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Aussichten für Leistungshalbleiter 2024

Wachstumstreiber Energie- und Automotive-Anwendungen

15. Januar 2024, 14:08 Uhr | Von Richard Eden, Callum Middleton und Paul Pickering, Omdia

Richard Eden (links) und Callum Middleton, beide Omdia

Nach teils rasanten Umsatzzuwächsen in einzelnen Produkt- und Anwendungssegmenten während der Pandemie hat sich das Wachstum vor allem bei Konsumgütern sowie Computer & Datenspeichern stark abgekühlt. Stabile Wachstumsraten erwarten die Analysten in Zukunft weiterhin bei Automotive und Energie.

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Von 2020 bis 2022 erlebte der Weltmarkt für diskrete Leistungshalbleiter, Leistungsmodule und integrierte Leistungsschaltungen (ICs) eine dreijährige Wachstumsphase. So stiegen die Umsätze mit diskreten Leistungshalbleitern und -modulen 2021 um rekordverdächtige 32 Prozent und 2022 um 11 Prozent. Etwas langsamer wuchsen die Umsätze mit Leistungs-ICs, nämlich um 21 Prozent im Jahr 2021 und um 9 Prozent im Jahr 2022, wie der Informa Tech Omdia Power Semiconductor Intelligence Service berichtet. Einer weit größeren Herausforderung als in den Vorjahren sah sich die Branche jedoch 2023 gegenüber. Auch wenn die endgültigen Zahlen noch nicht vorliegen, könnte es sein, dass die Umsätze mit Leistungshalbleitern, Leistungsmodulen und Leistungs-ICs im letzten Jahr um weniger als 5 Prozent gewachsen sind. Wir gehen deshalb davon aus, dass der gesamte Markt für Leistungshalbleiter bis 2025 ein niedriges einstelliges Wachstum aufweisen dürfte.

Größter Abnehmer von Leistungshalbleitern ist nach wie vor der Industriesektor einschließlich Beleuchtung, Medizintechnik, erneuerbare Energien und Antriebstechnik, da diese dort in großem Umfang in der Fertigungsautomatisierung und in industriellen Steuerungsanlagen zum Einsatz kommen. Dieser Sektor wuchs im Jahr 2021 um über 30 Prozent, da sich der Großteil der Welt von der Coronavirus-Pandemie erholte. Jedoch verlangsamte sich das Wachstum dann in den Jahren 2022 und 2023, da die industrielle Fertigung weltweit weiterhin schwach ist.

Nach drei schwachen Jahren wuchs der Automobilelektroniksektor in den Jahren 2021 und 2022 um rund 30 Prozent, was auf die steigende Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Erholung des Marktes nach der Pandemie zurückzuführen ist. Haupttreiber für die Nachfrage nach Diskreten und Modulen wird auf absehbare Zeit die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen sein. Da die Gesamtproduktionsraten für Fahrzeuge auch 2022 und 2023 weiter stiegen und aktuell keine Veränderung dieser Entwicklung erkennbar ist, wird die Automobilindustrie auch in Zukunft der am schnellsten wachsende Anwendungssektor für Leistungshalbleiter sein.

Obwohl der Sektor der Unterhaltungselektronik im Jahr 2021 aufgrund der Erholung von der Pandemie um 19 Prozent wuchs, ging er im Jahr 2022 um 3 Prozent zurück. Scheinbar hat das gesunkene Vertrauen der Verbraucher in den Markt zu einem weiteren Umsatzrückgang im Jahr 2023 geführt. Insgesamt erwarten wir, dass der Verbrauchersektor von 2022 bis 2027 ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von unter 3^Prozent erreichen wird.

Insgesamt wachsen die Märkte für Silizium-Leistungs-MOSFETs, diskrete IGBTs und IGBT-Module weiter. Die Kombination aus hoher Leistung und Zuverlässigkeit, weit verbreiteter Verfügbarkeit und wettbewerbsfähigen Marktpreisen macht sie zu sehr attraktiven Standardkomponenten. Sie werden ihre Marktdominanz beibehalten, selbst angesichts der zunehmenden Konkurrenz durch neuere Technologien mit breiter Bandlücke.

Leistungs-ICs

Nach einem schwachen Jahr 2023 erwartet Omdia für 2024 eine Erholung bei Leistungs-ICs mit einem erwarteten Wachstum von 10 Prozent. Durch das weltweite Streben nach höherer Energieeffizienz erhöht sich der Anteil an Leistungs-ICs auf allen Leistungsebenen, von tragbaren Geräten und Wearables im unteren Bereich bis hin zu High-End-Speichern im Netzbereich und erneuerbaren Energien.

Größtes Anwendungssegment für Leistungs-ICs ist wiederum die Industrie, mit einem durchschnittlichen Wachstum von 6 Prozent (CAGR von 2022 bis 2027). Dabei werden die größten Umsätze in den Bereichen Gebäude- und Haussteuerung, Fabrikautomation sowie Strom und Energie erzielt. Zu den langfristigen Trends, die das Wachstum in den drei Untersegmenten vorantreiben, gehören das intelligente Zuhause, die Einführung des IIoT und der Übergang zu Industrie 4.0 sowie das intelligente Stromnetz und erneuerbare Energien. Auch der Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird das Wachstum vorantreiben.

Auch die Leistungs-ICs für die Automobilindustrie haben sich nach drei aufeinanderfolgenden Jahren mit rückläufiger Fahrzeugproduktion vor 2020 inzwischen weiter erholt. Es wird erwartet, dass das Volumen vor der Pandemie bald wieder erreicht wird. Jedoch hat sich der Produktmix der Leistungs-ICs verschoben, da verschiedene Typen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen (HEV) Marktanteile gewinnen. Omdia geht darum davon aus, dass die größten Wachstumschancen für Leistungs-ICs bei EV-bezogenen Komponenten wie Batteriemanagement-ICs (BMICs) und Gate-Treibern für SiC- und GaN-Leistungsbauelemente bestehen. Power-Management-ICs (PMICs) mit funktionalen Sicherheitsmerkmalen werden auch für die fortschrittlichen Fahrerassistenzsysteme (ADAS) für alle Arten von PKWs und LKWs benötigt.

Im Bereich der drahtgebundenen und drahtlosen Kommunikation bauen die Betreiber ihre Netze schrittweise aus, um die sich entwickelnden 5G-Standards zu erfassen. Die 5G-Fähigkeit wird in Smartphones der unteren Leistungsklasse Einzug halten. Diese Mobiltelefone benötigen mehr Leistungs-IC-Komponenten, um zusätzliche Funktionen zu bewältigen, mehr PMICs und BMICs. Die Einführung von mmWave bietet Möglichkeiten für Power-Management-Bausteine in der großen Anzahl von kleinen Zellen, die für den Einsatz in Innenräumen benötigt werden. Die gleichen Gerätetypen werden von der privaten Netzwerkfähigkeit von 5G profitieren, die die Netzwerknutzung in industriellen Umgebungen verbessert und den Bedarf an Edge-Computing abdeckt.

In den Rechenzentren hat eine Verlagerung hin zu Servern stattgefunden, die für KI optimiert sind. So steigt die durchschnittliche Rack-Leistung, was den Bedarf an neuen Rack-Leistungsstandards erhöht. Durch die zunehmende Verwendung von SiC und GaN in Server-Stromversorgungen wird die Einführung neuer Stromumwandlungstopologien ermöglicht.

Im medizinischen Bereich hat die Pandemie die persönliche Sorge um Gesundheit und Sicherheit verstärkt und gleichzeitig Bedenken geweckt, sich in einer Umgebung behandeln zu lassen, in der andere gefährdet sein könnten. So nimmt der Komfort für Telemedizin, Fernüberwachung und Ferndiagnose zu, wodurch sich Möglichkeiten für neue, dezentrale Stromversorgungen mit niedrigem Stromverbrauch ergeben.

Eine gewisse Neuausrichtung der Lieferkette ist zu erwarten. Unabhängig davon, wie die aktuellen Handelsspannungen gelöst werden, ist das Vertrauen in die Sicherheit der Lieferkette erschüttert worden. So haben das Chips-Gesetz und seine Äquivalente zu weiteren Störungen geführt, da die Hersteller nun um staatliche Mittel konkurrieren und über Standortverlagerungen entscheiden.

Leistungsdiskrete und -module

Im Bereich der diskreten Leistungshalbleiter und Module übertrafen die Umsätze in den letzten Jahren die Erwartungen; so ergab sich 2022 ein Wachstum von 11 Prozent gegenüber 2021. Diskrete und Module werden in großem Umfang in der Automobil- und der Industrietechnik eingesetzt. Da sich die Nachfrage in diesen Branchen während der Corona-Pandemie leicht abschwächte, kam es in den darauffolgenden Jahren 2022 und 2023 nicht zu weiteren Einbrüchen.

Für das langsamere Wachstum in den Jahren 2022 und 2023 gibt es makroökonomische Gründe. Dazu zählen etwa die steigenden Energiekosten nach der russischen Invasion in der Ukraine. Zwar ist die Energiekrise inzwischen überwunden, hat aber aufgrund der Kosteneinsparungen durch verbesserte Effizienz einen Systemwechsel auf dem Markt hin zu leistungsfähigeren Ansätzen bewirkt.

Omdia prognostiziert, dass die Zahl der produzierten Fahrzeuge von etwa 80 Millionen im Jahr 2022 auf fast 100 Millionen im Jahr 2027 ansteigen wird, was bedeutet, dass der Automobilmarkt, insbesondere der Markt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, ein starkes Wachstumspotenzial für Leistungshalbleiter bietet.

Neben dem Anstieg der Gesamtfahrzeugproduktion gibt es zwei weitere Trends, die diesen Markt fördern. Als Erstes ist hier die Zunahme von Fahrerassistenzsystemen und Konnektivität zu nennen, die mehr Halbleiterinhalte erfordert. Zweiter Treiber dieser Entwicklung ist die Umstellung auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Im Durchschnitt ist der Wert der Halbleiter in einem batteriebetriebenen Elektrofahrzeug 2,5-mal höher als in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.

Einen Abschwung erleben dagegen die Anwendungssektoren Konsumgüter und Computer & Datenspeicher, nachdem die Nachfrage während der Pandemie dort besonders hoch war. Typische Aktualisierungszyklen von Geräten bedeuten, dass auf Nachfragespitzen oft entsprechende Tiefpunkte folgen, und dies war in den Jahren 2022 und 2023 der Fall. Wir sagen darum für 2024 eine Erholung voraus. Allerdings könnte ein Mangel an interessanten Geräte-Features und ein Rückgang des Vertrauens sowohl der privaten Verbraucher als auch von Unternehmen dazu führen, dass existierende Geräte länger in Betrieb bleiben. Es besteht aber die Chance, dass die Integration von KI in Produkte Kunden davon überzeugen könnte, ihre Geräte aufzurüsten oder sich neue Geräte anzuschaffen.

Auch der Energiesektor wird voraussichtlich einer der stärksten Wachstumsmärkte sein. Zusätzlich zu den bereits etablierten Trends zur Nachhaltigkeit haben sich die höheren Energiekosten, die durch den Einmarsch Russlands in der Ukraine ausgelöst wurden, in der Weltwirtschaft verankert, was die Regierungen dazu veranlasst hat zu versuchen, die Energieversorgung zu sichern, indem sie mehr erneuerbare Energien im eigenen Land produzieren. Darüber hinaus haben die höheren Energiekosten Regierungen und Industrie dazu veranlasst zu prüfen, wo sie die Effizienz verbessern und Kosten einsparen können. Ein Umstand, der eine hervorragende Gelegenheit für den Einsatz von Hochleistungs-Leistungshalbleitern bietet.

Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke

Für die Siliziumkarbid(SiC)-Industrie zeichnet sich ein besseres Wachstum ab, wobei Hybrid- und Elektrofahrzeuge die Hauptantriebskraft darstellen. Diskrete Leistungshalbleiter sind bereits in DC-DC-Wandlern, On-Board-Batterieladegeräten und Hauptantriebsstrang-Wechselrichtern für Kraftfahrzeuge etabliert. Jedes Jahr werden neue EV-Designs mit SiC-Komponenten vorgestellt. SiC-Bauteile könnten schon bald in allen Fahrzeugen mit Ausnahme der preisgünstigsten den Vorzug vor Si-Bauteilen erhalten. Es ist davon auszugehen, dass der Einsatz im Hauptwechselrichter die Nachfrage nach kundenspezifischen SiC-Leistungsmodulen erhöhen wird, da die Fahrzeughersteller kundenspezifische Lösungen gegenüber diskreten SiC-Bauteilen bevorzugen. Integration, optimierte Steuerung, Verpackung und besseres Wärmemanagement sind hier die Hauptvorteile für Modulbaugruppen.

Mehr Anbieter von qualitativ hochwertigen SiC-Wafern mit 150 mm und eventuell 200 mm Durchmesser würden den Herstellern helfen, mit der steigenden Nachfrage Schritt zu halten. Aus unserer Sicht lassen die Bedenken hinsichtlich der SiC-Produktionskapazitäten nach, da mehrere SiC-Wafer-Lieferanten kürzlich Kapazitätserweiterungen angekündigt haben. Zudem werden die Produktionskapazitäten für SiC-Wafer auch weiter steigen, wenn die Unternehmen dazu übergehen, die die verschiedenen zur Verfügung stehenden Wafer-Splitting-Technologien einzusetzen, die es ihnen dann ermöglichen werden, aus jedem SiC-Wafer zusätzliche Bauelemente zu produzieren.

Obwohl Leistungsbauelemente aus Galliumnitrid (GaN) neuer sind als SiC-Leistungshalbleiter und einen kleineren Markt haben, könnten GaN-Bauelemente das größte Wachstumshemmnis für SiC-Bauelemente werden. GaN-Bauteile, die auf Si-Wafern hergestellt werden, haben bereits niedrigere Kosten und sind einfacher herzustellen als alles, was auf SiC-Wafern produziert wird. Es ist möglich, dass GaN-Leistungstransistoren in den späten 2020er-Jahren in Automobilanwendungen gegenüber SiC-MOSFETs bevorzugt werden, insbesondere bei niedrigeren Spannungen.

Zusammen mit SiC-Bauelementen bietet GaN im Vergleich zu Si-Halbleitern eine verbesserte Effizienz bei der Leistungsumwandlung. Jedes Prozent an verbessertem Wirkungsgrad senkt die Energierechnung. Erste Anwendung, bei denen die GaN-Bauteiltechnologie zum Einsatz kam, waren Schnellladegeräte und Stromadapter für Mobiltelefone, Tablet-PCs und Notebooks. Der Hauptvorteil ist die Schnelligkeit des Batterieladens aufgrund der höheren Leistungsschaltfrequenzen, die durch die Verwendung von GaN ermöglicht werden.

Eine wichtige Entwicklung für den Markt der GaN-Leistungsbauelemente stellt die Einführung von integrierten GaN-Systemschaltungen (ICs) dar. Hier kam es zu rasanten Fortschritten, GaN-System-ICs werden bereits in Schnellladeanwendungen für Mobiltelefone und Laptops produziert. Wir gehen davon aus, dass GaN-System-ICs wahrscheinlich von nun an in immer mehr verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen werden.

Eine potenzielle Unterbrechung der GaN-on-Si-Lieferkette ist die Einführung verschiedener Epiwafer-Technologien wie GaN on Sapphire, GaN on GaN und GaN on Engineered Substrate.

Sowohl die Lieferketten für SiC- als auch für GaN-Wafer werden in den nächsten Jahren von 150-mm- auf 200-mm-Wafer umgestellt. Dies ermöglicht die Produktion von fast doppelt so vielen Bauelementen pro Wafer bei nur geringfügig höheren Kosten pro Wafer, aber es wird eine Herausforderung sein, die Produktionsausbeute zu maximieren und Fehler zu reduzieren.

Obwohl der SiC-Leistungsmarkt zehn Jahre älter ist als der GaN-Leistungssektor, sind beide Märkte jung. Wettbewerb, Wachstums- und Gewinnstreben werden wahrscheinlich zu Fusionen und Übernahmen führen, insbesondere unter den traditionellen Anbietern von Silizium-Leistungshalbleitern, die spezialisierte Startups mit Wide-Bandgap-Bauteilen übernehmen werden.