“缺芯潮”来了！芯片制造的全球“军备竞赛”已经拉响

“缺芯潮”如何重塑半导体产业

发于2021.6.28总第1001期《中国新闻周刊》

4月中旬，全球最大晶圆代工厂台积电的台湾工厂发生停电事故。有研究机构预测，仅停电半天，报废晶圆损失或超过2000万美元，一大批客户受到影响。6月初，台湾封测厂京元电子暴发外籍员工群体感染，确诊人数超过200人，2000多人停工居家隔离，预计6月产量将减少30％~35％。台湾疫情向半导体产业的蔓延，让全球芯片产能雪上加霜。

此前，同样引发人们忧虑的是台湾遭遇半个世纪以来最严重的干旱，由于需要清洗厂房与硅片，晶圆代工厂耗水量巨大，为保证其用水，约占台湾灌溉面积五分之一的农田停止灌溉。

这足以显示台湾晶圆代工产业的地位，美国半导体行业协会甚至提出极端假说称，如果台湾半导体代工厂停工一年，全球电子产业将面临4900亿美元损失。台积电创始人张忠谋将1987年创办台积电与晶体管、摩尔定律等量齐观，视之为改变半导体产业的创造。台积电与晶圆代工业务的兴起确实深刻改变了半导体产业，使之成为全球化程度最深的产业之一。

但是这一轮“缺芯潮”引发了供应链安全隐忧。欧美对半导体产业过度集中于日韩、中国台湾地区表现出了担忧，提出一系列刺激计划吸引芯片产业回流，中国的芯片产业链国产化进程也在提速。芯片制造的全球“军备竞赛”已经拉响，半导体产业现有格局或将被重塑。

模式之争

从各国家、地区半导体产能占比变迁中可以发现，1990年台湾半导体产能几近于零，此后一路扩张至2020年的22％，这是台积电等晶圆代工厂崛起的结果。

半导体产业有两种模式，一种是IDM模式，即芯片设计、制造等环节集于一家公司，比如英特尔、英飞凌等；另一种则是代工模式，由台积电开创，兴起于上个世纪90年代，核心是芯片设计公司无须涉足制造、测封等环节，相应诞生了一批像高通、英伟达、联发科这样的无晶圆厂商。由于无须同时承担设计环节的高研发投入与制造环节的重资产投入，无晶圆厂商的营收增幅往往快于IDM厂商。

尽管IDM厂商在2019年仍拥有全球半导体近七成产能，但在更多应用先进制程、手机SoC（系统级芯片）所属的逻辑芯片领域，代工模式占据近八成产能，被认为是产业主流。

“IDM模式的弊端之一便是企业倾向于追求利润率高的产品，如果将设计与制造环节分开，代工厂无论生产附加值高或低的产品，同样赚取代工费用，有利于产业生态更为均衡。”复旦大学微电子学院教授、矽典微联合创始人徐鸿涛博士告诉《中国新闻周刊》，这也是在代工模式下半导体产业得以迅速发展的原因。

但是在这一轮“缺芯潮”中，IDM企业显示出供应链更为稳定的优势。中芯国际创始人张汝京就曾表示，在当前阶段，下游制造环节对上游设计环节的支持十分重要。但是在代工模式下，晶圆代工厂扩张产能往往谨慎，这是全球半导体产能始终处于紧平衡的重要原因。

其实去年以来代工厂扩张产能动作频仍。3月底，台积电宣布将在未来3年投资1000亿美元增加产能，并且支持高端制程技术的研发，一改此前“稳健扩产”作风，要以5倍的速度建厂扩产，中芯国际也在一年之内两度宣布扩张28nm及以上成熟制程的产能。

尽管如此，多位业内人士告诉《中国新闻周刊》，从扩张产能的规模看，代工厂仍在谨慎行事。这与代工业务的特点有关，在芯片产业链的全部资本支出中，制造环节占比高达64％，但增值仅占比24％。“晶圆代工的毛利率并不高，一旦产能利用率不高，晶圆厂或许就会陷入亏损。”酷芯微电子董事长姚海平告诉《中国新闻周刊》。

一位晶圆代工厂人士向《中国新闻周刊》解释，“晶圆代工厂在扩产前，都需要已有工厂的产能利用率达到相当水平，如果已有产线产能利用率只有百分之七八十，再扩产往往意味赔钱，伴随设备等大量资本投入的折旧压力就不小。”

相比于晶圆代工厂的谨慎，徐鸿涛注意到，一些无晶圆厂商反而开始参与建厂，“因为他们更加清楚风险与需求”。

2020年下半年，联发科就曾花费16.2亿元新台币购置半导体再租给力积电生产。但最为典型的案例莫过于联电，联电今年的资本支出仅为15亿美元，尽管如此，相比去年增幅也达50％。其采取与芯片设计公司三星等合作扩张产能的方式，即芯片设计公司出资购买设备，提供给联电，再让后者代工芯片。4月底，联电更是宣布与多家芯片设计公司合作扩充位于台南的12英寸晶圆厂产能，芯片设计公司以议定价格预先支付订金的方式，确保取得未来产能的长期保障。

如此一来，半导体产业长期存在的两种模式似乎伴随“缺芯潮”蔓延而变得模糊，无晶圆厂商为了保证产能开始向IDM模式靠拢，而一些IDM厂商，如英特尔，则在今年宣布启动代工业务。

今年2月，帕特·盖尔辛格出任英特尔首席执行官，在其3月下旬的一次演讲中，除了抛出英特尔将投资200亿美元新建两座晶圆厂，预计在 2024 年量产 7nm 或更先进制程的消息外，还宣布了英特尔将重返晶圆代工业务。

这一消息在当日直接冲击了台积电股价，但在近一个月之后的一次演讲中，台积电创始人张忠谋回应道，“英特尔要做晶圆代工业务相当讽刺。台积电 1986 年成立，在 1985 年筹资期间就找英特尔投资，但是英特尔拒绝，虽然当年度的景气状况没有太好，但仍是有一点看不起的意味。”

“英特尔此前也多次尝试进入代工业务，我也曾参与类似的项目，当时给Altera公司做代工，我们内部半开玩笑地说，英特尔最终收购Altera就是因为代工产品一直做出不来，英特尔就干脆买下这家公司。”一位曾在英特尔参与多个制程研发的工程师告诉《中国新闻周刊》，英特尔做代工的一个重要阻力便是缺少服务意识，“很难想象英特尔愿意低姿态地陪伴小客户成长，像台积电创办初期的一些小客户，如高通，现在也变成了巨头。但英特尔会挑选客户，当年苹果曾找英特尔做代工，就因为订单量有限被拒绝，如今这被英特尔高层认为是个极其愚蠢的决定。”

同时，技术问题也被他认为是英特尔从事晶圆代工的障碍之一，“英特尔工厂的工具相对比较封闭，更多生产高附加值芯片如CPU。但比如同样为28nm制程芯片，不同类别的芯片往往需要不同的工艺，因此英特尔产线能否很好服务于诸如手机芯片、车规芯片等尚存疑问”。

但显然，英特尔重归晶圆代工业务并非仅仅是一家企业看中芯片制造市场，其背后的深意或许可以归结为盖尔辛格的一句话，“美国公司应该将三分之一的半导体生产放在美国本土进行。”目前，这一比例仅为12％。

大力刺激半导体回流

盖尔辛格所言现状源于代工模式的兴起。据波士顿咨询数据，美国半导体制造业所占市场份额从1990年的37％降低至如今的12％，如果按照目前趋势发展下去，可能降低至6％，但是相比之下，美国半导体公司占全球芯片销售额的47％。

研究劳动力市场与经济政策的智库Employ America发文回顾美国半导体产业的 历史 称，从上世纪80年代起，为了与日本、韩国等国家的半导体公司竞争，美国的半导体政策逐渐转向鼓励缩减运营成本、提高公司利润，忽略了对于半导体供应链的构建，使半导体产业围绕巨头形成了一套脆弱的供应链。“在去工厂、轻资产的运营理念下，虽然每家半导体公司的资产负债表看起来更加稳健，美国芯片制造的优势却已经转向中国台湾、韩国等其他地区”。

目前，全球芯片制造75％的产能在东亚地区，而美国正希望芯片制造业回流，但其面临人才与成本的瓶颈。

张忠谋提到，美国晶圆制造的条件与台湾地区相较具有绝对优势，包括水电等资源，但是美国的人才敬业程度和台湾地区不能比，台湾地区有大量优秀的工程师、技师、作业员比较愿意投入制造业。

前述英特尔工程师也向《中国新闻周刊》解释，美国芯片制造业不断流失的一个原因便是美国的文化体系不太容易产生服务意识。芯片属于精密加工制造业，与东亚文化圈更为兼容，需要工人有很强的纪律性、服从性，因此当今世界最重要的代工厂都集中在东亚。“即使是英特尔这样的美国公司，其工厂的管理体系也与其他部门不同，推行军事化管理”。

美国在成本方面的劣势更为明显，在美国建设一个新芯片工厂的10年总拥有成本大约比亚洲地区高25％~50％，假如要满足半导体自给自足，美国需进行3500亿~4200亿美元的前期投资，这一数字也比中国大陆的1750亿~2500亿美元要高出不少。

(工作人员在黄色光源工作环境中观察光刻胶前烘情况。光刻胶又名光阻，是半导体芯片制造工业的核心材料。图/新华)

美国半导体行业协会今年2月致信美国总统拜登，提到竞争国家均投入巨资吸引半导体制造、研究，美国的缺席导致自身失去竞争力，造成美国在全球半导体制造份额中的降低。美国需要鼓励建设并更新半导体制造设施，并在研究领域投入。

当地时间6月8日，美国国会参议院通过了《美国创新与竞争法》，其中批准拨款520亿美元，在今后5年里大力促进美国半导体芯片的生产和研究。参议院民主党领袖舒默曾称其为“ 历史 性的520亿美元投资，用以确保美国保持芯片生产的领先地位”，并直言，“这项法案将确保美国不再依赖外国芯片加工商。”据路透社报道，其中包括390亿美元的生产和研发激励，以及105亿美元的实施计划，包括国家半导体技术中心、国家先进封装制造计划和其他研发计划，以及 15亿美元的应急资金。

美国商务部长吉娜·雷蒙多在芯片厂商美光 科技 出席活动时称，这520亿美元的资金将为芯片生产和研究产生超过1500亿美元的投资，当中包括州和联邦政府以及私营企业的出资，也就是通过联邦资金释放更多私人资本，“到完成时，在美国可能有七家、八家、九家、十家新工厂。”她预计，各州将为芯片设施争夺联邦资金，而商务部将有透明的资金发放程序。

去年以来，美国国会两党议员不断提出鼓励美国芯片产业发展的法案，如“2020美国晶圆代工法案”（AFA）、“为芯片生产创造有益的激励措施法案”（CHIPS）。CHIPS法案还被纳入拜登提出的2.3万亿美元基础设施计划，于今年早些时候颁布，批准了半导体制造激励措施和研究计划，但尚未提供资金，拜登也曾呼吁拨款500亿美元，促进半导体生产和研究。

此前，苹果、亚马逊、谷歌、微软等 科技 巨头联手包括英特尔、高通、台积电等在内的芯片产业链企业，组建了一个游说团体——美国半导体联盟（SIAC），目标便是向美国政府施压，要求美国国会为CHIPS法案提供500亿美元资金。

台积电、三星等均已计划在美国扩建芯片厂的情况下，一场对于政府补贴政策的争夺已然展开。早在去年5月，台积电便宣布将在美国亚利桑那州投资120亿美元新建12英寸厂，预计将在2024年建成投产，初期月产能为2万片5nm芯片，而这一计划的投资与产能规模在今年被多次曝出仍在扩大。

在向美国得州政府提交的文件中，三星也披露了其赴美建厂计划的具体细节：计划耗资170亿美元，10年内在当地创造约1800个就业机会，位于奥斯汀，面积700万平方英尺。三星还提醒说，该项目“竞争激烈”，美国亚利桑那州凤凰城、纽约北部的Genesee县及韩国替代地点都是奥斯汀的潜在竞争者。如果落户奥斯汀，将在今年二季度破土动工，预计在2023年第三、第四季度投入运营，传闻将用于生产先进的3nm制程。三星明确要求在20年内，得州特拉维斯县和奥斯汀市对三星芯片厂的税收减免将达约14.8亿美元，高于先前提到的8.055亿美元。

谈及美国积极复兴半导体制造产业，张忠谋认为，美国做事永远是“胡萝卜与棒子”一起，补贴只不过短期几年而已，不能弥补长期的竞争劣势，过了补贴政策的那几年，还是要看实力。

供应链安全被打破

持续增长的旺盛需求正在拉长半导体的景气周期。不只是美国，韩国、日本、欧洲等国家或地区都在吸引半导体制造回流。日本政府已经承诺扩大现有约2000亿日元的基金规模，支持国内的芯片制造行业。韩国政府业宣布为本土芯片产业提供1万亿韩元长期贷款，扩张8英寸晶圆厂产能，并增加材料和封装投资。欧盟提出的“2030数字指南”计划的目标之一便是到2030年，欧洲半导体生产至少占据全球产值的20％。

伴随分工模式兴起，半导体产业曾被视为全球化程度最深的产业之一，基于2019年的数据，在对整个产业附加值的贡献中，有6个国家和地区（美国、韩国、日本、中国大陆、中国台湾和欧洲）的贡献度都至少达到8％。但经历这一轮“缺芯潮”，出于维护供应链安全的考量，半导体产业正在向本地收缩，中国也不例外。

波士顿咨询曾作出预测，假设在每个地区建设完全自给自足的本地供应链，将需要9000亿~1.225万亿美元的增量前期投资，并导致半导体价格整体上涨35％~65％，最终导致消费者电子设备成本上升。

“趋势已经很明显，这在日本厂商的产品中得到充分体现，拆开日本的电子产品，会发现其使用的芯片基本上都来自日本，未来各地也会遵循这样的趋势，简单说就是在哪里设计，就要在哪里生产。”上海一家芯片设计公司CEO刘东（化名）告诉《中国新闻周刊》。

中国半导体行业协会副理事长、中国半导体行业协会集成电路分会理事长叶甜春认为，美国、欧盟强化本土产业链，缺芯固然是一项因素，但根本原因是对供应链安全的一种担心。芯片产业链全球化发展的地域分工，导致有些地区的工业空心化，现在各地希望在本地建立一个至少能够维持最小可行制造能力的产业体系。

但在他看来，欧美要建设本土晶圆制造业是很困难的，这是一个成本、供应链体系和产业生态的问题。首先供应链企业要跟过去，把供应链重建起来，经济代价和后续的运维成本会非常高昂；其次，发展制造业需要人才资源作为支撑，欧美高校的人才体量能否支撑制造产业的重建，也值得考量。“继续创新”或许是欧美发展制造业的一条路径，但通常意义上的产业回流是很难 *** 作的。

对于中国当下的芯片产业前景，叶甜春在接受《中国电子报》采访时指出，国内集成电路存在“卡脖子”问题，在部分领域显得被动，但是跟10年前近乎“休克”的状态相比，是完全不一样的。但他担心的是，眼前的问题得到缓解之后，对后续的布局缺乏紧迫感，耽误两年然后发现“卡脖子”这个问题始终存在。

他的建议是，对中国而言，首先是确保供应链的安全，28nm以上的供应链要实现绝对安全，14nm、7nm的技术短板也要尽快补齐。此外还要锻造长板，真正摆脱“受制于人”需要掌握足够的反制手段。要把握好全球化分工与供应链产业链自主可控的“度”。

国产替代如何加速

刘东注意到，其实从去年开始，国内的芯片厂商，包括一些终端产品厂商，已经在将供应链逐步从境外转移至中国大陆，当时主要是受到华为被制裁事件的冲击，随着这一轮“缺芯潮”爆发，这一趋势将更加明显。

深迪半导体今年为国内一家一线手机厂商供应六轴IMU惯性传感器芯片，深迪半导体公共关系负责人黄杜告诉《中国新闻周刊》，从2019年第一次送样，经历两年的测试才最终谈成，“对于手机厂商更换一款芯片的成本并不小，因此一旦习惯于采购外国厂商的芯片就没有动力冒风险更换。”

而多位国内手机厂的供应商向《中国新闻周刊》证实，在消费电子领域，国内终端厂商今年都在转移产业链，“能用国产替代的都尽可能使用国产替代，就算国内供应商无法做主力供应商，也会让其作为辅助供应商。”

徐鸿涛甚至认为，这次“缺芯潮”的一个原因便是国产替代导致代工厂新产品导入规模增长，“比如原来一家代工厂的产能分配中，量产与新产品导入的比例可能是8:2，但随着新产品导入的需求增加，就挤占了量产部分的比例分配，其中部分原因便是国产替代和产能紧张导致开辟新供应商需求的加剧，一款新产品都要经历漫长新产品导入才能量产。”

不仅是终端厂商在更多启用国内芯片厂商的芯片，一些国内的无晶圆厂商也开始将产能向中国大陆转移。

对于刘东的公司而言，与其合作的代工厂遍布中国大陆和台湾，韩国、美国。“只是每家投产多少不一，一方面是要为特定种类的芯片寻找更适合的工艺，另一方面也是为了规避风险。但是一旦产能全球性紧缺，即使产能再分散，风险也难以回避。”刘东反问，“这一轮‘缺芯潮’中，已经可以看到地方保护色彩加重，比如一家韩国代工厂，面对一位韩国客户与中国客户的需求时，他会怎么选择？”

一家三星投资的芯片设计公司负责人告诉《中国新闻周刊》，正是由于三星背书，其产能几乎未受影响，反而扩张产能争抢到产能紧缺的竞争对手的订单。

用刘东的话来说，“大家都变得不那么有 *** 守”。这在一定程度上也源于政府的干预，前述刚刚成立的SIAC便在公开信中称，“当行业努力纠正短缺造成的供需失衡时，政府应该避免干预。”外界认为这暗指美国政府此前施压包括台积电在内的代工厂保证 汽车 芯片产能。

有中芯国际人士告诉《中国新闻周刊》，中芯国际在分配产能时会从终端应用的角度考虑，也就是如果某款芯片缺失，会不会影响普通人生活，甚至国民经济，“会仔细甄别企业的产能需求，依企业真实需求而定，也不会多给企业产能。”

多位业内人士都感慨，在这一轮“缺芯潮”中更能看到中芯国际的意义。“如果产能在国内，遇到疫情这样的极端情况，至少还能见面沟通，但如果投产在韩国、中国台湾的代工厂，连见面协调的可能都没有。”一位芯片厂商负责人透露，从去年开始，公司就在将产能从境外逐步转移至中国大陆，目前已接近一半，甚至直接邀请一家国内代工企业入股，“也是为了未来更顺畅地转移产能”。

这样的产能转移不止发生在某一家公司身上，姚海平也坦言，公司会将中芯国际14nm、12nm制程作为主打的平台，“14nm以下先进制程代工其实可选余地并不多，无非是三星、台积电、中芯国际等几家。现在中芯国际的先进工艺的产能利用率还不高，所以今年其扩张产能集中在28nm等成熟制程，因为其先进制程工艺刚刚开发出来不久，国内的设计公司做出针对的设计需要时间，估计在明年年中中芯国际先进制程产能也会变得非常饱满。”

中国缺少的不仅是先进制程的产能，其实，目前市场上20nm以上工艺节点产能占据了82％，更多的芯片产品依赖成熟制程产能。

“国内除了中芯国际和华虹，形成量产能力的也就是华润上华，但每月8英寸晶圆的产能可能只有两三万片，确实太少，可能都无法支撑大一点的客户。新的代工厂产能完全跟不上，特别是目前一些产品需要特定工艺，比如BCD高压，其实只有中芯国际、华虹、华润上华这三家公司有技术准备，再无其他选择，这就是目前的现状。”前述中芯国际人士告诉《中国新闻周刊》。

黄杜提到，“前一段时间政府征求对行业支持政策的意见建议，我们提出除了鼓励主要以线宽制程为标准的先进标准工艺，也要支持不依赖于线宽的MEMS特色工艺，MEMS惯性传感器芯片在人工智能物联网时代将会获得越来越广泛的应用。”

MEMS工艺是芯片制造的一种特殊工艺，被广泛应用于惯性传感器芯片制造，而惯性传感器芯片已经进入每一部智能手机，手机横屏与竖屏视角的转换便依赖这颗芯片实现。

“如今各地晶圆厂烂尾的情况已经让政府感到担忧，但总体而言，大陆的产能仍然很短缺。”有晶圆厂商负责人告诉《中国新闻周刊》，“几年前公司原本计划投资建设晶圆厂，计划投资50亿元，年产能为1万片8英寸晶圆，但之后项目夭折，原因便是地方政府不再支持。” “当时项目遇到国家收紧半导体投资，地方政府对于项目获得国家资金支持没有信心，就需要地方承担大部分资金压力。”这位负责人说，工厂从开工到“投片”需要3年时间，而根据当时的测算，8年才能回本，这段时间对于地方政府来讲过于漫长。

当下，政府对于晶圆厂的支持无疑举足轻重，中芯国际创始人张汝京在总结项目能够获得成功的条件时就说到，要有政府支持，中央政府通常是在政策和税务上的支持，地方政府通常是给予土地和项目奖励等支持，为了引进一些新项目，需要各级地方政府制定一些准入的指导。

他向《中国新闻周刊》建议说，通过国家发改委窗口指导，一定程度上避免错误的投资导致的国家财产和资金的损失的考量下，可以积极推动国家需要的这类半导体公司。但是如果管控过于严苛，也可能会把这个产业的发展遏制住，减缓国家集成电路与半导体产业的发展。“投资金额小于10亿元以下的，按现有方式进行备案；对于政府投资金额低于某一数位的，如50亿元以下的，由省市相关发改委窗口指导；金额更大的由上一级的发改委管控。至于民企或外资为主的，因为政府担的风险较小，可适度放宽指导窗口。”

在叶甜春看来，此前多地都爆出芯片制造的“烂尾”工程，是因为个别项目在市场定位、技术研发、团队配置等方面没有做好准备，仓促上马。对于做好准备的项目，该上马还是要上马。

他指出，据不完全统计，国内逻辑IC存在40万片12英寸的月产能缺口，存储器至少缺20万~30万片月产能。保守估计，月产能缺口在60万~70万片。整体产能缺口这么大的时候，应该更大规模、更有效率地扩产。“中国貌似缺乏最新的技术和产品，但是全球80％以上的产品用不到最尖端制程，14纳米以上制程能覆盖绝大部分需求——虽然市场份额可能只有百分之六七十，但这上面有大量文章可做。”

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

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。

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