Ces dernières années, les semi-conducteurs composés représentés par le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium) ont fait l'objet d'une attention considérable en raison de leurs excellentes propriétés, telles qu'une large bande interdite, une vitesse de dérive à saturation élevée et un champ critique de rupture élevé. Le SiC et le Si ont été en concurrence dans la fabrication de semi-conducteurs de puissance et ont démontré leur force à la fois dans la science et dans la pratique. Avec la popularisation et le développement des véhicules électriques à énergie nouvelle, les constructeurs automobiles ont commencé à passer à la plate-forme haute tension de 800 V, ce qui a entraîné une augmentation de la demande de SiC. Par conséquent, l'application du SiC dans l'industrie automobile s'accélère, ce qui a un certain impact sur les IGBT à base de silicium.
Toutefois, des rumeurs ont récemment circulé sur une pénurie d'IGBT. La cause en est un reportage des médias taïwanais, dans lequel le président de Maotech, Ye Zhengxian, a déclaré que la pénurie et l'augmentation des prix des IGBT n'étaient pas un phénomène nouveau et qu'il ne s'agissait pas simplement d'une question de prix élevés, mais que les IGBT n'étaient tout simplement pas disponibles à l'achat. Entre-temps, les fonderies augmentent également leurs prix en raison de la forte demande, le groupe Hanlei ayant augmenté les prix de sa ligne de production d'IGBT d'environ 10% au début de l'année, ce qui met en évidence la concurrence intense sur le marché.
D'après les délais de livraison de plusieurs grands fabricants d'IGBT dans le monde, il semble que les IGBT soient effectivement en pénurie. Actuellement, les IGBT sont principalement dominés par les géants européens et japonais, la part de marché mondiale des IGBT d'Infineon dépassant 32%. En outre, les principaux fournisseurs sont des sociétés japonaises telles que Fuji Electric, ON Semiconductor, Toshiba et STMicroelectronics. Les délais de livraison de ces grands fabricants d'IGBT sont généralement d'environ 50 semaines en moyenne. Selon le "Q1 2023 Chip Market Report" publié par Fuchang Electronics le 17 février 2023, le délai de livraison des IGBT d'ON Semiconductor est compris entre 39 et 62 semaines, celui d'Infineon entre 39 et 50 semaines, celui d'IXYS entre 50 et 54 semaines, celui de Microsemi entre 42 et 52 semaines et celui de ST entre 47 et 52 semaines. Toutefois, les délais de livraison et les tendances des prix de ces fabricants sont stables, ce qui indique que le marché est sain.
Dans le contexte de la montée en puissance du SiC, pourquoi l'IGBT est-il toujours aussi populaire ? Les récentes actions de Tesla nous ont incités à reconsidérer l'importance de l'IGBT et du SiC.
Tesla réduit le SiC et continue de miser sur le silicium
Le premier tir pour SiC a été licencié par Tesla, et la croissance du marché du SiC au cours des cinq dernières années a largement dépendu de Tesla, qui a été le premier constructeur automobile à utiliser le matériau SiC dans les véhicules électriques et qui est aujourd'hui le plus gros acheteur. Toutefois, en raison de problèmes de coûts, Tesla a annoncé, lors de la récente journée des investisseurs de l'IA, qu'elle réduirait la teneur en SiC de 75% dans la prochaine génération de véhicules, ce qui a provoqué des remous dans l'industrie. 75%, ce n'est pas rien ! Grâce à diverses mesures, dont la réduction du SiC, Tesla réduira les coûts de $1 000 dans la prochaine génération de véhicules électriques.
Tesla développe actuellement un nouveau modèle d'entrée de gamme - Model 2 ou Model Q - qui sera moins cher et plus compact que les véhicules existants. Selon Tesla, cette voiture plus petite avec moins de fonctionnalités ne nécessitera pas autant de dispositifs SiC pour fournir de l'énergie.
L'analyse de l'industrie suggère que Tesla adoptera une méthode IGBT + MOSFET SiC à base de silicium pour remplacer le SiC dans les modèles bas de gamme. Actuellement, les onduleurs utilisés dans les plateformes Model S/X et Model 3/Y de Tesla sont les mêmes. Selon le rapport de démontage de SystemPlus Consulting, il y a un total de 24 modules SiC sur l'onduleur principal du modèle 3, chaque module contenant deux matrices SiC, soit un total de 48 MOSFET SiC. Ces 48 MOSFET SiC remplacent 84 IGBT. L'objectif de Tesla pour le nouveau groupe motopropulseur est de n'utiliser que 12 MOSFET SiC.
L'initiative de Tesla a deux conséquences importantes : d'une part, il s'agit d'une nouvelle positive pour le SiC, car Tesla élargit le marché potentiel du SiC et l'adapte au marché bas de gamme. D'autre part, l'approche de Tesla pourrait également être imitée par d'autres fabricants d'équipements d'origine ou accroître encore la demande d'IGBT. Selon les analystes de Yole Intelligence, d'ici 2023, les IGBT à base de silicium utilisés dans les onduleurs pour VE seront dans une position favorable en termes de capacité et de coût au sein de l'industrie.
Pourquoi les MOSFET SiC ne peuvent-ils pas remplacer les IGBT ?
Bien que le SiC présente des caractéristiques supérieures, il ne convient pas à toutes les applications. Les transistors SiC présentent des avantages tels qu'une vitesse de commutation plus élevée, une résistance à l'enclenchement plus faible et une meilleure résistance à la tension, ce qui les rend très appropriés pour les applications à haute fréquence et à haute tension. Dans la plage de 600 à 1 700 V, les dispositifs de puissance SiC présentent un avantage significatif, en particulier dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle. Les puces IGBT traditionnelles à base de silicium ont atteint la limite physique des matériaux dans les modèles de charge rapide à haute tension, de sorte que les nouveaux véhicules à énergie ont commencé à adopter le SiC.
Toutefois, l'inconvénient des transistors SiC est que leur prix est relativement élevé et que le processus de production du SiC est plus compliqué. La principale raison du prix élevé du SiC est le substrat SiC, qui entraîne une croissance lente des cristaux de SiC. Il faut environ 7 jours pour faire croître un cristal de SiC de 1 cm, alors qu'il ne faut que 2 à 3 jours pour extraire une tige de silicium de 8 pouces et d'environ 2 mètres. Le SiC a également une dureté élevée, ce qui augmente non seulement le temps de coupe, mais réduit également le rendement. En général, la découpe des plaquettes de silicium ne prend que quelques heures, alors que celle du SiC nécessite des centaines d'heures. Par conséquent, le contrôle effectif de la chaîne industrielle du SiC est entre les mains des fournisseurs de substrats. En outre, les autres coûts de production sont plus élevés que ceux du SiC, mais la proportion par rapport au substrat est plus faible. Le traitement et la production du SiC nécessitent des températures plus élevées et des consommables plus coûteux. Les transistors en SiC présentent également certains inconvénients, comme le fait d'être facilement endommagés et sensibles à la température. Compte tenu de ces facteurs, le SiC n'est pas adapté à certains scénarios d'application à faible coût et à faible puissance.
Le coût de fabrication de l'IGBT est inférieur à celui du MOSFET SiC car l'IGBT utilise des matériaux à base de silicium dont le coût est faible et la technologie de production mature. Le prix du silicium ne représente qu'un tiers ou un quart de celui des matériaux à large bande interdite. Deuxièmement, l'IGBT est plus fiable que le MOSFET SiC en raison de sa structure relativement simple et de son taux de défaillance plus faible. En même temps, l'IGBT a une meilleure capacité et une meilleure résistance aux surtensions, ce qui convient aux applications à forte puissance et à fort courant. Par exemple, dans le domaine des piles de chargement, qui ne nécessite pas d'exigences élevées en matière d'environnement, de poids et d'espace, il est difficile de remplacer l'IGBT, qui présente l'avantage le plus important en termes de coûts.
Par conséquent, le SiC ne peut pas remplacer complètement l'IGBT.
Les initiés de l'industrie ont déclaré précédemment : "Le SiC est comme un adolescent intelligent et très individualiste, avec des avantages remarquables et des inconvénients tout aussi remarquables. L'IGBT ressemble davantage à une jeune personne stable et mûre qui peut supporter le fardeau des dispositifs de puissance".
Cao Yanfei, premier vice-président d'Infineon Technologies et responsable de l'unité commerciale de l'électronique automobile en Chine élargie, a également déclaré lors d'une récente réunion de communication avec les médias : "Pour de nombreuses applications qui accordent la priorité aux facteurs de performance et d'apparence les plus élevés, les matériaux à base de silicium restent compétitifs. Nous pensons que dans le domaine de l'automobile, le Si et le SiC coexisteront à moyen et à long terme."
En effet, IGBT (transistor bipolaire à porte isolée) en tant que nouveau type de dispositif semi-conducteur de puissance, est le produit le plus représentatif de la troisième révolution de la technologie internationale de l'électronique de puissance et constitue l'élément central des domaines du contrôle industriel et de l'automatisation. L'IGBT est appelé "CPU" dans l'industrie de l'électronique de puissance. L'IGBT reste le meilleur choix dans de nombreux scénarios d'application et est largement utilisé dans des domaines tels que les convertisseurs de fréquence, la production d'énergie éolienne et la production d'énergie solaire. Le développement rapide de ces domaines a entraîné une augmentation rapide de la demande d'IGBT.
L'IGBT en forte demande
Les initiés de l'industrie estiment que la hausse actuelle de la demande d'IGBT est principalement due au développement rapide des nouvelles applications énergétiques telles que les véhicules électriques et l'énergie solaire. En 2022, la demande d'applications électroniques grand public diminuera, mais la demande d'applications émergentes telles que l'énergie photovoltaïque, le stockage de l'énergie et les véhicules à énergie nouvelle restera forte.
Dans le contexte du "pic carbone" et de la "neutralité carbone", l'application à grande échelle de l'énergie solaire photovoltaïque est devenue une tendance inévitable du développement énergétique mondial. L'onduleur photovoltaïque est le "cœur" du système solaire photovoltaïque, et le module IGBT est le composant principal de l'onduleur photovoltaïque, représentant 10% à 15% du coût de l'onduleur. Comme l'efficacité de la production d'énergie des modules solaires continue de s'améliorer et que l'on passe progressivement à des modules de grande puissance, la proportion d'IGBT dans l'onduleur augmente considérablement.
L'augmentation des installations photovoltaïques est devenue un moteur important de l'augmentation de la demande de modules IGBT photovoltaïques. Cela se reflète également dans les revenus des fabricants chinois : Xin Jieneng a réalisé un chiffre d'affaires de 400 millions de yuans dans le secteur des IGBT en 2022, soit une augmentation de 398 % en glissement annuel.23%, et l'on s'attend à ce que les ventes des produits IGBT de l'entreprise continuent de s'accélérer en 2023 ; le fournisseur chinois d'IGBT Star Semiconductor a déclaré dans ses prévisions de performance pour 2022 que les modules IGBT et les dispositifs discrets sont rapidement déployés et installés en grandes quantités dans les domaines de la production d'électricité photovoltaïque et du stockage d'énergie ; et BYD Semiconductor a annoncé en juin de l'année dernière que son module IGBT avait été expédié en vrac dans le domaine photovoltaïque.
En ce qui concerne les véhicules électriques, il est inutile de préciser que le nombre d'IGBT utilisés dans un véhicule électrique peut atteindre des centaines, soit sept à dix fois plus que dans les véhicules à carburant traditionnels. Les IGBT sont principalement utilisés dans trois domaines dans les voitures, à savoir l'onduleur principal de l'entraînement du moteur, les chargeurs embarqués (OBC) et les convertisseurs DC/DC liés à la charge, et les modules pour compléter les applications auxiliaires.
Selon les données d'institutions analytiques, la capacité photovoltaïque installée nouvellement ajoutée dans le monde a atteint 244 GW en 2022, et les ventes réelles de véhicules à énergie nouvelle en Chine ont atteint plus de 6,8 millions d'unités. Selon les données de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), il y aura 125 millions de véhicules électriques sur les routes d'ici 2030.
Stimulé par les multiples marchés de l'énergie verte, le marché des IGBT est en pleine expansion. L'étude de données de la Business Research Company indique que la taille du marché mondial des IGBT passera de 7,27 milliards de dollars US en 2022 à 8,42 milliards de dollars US en 2023, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 15,7%, et atteindra 15,27 milliards de dollars US en 2027, avec un taux de croissance annuel composé de 16,0%.
Outre les facteurs liés au marché, le développement continu de nouveaux produits par un groupe de fournisseurs d'IGBT est le héros qui permet à l'IGBT d'être dans une "position invincible". Des entreprises telles que Infineon, ON Semiconductor, Toshiba et des participants chinois améliorent les performances et la stabilité des IGBT grâce à des innovations et des améliorations continues, ce qui les rend plus adaptés à divers scénarios d'application. En voici un exemple :
- En novembre 2022, Infineon Technologies a mis au point un nouveau module de puissance à IGBT unique pour les onduleurs de 1500V.
- Le 20 mars 2023, ON Semiconductor a mis sur le marché une série de nouveaux IGBT ultra-efficaces 1200V VII (FS7), qui présentent des pertes de conduction et de commutation plus faibles.
- Toshiba Electronics Europe GmbH a annoncé un nouvel IGBT discret classé 650V pour les circuits PFC dans les climatiseurs, les appareils ménagers, les alimentations d'équipements industriels et d'autres applications, avec une amélioration d'au moins 40% des pertes à l'arrêt par rapport aux dispositifs de la génération précédente.
- En septembre 2022, Renesas Electronics Corporation a mis au point un nouveau Si-IGBT AE5 pour la prochaine génération d'onduleurs pour véhicules électriques (EV). Le processus AE5 à base de silicium utilisé pour les IGBT peut réduire les pertes de puissance de 10% par rapport à la génération actuelle de produits AE4 de l'entreprise. Renesas Electronics commencera à produire en masse les IGBT de la génération AE5 sur ses lignes de production de plaquettes de 200 mm et 300 mm dans son usine de Naka, au Japon, au cours du premier semestre 2023.
Lancement de plusieurs projets IGBT en Chine et à l'étranger
La Chine est le plus grand marché pour la demande d'IGBT et, à moyen et long terme, la demande du marché des semi-conducteurs continuera à croître rapidement. Pour pallier la pénurie d'IGBT, nous constatons que de nombreux fournisseurs d'IGBT intensifient leurs efforts de production afin d'augmenter l'offre.
En avril 2022, Denso et United Semiconductor Japan Corporation (USJC) ont annoncé que les deux entreprises allaient collaborer pour produire des semi-conducteurs de puissance dans l'usine de fabrication de plaquettes de 300 mm d'USJC. L'usine de fabrication de plaquettes de USJC installera une ligne de production d'IGBT, ce qui en fera la première usine au Japon à produire des IGBT sur des plaquettes de 300 mm. Denso apportera ses dispositifs IGBT orientés système et sa technologie de traitement, tandis que USJC fournira sa capacité de fabrication de plaquettes de 300 mm, et la production devrait commencer au cours du premier semestre 2023.
En Chine, le 18 février, le district de Fuling de Chongqing a organisé une cérémonie pour le lancement de projets clés au cours du premier trimestre 2023. Parmi eux, les projets dont la construction a commencé comprennent le projet de ligne de production de semi-conducteurs de puissance IGBT 6 pouces de Daxin Electronics, avec un investissement total de 2 milliards de yuans, la construction d'une ligne de production annuelle de 1,2 million de plaquettes de semi-conducteurs de puissance 6 pouces à processus caractéristique, avec des produits couvrant les véhicules à énergie nouvelle, les réseaux intelligents, le stockage d'énergie optique, la production d'énergie éolienne, les applications industrielles, les appareils électroménagers et d'autres domaines.
Le 22 février, Jiangsu Jiejie Microelectronics Co. a annoncé son intention d'augmenter ses investissements dans le projet de construction de la "Power Semiconductor 6-inch Wafer and Device Packaging and Testing Production Line" par sa filiale à 100 % Jiejie Semiconductor Co. de 510 millions de yuans à 810 millions de yuans, avec un investissement en équipement de 523 millions de yuans.
Par la suite, au fur et à mesure que les fabricants mondiaux libéreront des capacités et que l'offre et la demande s'ajusteront, les délais d'approvisionnement en IGBT reviendront progressivement à des niveaux normaux et les pénuries se résorberont.
Les capitaux ont également été actifs dans le domaine des IGBT, de nombreuses sociétés de semi-conducteurs dans le domaine des IGBT ayant reçu un financement au cours des six derniers mois :
Le 15 décembre 2022, Zhejiang Jingneng Microelectronics Co. Ltd, une filiale de Geely Technology Group, a annoncé la finalisation de son tour de financement Pre-A. Le 16 mars, Geely Technology Group a annoncé que son premier produit IGBT pour véhicule, conçu et développé indépendamment par Zhejiang Jingneng Microelectronics, était entré en production avec succès. Il utilise la septième génération de technologie de grille à micro-gorges et de coupure de champ, avec des indicateurs de performance complets qui atteignent le niveau le plus élevé de l'industrie.
En février 2023, Mipurson Semiconductor a achevé son cycle de financement A+, axé sur les composants semi-conducteurs de haute puissance MOSFET/IGBT ; le 20 mars, National Silicon Technology Investment a participé à l'investissement de Shanghai Ruiqu Microelectronics Technology Co, Ltd, une start-up chinoise dans le domaine des IGBT, avec un montant d'investissement de 15 millions de yuans, représentant 4,87%, se concentrant sur le développement de puces IGBT de septième génération et de modules intelligents IPM ; le 25 mars, Anjian Semiconductor a reçu 180 millions de yuans en financement de série B, les fonds levés étant principalement utilisés pour le développement de produits de série complète MOS et IGBT à haute et basse tension, le développement de dispositifs SiC semi-conducteurs de troisième génération, et la construction d'une usine de conditionnement et d'essai de modules IGBT.
Conclusion
L'IGBT, le SiC et même le GaN sont des dispositifs semi-conducteurs très importants sur le marché actuel, trouvant de vastes applications dans des domaines tels que l'électronique de puissance et autres. Bien que l'IGBT ait certaines limites, les développements et innovations technologiques en cours permettent au SiC et à l'IGBT de se compléter et de coopérer dans un environnement concurrentiel. À l'avenir, l'IGBT devrait continuer à jouer un rôle important dans l'avancement des technologies de l'électronique et de l'énergie.
