第三代半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn),硅的時(shí)代要結(jié)束了嗎
芯片行業(yè)的砍單潮已經(jīng)將寒氣傳遞給了眾多企業(yè),三星半導(dǎo)體部門負(fù)責(zé)人Kyung Kye-hyun就預(yù)計(jì)芯片銷售大幅下滑態(tài)勢(shì)將延續(xù)至明年;野村證券最近也將今年全球芯片出貨成長(zhǎng)率由原先預(yù)估的9.9%大砍至5.7%、2023年由衰退0.5%擴(kuò)大至衰退6%;費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù) (SOX)近6個(gè)月(截至9月21日)更是跌了26.53%。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202209/438559.htm但此時(shí),以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料卻在迎來(lái)市場(chǎng)倍增與產(chǎn)能擴(kuò)張。
安森美二季度財(cái)報(bào)發(fā)布后,就將其2022年碳化硅營(yíng)收預(yù)期上調(diào)為“同比增長(zhǎng)3倍”,而此前目標(biāo)只是增長(zhǎng)1倍;預(yù)計(jì)到2023年,碳化硅業(yè)務(wù)收入將超過(guò)10億美元。3倍只是開(kāi)始,甚至10倍都不止:安森美還計(jì)劃在2025年前將把公司的碳化硅前道工藝產(chǎn)能擴(kuò)大到目前的10倍以上。
意法半導(dǎo)體二季度財(cái)報(bào)也預(yù)計(jì),2022年意法半導(dǎo)體碳化硅業(yè)務(wù)將獲得7億美元收入,到2023年將達(dá)到10億美元。意法半導(dǎo)體還是特斯拉碳化硅功率模塊的主要供應(yīng)商——受益于汽車、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)μ蓟璧男枨?,意法半?dǎo)體同樣在籌劃擴(kuò)產(chǎn)。
Wolfspeed今年上半年也宣布將在北卡羅來(lái)納州查塔姆縣建造新的碳化硅工廠,2030年完工后將成為世界上最大的碳化硅材料工廠,其碳化硅晶圓制造能力增加約13倍,而目前Wolfspeed生產(chǎn)的碳化硅已經(jīng)占全球碳化硅的60%以上。新工廠總投資將達(dá)到50億美元,為此Wolfspeed還將申請(qǐng)與《芯片和科學(xué)法案》相關(guān)的聯(lián)邦政府撥款。
有趣的是,Wolfspeed本是全球LED照明巨頭科銳(Cree)旗下專注碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料的部門。Cree原計(jì)劃將Wolfspeed賣給德國(guó)企業(yè)英飛凌,但由于美國(guó)國(guó)防部以國(guó)家安全為理由反對(duì),最終Cree剝離掉原本占比三分之二的照明業(yè)務(wù),在2021年10月正式宣布更名Wolfspeed,成為一家專注于第三代半導(dǎo)體的企業(yè)。
三倍、十倍、十三倍……不管是短期還是中長(zhǎng)期,這些海外第三代半導(dǎo)體企業(yè)都有著非常高的預(yù)期增長(zhǎng)倍數(shù)。這還僅僅是第三代半導(dǎo)體中碳化硅這一種材料,氮化鎵等其他材料,同樣有著高增長(zhǎng)預(yù)期,與芯片行業(yè)砍單的“冷清”形成鮮明對(duì)比。
為什么出現(xiàn)這種冰火兩重天?第三代半導(dǎo)體在當(dāng)下中美高科技競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)下,又有著怎樣的意義?
材料革命
硅基芯片的下行,有著國(guó)際博弈、非理性囤貨等帶來(lái)的周期性波動(dòng)影響。碳化硅等第三代半導(dǎo)體在這一紛繁局面下的興起,卻更多是技術(shù)成熟之后其材料優(yōu)勢(shì)所致。
Wolfspeed公司首席技術(shù)官John Palmour就指出,一輛電動(dòng)汽車采用碳化硅元器件的價(jià)值約在 250 美元至 500 美元之間(取決于其功率要求),但碳化硅元器件卻能夠?yàn)槠囍圃焐淘陔姵爻杀?、電池和逆變器的體積與重量以及冷卻要求等多個(gè)方面節(jié)省成本,每輛車節(jié)省總成本可高達(dá) 2000 美元。
500美元付出換取2000美元收益,這是一個(gè)非常劃算的投入產(chǎn)出比。據(jù)EV-Volumes統(tǒng)計(jì),2021年全球銷售電動(dòng)車達(dá)650萬(wàn)輛,其中,純電汽車銷量約為460萬(wàn)輛,混合動(dòng)力車型銷量約為190萬(wàn)輛。不管是純電還是混合動(dòng)力,都對(duì)碳化硅等元器件有需求,僅以650萬(wàn)輛電動(dòng)汽車計(jì)算,碳化硅在電動(dòng)車市場(chǎng)的規(guī)模也有3.25億美元。
看起來(lái),似乎還是不夠大?但碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的大發(fā)展,僅僅只是一部分應(yīng)用,在更多領(lǐng)域,第三代半導(dǎo)體還有著廣泛的市場(chǎng)空間。
8月份,氮化鎵龍頭就以總價(jià)接近3億美元,收購(gòu)2021年?duì)I收位居全球前八的碳化硅企業(yè)GeneSiC。納微半導(dǎo)體還預(yù)測(cè):到2026年,氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)功率技術(shù)的綜合市場(chǎng)機(jī)會(huì)將超過(guò)200億美元。
正因此,納微半導(dǎo)體才決定:氮化鎵和碳化硅兩種材料的市場(chǎng)全都要抓。并且,納微半導(dǎo)體也在汽車及更多領(lǐng)域開(kāi)拓,為這一場(chǎng)材料革命儲(chǔ)備盡可能多的客戶。
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,納微客戶包括比亞迪、路虎、梅賽德斯 AMG、吉利等數(shù)十家巨頭。除了電動(dòng)汽車,納微還在太陽(yáng)能和儲(chǔ)能以及鐵路、電網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)等更廣泛的工業(yè)市場(chǎng)擁有頭部客戶。
而在常見(jiàn)的汽車、消費(fèi)電子快充裝置之外,無(wú)論是軍艦上的相控雷達(dá),還是高鐵上的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor ,IGBT)器件,氮化鎵等材料都有著廣泛且必不可少的應(yīng)用,民用市場(chǎng)、軍用市場(chǎng)規(guī)模上限都很高。
對(duì)于未來(lái)幾年市場(chǎng),有人樂(lè)觀,同樣也有并不那么激進(jìn)的預(yù)測(cè)。TrendForce集邦咨詢卻預(yù)測(cè):2025年第三代半導(dǎo)體碳化硅/氮化鎵功率市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)可達(dá)47.1億美元,相比2020年7.3億美元CAGR為45%。增長(zhǎng)率雖高,但對(duì)比納微2026年超過(guò)200億美元市場(chǎng)的預(yù)測(cè),相隔一年預(yù)測(cè)值卻有著高達(dá)5倍以上的差別。
基于不同的計(jì)算方法以及各家智庫(kù)掌握數(shù)據(jù)的不同,預(yù)測(cè)值不同也屬正常。但大家沒(méi)有異議的,是對(duì)產(chǎn)業(yè)未來(lái)高增長(zhǎng)趨勢(shì)的判斷。
高增長(zhǎng)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)風(fēng)云變幻
眾多行業(yè)人士對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的樂(lè)觀判斷,與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)等以電為核心驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)起的需求有很大關(guān)系。
要想讓電動(dòng)車?yán)m(xù)航更長(zhǎng),一靠開(kāi)源,那就得增加電池容量;二靠節(jié)流,比如采用低損耗、耐高溫及耐高壓的碳化硅功率元件。
由于碳化硅禁帶寬度是硅的3倍,導(dǎo)熱率為硅的4-5倍,擊穿電壓為硅的8倍,電子飽和漂移速率為硅的2倍,在高電壓、大功率工作環(huán)境下其性能更加優(yōu)異,且電流傳導(dǎo)效率更高。電動(dòng)汽車如果采用第三代半導(dǎo)體碳化硅功率模塊,可節(jié)約電動(dòng)車整體能耗5%至10%。
天風(fēng)證券測(cè)算,電動(dòng)車使用碳化硅材料可讓電機(jī)逆變器效率提升4%,并至少提高7%續(xù)航。而2018年特斯拉在 Model 3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊的案例數(shù)據(jù)也顯示,在相同功率等級(jí)下,碳化硅模塊封裝尺寸明顯小于硅模塊,且開(kāi)關(guān)損耗降低了75%,系統(tǒng)效率可以提高5%左右。這種替換成本每輛車盡管增加近1500元,但整車效率的提升可以在同樣續(xù)航下使用更小的動(dòng)力電池,從而在電池端將成本省回來(lái)。
但單汽車本身提高的百十公里或者更多續(xù)航里程,并不足以緩解人們的續(xù)航焦慮。甚至建立堪比加油站密度的充電站網(wǎng)絡(luò),也并非緩解續(xù)航焦慮的關(guān)鍵。
真正能緩解續(xù)航焦慮的,還是快充速度,而這,同樣離不開(kāi)第三代半導(dǎo)體。
據(jù)華為的一項(xiàng)研究,采用了800V高壓模式的快充支持30%-80% SOC(荷電狀態(tài),反映電池的剩余容量)最大功率充電,而低壓大電流模式僅能在10%-20% SOC進(jìn)行最大功率充電,在其他區(qū)間充電功率下降得非常迅速。
但800V高壓快充會(huì)涉及到車內(nèi)電源到車外充電整個(gè)強(qiáng)電鏈路,硅基IGBT芯片難堪重任,而具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢(shì)的碳化硅器件是目前最佳的替代方案。
在電動(dòng)車領(lǐng)域之外,碳化硅期間還可以使特高壓電網(wǎng)損耗最高降低60%,軌道交通功率器件系統(tǒng)損耗降低20%以上。國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心主任張魯川近日就表示,第三代半導(dǎo)體未來(lái)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將高達(dá)數(shù)千億元人民幣。
這個(gè)預(yù)測(cè)其實(shí)沒(méi)有包括第三代半導(dǎo)體照明,而是對(duì)碳化硅、氮化鎵快速發(fā)展的樂(lè)觀預(yù)測(cè)。
如果將半導(dǎo)體照明計(jì)算在內(nèi),據(jù)CASA數(shù)據(jù),2020年我國(guó)第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超過(guò)7100億。其中,半導(dǎo)體照明整體產(chǎn)值約7013億元,同比下降7.1%;碳化硅、氮化鎵電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元,同比增長(zhǎng)54%;氮化鎵微波射頻產(chǎn)值達(dá)到60.8億元,同比增長(zhǎng)80.3%。
在以電為核心的諸多產(chǎn)業(yè)中,中國(guó)已經(jīng)在電池領(lǐng)域成為全球產(chǎn)能第一。中國(guó)在國(guó)際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中,往往是先取得產(chǎn)能、規(guī)模上的第一,再借助產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)逐漸攀升技術(shù)制高點(diǎn)。光伏產(chǎn)業(yè)就非常典型,而第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),能否復(fù)制這條成功之路呢?
中企何為
美國(guó)當(dāng)然不會(huì)坐視中國(guó)的產(chǎn)業(yè)逆襲:哪怕是對(duì)中國(guó)已經(jīng)逆襲成功但還未形成類似光伏產(chǎn)業(yè)全球獨(dú)家大產(chǎn)能的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè),美國(guó)已經(jīng)開(kāi)啟了圍堵之路。
在全球動(dòng)力電池企業(yè)前十名中,中國(guó)廠商已經(jīng)占據(jù)六席,寧德時(shí)代上半年全球市場(chǎng)份額更是從 28.6% 上升到 34.8%。而美國(guó)總統(tǒng)拜登在8月簽署的《2022年通脹削減法案》(Inflation Reduction Act)就針對(duì)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)定,2024年起,電池成分中包含任何產(chǎn)自“特別關(guān)注國(guó)”名單中的國(guó)家(中國(guó)在列),將不再適用補(bǔ)貼。
對(duì)此商務(wù)部新聞發(fā)言人束玨婷9月22日稱,該法案相關(guān)措施以整車北美當(dāng)?shù)亟M裝等條件作為提供補(bǔ)貼的前提,對(duì)其他進(jìn)口同類產(chǎn)品構(gòu)成歧視,涉嫌違反世貿(mào)組織最惠國(guó)待遇、國(guó)民待遇等原則。
但只要自身技術(shù)夠硬,其實(shí)就無(wú)懼相關(guān)法案的圍堵。
如前不久美國(guó)防部宣布將暫停接收F-35隱身戰(zhàn)機(jī),就是因?yàn)樵谄渑涮椎臏u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中,發(fā)現(xiàn)了中國(guó)制造的特殊磁鐵。但由于全球并沒(méi)有其他國(guó)家可以供應(yīng)這種特殊磁鐵,9月21日美國(guó)白宮只能表示,已決定不限制從中國(guó)進(jìn)口這種燒結(jié)釹磁體。
而在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)的碳化硅項(xiàng)目吸引汽車巨頭參與投入,上汽、北汽、廣汽、吉利等大型汽車集團(tuán)正在加大本土碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的投資力度。同時(shí),中國(guó)已經(jīng)有一大批上市或待上市企業(yè)積極布局,且上半年增長(zhǎng)飛速。
北方華創(chuàng)半年報(bào)顯示,上半年獲得營(yíng)業(yè)收入54.44億元,同比增長(zhǎng)50.87%;凈利7.55億元,同比增長(zhǎng)143.16%。斯達(dá)半導(dǎo)上半年實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入11.54億元,同比增長(zhǎng)60.53%;凈利3.47億元,同比增長(zhǎng)125.05%。
據(jù)央視財(cái)經(jīng)報(bào)道,中國(guó)電科的碳化硅器件裝車量已經(jīng)達(dá)到100萬(wàn)臺(tái),旗下企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6英寸碳化硅晶片的規(guī)?;a(chǎn),年產(chǎn)能達(dá)到15萬(wàn)片,處于國(guó)內(nèi)前列。今年3月,還率先發(fā)布了新一代8英寸碳化硅晶片產(chǎn)品。
中國(guó)電科第55研究所研發(fā)的以氮化鎵功率放大器為主的多款產(chǎn)品,甚至還用于問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù),并標(biāo)志著氮化鎵功放芯片首次在星載領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量工程化應(yīng)用。
圖源:中國(guó)載人航天工程網(wǎng)
天岳先進(jìn)也在近日宣布,已成功研發(fā)8英寸碳化硅襯底,具有良好的結(jié)晶質(zhì)量,且在粉料合成、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、工藝固化、過(guò)程控制、加工檢測(cè)等全流程實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控。
而在氮化鎵領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)企業(yè)在襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造等領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)布局,例如襯底制造商蘇州納維、東莞中鎵;外延制造商晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華;設(shè)計(jì)企業(yè)安譜隆、海思半導(dǎo)體;制造企業(yè)三安集成、海威華芯等。據(jù)飛鯨投研,第三代半導(dǎo)體難點(diǎn)不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計(jì),而在于工藝,相比較邏輯芯片難度降低;且對(duì)設(shè)備要求相對(duì)較低,投資額相對(duì)較小。
這些,都是對(duì)中國(guó)有利的因素。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)吳玲就曾在采訪中指出,相較硅集成電路,第三代半導(dǎo)體材料對(duì)芯片性能起決定性作用,芯片制造工藝門檻相對(duì)低、投資小,對(duì)尺寸線寬、設(shè)計(jì)復(fù)雜度的要求遠(yuǎn)低于硅集成電路,在材料、裝備、設(shè)計(jì)和芯片代工方面都有發(fā)展勢(shì)頭好的企業(yè),是適合中國(guó)目前發(fā)力的半導(dǎo)體具體領(lǐng)域。
在國(guó)家政策和資金支持下,各地方政府掀起了第三代半導(dǎo)體投資熱潮,目前已初步形成了京津冀魯、長(zhǎng)三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域,北京、深圳、濟(jì)南、保定等多個(gè)城市都有深入布局,政府也“置身事內(nèi)”,打造覆蓋襯底、外延、芯片及器件、模組、封裝檢測(cè)以及設(shè)備和材料研發(fā)的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。
Yole數(shù)據(jù)顯示,硅仍是半導(dǎo)體材料主流,占比95%。隨著第三代半導(dǎo)體滲透率逐年上升,2023年,碳化硅的滲透率有望達(dá)到3.75%,氮化鎵滲透率達(dá)到1.0%,兩者合計(jì)第三代半導(dǎo)體滲透率則可以達(dá)到4.75%。
盡管第三代半導(dǎo)體和第一代、第二代并非替代關(guān)系,而是互補(bǔ)關(guān)系。硅的時(shí)代不會(huì)結(jié)束,但第三代半導(dǎo)體逐漸提高滲透率之后,肯定會(huì)擠占硅的滲透率。而這也將是中國(guó)企業(yè)反超國(guó)際巨頭的一次機(jī)會(huì)。
評(píng)論