值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
国内外芯片产业发展态势分析研判中国科学院科技战略咨询研究院
芯片专题课题组
芯片是指内含集成电路的硅片，是采用半导体工艺把多种元件以及元件之间的连线制作在半导体晶圆上的具有特定功能的电路，是电子产品的基础构件。芯片广泛应用于从手机到超级计算机，从普通家用电器到大型工程机械和设备上，几乎无处不在。因此芯片扮演着现代工业基石的角色，成为信息科技迈上新台阶的关键命门。芯片制造技术是当今世界最高水平微细加工技术，是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。
半导体产业及其上下游
芯片产业链包括设计、制造、封装测试等主要环节，也涉及上游的半导体设备和材料产业，以及下游的应用行业。
全球芯片产业技术发展态势
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经过多年发展，芯片产业成为高度国际化、高度研发导向的产业。芯片产业发展面临着来自技术和产业的双重挑战。
从技术角度而言，缩小晶体管尺寸越来越难并将最终达到极限，先进制程工艺的推进越来越慢。摩尔定律长期被认为是半导体行业的发展蓝图，而近年来摩尔定律被认为或已趋于发展极限，业界提出了“摩尔定律牵引”（More Moore）、“超越摩尔定律”（More than Moore）、“超越互补金属氧化物半导体（CMOS）”（Beyond CMOS）三大发展方向。《国际元件及系统技术路线图》提出不再以继续提升运算速度与效能为重点，而是关注如何让芯片发展更能符合应用需要。路线图预测非硅CMOS 尺寸微细化将止于2024 年的3 纳米工艺节点，提出通过管芯三维堆叠、层间致密互联、异质异构集成、器件低功率化等方案，变相实现微细化，借以延续芯片性能增长。IC Insights 提出集成电路设计和制造将向以下方向发展：缩小特征尺寸、引入新的材料和晶体管结构、采用更大直径硅晶圆、提高制造设备的生产能力、提高工厂自动化程度、电路和芯片的三维集成，先进的集成电路封装和整体系统驱动的设计方法等。
集成电路产业链及相关主要厂商
过去20年间，美国半导体企业的销售额约占全球的一半，韩国、日本、欧洲和我国的台湾地区也有表现优异的企业。
从产业角度而言，芯片产业创新的重心正在转移和扩张，产业高度集中导致竞争减少、市场垄断等风险不断加大。当前，芯片产业应用从传统的计算扩展到移动设备、汽车、云数据中心等领域，企业涉及的技术领域和目标进一步拓展。领先一步，“赢者通吃”，落后一招，“全盘皆输”，是芯片产业生态的“丛林法则”，因此预先布局、掌握领先的核心技术是芯片企业市场制胜的关键砝码。此外，通过并购来扩展市场规模、占有先进技术、布局未来关键领域是芯片企业强化市场竞争力的重要途径。近年来，国内外集成电路企业兼并重组风起云涌，产业并购呈现聚焦战略整合和布局新兴领域的趋势。一方面，龙头企业为实现规模经济和降低成本，持续开展出于战略整合目的的国际并购，呈现出规模大、交易金额高、强强联合的特征。另一方面，随着产业技术进入后摩尔时代，企业加快布局新兴市场，围绕物联网、汽车电子、数据中心、人工智能等领域的并购日趋活跃。上游企业让下游客户入股，以提升研发能力、分担研发风险也是巩固市场竞争力的一种手段。ASML 公司即采用这一模式。英特尔、三星、台积电是ASML 公司的股东，以购买股票以及投资ASML 公司科研的方式，成为ASML 公司高端设备的优先供货对象。
全球芯片技术创新步伐加快。QUESTEL 公司发布的《芯片行业专利分析及专利组合质量评估》报告显示（2016 年检索数据），全球芯片专利申请数量在1995～2013 年实现了6 倍的惊人增长，特别是2010 年以来专利申请节奏显著加速。
我国芯片产业和技术发展分析
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从产业链视角分析，我国集成电路封测业与国际先进水平技术差距最小，接近“并跑”。集成电路设计企业已经涌现若干在细分领域具有相当国际竞争力的企业，但是无论从基础技术平台、市场体量还是到战略产品领域等方面与国际领先企业仍然有不小的差距。集成电路制造业在技术研发上取得系列重大进步的同时，在核心量产工艺上与国际领先制造企业有1.5 代以上的差距。国内芯片制造设备和关键材料，除了已经取得的若干装备和产品研发及生产线应用的突破以外，与国际先进水平的整体差距是最大的。
▌（一）我国半导体芯片市场需求和供给能力总体评价
我国是世界第一大信息电子生产大国和消费大国，我国的家电、手机、台式机、笔记本电脑、信息通信设备、服务器乃至各类交通工具和医疗设备等产业需要大量芯片产品。根据中国海关统计数据，2017 年中国进口集成电路金额2601.4 亿美元，同比增长14.6%。
我国进口最大宗的是“处理器及控制器”类（占全部芯片进口总值接近一半），其次是存储器，再次是逻辑芯片。随着中国产业的升级转型，在工业应用、汽车应用、移动互联网、数字电视、数字娱乐、人工智能和医疗应用等新兴行业，形成集成电路产品多元化的增长态势。
Gartner 公司数据显示，近年来全球接近80%的手机是中国生产的，95%的电脑在中国组装生产（近两年部分开始向越南等国转移），但是需要注意中国的芯片进口额其中大部分是以苹果、三星和惠普等为代表的跨国IT 公司在华装配企业的进口额。可以说中国对芯片的巨额消费很大部分是由跨国公司在中国组装电子设备和产品造成的。
2017 年中国出口集成电路2043.5 亿块，同比增长13.1%，出口金额668.8亿美元，同比增长9.8%。这里面也有大量跨国公司在华企业的贡献。
我国国内芯片供给能力较强的为移动处理和基带芯片、逻辑芯片和分立器件等，在移动智能终端和网络通信领域应用较广，已经形成有效供应。但在国内市场和全球市场需求量很大的存储器、中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、微处理器单元（MPU）、传感器、模拟射频芯片和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）等芯片产品方面，尚处于攻关、试产、小批量开发阶段，基本没有形成规模供应能力，整体上看所需的关键集成电路产品大量依赖美国等进口，难以对经济发展和信息安全等形成全面有力支撑。
▌（二）我国芯片产业技术现状分析
2008 年以来，在重大科技专项（01）—核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品（核高基）和重大科技专项（02）—极大规模集成电路制造装备与成套工艺的支持下，在芯片、软件和电子器件领域，以及集成电路制程和成套工艺上取得了较大突破。2014 年6 月，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，设立集成电路产业基金，以大力度部署带动产业链协同持续发展，加快追赶和超越的步伐，努力实现集成电路产业跨越式发展。
1. 集成电路设计业
中国集成电路设计业增速为26.1%，销售额为2073.5 亿元。根据工业和信息化部的数据，境内设计业规模从2014 年的1047 亿元增长到2017 年的1980 亿元，位居全球第二。代表性企业为进入全球前10 名的华为海思和紫光展锐。例如华为海思半导体、紫光展锐等开发的移动处理芯片全球市场占有率超过20%。而兆芯和龙芯等公司在CPU、GPU、芯片组（Chipset）等核心技术方面取得了突破。同时国内在金融集成电路卡芯片、北斗导航芯片上取得了突破。但是国内芯片设计企业对第三方IP 核的依赖程度非常高；对设计方法学的重视程度不够，需要设计企业提供更完善的方案方可完成制造流程。我国在需求量很大的数字信号处理（DSP）芯片、FPGA、模拟芯片等方面尚未形成强有力的设计能力。
2. 集成电路制造业
根据中国半导体行业协会提供的数据，我国集成电路制造业2017 年同比增长28.5%，销售额达到1448.1 亿元，领军企业为中芯国际、华力、华虹等，整体上12 英寸生产线的产能只有15 万片左右（2016 年），亟待加强；国内代工制造企业完整的设计服务和支持体系仍然有待加强，大多数企业尚未建成有竞争力的设计服务和支持体系，独立工艺研发能力有待加强。
中国芯片制造业现有先进工艺产能与市场需求方面存在的差距仍然较大。例如，中芯国际2016 年的营收为29.21 亿美元，位列全球代工企业第4名，并宣布实现28 纳米成套工艺量产，在02 专项的支持下，22 纳米和14纳米先导技术研发取得突破，当前在国家集成电路大基金的全力支持下，正在推进14 纳米工艺研究和量产开发。国际上领先的代工制造企业为中国台湾的台积电、美国的格罗方德、韩国的三星和中国台湾的台联电。全球领先的台积电目前的主流工艺正在试图从10 纳米向7 纳米转换，采用极紫外光刻（EUV）前沿技术，同时在南京部署16 纳米生产线。
3. 集成电路封测业
根据中国半导体行业协会数据，集成电路封测业继续保持快速增长，增速为20.8%，2017 年达到1889.7 亿元。目前国内集成电路封装已经形成了四大领军企业，即长电科技、通富微电、华天科技和晶方科技；其中长电科技名列全球第三，位列全球第一是中国台湾的日月光。在02 专项支持下，中国大陆封装企业围绕三维高密度集成技术研发，接近国际先进水平。中国大陆和中国台湾企业在技术上已经不存在代差。
4. 芯片制造设备和关键材料
在国家02 专项的支持下，研制成功靶材、抛光液等多种关键材料产品，性能达到国际先进水平。国产刻蚀机、离子注入机等多种关键设备研制成功并通过了大生产线考核，实现了海内外批量销售，总体技术水平达到28 纳米，部分14 纳米设备开始进入客户生产线验证。
国内代表性企业为中微（刻蚀机）和北方华创（等离子刻蚀、气相沉积设备和清洗设备）等。值得注意的是，我国优势企业主要集中在后道工艺设备部分。在前端工艺方面，如核心光刻工艺方面，国内目前推出了90 纳米光刻机装备，这与国际顶尖装备企业[如得到国际集成电路制造巨头全力支持的荷兰ASML 公司（正在研发推出10 纳米及以下节点工艺装备）]的差距较大，而国内企业在提供尖端生产工艺、高效服务和先进软件产品方面的差距较大。
光刻胶是半导体工艺中最核心的材料，直接决定芯片制程。现阶段，日、美企业垄断国内半导体光刻胶市场，我国光刻胶产业和国外先进产品相差三四代，极易被国外企业“卡脖子”。但国内企业在资金和技术上奋起直追，如苏州瑞红、北京科华等，它们有望持续引领半导体光刻胶国产化进程，逐渐降低我国对半导体光刻胶的进口依赖程度。
▌（三）我国芯片产业和技术发展趋势
我国集成电路领域近几年取得了长足发展。国产手机芯片大量进入市场，芯片制造和封装技术快速进步，芯片制造装备和材料实现了从无到有的突破。紫光展锐、华为等企业研发的芯片的设计能力快速提升。“龙芯”CPU已形成3 个产品系列，部分国产芯片开始大力推广。
2017 年，美国总统科技顾问委员会发布的报告评估了中国半导体产业的发展优势和短板，包括：中国在先进逻辑芯片制造技术方面明显落后于世界先进水平，虽然制造企业数量很多，但比当前先进的量产工艺至少落后1.5代，缺少可商业量产的本土存储器企业，缺少半导体设备厂商等。中国半导体产业中表现最突出的是设计企业，并且发展势头良好，但与国外先进企业之间还存在技术差距，而且大部分设计企业主要瞄准低端和中端市场。此外，中国企业在国际上的收并购活动日益活跃。
我国未来集成电路发展趋势应按照“摩尔定律牵引”和“超越摩尔定律”抓住技术变革的有利时机，以“摩尔定律牵引”战略，持续推动国际先进12 寸前沿工艺研发，下决心突破处理器、存储器等全球产业技术制高点，迅速形成国际前沿水平的规模生产能力，争夺全球主流应用市场。同时要按照“超越摩尔定律”战略，基于我国巨大的市场潜力和战略需求，大力发展模拟及数模混合电路、微机电系统（MEMS）、高压电路、射频电路等特色8 寸专用工艺生产线。以制造工艺能力的提升带动国内芯片设计水平提升，以国际高水平生产线建设战略性带动我国关键装备和材料配套突破发展。
文章来源：企鹅号 - 科学出版社
原文链接：https://kuaibao.qq.com/s/20190817A02KRS00?refer=cp_1026
发表于： 2019-08-17
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集成电路行业作为全球信息产业的基础，在产业资本的驱动下，已逐渐成为衡量一个国家或地区综合竞争力的重要标志和地区经济的晴雨表。集成电路产品的广泛应用推动了电子时代的来临，也成为现代日常生活中必不可少的组成部分。集成电路行业主要包括集成电路设计业、制造业和封装测试业，属于资本与技术密集型行业，业内企业普遍具备较强的技术研发能力、资金实力、客户资源和产业链整合能力。
集成电路行业产业链：以电路设计为主导
集成电路产业链分为电路设计、芯片制造以及封装与测试三个环节。近年来三个环节出现垂直分工的趋势，并已经发展成为独立电子行业，另外还形成了生产封装材料的集成电路支撑业。
从实际经营的角度分析，集成电路产业链是以电路设计为主导，由电路设计公司设计出集成电路，然后委托芯片制造厂生产晶圆，再委托封装厂进行集成电路封装及测试，然后销售给电子整机产品生产企业。
集成电路行业市场发展迅速
我国大陆集成电路产业的虽起步较晚，但经过近20年的飞速发展，我国集成电路产业从无到有，从弱到强，已经在全球集成电路市场占据举足轻重的地位。根据中国半导体行业协会统计数据，2010-2019年中国集成电路产业销售额整体呈增长趋势，从2010年的1440.15亿元增加至2019年的7562.3亿元，这主要受物联网、智能汽车高新能源汽车、智能终端制造、新一代移动通信等下游市场需求驱动。
2020年，中国集成电路产业继续保持2位数增长，2020年1-9月，中国集成电路产业销售额为5905.8亿元，同比增长16.9%。其中，设计业同比增长24.1%，销售额2634.2亿元，仍是三业增速最快的产业，占总体行业的比重为44.60%制造业同比增长18.2%，销售额为1560.6亿元，占比为26.42%封装测试业同比增长6.5%，销售额1711亿元，占比为28.97%。
集成电路行业市场区域格局：核心区域产业空间初显
中国集成电路产业集群化分布进一步显现，已初步形成以长三角、环渤海、珠三角三大核心区域聚集发展的产业空间格局。
长三角地区是中国集成电路产业基础最扎实、技术最先进的区域，产业规模占全国半壁江山，设计、制造、封测、装备、材料等产业链全面发展。其中集成电路制造行业本土企业有中芯国际、华虹集团、合肥睿力、华润微电子等。
环渤海地区的集成电路产业目前发展的繁荣程度尚不能跟长三角相比，但潜力很大。环渤海地区是国内传统制造业重心之一，近年来产业升级的压力将使得高端制造业得到大力扶持并快速发展，该地区的集成电路制造业也将快速发展。
泛珠三角地区已经渐渐汇聚了众多行业领先半导体公司，如华为旗下的海思半导体有限公司、中兴微电子、汇顶科技、敦泰科技等国产半导体公司，使得整个地区的集成电路产业实现快速度发展。
集成电路行业市场发展前景和趋势
各下游新兴应用领域的快速发展，将带动国内集成电路行业持续发展。由于国家产业基金的注入，集成电路企业将更容易扩张规模、提高技术水平，完成做大做强。从国际上来看，集成电路行业是少有几个能经受国际经济不景气考验的行业，因而未来国际经济即使依然疲软，集成电路行业也依然可以取得较大发展。总体来看，国内集成电路企业经营前景较好。
未来，随着全球经济形势的好转，靠出口拉动的中国电子整机产品需求有望增加，各OEM厂商将加快采购并回补集成电路产品库存。以便携式移动智能设备、智能手机为代表的移动互联设备仍将保持快速增长。PC领域的市场规模将逐步缩减，这将直接影响到存储器市场和CPU市场的发展。
汽车电子则随着人均拥有汽车数量的增加，市场增速有望逐步上升。工业控制和网络通信仍将是未来市场的增长点。此外，随着医疗电子、安防电子以及各个行业的信息化建设的持续深入，应用于这些行业的集成电路产品所占的市场比重将会越来越多。
2010-2019年我国集成电路市场规模的年平均复合增速达到20%左右，整体来看，未来中国集成电路市场也将呈现快速发展的良好态势。前瞻初步预计未来五年我国集成电路行业市场规模保守保持12%的年平均复合增速，到2026年我国集成电路行业市场规模有望达到2万亿元左右。
—— 更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国集成电路行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》
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