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IGBT imbatible

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Índice

En los últimos años, los semiconductores compuestos representados por el SiC (carburo de silicio) y el GaN (nitruro de galio) han recibido una atención considerable debido a sus excelentes propiedades, como la amplia banda prohibida, la alta velocidad de deriva de saturación y el elevado campo crítico de ruptura. El SiC y el Si han competido en la fabricación de semiconductores de potencia y han demostrado su fortaleza tanto en la ciencia como en la práctica. Especialmente con la popularización y el desarrollo de los vehículos eléctricos de nueva energía, los fabricantes de automóviles han empezado a pasar a la plataforma de alta tensión de 800 V, lo que ha provocado un aumento de la demanda de SiC. Como resultado, la aplicación del SiC en la industria del automóvil se está acelerando, lo que supone un cierto impacto en los IGBT basados en silicio.

Sin embargo, recientemente han circulado rumores sobre una escasez de IGBT. La causa fue una noticia de los medios de comunicación taiwaneses, en la que el presidente de Maotech, Ye Zhengxian, afirmaba que la escasez y el aumento de precio de los IGBT no es un fenómeno nuevo y que no se trata simplemente de una cuestión de precios altos, sino de que los IGBT simplemente no están disponibles para su compra. Mientras tanto, las fundiciones también están subiendo sus precios debido a la alta demanda, y el Grupo Hanlei elevó los precios de su línea de producción de IGBT en unos 10% a principios de este año, lo que pone de manifiesto la intensa competencia existente en el mercado.

Según los plazos de entrega de varios de los principales fabricantes de IGBT del mundo, parece que, efectivamente, los IGBT escasean. En la actualidad, los IGBT están dominados principalmente por gigantes europeos y japoneses, y la cuota de mercado mundial de IGBT de Infineon supera los 32%. Además, entre los principales proveedores figuran empresas japonesas como Fuji Electric, ON Semiconductor, Toshiba y STMicroelectronics. Los plazos de entrega de estos grandes fabricantes de IGBT suelen rondar las 50 semanas de media. Según el "Informe sobre el mercado de chips del primer trimestre de 2023" publicado por Fuchang Electronics el 17 de febrero de 2023, el plazo de entrega de los IGBT de ON Semiconductor oscila entre 39 y 62 semanas, mientras que el plazo de entrega de los IGBT de Infineon es de 39 a 50 semanas, el plazo de entrega de los IGBT de IXYS es de 50 a 54 semanas, el plazo de entrega de los IGBT de Microsemi es de 42 a 52 semanas y el plazo de entrega de los IGBT de ST es de 47 a 52 semanas. Sin embargo, los plazos de entrega y las tendencias de precios de estos fabricantes son estables, lo que indica un mercado saludable.

En el contexto del auge del SiC, ¿por qué sigue siendo tan popular el IGBT? Las recientes acciones de Tesla nos han llevado a reconsiderar la importancia del IGBT y el SiC.

Tesla reduce el SiC y sigue apostando por el silicio

El primer disparo para SiC fue despedido por Tesla, y el crecimiento del mercado del SiC en los últimos cinco años dependió en gran medida de Tesla, que fue el primer fabricante de automóviles en utilizar material de SiC en vehículos eléctricos y ahora es el mayor comprador. Sin embargo, debido a problemas de costes, Tesla anunció en el reciente Día del Inversor de AI que reduciría el contenido de SiC en 75% en la próxima generación de vehículos, lo que causó un gran revuelo en el sector. ¡75% no es una cifra pequeña! A través de diversas acciones, incluida la reducción del SiC, Tesla reducirá los costes en $1.000 en la próxima generación de vehículos eléctricos.

tesla reduce el carburo de silicio y adopta el igbt
Fuente: Tesla

Tesla está desarrollando un nuevo modelo básico, el Model 2 o Model Q, que será más barato y compacto que los vehículos actuales. En opinión de Tesla, este coche más pequeño y con menos prestaciones no necesitará tantos dispositivos SiC para suministrar energía.

Los análisis del sector sugieren que Tesla adoptará un método de IGBT + MOSFET de SiC de bajo consumo basado en silicio para sustituir al SiC en los modelos de gama baja. Actualmente, los inversores utilizados en las plataformas Model S/X y Model 3/Y de Tesla son los mismos. Según el informe de desmontaje de SystemPlus Consulting, hay un total de 24 módulos de SiC en el inversor principal del Model 3, y cada módulo contiene dos troqueles de SiC, con un total de 48 MOSFET de SiC. Estos 48 MOSFET de SiC sustituyen a 84 IGBT. El objetivo de Tesla para la nueva cadena cinemática es utilizar solo 12 MOSFET de SiC.

El movimiento de Tesla tiene dos implicaciones de gran alcance: una es que se trata de una noticia positiva para el SiC, ya que Tesla está ampliando el mercado potencial del SiC y haciéndolo apto para el mercado de gama baja. La otra es que el planteamiento de Tesla también puede ser emulado por otros fabricantes de equipos originales o aumentar aún más la demanda de IGBT. Según los analistas de Yole Intelligence, para 2023, los IGBT basados en silicio utilizados en los inversores de los VE estarán en una posición favorable en términos de capacidad y coste dentro de la industria.

¿Por qué los MOSFET de SiC no pueden sustituir a los IGBT?

Aunque el SiC tiene algunas características superiores, no es adecuado para todas las aplicaciones. Los transistores de SiC tienen ventajas como una mayor velocidad de conmutación, una menor resistencia a la conexión y una mayor resistencia a la tensión, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y alta tensión. En el rango de 600-1.700 V, los dispositivos de potencia de SiC tienen una ventaja significativa, especialmente en el campo de los vehículos de nueva energía. Los chips IGBT tradicionales basados en silicio han alcanzado el límite físico de los materiales en los modelos de carga rápida de alto voltaje, por lo que los vehículos de nueva energía han empezado a adoptar el SiC.

Sin embargo, la desventaja de los transistores de SiC es que su precio es relativamente alto, y el proceso de producción del SiC es más complicado. La principal razón del elevado precio del SiC se debe al sustrato de SiC, que provoca el lento crecimiento de los cristales de SiC. Se tardan unos 7 días en hacer crecer un cristal de SiC de 1 cm, mientras que en extraer una barra de silicio de unos 2 metros sólo se tardan 2-3 días. El SiC también tiene una gran dureza, lo que no sólo aumenta el tiempo de corte, sino que también reduce el rendimiento. En general, cortar obleas de silicio sólo lleva unas horas, mientras que el SiC requiere cientos de horas. Por tanto, el control real de la cadena industrial del SiC está en manos de los proveedores de sustratos. Además, otros costes de producción son superiores a los del Si, pero la proporción relativa al sustrato es menor. El procesamiento y la producción de SiC requieren temperaturas más elevadas y consumibles más caros. Los transistores de SiC también tienen algunos inconvenientes, como que se dañan con facilidad y son sensibles a la temperatura. Teniendo en cuenta estos factores, el SiC no es adecuado para algunas aplicaciones de bajo coste y baja potencia.

El coste de fabricación del IGBT es inferior al del MOSFET de SiC porque el IGBT utiliza materiales a base de silicio de bajo coste y tecnología de producción madura. El precio del silicio es sólo entre un tercio y un cuarto del de los materiales de banda ancha. En segundo lugar, el IGBT es más fiable que el MOSFET de SiC por su estructura relativamente sencilla y su menor tasa de fallos. Al mismo tiempo, el IGBT tiene un mejor rendimiento de capacitancia y una mejor resistencia a la sobretensión, lo que resulta adecuado para aplicaciones de alta potencia y alta corriente. Por ejemplo, en el campo de la pila de carga, que no requiere grandes requisitos medioambientales ni de peso y espacio, es difícil sustituir el IGBT, que tiene la mayor ventaja en cuanto a costes.

Por lo tanto, el SiC no puede sustituir completamente al IGBT.

Los conocedores de la industria han dicho: "El SiC es como un adolescente inteligente y muy individualista, con ventajas extraordinarias y desventajas igualmente extraordinarias. El IGBT se parece más a un joven firme y maduro que puede soportar la carga de los dispositivos de potencia."

Cao Yanfei, Vicepresidente Senior de Infineon Technologies y Director de la Unidad de Negocio de Electrónica de Automoción en la Gran China, también declaró en una reciente reunión de comunicación con los medios: "Para muchas aplicaciones que priorizan los factores de rendimiento y apariencia, los materiales basados en silicio siguen siendo competitivos. Creemos que en el campo de la automoción, el Si y el SiC coexistirán a medio y largo plazo".

De hecho, IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) como nuevo tipo de dispositivo semiconductor de potencia, es el producto más representativo de la tercera revolución de la tecnología internacional de electrónica de potencia, y es el componente central de los campos de control y automatización industrial. El IGBT recibe el nombre de "CPU" en la industria de la electrónica de potencia. El IGBT sigue siendo la mejor opción en muchos escenarios de aplicación y se utiliza ampliamente en campos como los convertidores de frecuencia, la generación de energía eólica y la generación de energía solar. El rápido desarrollo de estos campos ha provocado un rápido aumento de la demanda de IGBT.

Gran demanda de IGBT

Los conocedores del sector analizan que el actual aumento de la demanda de IGBT se debe principalmente al rápido desarrollo de nuevas aplicaciones energéticas como los vehículos eléctricos y la energía solar. En 2022, la demanda de aplicaciones de electrónica de consumo disminuirá, pero seguirá siendo fuerte la de aplicaciones emergentes como la fotovoltaica, el almacenamiento de energía y los vehículos de nuevas energías.

Con el telón de fondo del "pico de carbono" y la "neutralidad de carbono", la aplicación a gran escala de la energía solar fotovoltaica se ha convertido en una tendencia inevitable en el desarrollo energético mundial. El inversor fotovoltaico es el "corazón" del sistema solar fotovoltaico, y el módulo IGBT es el componente central del inversor fotovoltaico, representando entre 10% y 15% del coste del inversor. A medida que la eficiencia de generación de energía de los módulos solares sigue mejorando y se pasa gradualmente a módulos de alta potencia, la proporción de IGBT en el inversor aumenta considerablemente.

El aumento de las instalaciones fotovoltaicas se ha convertido en un importante motor del incremento de la demanda de módulos IGBT fotovoltaicos. Esto también se refleja en los ingresos de los fabricantes chinos: Xin Jieneng alcanzó unos ingresos por ventas de 400 millones de yuanes en el negocio de IGBT en 2022, lo que supone un aumento interanual de 398.23%, y se espera que las ventas de los productos IGBT de la empresa sigan acelerándose en 2023; el proveedor chino de IGBT Star Semiconductor declaró en su previsión de rendimiento para 2022 que los módulos IGBT y los dispositivos discretos se están desplegando e instalando rápidamente en grandes cantidades en los campos de la generación de energía fotovoltaica y el almacenamiento de energía; y BYD Semiconductor anunció en junio del año pasado que su módulo IGBT se había enviado a granel al campo fotovoltaico.

En cuanto a los vehículos eléctricos, no hace falta decir que el número de IGBT utilizados en un vehículo eléctrico asciende a cientos, lo que supone entre siete y diez veces más que en los vehículos de combustible tradicionales. Los IGBT se utilizan principalmente en tres áreas de los coches, a saber, el inversor principal del accionamiento del motor, los cargadores de a bordo (OBC) y los convertidores CC/CC relacionados con la carga, y los módulos para completar las aplicaciones auxiliares.

Según datos de instituciones analíticas, la nueva capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial alcanzó los 244 GW en 2022, y las ventas reales de vehículos de nueva energía en China superaron los 6,8 millones de unidades. Según datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), en 2030 habrá 125 millones de vehículos eléctricos en circulación.

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La aplicación del IGBT en los vehículos de nueva energía

Impulsado por múltiples mercados de energía verde, el mercado de IGBT está en rápida expansión. La investigación de datos de Business Research Company señaló que el tamaño del mercado mundial de IGBT aumentará de 7,27 mil millones de dólares estadounidenses en 2022 a 8,42 mil millones de dólares estadounidenses en 2023, con una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) de 15,7%, y aumentará a 15,27 mil millones de dólares estadounidenses en 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesto de 16,0%.

Además de los factores impulsados por el mercado, el continuo desarrollo de nuevos productos por parte de un grupo de proveedores de IGBT es el héroe que impulsa al IGBT a estar en una "posición invencible". Empresas como Infineon, ON Semiconductor, Toshiba y participantes chinos están mejorando el rendimiento y la estabilidad de los IGBT mediante la innovación y la mejora continuas, haciéndolos más adecuados para diversos escenarios de aplicación. Por ejemplo:

  • En noviembre de 2022, Infineon Technologies desarrolló un nuevo módulo de potencia IGBT simple para inversores de 1500 V.
  • El 20 de marzo de 2023, ON Semiconductor lanzó una serie de nuevos IGBT ultraeficientes de 1200V VII (FS7), que tienen menores pérdidas de conducción y conmutación.
  • Toshiba Electronics Europe GmbH ha anunciado un nuevo IGBT discreto con clasificación de 650 V para circuitos PFC en aparatos de aire acondicionado, electrodomésticos, fuentes de alimentación de equipos industriales y otras aplicaciones, con una mejora de al menos 40% en las pérdidas por desconexión en comparación con los dispositivos de la generación anterior. 
  • En septiembre de 2022, Renesas Electronics Corporation desarrolló un nuevo Si-IGBT AE5 para la próxima generación de inversores de vehículos eléctricos (VE). El proceso AE5 basado en silicio utilizado para los IGBT puede reducir las pérdidas de potencia en 10% en comparación con la actual generación de productos AE4 de la empresa. Renesas Electronics empezará a producir en serie la generación AE5 de IGBT en sus líneas de producción de obleas de 200 mm y 300 mm de su planta de Naka (Japón) en el primer semestre de 2023.

Múltiples proyectos de IGBT en China y el extranjero

China es el mayor mercado de demanda de IGBT y, a medio y largo plazo, la demanda del mercado de semiconductores seguirá mostrando un rápido crecimiento. Para paliar la escasez de IGBT, vemos que muchos proveedores de IGBT están incrementando sus esfuerzos de producción para aumentar la oferta.

En abril de 2022, Denso y United Semiconductor Japan Corporation (USJC) anunciaron que ambas empresas colaborarán para producir semiconductores de potencia en la fábrica de obleas de 300 mm de USJC. La fábrica de obleas de USJC instalará una línea de producción de IGBT, lo que la convertirá en la primera fábrica de Japón en producir IGBT en obleas de 300 mm. Denso aportará sus dispositivos IGBT orientados al sistema y su tecnología de proceso, mientras que USJC proporcionará su capacidad de fabricación de obleas de 300 mm, y está previsto que la producción comience en el primer semestre de 2023.

En China, el 18 de febrero, el distrito de Fuling de Chongqing celebró una ceremonia para el inicio de proyectos clave en el primer trimestre de 2023. Entre ellos, los proyectos que empezaron a construirse incluyen el proyecto de línea de producción de semiconductores de potencia IGBT de 6 pulgadas de Daxin Electronics, con una inversión total de 2.000 millones de yuanes, que construye una línea de producción anual de 1,2 millones de obleas de proceso característico de semiconductores de potencia de 6 pulgadas, con productos que abarcan vehículos de nueva energía, redes inteligentes, almacenamiento óptico de energía, generación de energía eólica, aplicaciones industriales, electrodomésticos de línea blanca y otros campos.

El 22 de febrero, Jiangsu Jiejie Microelectronics Co., Ltd. anunció que planea aumentar la inversión en el proyecto de construcción de la "Línea de producción de empaquetado y pruebas de dispositivos y obleas semiconductoras de potencia de 6 pulgadas" de su filial al 100% Jiejie Semiconductor Co., Ltd., de los 510 millones de yuanes iniciales a 810 millones, con una inversión en equipos de 523 millones de yuanes.

Posteriormente, a medida que los fabricantes mundiales vayan liberando capacidad, y con los ajustes de la oferta y la demanda, los plazos de entrega de los IGBT volverán gradualmente a niveles normales, y la escasez disminuirá.

El capital también se ha mostrado activo en el campo de los IGBT, y muchas empresas de semiconductores del sector han recibido financiación en los últimos seis meses:

El 15 de diciembre de 2022, Zhejiang Jingneng Microelectronics Co., Ltd., filial de Geely Technology Group, anunció la finalización de su ronda de financiación Pre-A. El 16 de marzo, Geely Technology Group publicó la información de que su primer producto IGBT para vehículos, diseñado y desarrollado de forma independiente por Zhejiang Jingneng Microelectronics, había entrado con éxito en producción, utilizando la tecnología de séptima generación de puerta de microranura y corte de campo, con indicadores de rendimiento integral que alcanzaban el nivel líder de la industria.

En febrero de 2023, Mipurson Semiconductor completó su ronda de financiación A+, centrándose en el campo de los componentes semiconductores de alta potencia MOSFET/IGBT; el 20 de marzo, National Silicon Technology Investment participó en la inversión de Shanghai Ruiqu Microelectronics Technology Co, Ltd., una empresa china de nueva creación en el campo de los IGBT, con una inversión de 15 millones de yuanes, que representan 4,87%, centrados en el desarrollo de chips IGBT de séptima generación y módulos inteligentes IPM; el 25 de marzo, Anjian Semiconductor recibió 180 millones de yuanes en financiación de serie B, y los fondos recaudados se utilizaron principalmente para el desarrollo de productos de serie completa MOS e IGBT de alta y baja tensión, el desarrollo de dispositivos semiconductores SiC de tercera generación y la construcción de una fábrica de embalaje y pruebas de módulos IGBT.

Conclusión

IGBT, SiC e incluso GaN son dispositivos semiconductores de gran importancia en el mercado actual, que encuentran amplias aplicaciones en campos como la electrónica de potencia y otros. Aunque el IGBT tiene algunas limitaciones, los continuos avances e innovaciones tecnológicas están permitiendo que el SiC y el IGBT se complementen y cooperen entre sí en un entorno competitivo. De cara al futuro, el IGBT está llamado a seguir desempeñando un papel importante en el avance de la electrónica y la tecnología de potencia.

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