Esta semana, uma notícia sobre a produção em massa de IGBTs de última geração na China atraiu muita atenção. No dia 7 de julho, os módulos IGBT de nível automotivo da Zhixin Semiconductor entraram em produção em massa. Este é o primeiro resultado frutífero da cooperação estratégica entre a Dongfeng Corporation e a CRRC para a criação da Zhixin Semiconductor Company.

Segundo relatos, o módulo IGBT produzido desta vez apresenta boa dissipação de calor e resistência a interferências eletromagnéticas, atendendo aos altos requisitos de confiabilidade de produtos automotivos. Consequentemente, as empresas chinesas de veículos de nova energia têm mais uma opção, fortalecendo a cadeia de suprimentos local de semicondutores de potência para o setor automotivo.

Recentemente, não apenas a Zhixin Semiconductor, mas também em junho e início de julho, em pouco mais de um mês, chips e módulos IGBT locais da China, especialmente produtos automotivos, apareceram invariavelmente, mostrando um surto coletivo.

Em junho, a Huahong e a Star Semiconductor assinaram um acordo de cooperação estratégica. Ambas as partes anunciaram conjuntamente que o chip IGBT de 12 polegadas de alta potência para uso automotivo, desenvolvido em conjunto, alcançou a produção em massa, passou pela verificação do produto por montadoras e entrou amplamente no mercado de unidades de potência, representado por aplicações automotivas.

Em 21 de junho, a Silan Micro anunciou que planeja investir na construção da "Fase I do projeto de linha de produção de módulos de potência e encapsulamento de dispositivos integrados de potência para uso automotivo e industrial", por meio de sua subsidiária Chengdu Jijia Technology Co., Ltd. O investimento total do projeto é de 758 milhões de yuans. O período de construção e produção previstos é de dois anos. Após o início da produção, os módulos IGBT serão os principais produtos.

Em 23 de junho, a primeira linha de produção de IGBTs da Sunking Technology foi oficialmente concluída e entrou em operação, iniciando a fase de produção experimental. Segundo informações, o projeto de IGBTs da empresa prevê a construção de duas linhas de produção para o processamento da parte traseira de chips de IGBT e cinco linhas de produção para embalagem e teste de módulos de IGBT. Após a conclusão, a capacidade de produção anual atingirá 2 milhões de módulos de IGBT. As aplicações dos seus produtos de IGBT abrangerão as faixas de média e baixa tensão, de 600V a 1700V, visando mercados como veículos elétricos, energia eólica fotovoltaica e conversão de frequência industrial.

Em 5 de julho, a Wingtech Technology anunciou a aquisição de todas as ações da fabricante britânica de semicondutores Newport Wafer Fab, por meio de sua subsidiária holandesa Nexperia. A Newport Wafer Fab foi fundada em 1982 e produz principalmente semicondutores de potência de alta eficiência energética para a indústria automotiva. A Nexperia é uma importante fabricante de chips e componentes automotivos. Sobre a aquisição, Zhang Xuezheng, presidente da Wingtech Technology, afirmou que a incorporação da Newport fortalecerá significativamente as capacidades da Nexperia em semicondutores de grau automotivo, como IGBTs, MOSFETs, analógicos e compostos.

Seja pela abertura de fábricas, pelo início da produção em massa ou por fusões e aquisições, esses fabricantes estão focando no mercado de produtos IGBT para a indústria automotiva, o que reflete a popularidade desse mercado.

Forte demanda por IGBT

Nos próximos anos, a taxa de crescimento das vendas de veículos elétricos deverá ultrapassar os 50%. Beneficiando-se do apoio político e dos subsídios às vendas, espera-se que a taxa de crescimento anual composta das vendas globais e chinesas de veículos elétricos de nova energia atinja 32%, o que impulsionará o rápido desenvolvimento das cadeias industriais de semicondutores e eletrônicos relacionadas. Não é segredo que os automóveis são um dos três pilares que impulsionam o desenvolvimento da indústria de semicondutores (5G, Internet das Coisas e eletrônica automotiva são considerados os três principais motores que impulsionarão o desenvolvimento da indústria de semicondutores na próxima onda).

Em aplicações automotivas, o uso de semicondutores de potência só perde para os microcontroladores (MCUs), e sua participação de mercado é enorme.

A maior parte dos novos semicondutores utilizados em veículos de novas energias se concentra em semicondutores de potência. Em automóveis tradicionais, os semicondutores de potência são usados ​​principalmente em áreas como partida, geração de energia e segurança, representando 20% do total de semicondutores. O valor de um único veículo é de aproximadamente US$ 60.

Como os veículos de novas energias geralmente utilizam circuitos de alta tensão, quando a bateria fornece alta tensão, conversões frequentes de tensão são necessárias. Nesse momento, o consumo de circuitos de conversão de tensão (CC-CC) aumenta significativamente. Além disso, um grande número de inversores CC-CA, transformadores, conversores, etc., também são necessários. Essas demandas por dispositivos semicondutores, como IGBTs, MOSFETs e diodos, também aumentaram significativamente. O exposto acima elevou consideravelmente a demanda por dispositivos de potência em sistemas eletrônicos automotivos.

Segundo as estatísticas da McKinsey, o custo dos semicondutores para veículos totalmente elétricos é de US$ 704, o dobro dos US$ 350 dos veículos tradicionais. Dentre eles, o custo dos dispositivos de potência chega a US$ 387, representando 55% do total. Considerando os novos custos com semicondutores para veículos totalmente elétricos em comparação com os veículos tradicionais, o custo dos dispositivos de potência é de aproximadamente US$ 269, representando 76% dos novos custos.

O processo de geração e transmissão de energia em veículos elétricos de nova geração difere bastante do de motores a gasolina, exigindo conversões frequentes de tensão e de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA). Além disso, a alta demanda por autonomia em veículos totalmente elétricos tornou os requisitos de gerenciamento de energia mais refinados. Essas demandas por dispositivos discretos de potência, como IGBTs, MOSFETs e diodos, são muito maiores do que as de veículos tradicionais. Impulsionado pela demanda automotiva, o mercado de IGBTs experimentará um crescimento exponencial.

Os módulos de potência automotivos (atualmente, o IGBT é o mais utilizado) determinam o desempenho fundamental do sistema de acionamento elétrico do veículo e representam mais de 40% do custo do inversor do motor, que é o componente principal.

O IGBT representa cerca de um terço do custo do motor do veículo, e o motor do veículo representa cerca de 15 a 20% do custo total do veículo. Em outras palavras, o IGBT representa de 5 a 7% do custo total do veículo.

Em termos técnicos, os chips IGBT passaram por uma série de processos iterativos, incluindo atualizações de PT para NPT e, posteriormente, para FS, o que tornou o chip mais fino, reduziu a resistência térmica e melhorou a Tj; a introdução de IEGT, CSTBT e MPT continuou a reduzir a Vce e a aumentar a densidade de potência; por meio da otimização da camada metálica superficial e da camada de passivação, é possível atender aos altos requisitos de confiabilidade da indústria automotiva.

Nos últimos anos, os IGBTs têm inovado em termos de estrutura, como o surgimento dos RC-IGBTs e projetos que integram FWD e IGBTs; além disso, também existem integrações funcionais, como sensores integrados de corrente e temperatura.

Os IGBTs são amplamente utilizados em sistemas de controle de motores automotivos. Atualmente, esses sistemas requerem dezenas de IGBTs. Tomando a Tesla como exemplo, o motor assíncrono CA trifásico traseiro da empresa utiliza 28 IGBTs por fase, totalizando 84 IGBTs. Incluindo os IGBTs em outras partes do motor, a Tesla utiliza um total de 96 IGBTs (os dois motores mais 36 para o motor dianteiro). Calculando um preço entre US$ 4 e US$ 5 por unidade, o valor de um IGBT para dois motores é de aproximadamente US$ 650.

Embora o MOSFET de SiC seja mais avançado que o IGBT e tenha um bom potencial de desenvolvimento de mercado (a Tesla já adotou o MOSFET de SiC e a NIO também o adotará em breve), atualmente, ainda existem alguns problemas nos dispositivos de potência de SiC, que se refletem especificamente em: baixo rendimento e alto custo; muitos defeitos na interface entre o SiC e o SiO2, e a confiabilidade a longo prazo do óxido de porta é um problema; falta de dados de confiabilidade a longo prazo do MOSFET de SiC.

Além disso, a capacidade de condução de corrente dos dispositivos de SiC é baixa, mas o custo é muito alto. O custo dos chips MOSFET de SiC do mesmo nível é de 8 a 12 vezes maior que o dos IGBTs baseados em silício. Em termos de consumo de energia, o MOSFET de SiC é ligado antes do IGBT baseado em silício e desligado depois do IGBT. O IGBT pode atingir ZVS (comutação com tensão zero), o que pode reduzir significativamente as perdas.

De forma geral, as características elétricas dos IGBTs são próximas a 90% das dos chips MOSFET de SiC, enquanto o custo é 25% menor. Portanto, os módulos de comutação híbridos de SiC e silício apresentam grande potencial de aplicação no mercado, mas a popularização de dispositivos de SiC puro em sistemas de energia automotivos ainda levará tempo. Os IGBTs continuam sendo a principal força motriz do mercado.

O mercado chinês está crescendo.

A China é um dos mercados mais importantes para veículos de novas energias, representando mais da metade das vendas globais desse tipo de veículo no país.

Nesse contexto de mercado, os principais fabricantes internacionais de semicondutores estabeleceram parcerias estratégicas com montadoras nacionais de veículos. Por exemplo, em março de 2018, a SAIC e a Infineon criaram uma joint venture, a SAIC Infineon Semiconductor Company. Segundo informações, a SAIC Infineon Semiconductor concentra-se no negócio de encapsulamento de módulos IGBT, visando atender à SAIC e a outras montadoras nacionais de veículos de nova energia, e planeja atingir uma capacidade de produção anual de 1 milhão de unidades.

Além disso, a Wingtech Technology adquiriu uma participação majoritária na Nexperia, empresa com vasta experiência no setor de dispositivos semicondutores de potência para a indústria automotiva. Mais de 50% de seus produtos são utilizados no setor automotivo. De acordo com o plano, a Nexperia expandirá gradualmente sua produção na China continental.

Comparando o cenário competitivo de semicondutores automotivos e o histórico de desenvolvimento de fabricantes estrangeiros, os fabricantes nacionais chineses têm principalmente dois caminhos de desenvolvimento: um é obter tecnologia e recursos de clientes por meio de aquisições no setor tradicional de chips; o outro é desenvolver semicondutores de potência para veículos de novas energias e chips para carros inteligentes.

Embora a eletrificação tenha trazido novas demandas para o mercado de semicondutores automotivos, também proporcionou muitas oportunidades para os fabricantes nacionais de semicondutores automotivos. Atualmente, um número crescente de fabricantes nacionais está começando a desenvolver semicondutores de potência para veículos de novas energias. Entre os fabricantes representativos, podemos citar a BYD, a CRRC, a Silan Microelectronics e os fabricantes mencionados anteriormente.

No entanto, os fabricantes chineses de semicondutores de potência para o setor automotivo ainda são relativamente fracos e possuem uma participação de mercado relativamente baixa. Será difícil estabelecer uma relação competitiva real com os principais fabricantes internacionais em um curto período de tempo, sendo necessário um crescimento contínuo.

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