中国功率半导体的进击之路

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文/丁建宇、陈禹、李钰、常心悦

编辑/易俊江、杨健楷

去年爆发的芯片供应链紧张,牵动着下游车商们的神经,并由此引发了声势浩荡的国产替代浪潮。功率半导体发挥电能转换的作用,是新能源车最重要的芯片部件之一,是国产替代要啃下的一块硬骨头,也是国产化的制高点。一年过去了,情况如何?

远川科技评论长期关注国产功率半导体行业动态:

202010月发布的“廉颇”华润微》一文,回顾了国内功率IDM大厂华润微前身742厂和华晶先后承担六五工程、908工程并转型的过程,尤其注意到了国营企业在行业人才培养中的奠基者与发源地作用。

2021年3月发布的《汽车芯片短缺,元凶是谁?》一文,将2021年开年以来的汽车芯片短缺问题,归因于车商和设计厂把风险集中在了台积电代工这一个篮子里。

经历最近两三年的狂飙突进,中国功率半导体业已取得不小的进步,本文主要分为三个部分进行复盘:

1.产能建设的多个维度;

2.汽车电子的机遇;

3.第三代半导体的两大支柱。

01产能建设的多个维度

说到产能,绕不过的一点就是8转12英寸的趋势。8英寸晶圆主要用于功率器件、模拟IC、显示驱动和传感器等产品,涵盖汽车电子、工控/医疗、消费电子等领域。随着芯片制造技术的进步,8英寸向更大尺寸的12英寸转产成为趋势,根据SEMI数据,2020至2022年12英寸晶圆厂的新建数量是8英寸的两倍。

一方面,12英寸单位成本更低。一片12英寸晶圆产出晶粒数是8 英寸的2.25倍,成熟12英寸片工艺生产功率半导体产品整体来看单位成本仅为 8英寸的70%-80%,硅片直径越大规模效应越显著。

另一方面,12 英寸晶圆生产线已经基本实现了全自动化,需要人工参与的步骤很少,生产效率和良率都更高。

但是,建设12英寸面临两个难题:

一,投资成本高昂。相比8英寸,12英寸对代工厂的清洁室清洁度以及精密度要求更高,设备更昂贵,这也意味着需要支付更高的折旧费用。

二,转向12英寸的收益仍待验证。芯片产线需要高端技能工程师参与和大量资本投入,未来收益的不确定性会给项目带来一定风险。

8英寸显然是更稳妥的选择。作为成熟制程,早年建的8英寸产线设备已经基本折旧完毕,运行成本极低;相比于转向投资造价更高且需要大量人力、时间验证的12英寸产线,守住8英寸是一个更好的选择。

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尤其对于国内市场而言,功率半导体工厂应该综合平衡好8英寸和12英寸,各发挥所长,实现技术和成本的平稳过渡。

在12英寸产线分布上,数家国内厂商都已实现投产,表现参差不齐,一些产线毛利率较低,远低于成熟的8英寸产线。可见,国内玩家一开始要能hold住12英寸产线并非易事,夯实巩固8英寸的优势,是一个市场占优的策略。

华润微在扩产上的动作就很具备代表性。

作为国内最大的功率半导体IDM公司,华润微的募投计划着眼于无锡和重庆两地8英寸产线的技改,上市募集的30亿元预计有一半投入8英寸BCD 工艺平台技术水平提升和MEMS工艺平台建设项目,每月可增加BCD和MEMS工艺产能约1.6万片。

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而12英寸产线方面,华润微在重庆投资建设的12英寸产线得到了大基金的鼎力支持,预计2022下半年开始贡献产能,届时将形成月产3万片的晶圆生产能力,并配套建设12英寸外延及薄片工艺能力,未来将全部用于生产自有功率器件产品。华润微的长期目标,是将自有产品的营收占比提升到60%及以上,而目前这一比重约在45%,功率器件将会成为公司拉动自有产品营收的主要功臣。

从华润微的案例可知,“8英寸技改+12英寸扩产”是半导体行业未来发展的必经之路。

华润微的8英寸产线已建成多年,运行良好,技改投入相对较小,扩产更为稳健,需要承担的折旧摊销成本也低,使得公司产品在市场上更具竞争力。

同时,合理的人员结构和庞大的生产、研发队伍,保证能够满足12英寸产线建设所需,而不至于大干快上使得人力被稀释,最后导致老产线良率下滑。

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此外,产能建设经常被人忽略的有两点:

一点是构建较为完整的产业链,以充分降低成本,保证产能紧缺时的优势,尤其是考虑到电动化革命下对于功率半导体的需求十分旺盛,倚赖外包不能救急。华润微在这方面做了充分的考量,新产线投资于外延、封装测试等其他产业链环节,能够提高产业链的协同性、安全性和经济性。

另外一点,是8转12绝不只是晶圆尺寸大了,机器多了,而是研发实力随之增加,对于技术的投入也成倍增长。

华润微在12英寸产线上的扩产,就格外强调先进技术:

一个是薄片工艺,对于IGBT等核心功率半导体而言,薄片能做到多少是一个核心衡量指标,直接决定了功耗、散热等核心能源效率指标;还有一个是先进封装测试,随着摩尔定律的发展渐趋缓慢,先进封装成为提高PPA表现的一个主流技术方案,但如何高效、准确地测试先进封装方案成为一个核心难题,华润微对此的重视,在功率半导体厂商中是十分少见的。

所以,产能建设,不能只是8转12,表面上的升级,如果没有同时伴随研发生产队伍的建设、完整产业链的构建,与技术上的升维和追赶,便不能显著提高产品毛利率和市场表现。

02汽车电子的机遇

产能建设之后,功率半导体的第二个看点,就是汽车电子了。

自《巴黎协定》签署以来,各国政府纷纷出台“碳中和”计划,并大力推动新能源相关产业的发展;此外,动力电池技术的突破,也为初迎曙光的新能源车企铺平了道路。

政策扶持加上技术进步,犹如“好马配好刀”,新能源车迎来井喷式上量:2021年,全球新能源汽车销量达约675万辆,同比增长108%,在汽车市场的渗透率达到8.3%。

 

随之而来的,是新能源车部件价值量和市场规模的快速提升。

Yole报告指出,汽车半导体的价值将从2020年的344亿美元增长至2026年的785亿美元,年复合增长率达14.75%;同时,预计到2026年,一辆汽车所拥有的半导体的平均价值将从现在的450美元增长至700美元,而功率半导体的平均价值,更是将增加5.5倍!这个增长幅度,是前所未有的。

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2020-2035全球汽车C.A.S.E市场规模及预测

再往细看,作为电驱系统核心部件的IGBT,更是电气化的关键:IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%,而电控系统占整车成本的15%~20%——由此可以算出,IGBT占到新能源汽车整车成本的5.6%~7.4%;同时,新能源汽车的动力性能越好,所需要的IGBT组件数量也就越多——从A00到B型车,其单车主驱IGBT价值从650元上升至2275元以上。

车规半导体领域,以IGBT为代表的功率半导体是兵家必争之地,各公司竞相布局。

做功率半导体的公司一抓一大把,但要进入汽车供应链,却没那么简单。

车规半导体要求高可靠性,不仅要满足高温、低温等复杂恶劣的工作环境,还要在至少15年的寿命中保持极低的失效率,因此验证门槛高、周期长。技术积淀深厚、合作日久的国际大厂英飞凌等品牌深受整车厂信任。

但供应格局在2021年的缺芯潮中悄然改变。全球芯片产业链陷入短缺,英飞凌产能有限,扩产谨慎,而且价格高昂,于是国产公司一把被推上了台面,技术好、价格低、定义准、迭代快的企业更受欢迎,国产替代加速。

那么,什么样的功率半导体公司能满足嗷嗷待哺的国产车厂呢?

IDM当仁不让。

鉴于车规产品对性能指标、安全性、可靠性、一致性的要求之高,充分掌握产品know-how 的公司才能获得车厂的青睐。

在这一点上,IDM相比Fabless具有天然的优势。IDM模式下,厂商完成从设计、制造到封测的全流程,具备强大的垂直整合能力,know-how掌握在自己手中,避免哪一环节出问题还找不到原因、找到原因还解决不了的麻烦。

同时,IDM模式还能够更好地整合上下游资源,降低成本,并加快产品技术迭代速度。

国外排得上号的功率半导体龙头基本都是IDM,其优势可见一斑。

而国内前十大功率半导体厂商中,成熟的IDM厂商只有华润微一家。在国产替代加速的当下,华润微凭借技术、成本、产能优势,国内功率半导体行业罕有其匹。

首先是在其他领域中高端产品的经验,为华润微在汽车领域的表现奠定了基础。

一般为人所忽略的是中高端MOSFET,其实国内市场仍是国外厂商占据主导。华润微在这方面着力甚大,在高端电源(如基站电源)、逆变器、通信设备等要求严苛的产品场景中站稳了脚跟,实现稳定出货。在这些领域表现优越,也就意味着有能力在汽车领域站稳脚跟。在新能源汽车行业,充电桩等汽车充电场景需求大量的中高端MOSFET,其中的增长空间巨大。

然后是IDM的三大优势:成本、产能和工艺平台。

在成本方面,华润微产线折旧完毕,产品有更高性价比。2条8英寸生产线均于2011年规模生产,按折旧年限8年算,已经在2019年折旧完毕;剩余3条6英寸投产更早,也已折旧完毕。近四年来,华润微折旧营收占比持续下降,产品性价比提升。

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在产能方面,产能爬不上坡,规模效应不显著,可变成本就降不下来。对比国内另外两家主要的车规级IGBT厂商,截至2021年底,比亚迪半导体只有1条6英寸产线,时代电气也只有2条,而华润微有5条产线,其中包括了3条6英寸产线和2条8英寸产线,6英寸总月产能约23万片,8英寸总月产能约12万片,并且今年将有一条预计产能3万片/月的12英寸产线投产,产能优势明显。

在工艺平台方面,华润微具有完备的 BCD 工艺技术平台,电压覆盖范围宽(5700V),拥有高密、高压和SOI基三种类型的 BCD 技术,在工艺节点上与全球主流晶圆制造厂处于相当水平。2021年底,还成功推出了0.18微米中高压车规级BCD工艺技术,进展迅速。

最后,华润微在汽车电子上已经完成了三步走:快速布局、加强认证和争取大主机厂客户。

在布局方面,华润微从外延并购与内部研发两方向切入汽车电子领域。一方面,华润微收购杰群电子70%股权,布局汽车级电子封装,另一方面,华润微引进了专业人才,在已有技术积累的基础上继续进行相关产品研发。两相并举,华润微可以说将上市IDM平台的优势发挥到了极致。

在认证方面,车规认证是不容忽略的,啃下国际市场上最硬的骨头,也就意味着真正撬动了市场的杠杆。华润微的功率器件事业群以国际汽车大厂审核为契机,参照汽车业的项目流程,推进汽车电子体系建设,进行产品立项研发及AEC-Q101体系考核,完善车规级产品体系与供应能力。

车规认证的内功,在中国半导体业界往往被忽略。在缺芯的大背景下,一些工厂拿着消费级的芯片往车上装,虽能赚一些快钱,但不能长久。华润微在车规认证上的重视和大举投入,是值得学习的。

在大的主机客户方面,华润微通过了数家车厂的验证,部分产品已进入整车应用,比如获得了比亚迪等头部客户的车规级IGBT订单。

03第三代半导体的两大支柱

第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料,和传统硅材料相比,主要区别在于禁带宽度。

禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要指标,禁带宽度越大,器件耐高压能力越强。以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度,因此也被称为宽禁带半导体材料。

第三代半导体器件与普通的硅基、单晶材料器件相比,优势体现在:

第一,阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率;

第二,频率更高,降低能量损耗,工作频率达硅基器件10倍,提升工作效率;

第三,热导更强,可以承受更高温度,工作温度达硅基器件4倍,拓展工作环境。

目前,第三代半导体已经成为高性能器件厂商的最佳选择,且SiC、GaN作为第三代半导体的代表材料,已经在电动车高压充电和基站功放场景中率先得到应用。

SiC的实际应用场景上,电动车高压充电应用已经走在前面。

里程焦虑是车主在新能源车与燃油车中做出选择的关键因素。大部分新能源汽车的续航里程低于600公里,难以满足城际间的长里程行驶需求。随着技术的发展,更强动力性能和快充性能成为车企迫切的追求目标,超级快充和功率提升促使电动汽车更快地更新换代。而市面上提升快充效率的方向有两个:一是高电流,电压不变提高电流;二是高电压,电流不变提高电压。

高电压模式是车厂普遍采用的模式,除减少能耗、提高续航里程外,还有减少重量、节省空间等优点。世界上各大车企都有着800V产品的规划。如保时捷Taycan是第一台量产的800V架构电动车,小鹏也推出800V平台下的400kW快充等。

除此之外,高电压可以满足长时间快充,其满足最大功率充电的SoC区间更广,而高电流则无法满足。因此相较于提高电流,高电压是未来发展趋势,车企最终将会走向800V高压充电的技术路线。

高电压从构想到落地,关键材料SiC站上舞台。

相较于单晶Si器件,SiC器件拥有多项优势:击穿场强是硅的十倍,在更小的裸芯片面积上的阻断电压比硅更高,目前的SiC已可支持高达1700 V的MOFSET阻断电压,而硅基超级结MOSFET通常在900 V以下。

与单晶硅相比,SiC有着更低的导通电阻和断态漏电流,因此有助于提高效率。此外,SiC具备三倍高的导热率,并且能够承受更高的芯片温度,从而降低了散热要求。

因此,SiC器件成为高电压充电技术不可或缺的一环。

再说到GaN的应用场景,其与5G基站功放展开了完美的结合。

5G技术的普及,对与之配套的5G基站功率性能提出考验,这一问题被GaN器件轻易化解。

GaN器件能够提供更高的功率和带宽,并且GaN芯片每年在功率密度和封装方面都有所进展,能比较好地适用于大规模MIMO技术。而运用该材料的GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为5G宏基站功率放大器的重要技术。目前在宏基站上GaN主要采用SiC衬底(GaN on SiC),由于SiC作为衬底材料和GaN的晶格失配率和热失配率较小,同时热导率高,更容易生长高质量的GaN外延层,能满足宏基站高功率的应用。

正是由于GaNMIMO技术的有机结合,使得功放效率有了质的提升。据了解,5G基站功率比4G基站高出4700W,增长约67%。由于5G基站需要采用Massive MIMO等技术,5G基站的AAU输出功率由4G的40W~80W上升到200W甚至更高,同时由于处理的数据量大幅度增加,BBU的功率也大幅度提升。

第三代半导体器件虽然好用,但阻碍其大规模应用的最大的痛点就是价格太高,动辄达到发挥相同作用的硅基器件的数倍以上。出于成本考虑,第三代半导体产品上车率并不高。

具体来说,SiC之难主要难在衬底制备。

首先,高纯度碳粉提纯工艺要求高,合成配方技术需要长时间积累;

其次,单晶生长缓慢,仔晶繁殖速度慢,碳化硅衬底成本居高不下;

再次,碳化硅硬度高、脆性高,加工时间长且产品良率低;

最后,高精度数字仿真技术研发成本高,目前大部分厂商仿真水平低。

除了SiC成本高企之外,GaN也有不小的制备难度:

在匹配方面,在GaN上做外延层比在硅MOSFET上更复杂,并且外延层对器件的动静态电性能的影响更明显。不同的厂商使用不同的功率GaN器件,每种方案都有不同的栅极驱动器、电流崩塌效应和封装,造成匹配问题。

在制造方面,因为氮化镓和衬底材料硅的晶格匹配度差,生长时会出现崩塌而导致良品率低。在设计方面,氮化镓晶体管的栅极需要驱动才能做到正常的开关,而氮化镓的栅极电压阈值和最大电压都很小,所以非常容易误开启,在设计上有非常大的难度。

那么,在成本高企,制造困难的情况之下,国内应该采取什么样的模式来发展第三代半导体?

就快速出货而言,似乎是Fabless。由于国内在衬底外延等环节上都落后,所以采用Fabless模式的厂商反而更有优势,因为可以找中国台湾和国外的代工。

但是,就长期竞争力而言,还是IDM。

为什么?原因很简单,举个例子,大陆很多射频PA领域公司都找台湾代工,但是毛利率却很低,比如唯捷创芯唯捷创芯的主营业务——4G PA的毛利率只有20%。背后原因就是设计公司对代工端和封测端没有议价权。作为Fabless公司,唯捷创芯产品的原料成本劣势不可避免地被攥在了晶圆代工厂的手里,PA用GaAs(砷化镓)工艺,晶圆主要从中国台湾地区厂商稳懋采购,占了总采购成本的四分之一以上。

相较而言,IDM模式在自主性等方面就存在着超强的优越性了。

华润微布局第三代化合物半导体的模式与硅基器件一脉相承,仍然采用IDM模式。

第三代半导体采用IDM的关键因素,主要是将对成本影响最显著的衬底制备、代工端内化进公司的产线,吃透know-how,降低成本。器件成本越低,越接近替代硅基器件的甜蜜点,上车放量也就指日可待。

沿着这个思路,华润微为中国功率半导体业界做出了IDM的一系列示范动作。

在碳化硅上,华润微在专注于自身第三代半导体材料研发运用同时,积极布局SiC上下游产业链。公司出资设立的润科基金围绕产业链上下游进行投资,参股公司包括SiC晶片及设备公司,例如国内SiC衬底领先厂商天科合达和具备完整碳化硅外延晶片生产线的瀚天天成,以更好地保障SiC产品供应链。

有了产业链的保证,华润微在碳化硅产品上对标科锐、多代并举、多个场景发力。

在产品性能上,华润微的SiC JBS产品性能略优于科锐最新6代产品水平,面积缩小了5%。

在产品迭代上,华润微多款6英寸第一代650V、1200V SiC JBS产品实现量产,2021年销售额达650万元;第二代产品性能达到业界先进水平,多款产品实现量产;第四代产品实现技术突破,并完成了产品化。

在应用场景上,华润微瞄准了充电桩、太阳能逆变器、通信电源等多个场景,均有出货。

在氮化镓方面,华润微以6英寸产线为基础,充分利用8英寸产线的技术优势,采用自研工艺及封装技术,从衬底材料、器件设计、制造工艺,封装工艺全方位推进硅基GaN的研发工作。

同时,华润微在今年5月收购了芯冠科技34.56%股份,后者专注于硅基氮化镓外延材料及电力电子器件的研发、设计、生产与销售,也是一个IDM的典型。

内外两手抓,华润微基于氮化镓行业较为零散的结构,在市场开拓上采取了灵活的姿态:

一是采用简单易用的驱动,设计高可靠的产品;

二是与业内下游厂商广泛合作,在新能源汽车车载充电机、数据中心服务器电源和高端电机驱动等场景都有开发产品。华润微2021年报显示,其GaN产品面板级封装技术研发已完成小批量量产,交货量大于50K。

04尾声

对于中国功率半导体而言,人的因素永远是最关键的。

在此前《“廉颇”华润微》一文中,我们详细叙述了华润微前身华晶的发展历史,指出其宝贵的历史文化传承和人才外溢,成就了长三角的功率半导体业。

现在,作为科创板首屈一指的功率IDM,华润微在产能建设、汽车电子和第三代半导体三大领域都有着亮眼的表现,这与掌舵者和重视人才的企业文化密不可分。

今年3月,李虹接棒华润微总裁。作为国内功率半导体业界少见的博士管理者,他投身半导体行业近30年,积累了丰富的产业经验,推动了多项技术发展与产业化,有着丰富的研发管理经验。

有深谙技术要领的掌舵者,更有一批勇攀高峰的精兵强将。

华润微每年举办一届科技大会,至今已办四届,表彰优秀科技工作者和优秀科技成果,对青年科研工作者设有专门奖项。正是一批批技术骨干和领军人物的砥砺奋斗、代代相传,才有技术的快速迭代和大踏步前进。

可以看出,在竞争激烈的半导体行业,国营企业是能够发挥长足的领导作用的,这与互联网等模式创新行业有着本质的不同。对于国营企业来说,只要经营管理层和技术人才梯队建设得当,知道目标市场在哪,采取适当的策略,便能关关难过关关过,带领中国半导体工业补齐技术与市场的差距,扛起行业冲锋的大旗。

其实,不仅仅是华润微在功率半导体业发挥了国有企业的带头冲锋角色,长江存储在NAND flash存储领域、合肥长鑫在DRAM存储领域,都发挥了类似的角色。

在中国半导体工业面临极限施压与巨大差距需要追赶的当下,这些国有企业之所以能够奋起追赶,与华晶及华润微一脉相承而来的历史传承和人才积淀关系很大。上个世纪末建设六五工程和908工程”的国家工程叙事,仍然在深刻地影响着中国半导体人的历史记忆;未曾断过的人才谱系一代代接力,为中国半导体工业向前发展添进了新鲜的燃料。

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