博世再建晶圆工厂,汽车行业为何需要专属芯片供应?

博世再建晶圆工厂,汽车行业为何需要专属芯片供应?,第1张

最近一段时间,博世在半导体领域动作频频。3月8日,博世德累斯顿晶圆厂宣布其首批硅晶圆从全自动化生产线下线。根据介绍,这批晶圆生产历时六周,共经历了约250道全自动化生产工序,从晶圆到最终的半导体芯片成品,整个生产流程还将经历约700道工序,耗时10周以上。德累斯顿晶圆厂投入运营后,将主攻车用芯片制造。

3月9日,博世再次宣布隶属于博世集团的罗伯特·博世创业投资公司已完成对基本半导体的投资。基本半导体是国内的碳化硅功率器件提供商之一。碳化硅是第三代半导体的代表材料,采用碳化硅的功率半导体以更具优势的性能正逐步取代硅基半导体,广泛应用在新能源 汽车 、充电桩等领域。基本半导体所获融资将重点用于推进车规级碳化硅产品的研发、制造及规模化应用,其产品可以帮助博世实现本地供应。

3月12日,博世与全球领先的特殊工艺半导体制造商GlobalFoundries合作共同为自动驾驶 汽车 研发雷达芯片。据了解,GlobalFoundries位于德国德累斯顿的Fab 1工厂将为博世生产高频雷达芯片,双方合作的芯片预计将于2021年下半年开始交付。

一系列动作可以看出,博世在车用芯片领域通过合作、投资、自建工厂三种不同的方式进行着自己的布局。作为全球最大的 汽车 零部件供应商,博世在半导体领域的投入已超过50年。早在1968年,博世管理层就决定建立属于自己的工厂进行半导体生产,并于1970年2月开始了集成电路的生产。随后,用于发动机控制的压力传感器、用于安全气囊系统的加速度传感器以及用于车身电子稳定系统ESP的角速度传感器,博世均实现自主研发和生产。2005年,博世成立子公司Bosch Sensortec,进入消费电子领域。

或许是由于博世在 汽车 领域的成绩过于闪耀,博世在半导体领域的地位一直被很多人所忽视。根据StrategyAnalytics的数据,2019年博世在全球 汽车 传感器市场位居首位,占据14.1%的市场份额,在功率半导体市场里排名第三,市场份额占比9.1%。

如今,博世德累斯顿晶圆厂即将在6月正式投入运营,新晶圆厂生产的是直径为300毫米的晶圆,罗伊特林根工厂生产的是150毫米和200毫米晶圆。据博世的介绍,德累斯顿晶圆厂单个晶圆可产生31,000片芯片。与传统的150和200毫米晶圆相比,300毫米晶圆技术将使博世进一步提升规模效益并巩固其在半导体生产领域的竞争优势。新晶圆厂的产能将为博世满足日益增长的半导体产品需求提供极大的助力。

博世德累斯顿晶圆厂从2018年6月开始施工建设,历时三年才进入投产阶段,总投资超10亿欧元(约77亿元人民币),是博世100多年 历史 上总额最大的单项投资。博世为何不计投入也要扩大芯片产能,为 汽车 行业建立专属芯片工厂?

近几个月不断发生的事情或许可以给出答案。从最初的芯片短缺导致整车企业停产,到后来的日本地震进一步加剧芯片短缺,再到美国暴雪停电导致芯片停产,引起大范围恐慌,芯片成为了今年以来车圈最大的“芯”问题。

相比于芯片短缺带来的实际影响,国内 汽车 企业在心理上收到的冲击则更加剧烈。有了通讯领域被断供的前车之鉴,国内车企对芯片问题格外敏感,因此本届两会期间,如何让车用芯片自主可控成为了 汽车 大佬们建言献策最集中的领域之一。

事实上,对芯片感到担忧的 汽车 企业并不只集中在中国。从最早大众爆出因缺芯停产后,通用、福特、本田、丰田等国际车企均受到了芯片供应的影响,并缩减了产量。缺芯俨然已经不是某一家车企、某一个国家所面临的问题,而是全球 汽车 行业共同的瓶颈。

“ 汽车 产业必须建立自己的芯片产业供应链”一时成为了行业的呼声。众多主机厂纷纷宣布要研发自己的自动驾驶芯片,但无一例外地采用了无晶圆厂的运作模式,这种运营模式下,芯片的生产和制造环节依然要依赖半导体芯片生产加工厂商。

采用代工的模式实则无法从根本上解决 汽车 行业缺芯的卡脖子难题。当前的主流半导体生产加工企业均以消费电子客户为主,在技术应用和产线规划上均偏向消费电子芯片。以世界上最大的芯片制造企业台积电为例,2020年 汽车 芯片仅占台积电销售量的3%,远落后于智能手机芯片的48%和高性能计算芯片的33%。

究其原因,消费电子所使用的的芯片与 汽车 上所使用的的芯片有很大的区别。消费电子的芯片在开发阶段追求唯快不破,目前7nm制程的芯片已经大范围应用,5nm制程的芯片也逐步应用到了iPhone等旗舰机型上。而 汽车 本身空间较大,而且大部分芯片使用在底盘、安全、车灯控制等低算力领域,因此不用过于追求先进的制程工艺。也正因此, 汽车 芯片的毛利率要更低,对于产能有限的代工厂来说,当然更愿意生产更先进、利润更高消费电子芯片。

更重要的是,大部分传统 汽车 芯片的技术水平虽然不高,但对质量的要求却极高。 汽车 作为交通工具的特殊性,使得其对 汽车 芯片可靠性、安全性、长效性的要求极其严苛。据了解,消费电子芯片的不良率要求只需满足200ppm(万分之二),而 汽车 芯片的要求是1ppm(百万分之一),而车企对芯片供应商的不良率要求其实更低,因为对 汽车 而言,任何不良都有可能导致严重的交通事故。在使用寿命要求上,消费电子芯片要求的使用寿命为10年, 汽车 芯片长达20年。

此外,手机芯片的发展基本遵循摩尔定律,每年一更新,一款芯片能满足两三年内的软件系统性能需求即可。但是 汽车 的开发周期比较长,一款新车型从开发到上市验证至少要经过两年以上的时间,使用周期更是长达十年以上,这也对 汽车 芯片设计的前瞻性提出了很高的要求。

显然为 汽车 企业制造芯片是一件费力不讨好的事情。一旦芯片供应出现紧缺,跟消费电子芯片混线生产的 汽车 芯片在产能和质量上都将出现不可避免的风险。对于要求如此严苛的 汽车 芯片而言,要在关键时刻临时更换供应商几乎不可能实现。

即使在手机行业,类似的悲剧也时有发生。刚刚发布的高通骁龙888旗舰芯片本该选择制程工艺和产能更占优势的台积电代工,但由于种种原因最后偏偏找上了三星。结果芯片发热问题严重,随后高通赶紧推出台积电代工的骁龙 870 作为救火队员,才勉强稳住了局面。手机行业出现类似问题尚能弥补,但这却是 汽车 行业无法容忍的事情。

对于 汽车 行业,芯片是采购周期最长的关键部件,往往需要提前半年甚至一年下发订单,如此长的供货周期迫使 汽车 企业必须承受巨大的不确定性。而对于博世这样的一级供应商来说,更是无时不刻不面临着芯片供应的问题,自建晶圆工厂既是出于对供应安全的考量,也是对产品功能安全最有力的保障。唯有如此,才能将主动权牢牢掌握在自己手中。

传感器排名:

1、博世(BOSCH)

博世是世界上最大的传感器企业,也是世界上最大的MEMS传感器厂商。博世是一家典型的IDM厂商,博世所有MEMS传感器均在德国罗伊特林根(Reutlingen)制造。

博世是全球多个细分传感器领域TOP1,包括汽车传感器、MEMS压力传感器、MEMS气体传感器等领域。

博世的MEMS传感器涵盖惯性、环境、智能、光学、声学传感器5大类,是汽车制造、消费类电子、家用电器等MEMS制造商的领头羊,牢牢占据着汽车与消费电子两大市场。

博世集团于1909年在中国开设了第一家贸易办事处,1926年在上海创建首家汽车售后服务车间。时至今日,集团的四大业务部门均已落户中国:汽车技术、工业技术、消费品、能源与建筑技术。

2、索尼(SONY)

索尼是全球CMOS图像传感器第一企业,其全球图像传感器市场份额占比近40%,位于其后的是韩国三星和中国韦尔股份。

索尼拥有世界第三大MEMS代工产线,其产能需求主要来自集团内部对MEMS传感器、CMOS图像传感器的需求。

索尼在制造MEMS和半导体技术加工方面的丰富经验,提供广泛的MEMS代工服务,包括晶圆工艺开发(开发、工程样品、小批量至大批量生产)、可用流程有批量工艺(包括SOI)、表面工艺、半导体工艺,MEMS产线位于日本鹿儿岛。

3、通用电气(GE)

通用电气(GE)是全球知名传感器厂商,是先进测量和基于传感器的技术解决方案的全球领导者。

GE设计和生产用于测量温度、压力、液位、湿度、气体浓度和流量的精密仪器和系统,适用于最苛刻的客户应用。GE为世界各地的航空航天、医疗保健、运输、加工和工业企业的客户提供服务。

GE旗下汇聚多个豪华传感器品牌阵营,部分已经被出售给安费诺,曾包括:德鲁克(Druck,世界最大压力传感器厂商之一)、General Eastern(露点湿度传感器领导者之一)、Kaye、NovaSensor、Panametrics、Telaire、Thermometrics和Ruska等。

通用电气(GE)是一家多元化的科技、媒体和金融服务公司,由四大业务集团构成,每个集团都包括多个共同增长的部门。

GE的产品和服务范围广阔,从飞机发动机、发电设备、水处理和安全技术,到医疗成像、商务和消费者金融、媒体和工业产品。

4、西门子(Siemens)

西门子成立于1847年,是全球享誉世界的电子电气工程领域的领先企业,也是全球知名传感器制造厂商,拥有超过60年的传感器研发实力。

德国西门子传感器的特点同样包括“六化”:比如微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。西门子传感器广泛应用于工业自动化、HVAC设备等许多领域。

2014年9月,西门子股份公司和博世集团达成协议:西门子彻底退出家电领域。出售家电业务正是西门子专注于电气化、自动化和数字化战略的体现。

5、霍尼韦尔(Honeywell)

霍尼韦尔是全球传感器行业巨头,霍尼韦尔传感物联事业部提供超过三万种的产品,包括快动、限位、轻触和压力开关,以及位置、速度、压力、温湿度、电流和气流、气体,扫描引擎传感器,是传感与开关产品涵盖范围最广的厂商之一。

霍尼韦尔也是全球MEMS传感器主要厂商之一,在全球MEMS厂商中排名12。(具体情况可参看《最新全球MEMS企业排名TOP 30,3家中国企业入榜!》内容。)

霍尼韦尔始创于1885年,目前,霍尼韦尔四大业务集团均已落户中国,高科技解决方案涵盖航空、楼宇和工业控制技术,特性材料,以及物联网。

传感器在车辆曲轴前端曲轴后端靠近大飞轮处或曲轴中间。

曲轴位置传感器通常安装在曲轴前端(皮带轮处)曲轴后端靠近大飞轮处或曲轴中间,早期车型也有安装在分电器内,是控制系统中最重要的传感器之一。

检测发动机转速,因此又称为转速传感器;检测活塞上止点位置,故也称为上止点传感器,包括检测用于控制点火的各缸上止点信号、用于控制顺序喷油的第一缸上止点信号。

工作原理和作用

曲轴位置传感器的作用就是确定曲轴的位置,也就是曲轴的转角以及发动机转速。它通常要配合凸轮轴位置传感器一起来工作——确定基本点火时刻。

发动机是在压缩冲程末开始点火的,发动机电脑知道哪缸该点火了,就是通过曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的信号来计算的,通过曲轴位置传感器,可以知道哪缸活塞处于上止点,通过凸轮轴位置传感器,可以知道哪缸活塞是在压缩冲程中。这样,发动机电脑知道了该什么时候给哪缸点火了。


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