Os semicondutores de potência para o setor automotivo terão um crescimento de quase 7 vezes em 5 anos, com os IGBTs sendo os mais beneficiados.

Impulsionada por políticas de apoio, conservação de energia e redução de emissões, a penetração de veículos de novas energias está se acelerando. Espera-se que a taxa de penetração de veículos de novas energias no mercado interno atinja 20% em 2025 e 40% na União Europeia em 2030. A tendência de eletrificação automotiva aumentou consideravelmente o valor dos semicondutores de potência utilizados em automóveis. De acordo com as estatísticas da Infineon, o preço médio de venda (ASP) dos semicondutores de potência aumentará significativamente, passando de US$ 71 para veículos a combustão tradicionais para US$ 330 para veículos híbridos plug-in/elétricos puros, o que representa 4.6 vezes o valor dos veículos a combustão tradicionais. Segundo nossos cálculos, o mercado global de semicondutores de potência para o setor automotivo deverá atingir US$ 8 bilhões em 2025. O mercado global de semicondutores de potência para veículos de novas energias deverá alcançar US$ 5.3 bilhões em 2025, 7.3 vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento anual composta de 48.8%. Nos próximos dez anos, o mercado de IGBTs para carregadores de veículos de nova energia na China, nos Estados Unidos e na Europa terá um crescimento de US$ 9.4 bilhões. Atualmente, IGBTs e MOSFETs são os principais semicondutores de potência utilizados em veículos automotivos. O IGBT é o componente central do inversor principal do sistema de propulsão elétrica em veículos de nova energia e pode ser utilizado em circuitos inversores auxiliares, circuitos chopper DC/DC, OBC (carregador/inversor), etc. O valor de um único veículo chega a US$ 273, representando 83% do preço médio de venda (ASP) dos semicondutores de potência automotivos, ou seja, a grande maioria. Prevemos que o mercado global de IGBTs para veículos de nova energia atingirá US$ 4.4 bilhões em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta de aproximadamente 48.8%. Este é o tipo de semicondutor de potência automotiva mais promissor no contexto da eletrificação.

As três principais barreiras – produto, processo e vantagem de pioneirismo – criam uma forte vantagem competitiva.

1) Barreiras do produto: Os IGBTs de grau automotivo precisam atender a requisitos rigorosos, como longa vida útil, baixa taxa de falhas e alta resistência a terremotos. Devem ser capazes de se adaptar a condições de trabalho severas, como temperaturas extremamente altas e baixas, poeira e ambientes salinos e alcalinos. Devem suportar frequentes variações de corrente causadas por partidas e paradas constantes, e apresentar requisitos de produto extremamente elevados.

2) Barreiras de processo: Ao projetar IGBTs de grau automotivo, é necessário garantir o equilíbrio entre os tempos de ativação e desativação, a resistência de curto-circuito e a queda de tensão de condução, sendo a otimização de parâmetros particularmente complexa. Durante a fabricação, o processo de fabricação de chapas finas é propenso à fragmentação, e o ponto de fusão limitado do metal frontal dificulta o controle da temperatura de recozimento. Além disso, os requisitos técnicos para soldagem e colagem da embalagem do módulo IGBT também são elevados.

3) O ciclo de certificação é longo, o custo de substituição é alto e há um efeito de curva de experiência. Possui vantagens óbvias de pioneirismo no setor.

a) Os IGBTs de grau automotivo devem atender aos padrões de confiabilidade, gestão da qualidade e segurança funcional para serem elegíveis para entrar na cadeia de suprimentos de fabricantes de automóveis de primeira linha. O período de certificação é geralmente de pelo menos 2 anos.

b) Como os módulos IGBT são componentes essenciais em automóveis, os fabricantes subsequentes costumam ser cautelosos ao substituí-los devido a considerações de segurança e confiabilidade. Somente após um grande número de testes de verificação e avaliações abrangentes é que as decisões de aquisição em grande volume são tomadas. Os custos de substituição são elevados.

c) O negócio de IGBT exige o acúmulo de experiência a longo prazo para atingir um bom nível de conhecimento técnico.

d) A indústria de IGBT é intensiva em capital, e os equipamentos de produção e teste precisam, basicamente, ser importados. Além disso, a demanda por capital de giro para empresas fabricantes de IGBT também é alta. Novos entrantes frequentemente enfrentam grandes investimentos e baixa produção no estágio inicial. Eles precisam de forte apoio financeiro para continuar a pesquisa e o desenvolvimento de produtos, a produção e as vendas. Levando tudo isso em consideração, as empresas pioneiras na indústria de IGBT têm vantagens evidentes por serem as primeiras a entrar no mercado.

O cenário competitivo tornou-se uma "pista de alta qualidade" para indústrias em crescimento, mas a taxa atual de localização ainda é baixa.

De acordo com as estatísticas da Omdia de 2019, os dez maiores fabricantes globais de módulos IGBT detêm 76% do mercado. O mercado é concentrado e a concorrência é acirrada. No segmento de IGBTs automotivos, devido às altas barreiras de entrada no setor, a participação do módulo CR4 para veículos de nova energia na China atingiu 81% em 2019, configurando um oligopólio. Entre os fabricantes, a Infineon ocupa o primeiro lugar com 58.2% de participação, seguida pela BYD com 18%, e a Mitsubishi Electric e a Semikron em terceiro e quarto lugares, respectivamente. O segmento de IGBTs automotivos se consolidou como um setor promissor, com amplo espaço para crescimento e um cenário competitivo favorável. Contudo, entre os dez maiores fabricantes de IGBTs para veículos de nova energia na China em 2019, apenas três fabricantes nacionais, BYD, Star Semiconductor e CRRC Times Electric, figuram na lista, com uma participação total de mercado de 20.4%. Há, portanto, um amplo espaço para substituição por produtos nacionais.

Diversos fatores estão acelerando a substituição de produtos nacionais, e os fabricantes nacionais têm um enorme potencial para desenvolvimento futuro.

Diversos fatores aceleram a substituição de produtos nacionais: 1) A China já é o maior mercado consumidor de automóveis do mundo, e a demanda por automóveis continuará a crescer no futuro, proporcionando boas oportunidades de desenvolvimento para os fabricantes nacionais de IGBT. 2) Com o aumento das fricções comerciais, a necessidade de semicondutores independentes e controláveis ​​torna-se cada vez mais urgente. 3) Os fabricantes nacionais estão liderando a implantação da indústria de veículos de nova energia e aproveitando a vantagem de serem pioneiros. À medida que a participação dos fabricantes nacionais de veículos de nova energia aumenta, espera-se que mais produtos de fabricantes nacionais de semicondutores sejam utilizados devido a considerações de segurança da cadeia de suprimentos. 4) Os fabricantes nacionais de IGBT possuem vantagens em serviços locais, como alta relação custo-benefício e rápida resposta, que atendem às necessidades dos veículos de nova energia de reduzir custos e aumentar a eficiência, e espera-se que aumentem sua participação no mercado. 5) Incentivos políticos e apoio financeiro contribuem para o rápido desenvolvimento da indústria nacional de IGBT. Em termos de mercado interno, segundo nossos cálculos, o mercado chinês de semicondutores de potência para veículos de nova energia deverá atingir 17.7 bilhões de yuans em 2025, seis vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento anual composta de até 44%. Espera-se que o mercado chinês de IGBTs para veículos de nova energia alcance 14.7 bilhões de yuans em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta de aproximadamente 44%. Em 2025, o mercado chinês de IGBTs para estações de carregamento atingirá 10.9 bilhões de yuans, com uma taxa de crescimento composta de 35%. Com base nessa análise, acreditamos que o processo de substituição de IGBTs automotivos por componentes nacionais se acelerará. Aliado à baixa participação de mercado atual e ao amplo espaço para crescimento do setor, os fabricantes nacionais de IGBTs possuem um enorme potencial de crescimento futuro.

A capacidade de produção limitada é difícil de aliviar no curto prazo, e o crescimento do setor de semicondutores de potência continua.

O uso comercial do 5G e a economia doméstica impulsionada pela pandemia estão acelerando a transformação digital da sociedade. Os mercados de veículos de novas energias, eletrodomésticos, equipamentos digitais e outros dispositivos terminais estão aquecidos, impulsionando a demanda por semicondutores. Além disso, os fabricantes de semicondutores precisam aumentar seus estoques de segurança devido à necessidade de garantir a estabilidade da cadeia de suprimentos. A combinação desses múltiplos fatores levou a uma capacidade de produção de semicondutores limitada. Atualmente, todas as principais fábricas de wafers estão operando em plena capacidade. Em uma perspectiva global, a ICinsight prevê que o mundo adicionará 20.8 milhões de wafers equivalentes de 8 polegadas em capacidade de produção em 2021. Em âmbito nacional, a capacidade de produção de wafers equivalentes de 8 polegadas em construção é de aproximadamente 27.96 milhões de wafers/ano, a maior parte dos quais entrará em produção em 2022. No entanto, considerando que haverá um período de aceleração da produção de cerca de 3 a 5 anos após a entrada em operação da nova linha de produção, é difícil aliviar a limitação da capacidade de produção no curto prazo. Beneficiando-se do rápido aumento da demanda por veículos de novas energias e pontos de recarga, espera-se que a demanda global por wafers de 8 polegadas para módulos IGBT de grau automotivo atinja 1.69 milhão de unidades em 2025, um aumento de 5.4 vezes em comparação com 2020. Há uma enorme lacuna na demanda de fabricação de wafers. Desde o início do ano, os principais fabricantes de chips, nacionais e internacionais, aumentaram os preços de seus produtos ou estenderam os prazos de entrega. Espera-se que a prosperidade da cadeia produtiva de semicondutores continue a crescer.

  1    A penetração de veículos de novas energias está se acelerando, e o setor de semicondutores de potência automotiva dobrou em 5 anos.

1.1. A penetração de veículos de novas energias está se acelerando, e os semicondutores de potência automotiva estão experimentando aumentos tanto em volume quanto em preço.

O apoio político, a conservação de energia e a redução de emissões impulsionam a penetração acelerada de veículos de novas energias. O "Plano de Desenvolvimento da Indústria de Veículos de Novas Energias (2021-2035)" do meu país apresenta uma visão para o desenvolvimento desses veículos. Está previsto que, até 2025, a taxa de penetração de veículos de novas energias no mercado interno atinja 20%.

Internacionalmente, muitos países europeus adotaram políticas de restrição de emissões de dióxido de carbono e subsídios para veículos de novas energias para lidar com a pressão do aquecimento global, e a eletrificação da frota de automóveis tornou-se cada vez mais evidente. Na UE, o acordo ACEA sobre emissões de gases de efeito estufa de veículos estipula que as emissões de dióxido de carbono dos veículos devem ser inferiores a 59 gramas por quilômetro até 2030. De acordo com os cálculos da Infineon, a taxa de penetração de veículos de novas energias na UE atingirá 40% em 2030.

A eletrificação levou a um aumento significativo no valor das bicicletas com semicondutores de potência. O preço médio de venda (ASP) de semicondutores de potência para veículos puramente elétricos chega a US$ 330, o que representa 4.6 vezes o valor dos veículos a combustão tradicionais. Veículos de novas energias que utilizam o sistema de energia elétrica como fonte de alimentação impõem requisitos mais elevados para o gerenciamento e a capacidade de conversão de energia dos componentes eletrônicos.

Nos automóveis tradicionais, os semicondutores de potência são usados ​​principalmente na partida do veículo, na geração de energia e em funções de segurança, sendo que componentes eletrônicos de baixa tensão e baixo consumo de energia atendem às suas necessidades operacionais. Nos veículos de novas energias, a alta tensão fornecida pela bateria exige conversões frequentes de tensão e inversões de corrente. Esses circuitos aumentaram consideravelmente a demanda por semicondutores de potência, como IGBTs e MOSFETs. De acordo com dados da Infineon, o conteúdo de semicondutores de potência em veículos a combustão tradicionais é de US$ 71, enquanto o valor dos semicondutores de potência em veículos híbridos plug-in/elétricos a bateria chega a US$ 330, ou seja, 4.6 vezes maior que o dos veículos a combustão tradicionais.

O mercado global de semicondutores de potência para o setor automotivo atingirá US$ 8 bilhões em 2025. Segundo a Yole, a previsão é de que esse mercado alcance US$ 22.5 bilhões em 2025. De acordo com dados da Zhiyan Consulting, o setor automotivo representou 35.4% do mercado global de semicondutores de potência em 2019. Supondo que essa proporção se mantenha, o mercado global de semicondutores de potência para o setor automotivo deverá atingir US$ 7.965 bilhões em 2025.

O mercado global de semicondutores de potência para veículos de novas energias deverá atingir US$ 5.3 bilhões em 2025, 7.3 vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 48.8%. De acordo com a previsão da AlixPartners, as vendas globais de automóveis aumentarão de 70.5 milhões de unidades em 2020 para 94 milhões de unidades em 2025. A EVTank prevê que as vendas globais de veículos de novas energias aumentarão de 2.21 milhões de unidades em 2019 para 12 milhões de unidades em 2025. A taxa de penetração global de veículos de novas energias atingirá 13% em 2025, um aumento de 10.36% em comparação com 2019.

Conforme mencionado anteriormente, segundo as estatísticas mais recentes da Infineon, de 2020, o valor de uma bicicleta com semicondutores para veículos de nova energia é de US$ 330. Considerando a atual limitação da capacidade de produção global de wafers de semicondutores, espera-se que o preço dos semicondutores para veículos de nova energia permaneça elevado este ano, e que o valor dessas bicicletas aumente gradualmente no futuro, acompanhando a tendência de eletrificação e o crescimento da penetração de veículos com dois motores. Com base nesses dados, estimamos que o mercado global de semicondutores para veículos de nova energia atingirá US$ 5.3 bilhões em 2025, 7.3 vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento anual composta de 48.8%.

1.2. O mercado global de IGBTs para carregamento de veículos está crescendo rapidamente.

O número de pontos de recarga em importantes infraestruturas de apoio a veículos de novas energias crescerá rapidamente, impulsionando a demanda por IGBTs, um componente essencial. À medida que a penetração de veículos de novas energias aumenta gradualmente, o número de pontos de recarga, infraestrutura de apoio fundamental para esses veículos, também precisa crescer simultaneamente. Segundo dados da McKinsey, a demanda por recarga para veículos de novas energias na China, nos Estados Unidos e na Europa será de aproximadamente 18 bilhões de quilowatts-hora em 2020. A previsão é de que, até 2030, essa demanda atinja 271 bilhões de quilowatts-hora, com uma taxa de crescimento anual composta de 31.2%. O rápido crescimento da demanda por infraestrutura de recarga para veículos de novas energias também impulsionará um aumento significativo no uso de IGBTs, um componente-chave desses pontos de recarga.

Prevê-se que o mercado de IGBTs para pontos de recarga na China, nos Estados Unidos e na Europa terá um crescimento de US$ 9.4 bilhões na década de 2020 a 2030. De acordo com estimativas da McKinsey, a China, os Estados Unidos e a União Europeia precisam investir US$ 19 bilhões, US$ 11 bilhões e US$ 17 bilhões, respectivamente, na década de 2020-2030 para construir 20 milhões, 20 milhões e 25 milhões de pontos de recarga para veículos de nova energia, a fim de suprir a demanda existente. Em um único ponto de recarga, o IGBT representa cerca de 20% do custo total. Com base nisso, podemos deduzir que o mercado de IGBTs para pontos de recarga de veículos de nova energia na China, nos Estados Unidos e na Europa terá um crescimento de US$ 9.4 bilhões nos próximos dez anos.

  2  Entre os semicondutores de potência automotivos, o IGBT é o que mais se beneficia.

IGBTs e MOSFETs são os principais componentes de semicondutores de potência automotivos. O IGBT possui quatro aplicações diferentes em carros. A primeira é como componente central do inversor principal. O inversor principal converte a saída CC da bateria em CA para alimentar o motor do carro; a segunda é utilizada no circuito inversor auxiliar para alimentar outros componentes eletrônicos do veículo; a terceira é utilizada no circuito chopper CC/CC para gerar correntes de saída com diferentes tensões; a quarta é utilizada no OBC (carregador/inversor) para converter a energia CA externa de entrada em energia CC para carregar a bateria do veículo de nova energia.

Em veículos com baixo grau de eletrificação, devido à baixa tensão de saída da bateria e à baixa potência dos dispositivos de alimentação, os MOSFETs podem ser usados ​​para substituir o circuito inversor auxiliar, o circuito chopper DC/DC e o IGBT no computador de bordo (OBC), reduzindo custos.

2.1. O IGBT é o dispositivo central do sistema de acionamento do motor de veículos de nova energia.

Com desempenho superior, é o componente principal dos semicondutores de potência em veículos de nova energia. IGBT é a abreviação de Insulated Gate Bipolar Transistor, que é um transistor bipolar de porta isolada. É um dispositivo semicondutor de potência composto por BJT e MOSFET. Ele combina as vantagens do MOSFET, como alta velocidade de comutação, alta impedância de entrada, baixo consumo de energia, circuito de acionamento simples e baixas perdas de comutação, com as vantagens do BJT, como baixa tensão de condução, alta corrente de condução e baixas perdas. Em veículos de nova energia, os módulos IGBT são usados ​​principalmente em inversores de alta potência para converter corrente contínua em corrente alternada e alimentar o motor do veículo; também são usados ​​em inversores de potência auxiliares para alimentar equipamentos eletrônicos automotivos, como o ar-condicionado do veículo.

Os IGBTs podem ser divididos em IGBT monotubo, módulo IGBT e módulo inteligente IPM, de acordo com os diferentes ambientes de aplicação. O IGBT monotubo é um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) de canal N com modulação de potência, que conduz todo o circuito fornecendo corrente de base ao transistor do tipo PNP. Como sua corrente aplicável é baixa, geralmente abaixo de 100 A, sua potência aplicável também é baixa. No entanto, o circuito externo de um IGBT monotubo é complexo e difícil de encapsular, o que reflete o nível tecnológico e de processo do fabricante do IGBT.

O módulo IGBT é um produto semicondutor modular composto por um chip IGBT e um diodo de recuperação rápida (FWD) encapsulados através de uma ponte de circuito específica. Vários chips são integrados e encapsulados no módulo por meio de isolamento. Sua segurança e confiabilidade são efetivamente aprimoradas, tornando-o mais adequado para operar em cenários de alta tensão e alta corrente. O módulo inteligente IPM integra dispositivos IGBT, circuitos de acionamento e circuitos de proteção em um único módulo. Por possuir funções de autodiagnóstico e proteção de circuito, ele é mais inteligente do que os módulos IGBT comuns e é frequentemente utilizado em eletrodomésticos com conversão de frequência.

Atualmente, a Infineon já desenvolveu sua sétima geração de IGBTs, e os fabricantes nacionais estão gradualmente alcançando o nível avançado mundial. Em mais de 30 anos, de 1988 a 2019, a Infineon lançou um total de 7 gerações de produtos IGBT. O nível tecnológico evoluiu em direção à redução da área do chip, da largura da linha de processo, da queda de tensão de saturação no estado ligado, do tempo de desligamento, da perda de energia e ao aumento da tensão no estado desligado. Embora o mercado nacional de IGBTs seja atualmente dominado por empresas estrangeiras, com o investimento contínuo em P&D por parte dos fabricantes nacionais, a tecnologia dos produtos continua a se equiparar ao nível avançado mundial.

Por exemplo, o chip IGBT de segunda geração, desenvolvido independentemente pela Star Semiconductor, é comparado ao chip IGBT de sexta geração da Infineon (FS-Trench) e entrou em produção em massa em 2016. Um total de 160,000 conjuntos de módulos IGBT de nível automotivo foram montados em 2019; os produtos IGBT4.0 da BYD apresentam menores perdas de comutação, maior capacidade de saída de corrente e maior vida útil em ciclos de temperatura do que o IGBT de quarta geração da Infineon, amplamente utilizado no mercado.

O mercado global de IGBTs para veículos de nova energia atingirá US$ 4.4 bilhões em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 48.8%. De acordo com dados da Yole, o mercado global de IGBTs para veículos de nova energia movimentou US$ 600 milhões em 2019. Dados da EVSalesBlog anunciaram que as vendas globais de veículos híbridos plug-in e veículos totalmente elétricos a bateria em 2019 foram de aproximadamente 2.2 milhões de unidades. A partir disso, pode-se deduzir que o valor médio de um IGBT para bicicletas é de US$ 273 (representando 83% do valor dos semicondutores de potência para bicicletas). Considerando a atual capacidade de produção global limitada de wafers de semicondutores, espera-se que os preços dos semicondutores de potência para veículos de nova energia utilizados neste ano permaneçam elevados, e o valor futuro dos IGBTs aumentará gradualmente com o crescimento da eletrificação e a penetração de veículos com dois motores. Multiplicando esse valor pela previsão de vendas globais de veículos de nova energia da EVtank para os próximos anos, espera-se que o mercado global de IGBTs para veículos de nova energia cresça de aproximadamente 600 milhões de dólares em 2020 para 4.4 bilhões de dólares em 2025, com uma taxa de crescimento composta de aproximadamente 48.8%.

2.2. O SiC apresenta melhor desempenho e espera-se que se torne a tecnologia da próxima geração.

Dispositivos de potência baseados em materiais semicondutores de terceira geração apresentam vantagens de desempenho superiores. Comparados aos materiais semicondutores à base de silício, os materiais semicondutores de terceira geração, como o GaN e o SiC, possuem gaps de banda mais amplos, campos elétricos de ruptura mais elevados, maior condutividade térmica, maiores taxas de saturação de elétrons e maior resistência à radiação, sendo mais adequados para a fabricação de dispositivos de alta potência, alta temperatura e alta frequência, resistentes à radiação.

Segundo dados da Infineon, os inversores de material SiC são 3 vezes menores em volume e 4 vezes menores em peso do que os inversores de material à base de silício; dados da Rohm mostram que, em aplicações práticas, a frequência de comutação do SiCMOSFET pode atingir mais de 50 kHz (enquanto a frequência de comutação do IGBT convencional chega a 20 kHz), e a perda de energia é 73% menor do que a do IGBT à base de silício. Os MOSFETs à base de SiC apresentam maior desempenho e menor tamanho em comparação com os IGBTs.

Alguns modelos de ponta adotaram MOSFETs baseados em SiC, o que deve se tornar a direção de desenvolvimento futura. O Tesla Model 3 é o primeiro modelo a integrar um módulo de potência totalmente em SiC. O projeto foi desenvolvido pelo departamento de engenharia da Tesla em cooperação com a STMicroelectronics. Imediatamente, a Infineon também se tornou fornecedora dos módulos de potência em SiC para o Tesla Model 3. Além disso, a versão com tração nas quatro rodas do BYD Han EV tornou-se o primeiro modelo nacional a ser equipado com componentes SiCMOSFET em larga escala, e sua eficiência geral de controle eletrônico em SiC chega a mais de 97%.

Atualmente, os fabricantes nacionais também estão implementando ativamente aplicações de produção de SiC. Por exemplo, a China Resources Micro alcançou a produção em massa da primeira linha de produção comercial de SiC de 6 polegadas da China em julho de 2020, com uma capacidade de produção planejada de 1,000 peças/mês. A New Clean Energy também possui diversas patentes relacionadas a semicondutores de terceira geração e espera lançar uma série de produtos de diodo de SiC. No futuro, a empresa se concentrará em aplicações para veículos de novas energias.

Atualmente, o SiC está sujeito a fatores de custo e rendimento, e sua adoção em larga escala levará tempo. Os tamanhos de substrato de SiC mais comuns internacionalmente são 4 e 6 polegadas. Devido à pequena área do wafer e à baixa eficiência de corte do chip, o custo dos substratos de SiC é elevado. Os baixos rendimentos de fabricação e encapsulamento nos processos subsequentes fazem com que o custo dos dispositivos de SiC permaneça alto.

De acordo com dados da Academia Chinesa de Ciências, o preço do SiCMOSFET é quatro vezes maior que o do SiIGBT no mesmo nível. Dispositivos eletrônicos de controle para o setor automotivo devem atender a indicadores de desempenho mais rigorosos e precisam manter operação estável em temperaturas extremas e ambientes com forte vibração. Portanto, antes de serem introduzidos em produtos finais, os SiCMOSFETs precisam passar por uma certificação de confiabilidade de longo prazo. Geralmente, o período de certificação para módulos IGBT de nível automotivo é de cerca de dois anos.

  3  As três principais barreiras — produto, processo e vantagem de pioneirismo — criam uma forte vantagem competitiva.

3.1. O ambiente de trabalho complexo impõe exigências extremamente elevadas em termos de segurança e confiabilidade dos IGBTs de grau automotivo.

1) Necessidade de adaptação a condições de trabalho com temperaturas extremamente altas e baixas, tanto "extremamente quentes" quanto "extremamente frias": os IGBTs de grau automotivo possuem uma ampla faixa de temperatura operacional, e diferentes locais de instalação apresentam diferentes faixas de temperatura, como por exemplo, os requisitos do compartimento do motor variam de -40℃ a 155℃, enquanto os requisitos do controle da carroceria variam de -40℃ a 125℃. Já os chips e componentes convencionais para o consumidor precisam atingir apenas temperaturas de 0℃ a 70℃.

2) Necessidade de suportar mudanças frequentes na corrente causadas por partidas e paradas frequentes: Os veículos frequentemente enfrentam partidas e paradas frequentes em condições de tráfego intenso. Nesses momentos, a corrente de operação do módulo IGBT do booster e do inversor aumenta e diminui frequentemente, resultando em mudanças rápidas na temperatura de junção do IGBT, o que exige alta resistência à temperatura e excelente desempenho de dissipação de calor do IGBT.

3) Necessidade de alta resistência a terremotos: Devido às condições imprevisíveis do veículo, como montanhas, lama, estradas de cascalho, etc., os IGBTs automotivos podem estar sujeitos a grandes vibrações e solavancos durante a condução. Cada terminal do módulo IGBT precisa ter resistência mecânica suficiente para operar normalmente sob fortes vibrações.

4) Capacidade de adaptação a ambientes de trabalho severos: Considerando mofo, poeira, água, ambientes naturais salino-alcalinos (litoral, neve, chuva, etc.), EMC e erosão por gases nocivos, requisitos extremamente elevados são impostos ao desempenho de segurança dos IGBTs, como resistência à água, poeira e corrosão. Sob essas interferências, o IGBT não pode afetar seu funcionamento de forma incontrolável nem interferir com outros equipamentos no veículo (barramento de controle, MCU, sensores).

5) Precisa ter longa vida útil e baixa taxa de falhas. A vida útil projetada de um automóvel comum é de cerca de 15 anos ou 600,000 quilômetros. Ao longo do ciclo de vida, a exigência básica das montadoras para taxas de falha de semicondutores automotivos é de um dígito em PPM (uma parte por milhão). A maioria das montadoras exige que esteja no nível de PPB (partes por bilhão), atingindo quase zero tolerância a falhas.

3.2. O processo de projeto, fabricação e embalagem de IGBTs de grau automotivo é difícil.

O projeto de IGBTs de grau automotivo deve garantir o equilíbrio entre os tempos de ativação e desativação, a resistência de curto-circuito e a queda de tensão de condução, sendo a otimização de parâmetros bastante específica e complexa. Os chips IGBT de grau automotivo geralmente operam em ambientes de alta corrente, alta tensão e alta frequência. O projeto do chip precisa assegurar que a ativação e a desativação, a resistência de curto-circuito e a queda de tensão de condução (controle térmico) estejam em equilíbrio. O projeto do chip e o ajuste e otimização de parâmetros são, portanto, muito específicos e complexos.

As principais dificuldades no processo de projeto de chips são:

(1) O projeto do terminal deve garantir alta confiabilidade, ao mesmo tempo que se obtém tamanho reduzido e alta tensão suportável;

(2) O projeto da célula deve atingir alta densidade de corrente, garantindo ao mesmo tempo uma ampla área de trabalho segura, exigindo capacidades de dissipação de calor extremamente elevadas;

(3) O projeto da célula deve alcançar alta densidade de corrente, garantindo ao mesmo tempo capacidade suficiente de curto-circuito;

O processo de produção é complexo: as chapas quebram-se facilmente e o ponto de fusão do metal frontal é limitado, dificultando o controle da temperatura de recozimento. Quando o IGBT é ligado, ele pode ser considerado um fio, e a corrente passa verticalmente através do IGBT de cima para baixo até chegar ao motor de acionamento.

1) Quanto mais fino o chip, menor a resistência térmica, mas mais suscetível a quebras. Processo de adelgaçamento: Quanto mais fino o chip, menor o caminho para a corrente elétrica fluir, reduzindo a perda de energia e, consequentemente, aumentando a vida útil da bateria do veículo. No final de 2018, a BYD anunciou que conseguia reduzir a espessura de wafers para 120 μm, enquanto os chips IGBT da Infineon podem ser reduzidos a apenas 40 μm. O processamento subsequente em wafers e chips com essa espessura é tecnicamente muito complexo e os chips são mais suscetíveis a quebras.

2) O processo de revestimento da face posterior deve ser realizado em baixa temperatura, caso contrário, o metal da face frontal poderá derreter facilmente. O processo de revestimento da face posterior inclui implantação iônica, ativação por recozimento, metalização e outras etapas. Devido à limitação do ponto de fusão do metal da face frontal e ao afinamento contínuo dos chips IGBT, esses processos devem ser realizados em baixas temperaturas (não superiores a 450 °C), caso contrário, o metal da face frontal poderá derreter facilmente e a ativação por recozimento será extremamente difícil.

As barreiras técnicas para a soldagem e colagem de encapsulamento de módulos IGBT são elevadas. Os IGBTs automotivos são usados ​​principalmente na forma de módulos. A estrutura de encapsulamento do módulo consiste em acondicionar dispositivos semicondutores discretos em um módulo por meio de algum método integrado. Um módulo IGBT geralmente precisa passar por um total de nove processos: montagem, soldagem, limpeza por plasma, detecção por raios X, colagem, preenchimento e cura da cola, moldagem, teste e marcação, antes de ser comercializado. Dentre eles, a soldagem e a colagem são os aspectos mais complexos da tecnologia de encapsulamento de módulos.

(1) Soldagem: Os parâmetros do processo de interconexão de patches de prata sinterizada a baixa temperatura mais recente são difíceis de dominar, e o custo dos materiais e equipamentos é elevado, o que se tornou uma barreira de entrada. Atualmente, a tecnologia de soldagem predominante é a soldagem por brasagem. No entanto, essa tecnologia produz resultados menos consistentes e confiáveis. Para contornar esse problema, foi desenvolvido um processo de interconexão de patches de prata sinterizada a baixa temperatura. A camada de solda desse processo apresenta as vantagens de alta condutividade térmica, alta condutividade elétrica e alta confiabilidade. Contudo, essa tecnologia é muito complexa. A definição dos parâmetros do processo, o alto custo de aquisição de equipamentos e o alto custo do pó de prata utilizado na produção tornaram-se barreiras que restringem os fabricantes a utilizarem essa tecnologia. Atualmente, apenas empresas de ponta, como a Infineon e a Mitsubishi, utilizam a sinterização de prata a baixa temperatura para soldagem em alguns de seus módulos IGBT de alto desempenho.

(2) Ligação: Apresenta alta dificuldade de processo. Atualmente, os fios de ligação mais comuns para interconexão da superfície interna do chip em módulos IGBT são fios de alumínio e fios de cobre. O fio de cobre possui baixa resistividade, alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão, tornando-o mais adequado para módulos automotivos com alta densidade de potência e dissipação de calor eficiente. No entanto, a dificuldade do processo de ligação com fio de cobre reside no fato de que ele requer tratamento de metalização de cobre na superfície do chip e exige alta energia ultrassônica, o que pode danificar o próprio chip IGBT. 1) O cobre possui forte afinidade com o oxigênio e requer vedação rigorosa e operação rápida. Os fios de cobre oxidam imediatamente ao entrarem em contato com o ar. Em princípio, a embalagem pode ser concluída em até 48 horas após a abertura. O fio de cobre oxidado é mais rígido, difícil de ligar e propenso a juntas de solda que se desprendem ou apresentam baixa resistência à tração. 2) Durante o processo de ligação, o fluxo de gás inerte protetor é difícil de controlar. Para reduzir o grau de oxidação do cobre, é necessário adicionar gás protetor à área de aquecimento do cavaco, que é propensa à oxidação. Um fluxo excessivo afetará a temperatura de aquecimento, enquanto um fluxo insuficiente enfraquecerá o efeito protetor. 3) Os requisitos de material para a fabricação de dispositivos de soldagem por pressão são rigorosos. A superfície do dispositivo deve ser lisa para garantir que o suporte e os pinos não fiquem soltos; caso contrário, isso afetará diretamente uma série de problemas com o arame de solda, como queima inadequada da esfera, arames curtos e arames torcidos durante o processo de soldagem do produto. 4) As configurações dos parâmetros do equipamento de soldagem devem considerar de forma abrangente fatores como força de soldagem, potência de espera e a possibilidade de crateras, que são difíceis de equilibrar e controlar. Problemas em qualquer uma dessas etapas resultarão em falha na soldagem.

3.3. Vantagem óbvia para o pioneiro: longo ciclo de certificação e altos custos de substituição.

Devido aos elevados requisitos de confiabilidade dos IGBTs automotivos, seu ciclo de certificação é longo e os custos de substituição são altos. As empresas pioneiras têm vantagens óbvias por serem as primeiras a entrar no mercado.

1) A certificação é rigorosa e o ciclo de tempo é longo. Os dispositivos ou módulos discretos IGBT devem atender aos padrões de confiabilidade AECQ100 (IC)/101 (dispositivos discretos), ao padrão de gestão da qualidade ISO/TS1649 e ao padrão de segurança funcional ISO26262ASILB (D) antes de serem elegíveis para entrar na cadeia de suprimentos de fabricantes de automóveis de primeira linha. O ciclo de certificação geralmente dura pelo menos 2 anos.

2) Alto custo de reposição. O módulo IGBT é um componente essencial em produtos subsequentes, responsável por regular a tensão, corrente, frequência, fase, etc., no circuito. Seu desempenho, estabilidade e confiabilidade são cruciais para os clientes finais. Os clientes tendem a ser cautelosos com novos fornecedores de IGBT. Eles não apenas avaliam a capacidade do fornecedor de forma abrangente na teoria, mas também tomam decisões de compra em grande volume após testes individuais do produto, testes completos em máquinas, múltiplos testes em pequenos lotes, etc. O custo de reposição é alto e o ciclo de tomada de decisão de compra é longo.

3) O negócio de IGBTs exige o acúmulo de experiência a longo prazo para atingir um bom nível de conhecimento técnico. Os chips IGBT e os chips de diodo de recuperação rápida são componentes essenciais nos módulos IGBT. Eles possuem muitas etapas de produção e utilizam diversos equipamentos. A organização da produção, o controle, a depuração dos equipamentos e outras tarefas são complexas. Por exemplo, a seleção e o processamento de materiais de dissipação de calor, o grau de adelgaçamento, a concentração, a quantidade e a velocidade das duas injeções de íons de fósforo, o controle da temperatura do processo na parte traseira e o equipamento em cada etapa, tudo isso exige experiência relevante de longo prazo para dominar o projeto do chip e o processo de produção.

As aplicações de veículos de nova energia frequentemente exigem a produção em massa de módulos IGBT com alta confiabilidade e estabilidade. Isso requer um longo período de acúmulo de experiência para compreender as características dos equipamentos e materiais e dominar o processo de produção. Tomando como exemplo o processo de patch, este envolve a determinação da posição do chip, os coeficientes de expansão térmica e as características de diferentes materiais, a configuração da curva de refluxo do forno de refluxo e outros parâmetros. Esses processos de produção exigem experimentos de pesquisa e desenvolvimento de longo prazo para encontrar a solução adequada.

4) Altas barreiras financeiras. A indústria de IGBT é intensiva em capital. A cadeia industrial abrange o projeto do chip, a fabricação do chip, a fabricação do módulo e os testes. Seus equipamentos de produção e teste precisam ser importados, e o custo dos equipamentos é elevado. Ao mesmo tempo, a pesquisa e o desenvolvimento de produtos e o desenvolvimento de mercado levam muito tempo. Além disso, a demanda por capital de giro para empresas fabricantes de IGBT também é grande. Novos entrantes geralmente enfrentam grandes investimentos e baixa produção no estágio inicial. Eles precisam de forte apoio financeiro para continuar a pesquisa e o desenvolvimento de produtos, a produção e as vendas.

Em suma, mesmo que uma nova empresa produza produtos IGBT, levará muito tempo para conquistar o reconhecimento dos clientes e atingir um bom nível de conhecimento técnico. Ao mesmo tempo, também enfrentará as dificuldades de um investimento de capital substancial a longo prazo e do desenvolvimento de mercado. As empresas pioneiras têm vantagens óbvias.

  4  O cenário competitivo da indústria automotiva de IGBTs é excelente, mas a taxa de nacionalização ainda é baixa.

O cenário competitivo é concentrado, com a CR4 detendo uma participação total de 81%; no entanto, a taxa de localização é baixa, com apenas três empresas nacionais entre as dez maiores. De acordo com as estatísticas da Omdia de 2019, os dez maiores fornecedores globais de módulos IGBT representam 75.6% do mercado. A estrutura de mercado é concentrada e o nível de concorrência é favorável.

Segundo dados do NE Times, um total de 1.08 milhão de conjuntos de módulos IGBT automotivos foram montados na China em 2019, dos quais a Infineon detinha uma participação de 58.2%, com 628,000 conjuntos, liderando o mercado. A BYD Microelectronics ficou em segundo lugar, com um total de 194,000 unidades montadas, representando 18%. A Mitsubishi Electric e a Semikron ficaram em terceiro e quarto lugares, respectivamente, com participações de 5.2% e 3%. A Star Semiconductor ficou em quinto lugar, com uma participação de 1.6%. Outra fabricante nacional, a CRRC Times Electric, ficou em nono lugar, com uma participação de 0.8%. Em 2019, os quatro principais fabricantes de módulos IGBT para veículos de nova energia detinham uma participação combinada de 81.4%, demonstrando um padrão de oligopólio. Entre os fabricantes nacionais, apenas três empresas, BYD Microelectronics, Star Semiconductor e CRRC Times Electric, estão entre as 10 maiores em termos de participação de mercado, representando 20.4%, com uma baixa taxa de nacionalização.

Do ponto de vista da cobertura de tensão, a linha de produtos IGBT das empresas nacionais está cada vez mais completa. A fabricante nacional Star Semiconductor possui atualmente uma das linhas de módulos IGBT mais abrangentes do país, cobrindo uma ampla gama de aplicações, desde alta tensão (3300V) até média e baixa tensão (600V); a CRRC Times Electric concentra-se principalmente em ferrovias de alta velocidade, trens de alta velocidade e outras subdivisões, e atualmente possui certa competitividade, principalmente no segmento de alta tensão acima de 4500V.

Os produtos da Infineon abrangem completamente os campos de aplicação downstream em todos os níveis de tensão, enquanto a ABB se concentra principalmente em produtos de alta e altíssima tensão. No geral, os produtos IGBT de empresas nacionais cobrem todo o mercado, de baixa a alta tensão, e a presença no segmento de baixa tensão é relativamente completa. No entanto, em comparação com fabricantes estrangeiros, os dispositivos discretos de potência do país ainda precisam ser fortalecidos no segmento de alta tensão.

  5    Diversos fatores aceleram a substituição interna e promovem o aumento da participação de mercado.

Com o aumento das tensões comerciais, a necessidade de semicondutores autônomos e controláveis ​​torna-se cada vez mais urgente. Nos últimos anos, as tensões comerciais entre a China e os EUA têm apresentado uma tendência crescente.

Em março de 2016 e abril de 2018, a ZTE foi incluída duas vezes na "Lista de Entidades" dos EUA. Em 15 de maio de 2019, a Huawei também foi incluída na "Lista de Entidades" e proibida de realizar negócios com empresas americanas ou de comprar equipamentos de telecomunicações delas. Em consequência disso, o Google deixou de fornecer serviços à Huawei.

Em 15 de maio de 2020, os Estados Unidos emitiram mais uma vez uma proibição contra a Huawei, exigindo que os chips produzidos com tecnologia e equipamentos americanos fossem aprovados pelos Estados Unidos antes de serem vendidos à Huawei. Em 17 de agosto de 2020, 38 subsidiárias da Huawei foram incluídas na lista de entidades, e a proibição foi totalmente implementada em 15 de setembro do mesmo ano.

Em dezembro de 2020, a SMIC foi incluída pelos Estados Unidos na lista de empresas chinesas ligadas ao setor militar. No contexto do intensificado bloqueio tecnológico imposto pelos Estados Unidos à China, o país enfrenta o risco de agravamento das fricções comerciais, interrupções no fornecimento e precariedade da cooperação internacional. Torna-se cada vez mais urgente estabelecer uma cadeia de suprimentos de semicondutores independente e controlável e acelerar a substituição de componentes domésticos.

A China se tornou o maior mercado consumidor de automóveis do mundo, criando uma excelente oportunidade de desenvolvimento para IGBTs automotivos. Em 2019, as vendas de carros novos na China atingiram 25.75 milhões de unidades, representando aproximadamente 28.5% das vendas globais de carros novos, o que a torna o maior mercado consumidor de automóveis do mundo. Embora a frota de carros na China ultrapasse 260 milhões, a taxa de propriedade de carros per capita ainda está muito aquém da de países desenvolvidos.

Segundo dados do Banco Mundial, a taxa de posse de carros per capita na China em 2019 era de 0.173; nos Estados Unidos, era de 0.837, 4.8 vezes maior que a da China; no Japão, era de 0.591, 3.4 vezes maior que a da China. Espera-se que as vendas de carros na China continuem a aumentar no futuro. O vasto mercado consumidor de automóveis oferece amplo espaço para o desenvolvimento das empresas de IGBT da China e estabelece uma base sólida para o crescimento.

A participação de fabricantes nacionais de novas energias aumentou, acelerando a substituição de IGBTs produzidos internamente. Em termos de veículos a combustão, devido ao início tardio, a competitividade do meu país na indústria tradicional de veículos a combustão é fraca. Nos três primeiros trimestres de 2020, as vendas de veículos de passageiros no meu país foram de 13.38 milhões de unidades, das quais apenas cerca de 36% foram de marcas chinesas. Na indústria de veículos de novas energias, meu país está assumindo a liderança e estabeleceu vantagens tecnológicas e de mercado consideráveis.

Nos três primeiros trimestres de 2020, a China vendeu 620,000 unidades de veículos de passageiros movidos a novas energias, das quais 55% foram de marcas independentes, 15% de fabricantes de automóveis independentes e 30% de joint ventures estrangeiras. Os fabricantes nacionais representaram um total de 70%, percentual significativamente maior do que o de veículos movidos a combustíveis tradicionais. No futuro, com o aumento gradual da penetração de veículos movidos a novas energias, espera-se que a participação de mercado dos fabricantes de automóveis nacionais também aumente, impulsionando a sua ascensão. No contexto do aumento das fricções comerciais, prevê-se que os fabricantes nacionais de veículos movidos a novas energias utilizem mais IGBTs nacionais devido a preocupações com a segurança da cadeia de suprimentos, o que deverá impulsionar um aumento na participação de IGBTs nacionais.

Os fabricantes nacionais têm as vantagens da relação custo-benefício e da resposta rápida, o que está em consonância com a tendência de redução de custos e aumento da eficiência dos veículos de novas energias. Comparados aos concorrentes estrangeiros, os fabricantes nacionais de IGBTs apresentam baixos custos de comunicação com as montadoras, entrega rápida, forte capacidade de atendimento e habilidade para responder prontamente às necessidades dos clientes, o que lhes confere a vantagem da agilidade. Além disso, os fabricantes nacionais de semicondutores de potência também possuem alta relação custo-benefício e baixos custos de logística e mão de obra, atendendo às necessidades dos fabricantes de veículos de novas energias de reduzir custos e aumentar a eficiência à medida que ampliam sua penetração e participação de mercado.

Políticas e financiamentos apoiam o desenvolvimento da indústria nacional de IGBT. O IGBT possui um enorme mercado nacional e internacional, desempenhando um papel insubstituível e importante na modernização da estrutura industrial, na conservação de energia e redução de emissões, em novas energias e em outras áreas. Nos últimos anos, o país lançou uma série de políticas para apoiar o desenvolvimento da indústria de semicondutores, incluindo o IGBT, sob as perspectivas de desenvolvimento industrial, pesquisa e desenvolvimento, e investimento fiscal.

Em agosto de 2020, o Conselho de Estado emitiu "Diversas Políticas para Promover o Desenvolvimento de Alta Qualidade da Indústria de Circuitos Integrados e da Indústria de Software na Nova Era" para apoiar de forma abrangente o desenvolvimento da indústria de semicondutores, abrangendo financiamento e tributação, investimento e financiamento, pesquisa e desenvolvimento, etc. O apoio político abrangente será um impulso eficaz para o rápido desenvolvimento da indústria de IGBT.

Além disso, o Estado também oferece apoio ativo no âmbito financeiro. A primeira e a segunda fases do Fundo Nacional da Indústria de Circuitos Integrados (conhecido como Big Fund) foram criadas em 2014 e 2019, respectivamente. A primeira fase do Big Fund captou 138.7 bilhões de yuans, e a segunda fase teve um capital social de 204.15 bilhões de yuans.

Segundo dados da Jiwei.com, as áreas de investimento da primeira fase do grande fundo incluem: fabricação de circuitos integrados (67%), projeto (17%), embalagem e testes (10%) e materiais para equipamentos (6%). Impulsionada pelo investimento de grandes fundos e pelo capital social que eles alavancam, a indústria de circuitos integrados, incluindo IGBT, alcançou um bom desenvolvimento.

Em resumo, espera-se que a substituição de IGBTs automotivos por componentes nacionais se acelere, ajudando os fabricantes nacionais a aumentarem sua participação no mercado. Primeiro: o país é o maior mercado consumidor de automóveis do mundo, e a demanda por automóveis continuará a crescer no futuro, proporcionando uma boa oportunidade para o desenvolvimento dos fabricantes nacionais de IGBTs automotivos. Segundo: as fricções comerciais se intensificaram, e a necessidade de semicondutores autônomos e controláveis ​​tornou-se cada vez mais urgente. Terceiro: os fabricantes nacionais do setor de veículos de nova energia estão na vanguarda, buscando a vantagem de pioneirismo e a expectativa é de que consigam ultrapassar a concorrência. Com o aumento da participação das empresas nacionais de veículos de nova energia e devido a considerações de segurança da cadeia de suprimentos, espera-se que mais fabricantes nacionais de semicondutores passem a utilizar seus produtos, e a participação dos IGBTs nacionais deverá aumentar. Quarto: os fabricantes nacionais de IGBTs possuem vantagens em serviços locais, como alta relação custo-benefício e rápida resposta, que atendem às necessidades dos veículos de nova energia de reduzir custos e aumentar a eficiência, e espera-se que aumentem sua participação no mercado em futuras competições. Quinto: as políticas e os fundos nacionais apoiam o desenvolvimento da indústria de IGBTs. Com base na análise acima, acreditamos que o processo de substituição doméstica de IGBTs automotivos irá acelerar e alcançar um aumento na participação de mercado.

Além de aumentarem sua participação de mercado, os fabricantes nacionais de IGBT também se beneficiarão plenamente do rápido crescimento do mercado de IGBT automotivo na China. De acordo com nossos cálculos, o mercado chinês de IGBT para veículos de nova energia deverá atingir 17.7 bilhões de yuans em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta de 43.45%. O mercado chinês de IGBT para estações de carregamento de veículos de nova energia deverá atingir 14.7 bilhões de yuans em 2025, também com uma taxa de crescimento anual composta de 43.45%.

O mercado de IGBTs para veículos de novas energias na China deverá atingir 17.7 bilhões de yuans em 2025, seis vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento composta de 43.45%. Segundo dados da Associação Automobilística da China, as vendas de automóveis no país atingiram 25.3 milhões de unidades em 2020. A expectativa é que esse número chegue a 30 milhões de veículos em 2025, dos quais 1.32 milhão serão de veículos de novas energias, representando uma taxa de penetração de 5.22%.

Se a taxa de penetração de veículos de nova energia na China atingir os 20% propostos no "Plano de Desenvolvimento da Indústria de Veículos de Nova Energia (2021-2035)", as vendas desses veículos no país aumentarão de 1.32 milhão de unidades em 2020 para 6 milhões de unidades em 2025. Considerando o valor das baterias de semicondutores para veículos de nova energia calculado anteriormente, espera-se que o mercado chinês desse segmento alcance 17.7 bilhões de yuans em 2025, seis vezes o valor de 2020, com uma taxa de crescimento anual composta de 43.45%.

Estima-se que o mercado chinês de IGBTs para veículos de novas energias alcance 14.7 bilhões de yuans em 2025, com uma taxa de crescimento composta de 43.45%, sendo os IGBTs os mais beneficiados. Segundo dados da Yole, o mercado global de IGBTs para veículos de novas energias movimentou US$ 600 milhões em 2019. A EVSalesBlog informou que as vendas globais de veículos elétricos híbridos plug-in e veículos totalmente elétricos a bateria em 2019 foram de aproximadamente 2.2 milhões de unidades. A partir disso, pode-se calcular que o valor médio das bicicletas com IGBT é de US$ 273 (representando 83% do valor dos semicondutores de potência para bicicletas), afetado pela escassez de wafers de semicondutores. Considerando a atual limitação da capacidade de produção global de wafers de semicondutores, espera-se que o preço dos semicondutores de potência para veículos de nova energia permaneça elevado este ano, e que o valor das bicicletas aumente gradualmente no futuro com a tendência de eletrificação e o aumento da penetração de veículos com dois motores. Multiplicando esse valor pelas vendas de 6 milhões de unidades de veículos de nova energia na China em 2025, o mercado chinês de IGBT para veículos de nova energia deverá crescer de aproximadamente US$ 2.4 bilhões em 2020 para US$ 14.7 bilhões em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta de 43.45%.

Prevê-se que o mercado chinês de IGBTs para carregamento de veículos de nova energia alcance 10.9 bilhões de yuans em 2025, com uma taxa de crescimento anual composta de 35%. Atualmente, o ciclo de descarte de veículos de nova energia varia entre 8 e 10 anos. De acordo com os cálculos de vendas de veículos de nova energia em cada ano mencionados anteriormente, espera-se que o número de veículos de nova energia chegue a 22.46 milhões em 2025.

Com o avanço da nova infraestrutura, assumindo de forma conservadora que a proporção de veículos para pontos de recarga aumentará para 2:1 até 2025, pode-se calcular que o número de pontos de recarga em 2025 será de aproximadamente 11.23 milhões. Como a nova política de infraestrutura prioriza a construção de pontos de recarga públicos, espera-se que a proporção desses pontos aumente de 48% em 2020 para 50% em 2025. Além disso, devido ao aumento da demanda por recarga rápida, a proporção de pontos de recarga em corrente contínua (CC) entre os pontos de recarga públicos deverá aumentar de 38% em 2020 para 50% em 2025.

De acordo com os dados dos anúncios de licitação do projeto de pontos de recarga para veículos elétricos da State Grid ao longo dos anos, calculamos que o preço médio por watt em pontos de recarga CC públicos de 60 kW, o principal fator de licitação, caiu de 1.15 yuan/W em 2017 para 0.9 yuan/W em 2019 (o preço de uma única unidade caiu de 69,000 yuans em 2017 para 54,000 yuans em 2019); o preço médio de uma única unidade em pontos de recarga CA públicos caiu de 9,500 yuans em 2017 para 5,400 yuans em 2019.

Com base em nossa pesquisa sobre os preços de estações de carregamento privadas dos principais fabricantes de veículos de nova energia no mercado, calculamos que o preço dessas estações caiu de 12,700 yuans/unidade em 2017 para 7,800 yuans/unidade em 2020. Considerando que os IGBTs representam cerca de 20% do custo das estações de carregamento, espera-se que o mercado doméstico de IGBTs para estações de carregamento atinja 10.9 bilhões de yuans em 2025, um aumento de 3.4 vezes em relação aos 2.5 bilhões de yuans em 2020, com uma taxa de crescimento anual composta de 34.5%.

  6    A capacidade de produção limitada é difícil de aliviar no curto prazo, e o crescimento do setor de semicondutores de potência continua.

A capacidade de produção de chips de 8 polegadas está limitada e a fundição opera em plena capacidade. Em 2020, a comercialização do 5G e a "economia do ficar em casa", impulsionadas pela pandemia, aceleraram a transformação digital da sociedade. O mercado de equipamentos como automóveis, eletrodomésticos e dispositivos digitais continuou a se recuperar, impulsionando significativamente o crescimento da demanda por semicondutores.

Além disso, a epidemia na Europa e nos Estados Unidos ainda não foi totalmente controlada, e fatores como a perspectiva incerta para as relações comerciais sino-americanas levaram os fabricantes de chips a aumentar seus estoques de segurança. A combinação desses múltiplos fatores fez com que a oferta da capacidade de produção das fundições de wafers superasse a demanda, e a capacidade de produção de wafers de 8 polegadas dos principais fabricantes está próxima da capacidade máxima. Entre as empresas mais avançadas do mundo, a Huahong Hongli apresentou uma taxa de utilização da capacidade superior a 100% no terceiro trimestre de 2020, e a UMC e a SMIC também registraram altas taxas de utilização da capacidade, em torno de 95%.

A previsão é de que a capacidade global de produção de novos wafers atinja a capacidade máxima entre 2023 e 2025, sendo difícil solucionar a escassez de produção no curto prazo. Segundo dados da ICInsights, a capacidade global de produção de novos wafers (equivalentes a 8 polegadas) deverá ser de aproximadamente 17.9 milhões de unidades em 2020, com um acréscimo de 20.8 milhões de unidades em 2021. No entanto, devido à aquisição de equipamentos, ajustes, verificações junto aos clientes e outros fatores, o período de expansão da capacidade produtiva das fábricas de wafers é relativamente longo, geralmente entre 3 e 5 anos. Essa nova capacidade produtiva deverá atingir a capacidade máxima entre 2023 e 2025, o que dificulta a solução da escassez de produção no curto prazo.

A capacidade de fabricação de semicondutores em construção no mercado interno equivale a cerca de 27.96 milhões de peças de 8 polegadas por ano, a maior parte das quais entrará em produção em 2022. No entanto, considerando que ainda haverá um longo período de aumento da capacidade produtiva após a entrada em operação das novas linhas de produção, é difícil aliviar a escassez de capacidade produtiva no curto prazo. De acordo com nossas estatísticas incompletas, a capacidade atual de fabricação de semicondutores no mercado interno é de aproximadamente 2.88 milhões de peças/mês (equivalente a wafers de 8 polegadas, incluindo wafers à base de silício e wafers de semicondutores compostos), e a capacidade total de fabricação de semicondutores em construção no mercado interno é de aproximadamente 2.33 milhões de peças/mês (27.96 milhões de peças/ano). A maioria das novas linhas de produção entrará em operação em 2022. Contudo, considerando que ainda há um período de aumento da capacidade produtiva de 3 a 5 anos após a entrada em operação das novas linhas de produção, a produção plena não poderá ser alcançada rapidamente. Prevê-se que a escassez de capacidade de produção ainda será difícil de atenuar a curto prazo.

Estima-se que, até 2025, o número de wafers de 8 polegadas necessários para módulos IGBT de grau automotivo em todo o mundo será de 1.69 milhão, um aumento de 5.4 vezes em comparação com 2020. Atualmente, existem dois tipos de veículos elétricos no mercado: com um único motor e com dois motores. Os veículos de nova energia mais comuns atualmente utilizam a configuração de motor único. No entanto, com o aprimoramento da tecnologia de fabricação de veículos de nova energia, a taxa de penetração de veículos de nova energia com dois motores, que podem proporcionar veículos com desempenho superior, aumentará.

Em veículos de novas energias, cada motor utiliza um inversor, e cada inversor utiliza um módulo IGBT. Considerando o excelente desempenho dos motores duplos, estima-se que sua taxa de penetração atingirá 20% em 2025. Pode-se calcular que, em 2025, o mundo precisará montar módulos IGBT para 12 milhões de veículos elétricos e 14.4 milhões de motores. Atualmente, um único módulo IGBT de grau automotivo contém de 10 a 18 chips IGBT (o número de chips varia devido aos diferentes níveis de tensão dos módulos IGBT). Calculando uma média de 15, serão necessários 216 milhões de chips IGBT. Com base no cálculo de que cada wafer de 8 polegadas pode conter aproximadamente 128 chips IGBT, espera-se que a demanda global por wafers de 8 polegadas apenas para módulos IGBT de grau automotivo atinja 1.69 milhão de unidades em 2025, um aumento de 5.4 vezes em comparação com 2020.

O aumento nos preços dos wafers foi transmitido para os demais elos da cadeia industrial, e o mercado de semicondutores continua em expansão. A demanda final continua crescendo, a capacidade de produção das fundições existentes já está operando em sua capacidade máxima, e não é possível aumentar rapidamente a capacidade de produção no curto prazo. A contradição entre oferta e demanda levou ao aumento dos preços dos wafers nas fundições.

A TSMC cancelou o desconto de 3% para a fabricação de wafers de 12 polegadas para seus principais clientes. A UMC aumentou sucessivamente o preço de sua fabricação de wafers de 8 polegadas e, em seguida, aumentou o preço de sua fabricação de wafers de 12 polegadas. O aumento nos preços de fabricação foi imediatamente repassado aos fabricantes nos elos inferiores da cadeia produtiva, com a maioria deles aumentando seus preços em mais de 10%. Entre eles, a Renesas Electronics anunciou que os preços de alguns produtos analógicos e de potência aumentarão entre 15% e 100%. Beneficiando-se do aumento dos preços dos produtos, empresas como a Infineon estenderam os prazos de entrega. Espera-se que a prosperidade da cadeia produtiva de semicondutores continue a crescer.

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