor IGBT klasy motoryzacyjnej musi spełniać normy niezawodności, zarządzania jakością i bezpieczeństwa funkcjonalnego, aby mógł wejść do łańcucha dostaw producentów samochodów pierwszego rzędu. Okres certyfikacji wynosi zazwyczaj co najmniej 2 lata.

b) Ponieważ moduły IGBT są kluczowymi komponentami w samochodach, producenci często zachowują ostrożność przy ich wymianie ze względu na bezpieczeństwo i niezawodność. Decyzje o zakupie na dużą skalę podejmowane są dopiero po przeprowadzeniu licznych testów weryfikacyjnych i kompleksowych ocen. Koszty wymiany są wysokie.

c) Działalność w zakresie IGBT wymaga gromadzenia wieloletniego doświadczenia w celu osiągnięcia dobrego poziomu wiedzy specjalistycznej.

d) Branża IGBT jest branżą kapitałochłonną, a sprzęt do produkcji i testowania musi być zasadniczo importowany. Ponadto, zapotrzebowanie na kapitał obrotowy dla firm produkujących IGBT jest również duże. Nowi gracze często borykają się z dużymi inwestycjami i niską produkcją na wczesnym etapie. Potrzebują silnego wsparcia finansowego, aby kontynuować badania i rozwój produktów, produkcję i sprzedaż. Podsumowując, pionierskie firmy w branży IGBT mają oczywistą przewagę wynikającą z bycia pionierami.

Krajobraz konkurencyjny stał się „wysokiej jakości ścieżką” dla branż rozwijających się, jednak obecny wskaźnik lokalizacji jest nadal niski.

Według statystyk Omdia z 2019 roku, dziesięciu największych światowych producentów modułów IGBT odpowiada za 76% udziału w rynku. Udział w rynku jest skoncentrowany, a konkurencja jest dobra. Jeśli chodzi o IGBT klasy motoryzacyjnej, ze względu na wysokie bariery branżowe, udział chińskiego modułu CR4 IGBT do nowych pojazdów energetycznych wyniósł w 2019 roku 81%, co wskazuje na oligopol. Wśród nich Infineon zajmuje pierwsze miejsce z udziałem w rynku wynoszącym 58.2%, BYD zajmuje drugie miejsce z udziałem w rynku wynoszącym 18%, Mitsubishi Electric i Semikron zajmują odpowiednio trzecie i czwarte miejsce. Motoryzacyjne IGBT stały się „wysokiej jakości torem” w rozwijającej się branży dzięki szerokiej przestrzeni wzrostu i dobrej konkurencji. Jednak wśród dziesięciu największych producentów IGBT chińskich pojazdów energetycznych w 2019 roku, tylko trzech producentów krajowych – BYD, Star Semiconductor i CRRC Times Electric – znalazło się na krótkiej liście z łącznym udziałem w rynku wynoszącym 20.4%. Istnieje szerokie pole do zastąpienia produktami krajowymi.

Istnieje wiele czynników, które przyspieszają zastępowanie produktów krajowych, a krajowi producenci mają ogromny potencjał rozwoju w przyszłości.

Wiele czynników przyspiesza substytucję krajową: 1) Chiny są już największym na świecie rynkiem konsumenckim w sektorze motoryzacyjnym, a popyt na nie będzie nadal rósł w przyszłości, zapewniając dobre możliwości rozwoju krajowym producentom IGBT. 2) Wraz z nasilaniem się tarć handlowych, zapotrzebowanie na niezależne i sterowalne półprzewodniki staje się coraz bardziej pilne. 3) Krajowi producenci przejmują inicjatywę we wdrażaniu branży pojazdów o nowych źródłach energii i wykorzystują przewagę pierwszego gracza. Wraz ze wzrostem udziału krajowych producentów pojazdów o nowych źródłach energii, oczekuje się, że więcej produktów krajowych producentów półprzewodników będzie wykorzystywanych ze względu na względy bezpieczeństwa łańcucha dostaw. 4) Krajowi producenci IGBT mają lokalne atuty w zakresie usług, takie jak wysoka efektywność kosztowa i szybka reakcja, które spełniają potrzeby pojazdów o nowych źródłach energii w zakresie redukcji kosztów i zwiększenia wydajności, i oczekuje się, że zwiększą swój udział. 5) Polityczne zachęty i wsparcie finansowe pomagają krajowemu przemysłowi IGBT szybko się rozwijać. Jeśli chodzi o krajową przestrzeń rynkową, według naszych obliczeń, chiński rynek półprzewodników mocy do pojazdów elektrycznych ma osiągnąć wartość 17.7 mld juanów w 2025 r., czyli 6-krotnie więcej niż w 2020 r., przy średniorocznym tempie wzrostu do 44%. Przewiduje się, że chiński rynek IGBT do pojazdów elektrycznych osiągnie wartość 14.7 mld juanów w 2025 r., przy średniorocznym tempie wzrostu wynoszącym około 44%. W 2025 r. chiński rynek IGBT dla ogniw ładowania osiągnie wartość 10.9 mld juanów, przy średniorocznym tempie wzrostu wynoszącym 35%. Na podstawie powyższej analizy uważamy, że proces krajowej substytucji IGBT do pojazdów samochodowych przyspieszy. W połączeniu z obecnym niskim udziałem w rynku i szerokim potencjałem wzrostu branży, krajowi producenci IGBT mają ogromny potencjał wzrostu w przyszłości.

Ograniczenia w zdolnościach produkcyjnych są trudne do złagodzenia w krótkim okresie, a boom na półprzewodniki mocy nadal rośnie.

Komercyjne wykorzystanie technologii 5G i epidemia gospodarki domowej przyspieszają cyfrową transformację społeczeństwa. Rynki pojazdów elektrycznych, sprzętu AGD, urządzeń cyfrowych i innych urządzeń końcowych stają się coraz cieplejsze, co napędza popyt na półprzewodniki. Ponadto producenci półprzewodników muszą zwiększać zapasy urządzeń bezpieczeństwa ze względu na bezpieczeństwo łańcucha dostaw. Rezonans wielu czynników doprowadził do napiętych mocy produkcyjnych półprzewodników. Obecnie wszystkie główne odlewnie płytek półprzewodnikowych pracują z pełną wydajnością. Z perspektywy globalnej, ICinsight przewiduje, że świat doda 20.8 miliona ekwiwalentnych 8-calowych płytek półprzewodnikowych do 2021 roku. Z perspektywy krajowej, ekwiwalentne moce produkcyjne 8-calowych płytek półprzewodnikowych w budowie wynoszą około 27.96 miliona płytek rocznie, z których większość zostanie wprowadzona do produkcji w 2022 roku. Biorąc jednak pod uwagę, że okres rozruchu produkcji będzie wynosił około 3-5 lat po uruchomieniu nowej linii produkcyjnej, trudno jest złagodzić napięte moce produkcyjne w krótkim okresie. Korzystając z szybkiego wzrostu popytu na nowe pojazdy energetyczne i stacje ładowania, oczekuje się, że globalne zapotrzebowanie na 8-calowe wafle do modułów IGBT klasy motoryzacyjnej osiągnie 1.69 miliona sztuk w 2025 roku, co stanowi wzrost 5.4-krotny w porównaniu z rokiem 2020. Istnieje ogromna luka w popycie na produkcję wafli. Od początku roku główni producenci układów scalonych w kraju i za granicą podnieśli ceny produktów lub wydłużyli terminy dostaw. Oczekuje się, że kondycja łańcucha dostaw branży półprzewodników będzie nadal rosła.

  1    Penetracja pojazdów o nowych źródłach energii przyspiesza, a przestrzeń półprzewodników mocy samochodowych podwoiła się w ciągu 5 lat

1.1. Penetracja rynku pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii przyspiesza, a półprzewodniki mocy stosowane w motoryzacji odnotowują wzrosty zarówno pod względem ilości, jak i cen.

Wsparcie polityczne, oszczędzanie energii i redukcja emisji napędzają przyspieszony wzrost liczby pojazdów o nowych źródłach energii. W moim kraju „Plan rozwoju przemysłu pojazdów o nowych źródłach energii (2021–2035)” przedstawiono wizję rozwoju pojazdów o nowych źródłach energii. Planuje się, że do 2025 roku wskaźnik penetracji krajowych pojazdów o nowych źródłach energii osiągnie 20%.

Na arenie międzynarodowej wiele krajów europejskich przyjęło dwutorową politykę ograniczania emisji dwutlenku węgla oraz politykę dopłat do pojazdów o nowych źródłach energii, aby sprostać presji globalnego ocieplenia, a droga do elektryfikacji samochodów staje się coraz bardziej oczywista. W UE, porozumienie ACEA w sprawie emisji gazów cieplarnianych z pojazdów stanowi, że emisja dwutlenku węgla przez pojazdy musi spaść poniżej 59 gramów na kilometr do 2030 roku. Według obliczeń Infineon, wskaźnik penetracji rynku pojazdów o nowych źródłach energii w UE osiągnie 40% w 2030 roku.

Elektryfikacja doprowadziła do znacznego wzrostu wartości rowerów z półprzewodnikami mocy. Średnia cena sprzedaży półprzewodników mocy dla pojazdów elektrycznych sięga 330 USD, czyli 4.6 razy więcej niż w przypadku pojazdów z tradycyjnym napędem. Nowe pojazdy energetyczne, które wykorzystują system zasilania elektrycznego jako źródło energii, stawiają wyższe wymagania dotyczące zarządzania energią i możliwości konwersji energii przez komponenty elektroniczne.

W tradycyjnych samochodach półprzewodniki mocy są wykorzystywane głównie w układach rozruchu, generowania energii i bezpieczeństwa, a ich potrzeby eksploatacyjne zaspokajają komponenty elektroniczne niskiego napięcia i małej mocy. W pojazdach zasilanych nowymi źródłami energii, wysokie napięcie wyjściowe akumulatora wymaga częstej konwersji napięcia i prądu. Układy te znacznie zwiększyły zapotrzebowanie na półprzewodniki mocy, takie jak tranzystory IGBT i tranzystory MOSFET. Według danych firmy Infineon, zawartość półprzewodników mocy w pojazdach z tradycyjnym napędem wynosi 71 USD, a wartość półprzewodników mocy w pojazdach hybrydowych typu plug-in/elektrycznych zasilanych wyłącznie akumulatorem wynosi 330 USD, czyli 4.6 razy więcej niż w pojazdach z tradycyjnym napędem.

Globalny rynek półprzewodników mocy dla motoryzacji osiągnie wartość 8 miliardów dolarów w 2025 roku. Według Yole, globalny rynek półprzewodników mocy osiągnie wartość 22.5 miliarda dolarów w 2025 roku. Według statystyk Zhiyan Consulting, sektor motoryzacyjny stanowił 35.4% globalnego rynku półprzewodników mocy w 2019 roku. Zakładając, że proporcje te pozostaną niezmienione, oczekuje się, że globalny rynek półprzewodników mocy dla motoryzacji osiągnie wartość 7.965 miliarda dolarów w 2025 roku.

Oczekuje się, że globalny rynek półprzewodników mocy do pojazdów elektrycznych osiągnie wartość 5.3 mld USD w 2025 r., 7.3-krotnie więcej niż w 2020 r., przy średniorocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie 48.8%. Według prognozy AlixPartners, globalna sprzedaż samochodów wzrośnie z 70.5 mln sztuk w 2020 r. do 94 mln sztuk w 2025 r. EVTank przewiduje, że globalna sprzedaż pojazdów elektrycznych wzrośnie z 2.21 mln sztuk w 2019 r. do 12 mln sztuk w 2025 r. Globalny wskaźnik penetracji rynku pojazdów elektrycznych osiągnie 13% w 2025 r., co stanowi wzrost o 10.36% w porównaniu z 2019 r.

Jak wspomniano powyżej, według najnowszych statystyk firmy Infineon z 2020 roku, wartość roweru z półprzewodnikami mocy do pojazdów elektrycznych wynosi 330 dolarów amerykańskich. Biorąc pod uwagę obecne ograniczone globalne moce produkcyjne w odlewniach płytek półprzewodnikowych, oczekuje się, że cena półprzewodników mocy do pojazdów elektrycznych utrzyma się na wysokim poziomie w tym roku, a wartość roweru w przyszłości będzie stopniowo rosła wraz z trendem elektryfikacji i wzrostem penetracji rynku pojazdów z dwoma silnikami. Na podstawie powyższych danych szacujemy, że globalny rynek półprzewodników mocy do pojazdów elektrycznych osiągnie wartość 5.3 mld dolarów amerykańskich w 2025 roku, 7.3-krotnie więcej niż w 2020 roku, przy średniorocznej stopie wzrostu na poziomie 48.8%.

1.2. Globalny rynek IGBT do ładowania pojazdów dynamicznie rośnie

Liczba stacji ładowania w ważnych obiektach wspierających nowe pojazdy energetyczne będzie szybko rosnąć, napędzając popyt na IGBT, kluczowy komponent, który będzie szybko wzrastał. Wraz ze stopniowym wzrostem penetracji nowych pojazdów energetycznych, liczba stacji ładowania, które są ważnymi obiektami wspierającymi nowe pojazdy energetyczne, również musi być jednocześnie zwiększana. Według statystyk McKinsey, popyt na ładowanie nowych pojazdów energetycznych w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie wyniesie około 18 miliardów kilowatogodzin w 2020 roku. Oczekuje się, że do 2030 roku popyt na ładowanie nowych pojazdów energetycznych osiągnie 271 miliardów kilowatogodzin, przy skumulowanej rocznej stopie wzrostu na poziomie 31.2%. Szybki wzrost popytu na stacje ładowania nowych pojazdów energetycznych będzie również napędzał znaczny wzrost wykorzystania IGBT, kluczowego komponentu stacji ładowania.

Oczekuje się, że rynek stosów ładowania IGBT w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie będzie miał dodatkową przestrzeń o wartości 9.4 mld USD w ciągu dziesięciu lat od 2020 do 2030 roku. Według szacunków McKinsey, Chiny, Stany Zjednoczone i Unia Europejska muszą zainwestować odpowiednio 19 mld USD/11 mld USD/17 mld USD w dekadzie 2020-2030, aby zbudować 20 mln/20 mln/25 mln nowych stosów ładowania pojazdów elektrycznych, aby wypełnić lukę w zapotrzebowaniu na ładowanie nowych pojazdów elektrycznych. W przypadku pojedynczego stosu ładowania, IGBT stanowi około 20% całkowitych kosztów. Z tego możemy wywnioskować, że rynek IGBT dla nowych stosów ładowania pojazdów elektrycznych w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie będzie miał dodatkową przestrzeń o wartości 9.4 mld USD w ciągu następnych dziesięciu lat.

  2  Spośród półprzewodników mocy samochodowych, IGBT oferuje najwięcej korzyści

IGBT i MOSFET to główne elementy półprzewodników mocy stosowanych w motoryzacji. IGBT ma cztery różne zastosowania w samochodach. Pierwsze z nich stanowi główny element falownika głównego. Falownik główny przekształca prąd stały z akumulatora na prąd przemienny, napędzając silnik samochodu; drugie jest wykorzystywane w pomocniczym obwodzie falownika do zasilania innych podzespołów elektronicznych w samochodzie; trzecie jest wykorzystywane w obwodzie przetwornicy DC/DC do generowania prądów o różnym napięciu; czwarte jest wykorzystywane w układzie ładowania/falownika (OBC) do przekształcania zewnętrznego prądu przemiennego na prąd stały, który ładuje akumulator pojazdu zasilanego energią elektryczną.

W samochodach o niskim stopniu elektryfikacji, ze względu na niskie napięcie wyjściowe akumulatora i niski zakres mocy urządzeń zasilających, tranzystory MOSFET mogą zastąpić pomocniczy obwód falownika, obwód siekacza DC/DC DC i tranzystory IGBT w oprogramowaniu pokładowym (OCB), co pozwala kontrolować koszty.

2.1. IGBT jest głównym urządzeniem układu napędowego silnika pojazdu o nowej energii.

Dzięki swojej doskonałej wydajności, jest to podstawowy element półprzewodników mocy w pojazdach elektrycznych. IGBT to skrót od InsulatedGateBipolarTransistor, czyli tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką. Jest to kompozytowy element półprzewodnikowy mocy składający się z tranzystora bipolarnego (BJT) i tranzystora MOSFET. Łączy on zalety tranzystora MOSFET: dużą szybkość przełączania, wysoką impedancję wejściową, małą moc sterowania, prosty układ sterowania, małe straty przełączania oraz niskie napięcie przewodzenia, duży prąd w stanie przewodzenia i małe straty tranzystora BJT. W pojazdach elektrycznych moduły IGBT są stosowane głównie w falownikach dużej mocy do zamiany prądu stałego na prąd przemienny, napędzający silnik pojazdu; są one również stosowane w falownikach zasilania pomocniczego do zasilania samochodowych urządzeń elektronicznych, takich jak klimatyzatory samochodowe.

Tranzystory IGBT można podzielić na tranzystory jednorurowe IGBT, moduły IGBT oraz inteligentne moduły IPM, w zależności od środowiska aplikacji. Tranzystor jednorurowy IGBT to tranzystor bipolarny z izolowaną bramką i kanałem N, który przewodzi cały obwód, dostarczając prąd bazy do tranzystora PNP. Ze względu na niewielki prąd wyjściowy, zazwyczaj poniżej 100 A, jego moc wyjściowa jest niska. Jednak obwód zewnętrzny tranzystora jednorurowego IGBT jest złożony i trudny do zabudowy, co odzwierciedla poziom technologii i procesów stosowanych przez producenta.

Moduł IGBT to modułowy produkt półprzewodnikowy składający się z układu IGBT i diody FWD (szybkiej diody) umieszczonych w specjalnym mostku. W module zintegrowano wiele układów scalonych, umieszczonych w obudowie z izolacją. Jego bezpieczeństwo i niezawodność zostały znacząco zwiększone, a sam moduł jest lepiej przystosowany do pracy w warunkach wysokiego napięcia i prądu. Inteligentny moduł IPM integruje układy IGBT, obwody sterujące i obwody zabezpieczające w jednym module. Dzięki funkcjom autodiagnostyki i ochrony, jest on bardziej inteligentny niż zwykłe moduły IGBT i jest często stosowany w domowych urządzeniach z konwersją częstotliwości.

Obecnie Infineon IGBT rozwija siódmą generację produktów, a krajowi producenci stopniowo doganiają światowy poziom zaawansowania. W ciągu ponad 30 lat, od 1988 do 2019 roku, Infineon wprowadził na rynek łącznie 7 generacji produktów IGBT. Poziom techniczny ewoluował w kierunku zmniejszenia powierzchni chipa, szerokości linii produkcyjnej, spadku napięcia nasycenia w stanie włączenia, czasu wyłączenia, strat mocy oraz zwiększenia napięcia w stanie wyłączenia. Chociaż krajowy rynek IGBT jest obecnie zdominowany przez firmy zagraniczne, dzięki ciągłym inwestycjom w badania i rozwój ze strony krajowych producentów, technologia produktów nadal dogania światowy poziom zaawansowania.

Przykładowo, układ IGBT drugiej generacji niezależnie opracowany przez Star Semiconductor jest testowany w oparciu o układ IGBT szóstej generacji firmy Infineon (FS-Trench) i został wprowadzony do masowej produkcji w 2016 r. W sumie w 2019 r. zmontowano 160 000 zestawów modułów IGBT klasy motoryzacyjnej; produkty IGBT4.0 firmy BYD charakteryzują się niższymi stratami przełączania, większymi możliwościami wyjściowymi prądu i dłuższą żywotnością cyklu temperaturowego niż powszechnie dostępne na rynku układy IGBT czwartej generacji firmy Infineon.

Globalny rynek IGBT pojazdów o nowej energii osiągnie 4.4 mld USD w 2025 r., przy CAGR na poziomie 48.8%. Według danych Yole, globalna wartość rynku IGBT pojazdów o nowej energii wyniosła 600 mln USD w 2019 r. Dane EVSalesBlog ogłosiły, że globalna sprzedaż hybrydowych pojazdów typu plug-in i pojazdów elektrycznych zasilanych wyłącznie akumulatorem w 2019 r. wyniosła około 2.2 mln. Z tego można wywnioskować, że średnia wartość rowerów IGBT wynosi 273 USD (co stanowi 83% wartości półprzewodników mocy do rowerów). Biorąc pod uwagę obecne ograniczone globalne zdolności produkcyjne odlewni płytek półprzewodnikowych, oczekuje się, że w tym roku zostaną wykorzystane półprzewodniki mocy do pojazdów o nowej energii. Ceny nadal będą utrzymywać się na wysokim poziomie, a wartość przyszłych rowerów będzie stopniowo rosła wraz ze wzrostem trendów elektryfikacji i penetracji rynku podwójnych silników. Jeśli pomnożymy to przez prognozę EVtank dotyczącą globalnej sprzedaży nowych pojazdów energetycznych w ciągu najbliższych kilku lat, szacuje się, że globalny rynek IGBT pojazdów nowych pojazdów energetycznych wzrośnie z około 600 milionów w 2020 r. do 4.4 miliarda dolarów amerykańskich w 2025 r., przy skumulowanej stopie wzrostu wynoszącej około 48.8%.

2.2.SiC ma lepszą wydajność i oczekuje się, że stanie się technologią nowej generacji

Urządzenia mocy oparte na materiałach półprzewodnikowych trzeciej generacji charakteryzują się lepszymi parametrami. W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi na bazie krzemu, materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji, reprezentowane przez GaN i SiC, charakteryzują się szerszymi przerwami energetycznymi, wyższymi polami przebicia, wyższą przewodnością cieplną, wyższymi współczynnikami nasycenia elektronów oraz wyższą odpornością na promieniowanie, a także są bardziej odpowiednie do produkcji urządzeń wysokotemperaturowych, wysokoczęstotliwościowych, odpornych na promieniowanie i dużej mocy.

Według danych Infineon, falowniki z materiału SiC są odpowiednio 3 razy i 4 razy mniejsze pod względem objętości i wagi niż falowniki z materiału Si; dane Rohma pokazują, że w praktyce częstotliwość przełączania tranzystorów SiCMOSFET może sięgać ponad 50 kHz (podczas gdy główna częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT wynosi do 20 kHz), a straty energii są o 73% niższe niż w przypadku tranzystorów IGBT z SiC. Tranzystory MOSFET z SiC charakteryzują się wyższą wydajnością i mniejszymi rozmiarami niż tranzystory IGBT.

Niektóre modele z wyższej półki wykorzystują tranzystory MOSFET oparte na węgliku krzemu (SiC), co ma stać się przyszłym kierunkiem rozwoju. Tesla Model 3 to pierwszy model z pełnym modułem zasilania SiC. Został on ukończony przez dział projektowania inżynieryjnego Tesli we współpracy z STMicroelectronics. Firma Infineon została również dostawcą modułów zasilania SiC do Tesli Model 3. Ponadto, wersja BYD Han EV z napędem na cztery koła stała się pierwszym krajowym modelem wyposażonym w komponenty SiCMOSFET w partiach, a jej ogólna sprawność elektronicznego sterowania SiC sięga ponad 97%.

Obecnie również krajowi producenci aktywnie wdrażają zastosowania w produkcji SiC. Na przykład, firma China Resources Micro osiągnęła masową produkcję pierwszej w Chinach komercyjnej linii produkcyjnej 6-calowych ogniw SiC w lipcu 2020 roku, z planowaną zdolnością produkcyjną 1,000 sztuk miesięcznie. Firma New Clean Energy posiada również szereg patentów związanych z półprzewodnikami trzeciej generacji i oczekuje się, że wprowadzi na rynek serię produktów z diodami SiC. W przyszłości firma skoncentruje się na zastosowaniach w pojazdach o nowej energii.

Obecnie SiC jest podatny na czynniki związane z kosztami i wydajnością, a jego powszechne wdrożenie na dużą skalę zajmie trochę czasu. Obecnie najpopularniejsze na świecie rozmiary podłoży SiC to 4 cale i 6 cali. Ze względu na małą powierzchnię płytki i niską wydajność skrawania wiórów, koszty podłoży SiC są wysokie. Niska wydajność produkcji i pakowania w kolejnych procesach sprawia, że ​​koszty urządzeń SiC pozostają wysokie.

Według danych Chińskiej Akademii Nauk, cena SiCMOSFET-ów jest czterokrotnie wyższa niż SiIGBT na tym samym poziomie. Elektroniczne urządzenia sterujące klasy motoryzacyjnej muszą spełniać bardziej rygorystyczne parametry wydajności i zapewniać stabilną pracę w ekstremalnych temperaturach i warunkach silnych wibracji. Dlatego przed wprowadzeniem do produktów końcowych, SiCMOSFET-y muszą przejść długoterminową certyfikację niezawodności. Zazwyczaj okres certyfikacji modułów IGBT klasy motoryzacyjnej wynosi około 2 lat.

  3  Trzy główne bariery: produkt, proces i przewaga pierwszego gracza budują silną fosę

3.1. Złożone środowisko pracy stawia niezwykle wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności tranzystorów IGBT klasy samochodowej.

1) Konieczność przystosowania się do „ekstremalnie wysokich” i „ekstremalnie niskich” warunków pracy w wysokich i niskich temperaturach: Tranzystory IGBT klasy samochodowej mają szeroki zakres temperatur roboczych, a różne miejsca montażu mają różne zakresy temperatur. Na przykład wymagania dotyczące komory silnika -40℃-155℃, wymagania dotyczące sterowania nadwoziem -40℃-125℃, podczas gdy konwencjonalne układy scalone i komponenty konsumenckie muszą osiągnąć jedynie temperaturę 0℃-70℃.

2) Konieczność wytrzymywania częstych zmian prądu spowodowanych częstym uruchamianiem i zatrzymywaniem: Pojazdy często muszą często ruszać i zatrzymywać się w zatłoczonych warunkach drogowych. W tym czasie prąd roboczy modułu IGBT wzmacniacza i falownika będzie odpowiednio wzrastał i spadał, co spowoduje gwałtowne zmiany temperatury złącza IGBT, co wymaga wysokiej odporności termicznej i wydajności odprowadzania ciepła.

3) Konieczność wysokiej odporności na trzęsienia ziemi: Ze względu na niepewne warunki panujące w pojazdach, takie jak góry, błoto, drogi żwirowe itp., samochodowe tranzystory IGBT mogą być narażone na silne wibracje i uderzenia podczas jazdy. Każdy zacisk modułu IGBT musi charakteryzować się wystarczającą wytrzymałością mechaniczną, aby mógł działać prawidłowo w warunkach silnych wibracji.

4) Zdolność adaptacji do trudnych warunków pracy: Biorąc pod uwagę pleśń, kurz, wodę, naturalne środowisko słone i zasadowe (wybrzeże, śnieg, deszcz itp.), kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) i szkodliwą erozję gazową, tranzystory IGBT stawiają niezwykle wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa, takie jak wodoodporność, pyłoszczelność i odporność na korozję. W warunkach tych zakłóceń tranzystory IGBT nie mogą w sposób niekontrolowany wpływać na swoją pracę ani zakłócać działania innych urządzeń w pojeździe (magistrala sterująca, mikrokontroler, czujniki).

5) Musi charakteryzować się długą żywotnością i niskim wskaźnikiem awaryjności. Projektowana żywotność przeciętnego samochodu wynosi około 15 lat lub 600 000 kilometrów. Podstawowym wymaganiem producentów samochodów dotyczącym awaryjności półprzewodników samochodowych w całym cyklu życia jest jednocyfrowa wartość PPM (jedna część na milion). Większość producentów samochodów wymaga, aby wskaźnik ten był na poziomie PPB (część na miliard), co oznacza niemal zerową tolerancję na awarie.

3.2. Proces projektowania, produkcji i pakowania tranzystorów IGBT klasy motoryzacyjnej jest trudny

Projekt tranzystora IGBT klasy motoryzacyjnej musi zapewnić równowagę między włączaniem i wyłączaniem, rezystancją zwarcia i spadkiem napięcia przewodzenia, a optymalizacja parametrów jest bardzo specyficzna i złożona. Układy scalone IGBT klasy motoryzacyjnej zazwyczaj pracują w środowiskach o wysokim natężeniu prądu, wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Projekt układu scalonego musi zapewnić równowagę między włączaniem i wyłączaniem, rezystancją zwarcia i spadkiem napięcia przewodzenia (kontrola temperatury). Projekt układu scalonego oraz regulacja i optymalizacja parametrów są bardzo specyficzne i skomplikowane.

Główne trudności w procesie projektowania układów scalonych to:

(1) Konstrukcja zacisku musi zapewniać wysoką niezawodność przy jednoczesnym zachowaniu małych rozmiarów i wysokiego napięcia wytrzymywanego;

(2) Konstrukcja ogniwa musi zapewniać wysoką gęstość prądu, a jednocześnie szeroki, bezpieczny obszar roboczy, co wymaga wyjątkowo dużych możliwości rozpraszania ciepła;

(3) Konstrukcja ogniwa musi zapewniać wysoką gęstość prądu przy jednoczesnym zapewnieniu wystarczającej odporności na zwarcie;

Proces produkcji jest trudny: arkusze łatwo pękają, a temperatura topnienia metalu frontowego jest ograniczona, co utrudnia kontrolę temperatury wyżarzania. Po włączeniu tranzystor IGBT można go traktować jak przewód, a prąd przepływa pionowo przez niego z góry na dół, aż dotrze do silnika napędowego.

1) Im cieńszy chip, tym mniejszy opór cieplny, ale łatwo go uszkodzić. Proces pocieniania: Im cieńszy chip, tym krótsza droga przepływu prądu, a straty energii na chipie odpowiednio się zmniejszą, a żywotność akumulatora pojazdu będzie dłuższa. Pod koniec 2018 roku firma BYD ogłosiła, że ​​może pocieniać wafle do 120 μm, podczas gdy chipy IGBT firmy Infineon można pocieniać nawet do 40 μm. Późniejsza obróbka wafli i chipów o tej grubości jest bardzo trudna technicznie i łatwo je uszkodzić.

2) Proces backside musi być przeprowadzany w niskiej temperaturze, w przeciwnym razie łatwo doprowadzi do stopienia metalu frontside. Proces backside: obejmuje implantację jonów backside, aktywację wyżarzania, metalizację backside i inne etapy procesu. Ze względu na ograniczenie temperatury topnienia frontside i ciągłe ścienianie chipów IGBT, procesy backside muszą być przeprowadzane w niskich temperaturach (nieprzekraczających 450°C), w przeciwnym razie łatwo doprowadzi to do stopienia metalu frontside i niezwykle utrudnionej aktywacji wyżarzania.

Bariery techniczne związane ze spawaniem i spawaniem obudów modułów IGBT są wysokie. Tranzystory IGBT w motoryzacji są najczęściej stosowane w postaci modułów. Struktura obudowy modułu polega na umieszczeniu dyskretnych elementów półprzewodnikowych w module za pomocą zintegrowanej metody. Moduł IGBT zazwyczaj musi przejść łącznie dziewięć procesów: patchowanie, spawanie, czyszczenie plazmowe, detekcję rentgenowską, spawanie, wypełnianie i utwardzanie klejem, formowanie, testowanie i znakowanie, zanim będzie mógł zostać wprowadzony na rynek. Spośród nich spawanie i spawanie stanowią najtrudniejsze aspekty technologii pakowania modułów.

(1) Spawanie: Parametry najnowszego procesu niskotemperaturowego spiekania srebra są trudne do opanowania, a koszty materiałów i sprzętu są wysokie, co stało się barierą wejścia. Obecnie główną technologią spawania jest lutowanie. Technologia ta jednak zapewnia mniej spójne i niezawodne rezultaty. W tym celu opracowano niskotemperaturowy proces spiekania srebra. Warstwa lutownicza tego procesu charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, wysoką przewodnością elektryczną i wysoką niezawodnością. Jednak technologia ta jest bardzo trudna w stosowaniu. Ustawienie parametrów procesu, wysoki koszt zakupu sprzętu i wysoki koszt proszku srebra używanego w produkcji stały się barierami, które ograniczają producentów przed stosowaniem tej technologii. Obecnie tylko zaawansowane firmy reprezentowane przez Infineon i Mitsubishi stosują niskotemperaturowe spiekanie srebra do spawania niektórych swoich wysokowydajnych modułów IGBT.

(2) Spajanie: Proces ten jest bardzo skomplikowany. Obecnie powszechnie stosowanymi drutami łączącymi do połączeń wewnętrznych powierzchni chipów modułów IGBT są druty aluminiowe i miedziane. Drut miedziany charakteryzuje się niską rezystywnością, wysoką przewodnością cieplną i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, co czyni go bardziej odpowiednim do modułów samochodowych o dużej gęstości mocy i efektywnym odprowadzaniu ciepła. Problemem w procesie łączenia drutów miedzianych jest jednak konieczność metalizacji powierzchni chipa miedzią oraz zastosowanie wyższej energii ultradźwiękowej, co może uszkodzić sam chip IGBT. 1) Miedź charakteryzuje się silnym powinowactwem z tlenem i wymaga ścisłego uszczelnienia oraz szybkiej operacji. Druty miedziane utleniają się natychmiast po kontakcie z powietrzem. Zasadniczo pakowanie można ukończyć w ciągu 48 godzin od rozpakowania. Utleniony drut miedziany jest twardszy, trudniejszy do sklejenia i podatny na odpadanie połączeń lutowanych lub ma niską wytrzymałość na rozciąganie. 2) Podczas procesu łączenia trudno jest kontrolować przepływ gazu obojętnego. Aby zmniejszyć stopień utleniania miedzi, należy dodać gaz ochronny do obszaru nagrzewania wiórów podatnego na utlenianie. Zbyt duży przepływ wpłynie na temperaturę nagrzewania, a zbyt mały osłabi efekt ochronny. 3) Wymagania materiałowe dotyczące oprzyrządowania do spawania ciśnieniowego są surowe. Powierzchnia oprzyrządowania musi być gładka, aby zapewnić brak luzu w nośniku i kołkach. W przeciwnym razie będzie to miało bezpośredni wpływ na szereg problemów z drutem spawalniczym, takich jak słabe spalanie kulek, krótkie druty i ich wypaczenie podczas spawania. 4) Ustawienia parametrów sprzętu spawalniczego muszą uwzględniać takie czynniki, jak siła spawania, moc w stanie czuwania oraz możliwość powstawania kraterów, które są trudne do zrównoważenia i kontrolowania. Problemy z jakimkolwiek etapem spoiny spoinowej ...

3.3. Oczywista przewaga pierwszego gracza: długi cykl certyfikacji i wysokie koszty wymiany

Ze względu na wysokie wymagania dotyczące niezawodności tranzystorów IGBT w motoryzacji, ich cykl certyfikacji jest długi, a koszty wymiany wysokie. Firmy pionierskie mają oczywistą przewagę wynikającą z bycia pionierami.

1) Certyfikacja jest rygorystyczna, a cykl jej trwania długi. Dyskretne urządzenia lub moduły IGBT muszą spełniać normy niezawodności AECQ100 (IC)/101 (urządzenia dyskretne), normę zarządzania jakością ISO/TS1649 oraz normę bezpieczeństwa funkcjonalnego ISO26262ASILB (D), zanim będą mogły trafić do łańcucha dostaw producentów samochodów pierwszego rzędu. Cykl certyfikacji trwa zazwyczaj co najmniej 2 lata.

2) Wysoki koszt wymiany. Moduł IGBT jest kluczowym elementem w produktach końcowych, odpowiedzialnym za regulację napięcia, prądu, częstotliwości, fazy itp. w obwodzie. Jego wydajność, stabilność i niezawodność mają kluczowe znaczenie dla klientów końcowych. Klienci zazwyczaj z ostrożnością podchodzą do nowych dostawców IGBT. Nie tylko kompleksowo oceniają teoretyczną siłę dostawcy, ale także podejmują decyzje o zakupie hurtowym po testach indywidualnych produktów, testach kompletnych maszyn, wielokrotnych próbach na małych partiach itp. Koszt wymiany jest wysoki, a cykl decyzyjny jest długi.

3) Branża IGBT wymaga wieloletniego doświadczenia, aby osiągnąć wysoki poziom wiedzy. Chipy IGBT i diody szybkiego odzyskiwania (SDI) stanowią kluczowe ogniwa w modułach IGBT. Ich produkcja obejmuje wiele etapów i wymaga dużej ilości sprzętu. Organizacja produkcji, sterowanie, debugowanie sprzętu i inne prace są skomplikowane. Na przykład, dobór i przetwarzanie materiałów rozpraszających ciepło, stopień rozcieńczenia, stężenie, ilość i szybkość dwóch wtrysków jonów fosforu, kontrola temperatury procesu od tyłu oraz sprzętu w każdym ogniwie – wszystko to wymaga długoterminowego, odpowiedniego doświadczenia, aby opanować projektowanie i proces produkcji chipów.

Zastosowania w pojazdach nowej energii często wymagają masowej produkcji modułów IGBT o wysokiej niezawodności i stabilności. Wymaga to długiego okresu gromadzenia doświadczenia, aby zrozumieć właściwości sprzętu i materiałów oraz opanować proces produkcyjny. Biorąc za przykład proces patch, obejmuje on określenie położenia chipa, współczynników rozszerzalności cieplnej i charakterystyk różnych materiałów, ustawienie krzywej reflow pieca reflow oraz innych parametrów. Te procesy produkcyjne wymagają długotrwałych badań i eksperymentów rozwojowych w celu znalezienia odpowiedniego rozwiązania.

4) Wysokie bariery finansowe. Branża IGBT jest branżą kapitałochłonną. Łańcuch przemysłowy obejmuje projektowanie układów scalonych, ich produkcję, produkcję modułów i testowanie. Sprzęt do produkcji i testowania musi być importowany, a jego koszty są wysokie. Jednocześnie badania i rozwój produktów oraz rozwój rynku zajmują dużo czasu. Ponadto zapotrzebowanie na kapitał obrotowy dla firm produkujących IGBT jest również duże. Nowi uczestnicy rynku często borykają się z dużymi inwestycjami i niską produkcją na wczesnym etapie. Potrzebują silnego wsparcia finansowego, aby kontynuować badania i rozwój produktów, produkcję i sprzedaż.

Podsumowując, nawet jeśli nowa firma produkuje produkty IGBT, zdobycie uznania klientów i osiągnięcie odpowiedniego poziomu wiedzy i umiejętności zajmie jej dużo czasu. Jednocześnie będzie musiała zmierzyć się z trudnościami związanymi z długoterminowymi, dużymi inwestycjami kapitałowymi i rozwojem rynku. Firmy, które działają jako pierwsze, mają oczywistą przewagę wynikającą z bycia pionierami.

  4  Konkurencyjny krajobraz branży motoryzacyjnych tranzystorów IGBT jest doskonały, ale wskaźnik lokalizacji jest nadal niski

Konkurencja jest skoncentrowana, a całkowity udział CR4 wynosi 81%; jednak wskaźnik lokalizacji jest niski – w pierwszej dziesiątce znalazły się tylko trzy firmy krajowe. Według statystyk Omdia z 2019 roku, dziesięciu największych światowych dostawców modułów IGBT odpowiada za 75.6% udziału w rynku. Struktura rynku jest skoncentrowana, a konkurencja jest korzystna.

Według danych NE Times, w Chinach w 2019 r. zmontowano łącznie 1.08 mln zestawów modułów IGBT do samochodów, z czego Infineon miał 58.2% udziału z 628 000 zestawami, będąc liderem rynku. Drugie miejsce zajęła firma BYD Microelectronics z łączną liczbą 194 000 zmontowanych jednostek, co stanowi 18%. Mitsubishi Electric i Semikron zajęły odpowiednio trzecie i czwarte miejsce z udziałami na poziomie 5.2% i 3%. Star Semiconductor zajmuje piąte miejsce z udziałem 1.6%. Inny krajowy producent, CRRC Times Electric, zajął dziewiąte miejsce z udziałem 0.8%. W 2019 r. czterech największych producentów modułów IGBT do pojazdów o nowej energii miało łączny udział na poziomie 81.4%, co pokazuje strukturę oligopolu. Spośród krajowych producentów tylko trzy firmy: BYD Microelectronics, Star Semiconductor i CRRC Times Electric znajdują się w pierwszej dziesiątce pod względem udziału w rynku, osiągając 20.4%, przy niskim wskaźniku lokalizacji.

Z perspektywy pokrycia napięciowego, oferta produktów IGBT krajowych przedsiębiorstw staje się coraz bardziej kompletna. Krajowy producent Star Semiconductor oferuje obecnie jedną z najbardziej kompleksowych linii produktów modułów IGBT w kraju, obejmującą szeroki zakres zastosowań, od wysokiego napięcia (3300 V) do średniego i niskiego napięcia (600 V); CRRC Times Electric koncentruje się głównie na kolei dużych prędkości, pociągach dużych prędkości i innych gałęziach przemysłu, a obecnie ma pewną przewagę konkurencyjną, głównie w obszarze wysokiego napięcia powyżej 4500 V.

Produkty Infineon w pełni pokrywają obszary zastosowań downstream na wszystkich poziomach napięć, podczas gdy ABB koncentruje się głównie na produktach wysokiego i najwyższego napięcia. Ogólnie rzecz biorąc, produkty IGBT przedsiębiorstw finansowanych ze środków krajowych pokrywają cały rynek, od niskiego do wysokiego napięcia, a układ w obszarze niskiego napięcia jest stosunkowo kompletny. Jednak w porównaniu z producentami zagranicznymi, urządzenia dyskretne mocy w moim kraju nadal wymagają wzmocnienia w obszarze wysokiego napięcia.

  5    Wiele czynników przyspiesza substytucję krajową i sprzyja zwiększaniu udziału

Wraz z nasilaniem się tarć handlowych, zapotrzebowanie na autonomiczne i sterowalne półprzewodniki staje się coraz pilniejsze. W ostatnich latach tarcia handlowe między Chinami a USA wykazują tendencję wzrostową.

W marcu 2016 i kwietniu 2018 roku firma ZTE dwukrotnie znalazła się na amerykańskiej liście podmiotów gospodarczych (Entity List). 15 maja 2019 roku na liście znalazł się również Huawei, któremu zakazano współpracy biznesowej z firmami amerykańskimi oraz zakupu od nich sprzętu telekomunikacyjnego. W związku z tym Google zaprzestał świadczenia usług Huawei.

15 maja 2020 roku Stany Zjednoczone ponownie wprowadziły nowy zakaz wobec Huawei, wymagając, aby chipy wyprodukowane z wykorzystaniem amerykańskiej technologii i sprzętu uzyskały aprobatę Stanów Zjednoczonych przed ich sprzedażą Huawei. 17 sierpnia 2020 roku na liście podmiotów znalazło się 38 spółek zależnych Huawei, a zakaz został w pełni wdrożony 15 września tego samego roku.

W grudniu 2020 roku SMIC została wpisana przez Stany Zjednoczone na listę chińskich firm powiązanych z wojskiem. W kontekście nasilającej się blokady technologicznej Stanów Zjednoczonych wobec Chin, Chiny stoją w obliczu ryzyka narastających napięć handlowych, zakłóceń w dostawach i słabej współpracy międzynarodowej. Coraz pilniejsze staje się ustanowienie niezależnego i kontrolowanego łańcucha dostaw półprzewodników oraz przyspieszenie krajowej substytucji.

Chiny stały się największym na świecie rynkiem konsumenckim w branży motoryzacyjnej, stwarzając dobre możliwości rozwoju dla motoryzacyjnych tranzystorów IGBT. W 2019 roku sprzedaż nowych samochodów w Chinach osiągnęła 25.75 miliona sztuk, co stanowiło około 28.5% globalnej sprzedaży nowych samochodów, czyniąc Chiny największym na świecie rynkiem konsumenckim w branży motoryzacyjnej. Chociaż liczba samochodów w moim kraju przekracza obecnie 260 milionów, wskaźnik posiadania samochodów na mieszkańca wciąż jest znacznie niższy niż w krajach rozwiniętych.

Według danych Banku Światowego, wskaźnik posiadania samochodów na mieszkańca w moim kraju w 2019 roku wyniósł 0.173; w Stanach Zjednoczonych 0.837, czyli 4.8 razy więcej niż w Chinach; w Japonii 0.591, czyli 3.4 razy więcej niż w Chinach. Oczekuje się, że sprzedaż samochodów w Chinach będzie nadal rosła w przyszłości. Ogromny rynek konsumencki samochodów stwarza szerokie możliwości rozwoju firm z branży IGBT w moim kraju i stanowi solidny fundament dla rozwoju.

Udział krajowych producentów nowych źródeł energii wzrósł, co przyspieszyło proces zastępowania produkowanych w kraju tranzystorów IGBT. Jeśli chodzi o pojazdy spalinowe, ze względu na późny start, konkurencyjność mojego kraju w branży pojazdów spalinowych jest słaba. W pierwszych trzech kwartałach 2020 roku sprzedaż samochodów osobowych w moim kraju wyniosła 13.38 mln sztuk, z czego sprzedaż chińskich marek stanowiła zaledwie około 36%. W branży pojazdów spalinowych mój kraj wykorzystuje przewagę konkurencyjną i zdobył znaczną przewagę technologiczną i rynkową.

W pierwszych trzech kwartałach 2020 roku sprzedaż nowych samochodów osobowych w Chinach wyniosła 620 000 sztuk, z czego 55%, 15% i 30% przypadło niezależnym markom/siłom produkcyjnym/zagranicznym spółkom joint venture. Udział producentów krajowych wyniósł łącznie 70%, co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku pojazdów z tradycyjnym napędem. W przyszłości, wraz ze stopniowym wzrostem penetracji rynku pojazdów z nowymi napędami, oczekuje się, że udział w rynku krajowych producentów samochodów również wzrośnie, co przełoży się na ich wyprzedzanie na zakrętach. W kontekście narastających tarć handlowych, krajowi producenci nowych pojazdów będą prawdopodobnie stosować więcej krajowych tranzystorów IGBT ze względu na obawy dotyczące bezpieczeństwa łańcucha dostaw, co doprowadzi do wzrostu udziału krajowych tranzystorów IGBT.

Krajowi producenci mają przewagę w postaci efektywności kosztowej i szybkiego reagowania, co jest zgodne z trendem redukcji kosztów i poprawy efektywności pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii. W porównaniu z zagraniczną konkurencją, krajowi producenci tranzystorów IGBT charakteryzują się niskimi kosztami komunikacji z producentami samochodów, szybką dostawą, rozbudowanymi możliwościami serwisowymi oraz zdolnością do szybkiego reagowania na potrzeby klientów, co daje im przewagę w postaci błyskawicznego reagowania. Ponadto, krajowi producenci półprzewodników mocy charakteryzują się również wysoką efektywnością kosztową oraz niskimi kosztami logistyki i pracy, co zaspokaja potrzeby producentów pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii w zakresie redukcji kosztów i zwiększenia efektywności w miarę zwiększania penetracji rynku i udziału w rynku.

Polityka i fundusze wspierają rozwój krajowego przemysłu IGBT. IGBT ma ogromny rynek krajowy i międzynarodowy oraz odgrywa niezastąpioną i ważną rolę w modernizacji struktur przemysłowych, oszczędzaniu energii i redukcji emisji, nowych źródłach energii i innych dziedzinach. W ostatnich latach kraj wdrożył szereg polityk wspierających rozwój przemysłu półprzewodników, w tym IGBT, w zakresie rozwoju przemysłu, badań i rozwoju oraz inwestycji fiskalnych i podatkowych.

W sierpniu 2020 r. Rada Państwa wydała „Szereg polityk promujących wysokiej jakości rozwój przemysłu układów scalonych i oprogramowania w nowej erze”, aby kompleksowo wspierać rozwój przemysłu półprzewodników, od finansów i podatków, przez inwestycje i finansowanie, po badania i rozwój itp. Kompleksowe wsparcie polityczne będzie skutecznym impulsem do szybkiego rozwoju przemysłu IGBT.

Ponadto państwo zapewnia aktywne wsparcie finansowe. Pierwsza i druga faza Narodowego Funduszu Przemysłu Układów Zintegrowanych (zwanego Dużym Funduszem) zostały również utworzone w latach 2014 i 2019. Pierwsza faza Dużego Funduszu zebrała 138.7 mld juanów, a druga faza Dużego Funduszu miała zarejestrowany kapitał w wysokości 204.15 mld juanów.

Według statystyk Jiwei.com, obszary inwestycji w pierwszej fazie dużego funduszu obejmują: produkcję układów scalonych (67%), projektowanie (17%), pakowanie i testowanie (10%) oraz materiały do ​​urządzeń (6%). Dzięki inwestycjom dużych funduszy i kapitałowi społecznemu, jaki one wykorzystują, branża układów scalonych, w tym IGBT, odnotowała dobry rozwój.

Podsumowując, oczekuje się, że krajowa substytucja tranzystorów IGBT w motoryzacji przyspieszy, pomagając krajowym producentom zwiększyć ich udział. Po pierwsze: mój kraj jest największym na świecie rynkiem konsumenckim w branży motoryzacyjnej, a popyt na nie będzie nadal rósł w przyszłości, co stwarza dobrą okazję do rozwoju krajowych producentów tranzystorów IGBT w motoryzacji. Po drugie: tarcia handlowe nasiliły się, a zapotrzebowanie na autonomiczne i sterowalne półprzewodniki stało się coraz bardziej pilne. Po trzecie: krajowi producenci w branży pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii przodują w budowaniu przewagi pierwszego gracza i oczekuje się, że wyprzedzą ich na zakrętach. Wraz ze wzrostem udziału krajowych producentów pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii oraz ze względu na względy bezpieczeństwa łańcucha dostaw, oczekuje się, że więcej krajowych producentów półprzewodników będzie stosować te produkty, a udział krajowych tranzystorów IGBT wzrośnie. Po czwarte: krajowi producenci tranzystorów IGBT mają lokalne atuty w zakresie usług, takie jak wysoka efektywność kosztowa i krótki czas reakcji, które spełniają potrzeby pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii w zakresie redukcji kosztów i zwiększenia wydajności, i oczekuje się, że zwiększą swój udział w rynku w przyszłej konkurencji. Po piąte: Polityka i fundusze krajowe wspierają rozwój branży IGBT. Na podstawie powyższej analizy uważamy, że krajowy proces substytucji IGBT w motoryzacji przyspieszy i zwiększy swój udział.

Oprócz zwiększenia swojego udziału, krajowi producenci IGBT odniosą również pełne korzyści z szybkiego wzrostu krajowego rynku IGBT w motoryzacji. Według naszych obliczeń, chiński rynek IGBT dla pojazdów elektrycznych ma osiągnąć wartość 17.7 mld juanów w 2025 roku, ze skumulowanym wskaźnikiem wzrostu na poziomie 43.45%. Chiński rynek IGBT dla ładowarek do pojazdów elektrycznych osiągnie wartość 14.7 mld juanów w 2025 roku, ze skumulowanym wskaźnikiem wzrostu na poziomie 43.45%.

Oczekuje się, że rynek pojazdów elektrycznych z napędem IGBT w Chinach osiągnie wartość 17.7 mld juanów w 2025 roku, czyli 6 razy więcej niż w 2020 roku, przy skumulowanym tempie wzrostu na poziomie 43.45%. Według danych Chińskiego Stowarzyszenia Samochodowego (China Automobile Association), sprzedaż samochodów w Chinach wyniesie 25.3 mln pojazdów w 2020 roku. Oczekuje się, że do 2025 roku sprzedaż samochodów w Chinach osiągnie 30 mln pojazdów, z czego 1.32 mln sztuk wyniesie w 2020 roku, a wskaźnik penetracji rynku pojazdów elektrycznych wyniesie 5.22%.

Jeśli wskaźnik penetracji rynku nowych pojazdów energetycznych w Chinach w 2025 r. osiągnie 20% zaproponowane w „Planie rozwoju przemysłu pojazdów energetycznych (2021–2035)”, sprzedaż nowych pojazdów energetycznych w Chinach w 2025 r. wzrośnie z 1.32 mln sztuk w 2020 r. do 6 mln sztuk w 2025 r. Zgodnie z wartością półprzewodników mocy do pojazdów energetycznych obliczoną powyżej, oczekuje się, że rynek półprzewodników mocy do pojazdów energetycznych w Chinach osiągnie 17.7 mld juanów w 2025 r., czyli 6-krotnie więcej niż w 2020 r., przy skumulowanej stopie wzrostu na poziomie 43.45%.

Szacuje się, że chiński rynek pojazdów elektrycznych z IGBT osiągnie wartość 14.7 mld juanów w 2025 roku, przy skumulowanym tempie wzrostu na poziomie 43.45%, a IGBT odniesie w tym największe korzyści. Według danych Yole, globalny rynek pojazdów elektrycznych z IGBT wyniósł 600 mln USD w 2019 roku. Dane EVSalesBlog podają, że globalna sprzedaż hybrydowych pojazdów elektrycznych typu plug-in i pojazdów elektrycznych zasilanych wyłącznie akumulatorem w 2019 roku wyniosła około 2.2 mln. Na tej podstawie można obliczyć, że średnia wartość rowerów IGBT wynosi 273 USD (co stanowi 83% wartości półprzewodników mocy rowerowych), na co wpływa ograniczona produkcja wafli, a biorąc pod uwagę obecne ograniczone globalne moce produkcyjne odlewni wafli półprzewodnikowych, oczekuje się, że cena nowych półprzewodników mocy pojazdów energetycznych utrzyma się na wysokim poziomie w tym roku, a wartość rowerów w przyszłości będzie stopniowo rosła wraz z trendem elektryfikacji i wzrostem penetracji podwójnych silników. Mnożąc przez sprzedaż nowych pojazdów energetycznych w moim kraju wynoszącą 6 milionów sztuk w 2025 r., oczekuje się, że wielkość rynku nowych pojazdów energetycznych IGBT w Chinach wzrośnie z około 2.4 miliarda w 2020 r. do 14.7 miliarda w 2025 r., przy skumulowanej stopie wzrostu 43.45%.

Oczekuje się, że chiński rynek IGBT do ładowania nowych pojazdów elektrycznych osiągnie 10.9 mld juanów w 2025 roku, przy skumulowanym tempie wzrostu na poziomie 35%. Obecnie cykl złomowania nowych pojazdów energetycznych wynosi od 8 do 10 lat. Zgodnie z obliczeniami sprzedaży nowych pojazdów energetycznych w każdym z powyższych lat, oczekuje się, że liczba nowych pojazdów energetycznych osiągnie 22.46 miliona w 2025 roku.

Wraz z rozwojem nowej infrastruktury, przy ostrożnym założeniu, że stosunek liczby pojazdów do liczby stanowisk ładowania wzrośnie do 2:1 do 2025 roku, można oszacować, że liczba stanowisk ładowania w 2025 roku wyniesie około 11.23 miliona. Ponieważ nowa polityka infrastrukturalna koncentruje się na budowie publicznych stanowisk ładowania, oczekuje się, że ich udział wzrośnie z 48% w 2020 roku do 50% w 2025 roku. Ponadto, ze względu na wzrost zapotrzebowania na szybkie ładowanie, przewiduje się, że udział stanowisk ładowania prądem stałym w publicznych stanowiskach ładowania wzrośnie z 38% w 2020 roku do 50% w 2025 roku.

Na podstawie danych o przetargach na projekty stacji ładowania pojazdów firmy State Grid na przestrzeni lat obliczyliśmy, że średnia cena jednego wata publicznej stacji ładowania prądem stałym o mocy 60 kW, głównego czynnika decydującego o przetargach, spadła z 1.15 juanów/W w 2017 r. do 0.9 juanów w 2019 r. /W (cena pojedynczej maszyny spadła z 69 000 juanów w 2017 r. do 54 000 juanów w 2019 r.); średnia cena pojedynczej maszyny na publicznych stacjach ładowania prądem przemiennym spadła z 9,500 juanów w 2017 r. do 5,400 juanów w 2019 r.

Na podstawie naszych badań cen prywatnych stosów ładowania głównych producentów nowych pojazdów energetycznych na rynku obliczyliśmy, że cena prywatnych stosów ładowania spadła z 12 700 juanów/sztukę w 2017 r. do 7,800 juanów/sztukę w 2020 r. Obliczając, że IGBT stanowi około 20% kosztów stosów ładowania, oczekuje się, że wielkość krajowego rynku IGBT dla stosów ładowania osiągnie 10.9 miliarda juanów w 2025 r., co oznacza wzrost 3.4-krotny w porównaniu z 2.5 miliarda juanów w 2020 r., przy średniorocznej stopie wzrostu wynoszącej 34.5%.

  6    Ograniczenia w zdolnościach produkcyjnych są trudne do złagodzenia w krótkim okresie, a boom na półprzewodniki mocy nadal rośnie.

Zdolności produkcyjne 8-calowych dysków są ograniczone, a odlewnia pracuje na pełnych obrotach. W 2020 roku komercjalizacja sieci 5G i „gospodarka w domu” spowodowana epidemią przyspieszyły cyfrową transformację społeczeństwa. Rynek urządzeń końcowych, takich jak samochody, sprzęt AGD i urządzenia cyfrowe, nadal się ożywia, znacząco stymulując wzrost popytu na półprzewodniki.

Ponadto epidemia w Europie i Stanach Zjednoczonych nie została jeszcze w pełni opanowana, a czynniki takie jak niepewne perspektywy chińsko-amerykańskich stosunków handlowych skłoniły producentów układów scalonych do zwiększenia zapasów części zamiennych. Rezonans wielu czynników spowodował, że podaż mocy produkcyjnych w odlewniach płytek półprzewodnikowych przekroczyła popyt, a moce produkcyjne 8-calowych płytek półprzewodnikowych głównych producentów są bliskie pełnego wykorzystania. Wśród najbardziej zaawansowanych firm świata, wskaźnik wykorzystania mocy produkcyjnych Huahong Hongli w trzecim kwartale 2020 roku przekroczył 100%, a wskaźniki wykorzystania mocy produkcyjnych UMC i SMIC również osiągnęły wysoki poziom 95%.

Czas, w którym globalne moce produkcyjne nowych płytek osiągną pełną produkcję, przypada głównie na lata 2023-2025, a rozwiązanie problemu napiętych mocy produkcyjnych w krótkim okresie jest trudne. Z perspektywy globalnych mocy produkcyjnych, według danych ICInsights, oczekuje się, że światowe moce produkcyjne nowych płytek (ekwiwalent 8-calowych) wyniosą około 17.9 miliona sztuk w 2020 roku, a 20.8 miliona sztuk zostanie dodanych w 2021 roku. Jednak ze względu na zakup sprzętu, debugowanie, weryfikację klientów i inne przyczyny, okres narastania mocy produkcyjnych zakładów produkujących płytki jest stosunkowo długi, zazwyczaj około 3-5 lat. Oczekuje się, że ta część nowych mocy produkcyjnych osiągnie pełną produkcję w latach 2023-2025, co utrudnia rozwiązanie problemu napiętych mocy produkcyjnych w krótkim okresie.

Krajowe moce produkcyjne półprzewodników w budowie odpowiadają około 27.96 mln sztuk 8-calowych rocznie, z których większość zostanie wprowadzona do produkcji w 2022 roku. Jednakże, biorąc pod uwagę, że po uruchomieniu nowej linii produkcyjnej nadal będzie długi okres rozruchu produkcji, trudno jest złagodzić napięte moce produkcyjne w krótkim okresie. Według naszych niepełnych statystyk, obecne krajowe moce produkcyjne półprzewodników wynoszą około 2.88 mln sztuk/miesiąc (co odpowiada 8-calowym waflom, w tym waflom na bazie krzemu i waflom bazowym półprzewodników złożonych), a całkowite krajowe moce produkcyjne półprzewodników w budowie wynoszą około 2.33 mln sztuk/miesiąc. (27.96 mln sztuk/rok). Większość nowych linii produkcyjnych zostanie uruchomiona w 2022 roku. Jednakże, biorąc pod uwagę, że po uruchomieniu nowych linii produkcyjnych nadal istnieje okres rozruchu mocy produkcyjnych wynoszący 3-5 lat, pełna produkcja nie może zostać osiągnięta szybko. Oczekuje się, że niedobór mocy produkcyjnych będzie nadal trudny do złagodzenia w perspektywie krótkoterminowej.

Szacuje się, że do 2025 roku liczba 8-calowych płytek potrzebnych do globalnych modułów IGBT klasy motoryzacyjnej wyniesie 1.69 miliona, co stanowi wzrost 5.4-krotny w porównaniu z 2020 rokiem. Obecnie na rynku dostępne są dwa rodzaje pojazdów elektrycznych: jednosilnikowe i dwusilnikowe. Obecnie popularne pojazdy zasilane energią elektryczną wykorzystują konfigurację jednosilnikową. Jednak wraz z rozwojem technologii produkcji pojazdów zasilanych energią elektryczną w przyszłości, wskaźnik penetracji pojazdów zasilanych energią elektryczną z dwoma silnikami, które mogą zapewnić pojazdy o wyższej wydajności, wzrośnie.

W pojazdach o nowej energii każdy silnik wykorzystuje falownik, a każdy falownik wykorzystuje moduł IGBT. Biorąc pod uwagę doskonałą wydajność silników dwufazowych, zakładamy, że wskaźnik penetracji osiągnie 20% w 2025 roku. Można oszacować, że w 2025 roku świat będzie musiał montować moduły IGBT dla 12 milionów pojazdów elektrycznych i 14.4 miliona silników. Obecnie w pojedynczym module IGBT klasy samochodowej znajduje się 10-18 chipów IGBT (liczba chipów zmienia się ze względu na różne poziomy napięcia modułów IGBT). Obliczając, że średnio potrzeba 15 216 milionów chipów IGBT. Na podstawie obliczeń, że każdy 8-calowy wafel może wyciąć około 128 chipów IGBT, oczekuje się, że globalny popyt na 8-calowe wafle do samych modułów IGBT klasy samochodowej osiągnie 1.69 miliona sztuk w 2025 roku, co stanowi wzrost o 5.4-krotność w porównaniu z 2020 rokiem.

Wzrost cen płytek półprzewodnikowych przeniósł się na niższe ogniwa łańcucha przemysłowego, a boom na rynku półprzewodników nadal rośnie. Popyt końcowy stale rośnie, istniejące moce produkcyjne odlewni są już w pełni wykorzystane, a nowych mocy produkcyjnych nie da się szybko zwiększyć w krótkim okresie. Sprzeczność między podażą a popytem doprowadziła do wzrostu cen odlewni płytek półprzewodnikowych.

TSMC anulowało 3% rabat na odlewnię płytek 12-calowych dla głównych klientów. UMC sukcesywnie podnosiło ceny odlewni płytek 8-calowych, a następnie 12-calowych. Wzrost cen odlewni natychmiast odbił się na producentach z niższych segmentów rynku, przy czym większość z nich podniosła ceny o ponad 10%. Wśród nich Renesas Electronics ogłosił, że ceny niektórych produktów analogowych i mocy wzrosną o 15% do 100%. Korzystając z rosnących cen produktów, firmy takie jak Infineon wydłużyły czas dostawy. Oczekuje się, że kondycja branży półprzewodników będzie nadal rosła.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł pochodzi z „Future Think Tank”, organizacji wspierającej ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.