根据SEMI(国际半导体产业协会)最新统计,2022年至2026年间,全球晶圆厂产能将持续扩张,达到96座晶圆厂,其中约76座为12英寸晶圆厂,其余20座为8英寸晶圆厂;从分布来看,新建晶圆厂趋势仍向亚太地区倾斜,65座晶圆厂将位于亚太地区,其中26座位于中国大陆。
国内晶圆厂陆续扩产功率半导体
中国大陆的这26家晶圆厂主要专注于扩大功率半导体和成熟的工艺产能。
晶圆代工龙头中芯国际在未来5至7年内将有约34万片晶圆产能的12英寸生产线建设项目,其中包括深圳、北京、上海等地项目。此外,中芯国际子公司还投资建设了一条12英寸特色工艺中试生产线,位列绍兴项目三期(计划于2023年竣工),该生产线主要生产IGBT、SJ等功率芯片,以及BCD等功率驱动芯片。
中芯国际绍兴项目总投资42亿元,目标建设一条涵盖研发和月产万片晶圆的12英寸专业化工艺中试生产线。以三期项目为基础,未来2-3年计划投资222亿元建设月产10万片晶圆的12英寸数模混合芯片制造项目。
华虹无锡工厂二期也于近期开始建设,该工厂投资额达67亿美元,计划新增一条12英寸专用工艺芯片生产线,月产能8.3万片晶圆。预计一期、二期建成后,该基地可达到月产能18万片晶圆。
华虹表示,重点关注“特色IC+功率分立器件”工艺的需求,正在对汽车级芯片、非易失性存储器(NVM)、电源管理和电源组件等工艺进行深入规划和研发,目标是继续增强其在新能源汽车(NEV)、物联网、新能源和智能终端设备方面的应用。
近期,正在筹备科创板IPO的华虹计划募资总额180亿元,用于投资无锡项目、8英寸晶圆厂优化升级、创新研发等,还有专业流程和流动性补充项目。
华虹近期获得了大基金(国家集成电路产业投资基金)二期资金资助,该基金将出资至多30亿元人民币,成为华虹的战略投资者。未来,当华虹完成IPO时,大基金将成为其主要股东之一。
根据IC Insights 2021年全球晶圆代工厂营收排名数据,华虹半导体排名第六,是中国大陆最大的以专业化工艺为主的晶圆代工厂。到2022年底,月产能达到32.4万片晶圆(相当于8英寸晶圆)。其产能位居中国大陆第二,仅次于中芯国际。
长期深耕MOSFET、IGBT等功率半导体的华润微电子,产能也在不断增长。华润微电子目前拥有3条6英寸和2条8英寸生产线,还拥有两条12英寸生产线,一条已投入使用,另一条正在建设中,分别是重庆12英寸晶圆制造生产线和深圳12英寸专业模拟生产线,规划月产能分别为3万台和4万台。
华润微电子表示,2023年,重庆12英寸生产线和先进封装测试基地的重点将是MOSFET、IGBT等功率器件,覆盖中低压到超高压,容量也在不断增加。深圳12英寸生产线预计2024年建成,计划专注于电源IC和MCU,这些重大项目都是为了满足当地新能源汽车和太阳能市场的需求。
尽管从2022年开始,半导体行业已从“供应短缺”转向“订单取消”,但在功率半导体应用领域,尤其是IGBT芯片仍然出现短缺。业内人士指出,中国大陆高端功率芯片,特别是太阳能、电动汽车等新兴产业,仍面临供应短缺的问题。
汽车电动化大势所趋,功率半导体深度受益
车载功率半导体稳健发展,离不开高压平台应用的助推。整车动力电池电压平台有 望将逐渐从现有的 400V 升级到 800V 系统,以满足消费者对电动汽车的长续航、快速充 电等期待,而这将对功率半导体的性能参数提出了更高的要求,中高压功率器件如 SJMOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET将会在车端大量应用,其单车价值量有望继续提升。 据半导体行业纵横数据,混动和纯电动汽车上功率半导体价值量分别占单车半导体 总价值的 40%和 55%。据英飞凌统计数据,纯电动汽车半导体价值量预估在 1000 美元 左右,而功率半导体达 550-600 美元左右。而车载功率半导体中最具代表的即 IGBT 和 MOSFET。
车规功率半导体需求强劲,电动化与高压化是两大重要推动力。随着汽车电动化、高 压化逐步渗透,功率半导体在电动汽车上单车价值量有望进一步提高。
在传统燃油车上,单车功率半导体价值量在 71 美元左右。且主要以中、低压 MOSFET 应用为主,比如在车门、车窗、座椅调节、后视镜、仪表、影音、HUD、 自动启停、雨刷、天窗、转向 ECU、制动 ECU、安全气囊、空调电动水泵、座 舱仪表灯、前后视大灯驱动等涉及电机等应用场景大量使用。MOSFET 单车用 量超 100 颗。比如单个转向 ECU 中使用数量达 8 颗。平均单价 2-10 元人民币 不等。
电动汽车包括纯电动,插电混动,混动(中混和强混)等。在此类汽车上, 电机驱动、照明、热管理、电动汽车主驱逆变器、DC/DC、升压器和 OBC (车载充电器)等产品将依据各自的工作功率大小,选择不同的功率半导体 器件。高、中、低压硅基 MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET 均有广泛使用。
不同类型的功率半导体分立器件和模块,在汽车上都能找到应用的落脚点。车载功 率半导体种类多,在做选型时,成本和效率是最关键的两大要素。首先需要考虑需要多大 功率,再去匹配多大的电压和电流,再结合系统效率和成本最终设计出一套最优方案。功 率半导体分立器件和模块根据在车上不同的系统应用,则选用不同规格的器件。 由此可见,功率半导体在电动汽车上应用场景非常广泛。不同种类,不同规格的 产品都能匹配到不同的系统应用。电动汽车销量稳健增长,最先获益的有望是当前具 代表性的功率半导体——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。
产业链上下游不断协同
我国汽车功率半导体发展起步较晚,产业链尚不健全,上游的衬底、外延、晶圆、封装、测试,中游的电机、电控,下游的整车,以及关键材料、装备、软件、工艺等产业基础还没有形成协同创新、协同发展的局面。
为抓住机遇,共促汽车功率半导体发展,形成竞争优势,在工信部装备一司、电子司的指导下,在产业链主要企业的支持下,汽车功率半导体分会在汽车芯片创新联盟组织下正式设立,以促进功率半导体行业发展为总体目标,围绕产业链构建创新链促进产业协同合作,加快关键技术的快速突破,构建有竞争力的车规级功率半导体产业链。
“值得一提的是,近年来,以碳化硅、氮化镓等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优异的性能而饱受关注。”张真榕还向记者表示,碳化硅功率器件受下游新能源汽车等行业需求拉动,市场规模增长快速。
根据IHS数据,受新能源汽车行业庞大的需求驱动,以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升的影响,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,2018-2027年的复合增速接近40%。
博世中国执行副总裁徐大全表示,碳化硅芯片在未来2至3年都呈现供不应求的态势,博世持续在中国寻找合作伙伴来布局新产能。
“碳化硅处于汽车应用的起步阶段,需不断提升碳化硅功率器件的生产制造良品率,满足车规级量产质量要求。”一汽研发总院功率电子开发部部长赵永强则表示,碳化硅应用于车辆属于系统工程,需要整车、零部件、原材料生产企业的全产业链共同合作,中国整车同行给国产半导体试错中改进的机会。
碳化硅芯片加速降成本
从去年以来,新能源汽车行业发展迅速,芯片需求大增,导致缺芯问题影响了产业的正常发展,也成为不少企业的困扰。
对此,奇瑞汽车研发总院芯片规划总监郭宇辉向《证券日报》记者表示,今年结构性缺芯情况还存在,功率半导体只是其中一种,计算机类、控制类等也都存在短缺情况,半导体投资需要18-32个月的建设周期,从去年开始很多半导体厂商开始建厂,但到2025年才能真正释放出产能。
郭宇辉还提到,目前电动车前后驱都使用碳化硅功率半导体的成本太高,行业共识是只有20万元以上的电动车才会用碳化硅功率半导体。目前国内碳化硅原材料都是来自进口,国内还没有大规模供应。
据了解,三安半导体投资160亿元的长沙碳化硅全产业链垂直整合超级工厂,2021年6月一期工程投产,6英寸碳化硅晶圆产能爬坡至20万片/年,二期工程预计2023年完工,达产后年产能50万片6英寸碳化硅晶圆。
张真榕向记者表示,行业结构性缺芯确实存在,但这其中有危有机,公司也正在抓住这个机会,不断降低碳化硅的成本,并加速规模化应用,三安碳化硅功率半导体有望在今年四季度正式“上车”。价格下降来源于创新,一是生产技术良率要提升,二是整个设备原材料的国产化和技术创新也会带来成本降低。
郭宇辉也表示,具体到奇瑞方面的芯片应用,一方面是加速国产化,另一方面是保证供应链安全,在缺芯的时候能找到替代方案。