历史进程中的功率半导体

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  2001年,中国头号芯片自主化工程的执行者,华虹半导体,撞上了一堵高墙。

  在1990年代末期,摩尔定律加速,全球范围内的芯片产业角逐激烈,韩国的三星与海力士后来居上,击败日本和美国,在DRAM存储芯片的竞争中拔得头筹,成为半导体牌桌上的重磅玩家。

  受到韩国超车成功的启发,中央也投数十亿元成立华虹,试图用一个国家工程加上和日本的合作,一起打一个漂亮仗让中国回到半导体的主牌桌。

  不赶巧的是,等到华虹投产两年后,DRAM存储芯片忽然行情急转直下,单价跌了足足九成,本来包销相当产能的日本合资方自顾不暇,刚投好的产线,立刻就产生了了十四亿元的巨额亏损。

  出师不利,该怎么办?

  华虹的核心问题,在于追赶力有不逮,需求青黄不接。华虹与日方在1997年签订合同,引进的是130nm工艺制程的芯片产线,放到四五年后,已经严重落后于主流。在日方DRAM订单萎靡之际,为填满产能的巨大鸿沟,官方先后安排了关涉国计民生的身份证与SIM卡芯片。可除了政府规划圈定的产品,要真正提振华虹的竞争力,还需要一些高度市场化的产品。

  此时,功率半导体进入了华虹的视线。

  功率半导体,又称为电力电子器件,泛指处理电力的芯片。其主要功能,是将繁杂不一的电力,处理为终端产品所需的规格,比如电流从电动车的电池输出后,通过不同的功率芯片处理,既可以驱动电机,又可以驱动空调和音响。

  正如一位厨艺得当的师傅,将食材呈现为不同地域风味,以迎合不同食客的需求。

  自从1956年贝尔实验室发明晶闸管,功率半导体沿着一条清晰的脉络往下发展,格局较为稳固。

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  常见功率半导体,来源:东兴证券

  在技术趋势上,能够承受和控制的电力逐级复杂,品类从BJT、GTO发展到MOSFET、IGBT,电路结构的连续性强。

  在工艺制程上,发展没有数字芯片那样的跳跃性,进步较为缓慢,微米级别的设备也可胜任。

  在市场结构上,竞争的着力点主要在人的工艺经验(know-how)与设备的有机结合,也就是“人机结合”。因此,德、日、美等老牌厂商牢固的占据着市场的大部分份额。

  总而言之,这是一个能够“滚雪球”的赛道,只要持续精进,便可占据一席之地。

  对华虹来说,功率半导体是摆脱指数级投入和亏损的一个绝佳选择:只需维持当前的工艺制程,先期引入日美合资方的经验,即可沿着阶梯状的技术路线渐进发展。

  于是,在2002年,华虹做出了进军功率半导体的决定。

  这个选择是正确的。过去的二十年,受华虹转型的影响,功率半导体产业在长三角生根发芽,从上游到下游无不受益:

  首先是代工厂华虹,连续四十个季度盈利,在无锡新建的12英寸晶圆厂产能加速爬升,加紧对于国际大厂的追逐。

  其次是那些背靠华虹发展起来的设计厂商,自科创板设立以来,主营IGBT的斯达半导、主营MOSFET的新洁能,在功率半导体品类上扩张凶猛。

  最后是下游的工控与新能源厂商,在各类芯片短缺的当下,华虹和国内设计厂商合力推进国产化替代,提供了更为经济实用的选择。

  更为重要的是,功率半导体产业的发展,为中国芯片在当下直道加速,提供了一个选择:第三代半导体。有关媒体报道的那则办公室主任领衔“芯片对抗”计划的新闻,道出了国家工程之间的历史巧合与命运相连。

  那么,长三角的功率半导体是如何发展起来的?本文尝试将其拆分为三个阶段:

  2002~2011年,地利:功率半导体的市场与技术双循环;

  2011~2019年,人和:“908派”、海归派与华虹的分工搭档;

  2019年~,天时:资本、市场与分工的连锁反应。

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  华虹在2002年选择功率半导体赛道,恰巧站在了一个历史性的转折点:

  需求猛增:中国加入世贸组织,导致江浙沪对于功率半导体的需求大为增加。作为改革开放后最先发展起来的工业化地区,江浙沪最先享受了出口迅猛增加的贸易红利。只要有工厂的地方,就存在对于电机的需求,也就存在对于功率半导体的需求。

  产业集聚:来自美、日、欧的电机与功率半导体企业,受各地工业园区的政策吸引纷纷落地,由此在长三角形成一个联络紧密的产业集群。英飞凌、仙童等外商纷纷在上海、无锡等地设立研发中心,功率半导体的下游应用和研发环节紧密结合,行业know-how在区域间加速流转。

  人才基础:908、909前后两大国家工程,为长三角的芯片产业培养了大量人才,其中很多人被派遣或主动出国学习,在学习了先进的技术理论经验后又回到长三角。世纪之交的新加坡特许半导体,是当时中国芯片人才的培训地和聚集地。新加坡政府为吸引优秀的青年,专门在苏州工业园等地设点招聘,并给予人均1500~2000美元左右的安家费。

  三个条件作用之下,华虹成为全球第一个8英寸功率半导体代工厂,并在十年间逐渐建立起了工艺平台。沿着功率半导体的产品路线图,先是推出中低压MOSFET,然后是中高压IGBT,芯片耐压升高,电路结构复杂化,良率也逐渐增加,日臻成熟。

  2011年,华虹基本奠定了功率半导体代工的优势地位。当年,功率半导体中的分立器件出货累计超过200万片8英寸晶圆,居全球首位。同时,华虹的1200V高压IGBT产品成功量产。在两类应用范围最广的功率半导体,华虹建立起完整、成熟、优质的代工产能。

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  2011年是华虹发展历史上的一个关键节点

  接下来,围绕功率半导体的国产化替代,两派人马先后与华虹的产能结合,形成了今天长三角的产业格局。

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  长三角的功率半导体人才,基本可分为两派:

  一派是以华润微为代表的“908派”。早在1989年,中央设立华晶公司承担芯片攻关任务,当时专门从永川24所引进人才,开始着手研究功率半导体中的MOSFET[1]。后来华晶因承接“908”工程背上沉重的负债,继而转为华润微。不同于专注于功率半导体代工的华虹,华润微主营设计制造封测一体的IDM。

  长时间的经营中,华润微培养了大量人才。承接国家工程是一个高强度技术学习的过程,众多年轻的工程师被派到国外学习功率半导体的设计和制造。受民间经济的吸引,许多人才下海创业。

  新洁能的创始人朱袁正,便是其中的一个典型。他早在1988年进入华晶,然后被分配到新成立的MOS厂,其后留学新加坡、在外商工作、又回到华润微研发IGBT,在吸收了国外和本土的充足经验后,于2009年下海创业,在江苏封测巨头长电的支持下成立了新洁能。

  另一派是海归派。这一派大多为曾在海外功率半导体大厂工作的人才,如德国的英飞凌、美国的国际整流器公司、日本的瑞萨等。他们在国外工作多年后,掌握了功率半导体的核心知识和经验,回到长三角创业。

  斯达半导的创始人沈华是这一派的典型。他博士毕业后,先后工作于英飞凌和国际整流器公司,2005年回国创立斯达,瞄准彼时尚属空白的IGBT功率半导体市场。

  无论是本土的“908派”,还是海归派,当他们积累了充足的技术经验下海创业,在功率半导体产业的首选,都是先做一个纯设计厂商。功率半导体的设计对于先进的EDA工具和IP依赖没有数字芯片那样严重,主要依靠“老师傅”的经验,因而纯设计正好可充分发挥创业者的优势。

  在没有功率半导体代工厂之前,拥有设计能力的人只能依附于IDM。华虹形成的代工能力,恰当其时为这些创业者提供了一个很好的选择。因其有三点优势:

  分工深化:华虹形成了数个通用的工艺平台,如此,设计厂得以在设计环节精进,专注于对于下游市场的研究,而华虹的工艺平台经过多个设计厂的历练,可靠性也逐渐增强。

  供应链配合紧密:华虹四个厂分处于上海和无锡,与江浙沪的设计厂空间距离很近,供应链协调便利,出了什么问题,可以很快处理,地处无锡的新洁能,与华虹12英寸厂只有三个红绿灯的距离。

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  长三角成为中国芯片热土,来源:前瞻产业研究院

  联合研发:也因为距离很近,设计厂与代工厂之间联合研发,较容易同步思路。

  2010年后,在制造业经营困难,力求降低成本的大背景下,关键元件的国产化替代悄然展开。凭借上述的三个优势,华虹与“908派”和海归派合兵一处,功率半导体领域的国产化率逐渐提高。同时,华虹从中赚取到足够的利润,得以有能力在2018年开建12英寸晶圆制造厂,在完成功率半导体的品类覆盖后,开始了工艺制程的追逐。

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  到2019年科创板设立,长三角的功率半导体产业又迎来一轮新的发展机遇。资本开始大规模涌入芯片产业,为那些实力较弱的功率半导体设计厂进入新市场提供了充足的弹药。

  同一时间,中国迅猛发展的新能源汽车产业,也为本土的功率半导体厂商提供了充足的下游需求:

  认证时间缩短:汽车芯片大短缺,让本土车商意识到了供应链安全的问题,以往的认证流程大幅缩短了不必要的等待时间,国产功率半导体厂商获得了更多更快的认证机会。

  单车功率半导体品类增加:汽车由内燃机驱动转为电驱动,装载的功率半导体数量、品类和价值大幅增加,占总的半导体成本比例由20%升至超过一半,车载充电器、车载空调、充电桩和电机控制器对于功率密度和产品规格的要求逐渐提升,为厂商提供不同层次的机会。

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  功率半导体在新能源汽车中的应用,来源:国金证券

  车型升级带动价值上升:随着中国的造车新势力在高档位电动车据有一席之地,车型升级带来了车内功率半导体的“消费升级”,比亚迪的汉EV和蔚来的ET 7都用上了性能强劲的碳化硅功率模块,为的是追平、甚至赶上特斯拉的百公里加速体验,本土车商在产品规格上的积极尝试,将为厂商提供提供更多想象空间。

  毫不夸张的说,功率半导体对于新能源汽车的意义,不亚于电池,也正是因为其重要性,在全球晶圆制造产能紧缺的市况下,功率半导体的供应链安全,正在成为设计厂严肃思考的问题。

  为保证产能供应,设计厂采取了三个措施:

  一是加强与华虹的合作,斯达与华虹在12英寸上的IGBT达成了战略合作;

  二是在华虹之外再找供应商,新洁能对于华虹的代工采购比例逐年降低,增加海外厂商作为二供,以减少供应链风险;

  三是直接建工厂,斯达是设计厂中转型最为激进的,于今年初募资20亿元购买光刻、显影、蚀刻等设备盖厂,设计产能36万片功率半导体,用于高压特色工艺和碳化硅。

  这标志着,长三角功率半导体的新生代羽翼渐丰,开始运用资本市场的力量,从纯设计厂变为IDM,以打群架的方式向全球功率半导体巨头发起冲击。同时,提携了众多设计厂的华虹面临挑战,被逼着往上提升,做更多的差异化布局。

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  当下,芯片产业的国产化替代早已是深植在人们心中的一个信念,也是一个不争的正在发生的事实。

  可以说,发展到今天,中国芯片产业中的“投降派”,或者说“造不如买”的拿来主义,已经失去了根据地。分布在电子产业上中下游的群众力量,在中美摩擦下早已认清了残酷的现实,认清了方向。

  但是,现在又有一派很危险的论调,主张“速胜论”,国产化替代似乎指日可待,到处放卫星,这是极不可取的。

  从华虹的案例,我们可以总结出一个规律,中国芯片产业的发展,搞依靠式的发展是没有自主性的,也自然没有希望。但要自主发展起来,就必然是一场“持久战”。要搞赢持久战,就要根植于中国的市场土壤,把朋友搞得多多的,最终以群众路线取得战略性优势,也就有能力与海外厂商分庭抗礼。

  同时,华虹的案例也告诉我们,产业的发展节奏与人才的成长周期是相互配合的,不管产业发展的怎么样,人才不能断档。虽然“908”、“909”国家工程一度经营惨淡,先后从先进制程的追逐赛中退下,但两者为长三角地区培育了功率半导体的人才和舞台,在大国角逐的当下,为中国芯片产业的直道加速提供了又一个选项。

  因此,国产化的进程,更多的在于观察人才和平台的培育和发展,而不是工艺的日程表。

  毕竟,存地失人,人地皆失,存人失地,人地皆存。

  [1] 特别说明:在《“廉颇”华润微》一文发出后,曾为中国芯片产业做出重要贡献的朱贻玮前辈,专门指出了文中的错误之处,说明了永川24所与华晶MOSFET产品线的关系,在此表现感谢,特此在本文更正。

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