进军科创板融资120亿，国内第三大晶圆代工厂崛起？

（文/陈辰 编辑/尹哲）众所周知，芯片制造主要简单分为设计、制造和封装三大环节。其中，芯片制造是国内半导体被“卡脖子”最重要的环节。

近年来，随着产业发展及国际形势变化，中芯国际一度成为“全村的希望”。因此，在一路“绿灯”下，中芯国际顺利登上科创板，成为国内晶圆代工第一股。

如今，继中芯国际之后，第三大晶圆代工企业——合肥晶合集成电路股份有限公司（下称“晶合集成”）也拟进军科创板，以实现多元化发展。

5月11日，晶合集成的首次公开发行股票招股书（申报稿）已获上交所科创板受理，并于6月6日变更为“已问询”状态。

招股书显示， 公司拟发行不超过5.02亿股，募集资金120亿元，预计全部投入位于合肥的12英寸晶圆制造二厂项目。

根据规划， 募投项目将建设一条产能为4万片/月的晶圆代工生产线，主要产品包括电源管理芯片（PMIC）、显示驱动整合芯片（DDIC）、CMOS图像传感芯片（CIS）。

图源：晶合集成招股书，下同

自12英寸晶圆制造一厂投产以来，晶合集成主要从事显示面板驱动芯片代工业务，产品广泛应用于液晶面板领域，其中包括电脑、电视和智能手机等产品。

与此同时，随着产能持续抬升以及工艺不断精进，晶合集成的营业收入实现高速增长。

而在这背后， 晶合集成的经营发展也存在系列风险，其中包括产品结构较单一、客户集中度极高、盈利能力不足，以及扩产项目能否达成预期业绩等 。

因此，尽管自带“国内第三大晶圆代工企业”光环，但晶合集成未来数年发展走势如何，仍是一个尚难定论的未知数。而要实现多元化及技术突破，其还需攻坚克难、砥砺前行。

诞生与发迹“错配”

近十年来，合肥新型显示产业异军突起，加剧了“有屏无芯”的矛盾。同时，电子信息企业快速集聚，更激起地方政府打造“IC之都”的雄心。

“大约在2013年左右，家电、平板显示已经作为合肥的支柱产业，但在寻求转型升级时都遇到了同一个问题——缺‘芯’。”合肥市半导体行业协会理事长陈军宁教授曾表示。

为了解决缺芯问题，合肥市邀请了中国半导体行业的十几名专家一起参与讨论和论证，最终制定了合肥市第一份集成电路产业发展规划。

基于此，2015年，合肥建投与台湾力晶集团合作建设安徽省首家12英寸晶圆代工厂——晶合集成。

据部分媒体报道， 这一项目旨在解决京东方的面板驱动芯片供应问题。

晶合集成合肥12英寸晶圆代工厂

根据总体规划，晶合集成将在合肥新站高新技术产业开发区综合保税区内，建置四座12寸晶圆厂。其中一期投资128亿元，制程工艺为150nm、110nm以及90nm。

至于力晶达成合作的重要原因，是其当时遭遇了产能过剩危机重创，便致力于从动态存储芯片（DRAM）厂商转型为芯片代工企业。

2017年10月，晶合集成的显示面板驱动芯片（DDIC）生产线正式投产。这是安徽省第一座12寸晶圆代工厂，也是安徽省首个超百亿级集成电路项目。

随后，晶合集成的产能实现迅速爬升。招股书显示，2018年至2020年（下称“报告期内”）， 公司产能分别为7.5万片/年、18.2万片/年和26.6万片/年，年均复合增长率达88.59%。

与此同时，其产品也迅速占领市场。据央视报道称，2020年占全球出货量20%的手机、14%的电视机和7%的笔记本电脑，采用的都是晶合集成的驱动芯片产品。

对于近五年实现快速发展的原因，晶合集成董事长蔡国智曾总结为，首先是“选对合作伙伴很重要”，以及公司对市场趋势判断正确、不间断的投资和新冠疫情带来的“红利”。

但稍显“遗憾”的是，报告期内， 晶合集成向境外客户销售收入分别为2.15亿元、4.68亿元和12.63亿元，占当期总营收比例为98.59%、87.69%、83.51%。

其中，鉴于公司的台湾“背景”及相关资源，晶合集成的境外客户中中国台湾地区客户占比颇高。

这也就是说，京东方并没有大量采购晶合集成的面板驱动芯片。业内数据统计，我国驱动芯片仍以进口为主。2019年，京东方驱动芯片采购额为60亿元，国产化率还不到5%，可见配套差距之大。

此外，晶合集成依赖境外市场同时，还存在客户集中度极高的问题。

报告期内， 其源自前五大客户的收入占总营收比例均约九成。其中，2019年和2020年，公司过半总营收来自第一大客户。 这显然对公司的议价能力和稳定经营不利。

国资台资加持主控

诚然，如蔡国智所言，晶合集成的快速成长的确得益于“不间断的投资”。

2015年5月12日，合肥市国资委发文同意合肥建投组建全资子公司晶合有限（晶合集成前身），注册资本为1000万元。

成立之初，晶合有限仅有合肥建投一个股东。随后，在国内半导体产业以及合肥电子信息产业迅速发展情况下，公司决定大搞建设。

2018年10月，晶合有限增资，合肥芯屏、力晶 科技 入股。具体股比上，合肥建投持股32.71%，合肥芯屏持股26.01%，力晶 科技 持股41.28%。

后来经过数次减资、增资，晶合有限于2020年11月正式整体变更设立为股份公司，即晶合集成。

截至招股书签署日， 合肥建投直接持有发行人31.14%股份，并通过合肥芯屏控制晶合集成21.85%股份，合计占有52.99%股份。而力晶 科技 的持股比例降至27.44%。

值得一提，合肥市国资委持有合肥建投100%的股权，因而为晶合集成的实际控制人。

那么，多次出现且持股一度占优的力晶 科技 是什么来头？

资料显示，力晶 科技 是一家1994年注册在中国台湾的公司。经过业务重组，其于2019年将其晶圆代工业务转让至力积电，并持有力积电26.82%的股权，成为控股型公司。

得益于力晶 科技 的较强势“助攻”，力积电的晶圆代工业务迅速实现位居世界前列。

调研机构预估，力积电2020年前三季度营收2.89亿美元左右，位列全球十大芯片代工第7名，领先另一家台湾半导体企业——世界先进一个名次。

而除了力晶 科技 和合肥市国资委之外，晶合集成还曾于2020年9月引入中安智芯等12家外部投资者。

其中， 美的集团旗下的美的创新持有晶合集成5.85%股权。而持股0.12%的中金公司则是晶合集成此次IPO的保荐机构。

不过，证监会及沪深交易所今年初发布公告显示，申报前12个月内产生的新股东将被认定为突击入股，且上述新增股东应当承诺所持新增股份自取得之日起36个月内不得转让。

鉴于晶合集成的申报稿是于2021年5月11日被上交所受理，美的创新、海通创新等12家股东均属于突击入股 ，才搭上了晶合集成奔赴上市的列车。

对此，晶合集成解释称，股东入股是正常的商业行为，是对公司前景的长期看好。

“上述公司/企业已承诺取得晶合集成股份之日起36个月内不转让或者委托他人管理在本次发行上市前直接或间接持有的晶合集成股份，也不由晶合集成回购在本次发行上市前直接或间接持有的晶合集成股份。”

经营业绩持续增长

背靠有半导体技术基因的力晶 科技 ，以及资金雄厚且自带官方背书的合肥建投，晶合集成近年来在营收方面有较明显增长。

报告期内， 晶合集成的营业收入分别为2.18亿、5.34亿和15.12亿元人民币，主营业务收入年均复合增长率达163.55%。

其中，2020年，疫情刺激全球宅经济、远距经济等需求大举攀升，而半导体作为 科技 产品的基础元件也自然受惠。因此，晶合集成的业绩同比大增达183.1%。

美国调研咨询机构Frost&Sullivan的统计显示， 按照2020年的销售额排名，晶合集成已成为中国大陆收入第三大的晶圆代工企业，仅次于中芯国际和华虹半导体。

值得注意，这一排名不包含在大陆设厂的外资控股企业，也不包含IDM半导体企业。

不过，相比业内可比公司的经营状况，晶合集成仍有不小差距。比如，2020年，中芯国际营收274.71亿元，华虹半导体营收62.72亿元，分别是晶合集成的18倍及4倍以上。

另一方面，晶合集成已经搭建了150nm至55nm制程的研发平台，涵盖DDIC（面板驱动）、CIS（图像传感器）、MCU（微控制）、PMIC（电源管理）、E-Tag（电子标签）、Mini LED及其他逻辑芯片等领域。

但公司的市场拓展及经营高度依赖DDIC晶圆代工服务，因而主营业务极为单一。

报告期内， 晶合集成DDIC晶圆代工服务收入，分别为2.18亿元、5.33亿元、14.84亿元，占主营业务收入比例分别为99.96%、99.99%、98.15%。

然而，正因如此，晶合集成预计，如果未来CIS和MCU等产品量产以及更先进制程落地，企业的收入和产能还有机会迎来新一波增长。

目前，晶合集成在12英寸晶圆代工量产方面已积累了比较成熟的经验，但工艺主要为150nm、110nm和90nm制程节点。

其中，90nm制程是业内DDIC类产品最为主流的制程之一，而提供90nm制程的DDIC产品服务也逐渐成为晶合集成的主营业务。

报告期内， 晶合集成90nm制程类产品收入年均复合增长率达652.15%，占营收比重从2018年6.52%逐年升至2020年的53.09%。 这一定程度上体现其收入结构正在优化。

此外，晶合集成正在进行55nm制程节点的12英寸晶圆代工平台研发，预计之后会在55nm制程产品研究中投入15.6亿元人民币，以推进先进制程的收入转化。

另据招股书透露，2021年，90nmCIS产品及110nmMCU产品将实现量产；55nm的触控与显示驱动整合芯片平台已与客户合作，计划在2021年10月量产。而55nm逻辑芯片平台预计于2021年12月开发完成，并导入客户流片。

基于此，晶合集成的企业版图未来确有望进一步扩充，而营业收入也势必会有不同程度的增加。

盈利毛利“满盘皆负”

虽然持续增收，但作为半导体行业新晋企业，晶合集成要实现盈利并不容易。由于设备采购投入过大，以及每年产生大量折旧费用等因素，晶合集成近年来净利润一直在亏损。

报告期内， 晶合集成归母净利润分别为-11.91亿元、- 12.43亿元和-12.58亿元。扣除非经常性损益后归母净利润分别为-12.54亿元、-13.48亿元和-12.33亿元，三年扣非净利润合计为-38.35亿元。

截至2020年12月31日， 公司经审计的未分配利润达-43.69亿元。

对此，在招股书中，晶合集成也做出“尚未盈利及存在累计未弥补亏损及持续亏损的风险”提示，并称“预计首次公开发行股票并上市后，公司短期内无法进行现金分红，对投资者的投资收益造成一定影响。”

另一方面，为满足产能扩充需求，晶合集成持续追加生产设备等资本性投入，折旧、 摊销等固定成本规模较高。这使得其在产销规模尚有限的情况下产品毛利率较低。

报告期各期， 晶合集成的产品综合毛利分别为-6.02亿元、-5.37亿元及-1.29亿元，综合毛利率则分别为-276.55%、-100.55%与-8.57%。

与行业可比公司相比，晶合集成的毛利率差距巨大，而且远低于可比公司毛利率的平均值。

值得一提，同期台积电的毛利率遥遥领先。而在大陆的半导体代工企业中，中芯国际及华润微的毛利率均低于平均值，仅有华虹半导体于2018年和2019年略高于平均值。

不过，随着产销规模逐步增长且规模效应使得单位成本快速下降，晶合集成的毛利率与可比公司均值的差距正在快速缩短。2020年，其综合毛利率已大幅改善至-8.57%。

与此同时，晶合集成各制程产品的毛利率也在持续改善。

招股书显示，2020年，公司150nm制程产品毛利已实现扭负为正，而110nm及150nm制程产品毛利率，相对优于90nm制程产品的毛利率。其主要原因为90nm制程产品工艺流程较为复杂，固定成本分摊比例较高。

晶合集成似乎对未来盈利很有信心，在招股书中称“主营业务毛利率虽然连年为负，但呈现快速改善趋势... 未来规模效应的增强有望使得公司盈利能力进一步改善。”

其实早在去年底，晶合集成就定下四大战略目标：即 在“十四五”开局之年，实现月产能达到10万片、科创板上市、三厂启动以及企业盈利。 不难看出其对实现盈利的重视。

但是，参考近三年利润总额和净利润，并未看出晶合集成的亏损有明显好转趋势。更有行业人士称，“由于每年设备折旧费用可能吃掉大部分利润，收回成本可能要历时数年。”

技术研发依赖“友商”

毋庸置疑，晶圆代工行业属于技术和资本密集型行业，除需大量资本运作外，对研发能力要求也极高。可以说，研发能力的强弱直接决定了企业的核心竞争力。

一般来说，半导体企业的研发能力，主要通过研发费用投入占总收入比例、研发人员占总人员比例、科研成果转化率等评判。

首先，在研发费用投入方面。近年来，尽管一直“入不敷出”，但晶合集成的研发投入总额依然保持着较快上涨。

报告期内， 公司研发费用分别为1.31亿元、1.70亿元及2.45亿元。 然而，鉴于营业额的更快速增长，其 研发投入占比则出现持续下滑，分别为60.28%、31.87%及16.18% 。

不过，目前晶合集成的研发费用率仍高于同行业的平均水平。这主要是因其处于快速发展阶段，收入规模较可比公司相对较低，但研发投入维持在较高强度。

其次，在研发人员投入方面。 报告期各期末， 晶合集成研发人员数量持续增长，分别为119人、207人和280人， 占员工总数比例分别为9.47%、15.16%和16.81%。

相比之下，截至2020年12月31日，中芯国际、华虹半导体、华润微研发人员分别为2335人、未知、697人，占总人员比例分别为13.5%、未知、7.7%。

由此可见，晶合集成的研发人员占比超过已知的中芯国际和华润微，但在研发人员总数量上仍逊色不少。

另招股书显示，晶合集成现有5名核心技术人员，分别为蔡辉嘉（总经理）、詹奕鹏（副总经理）、 邱显寰（副总经理）、张伟墐（N1 厂厂长）、李庆民（协理兼技术开发二处处长）。

然而，根据背景信息介绍， 5名核心技术人员全部为台湾籍人士，而且除了詹奕鹏外，其余4人均曾任职于力晶 科技 。 这说明晶合集成的核心技术研发极为依赖力晶 科技 。

另外，在科研成果转化方面。截至2020年12月31日， 晶合集成及其子公司拥有境内专利共计54项，境外专利共计44项， 形成主营业务收入的发明专利共71项 。

在行业可比公司方面，中芯国际仅2020年内便新增申请发明专利、实用新型专利、布图设计权总计991项，新增获得数1284项；累计申请数17973项，获得数12141项；

华虹半导体2020年申请专利576项，累计获得中美发明授权专利超过3600项；

华润微2020年已获授权并维持有效的专利共计1711项，其中境内专利1492项、境外专利219项。

可以看出， 中芯国际、华虹半导体、华润微拥有的专利均超过了1000项，大幅领先于不足百项的晶合集成。

当然，对成立较短的半导体企业来说，这是必然会遭遇的问题之一。但要加强技术专利的积累及实现追赶，晶合集成还有很长的路要走。

募资百亿转型多元化

近年来，随着全球信息化和数字化持续发展，新能源 汽车 、人工智能、消费及工业电子、移动通信、物联网、云计算等新兴领域的快速成长，带动了全球集成电路和晶圆代工行业市场规模不断增长。

为抓住产业发展契机及进一步争取行业有力地位，晶合集成自2020开始便积极谋划在科创板上市，预计在2021年下半年完成。而这一时程较原计划提早了一年。

具体而言，本次科创板IPO， 晶合集成拟公开发行不超过约5.02亿股，占公司发行后总股本的比例不超过25%，同时计划募集资金120亿元。据此，公司估值为480亿元。

截至6月11日，科创板受理企业总数已达575家，其中仅9家公司拟募资超过100亿元。也就是说，晶合集成的募资规模已进入科创板受理企业前十。

在用途方面，公司的募集资金将全部投入12英寸晶圆制造二厂项目。该 项目总投资约为165亿元，其中建设投资为155亿元，流动资金为10亿元。

如果募集资金不足以满足全部投资，晶合集成计划通过银行融资等方式获取补足资金缺口。

根据规划，二厂项目将建设一条产能为4万片/月的12英寸晶圆代工生产线。其中，产品包括电源管理芯片（PMIC）、显示驱动整合芯片（DDIC）、CMOS图像传感芯片（CIS）等，主要面向物联网、 汽车 电子、5G等创新应用领域。

在图像传感器技术方面，晶合集成目前已完成第一阶段90nm图像传感器技术的开发，未来将进一步将图像传感器技术推进至55nm，并于二厂导入量产；

在电源管理芯片技术方面，晶合集成计划在现有90nm技术平台基础上进一步开发BCD工艺平台，辅以IP验证、模型验证、模拟仿真等构建90nm电源管理芯片平台，并于二厂导入量产；

在显示面板驱动芯片方面，晶合集成已在现有的90nm触控与显示驱动芯片平台基础上进一步提升工艺制程能力，将技术节点推进至55nm。

招股书显示，12英寸晶圆制造二厂的项目进度为：2021年3月，洁净室开始装设；8月，土建及机电安装完成及工艺设备开始搬入；12月，达到3万片/月的产能。

此外，2022年3月，即项目启动建设一周年，达到3万片/月的满载产能。同年， 晶合集成还将装设一条40nmOLED显示驱动芯片微生产线。

未来，随着项目逐步推进建设及产能落地，晶合集成将继续坚持当前的战略规划：

依托合肥平板显示、 汽车 电子、家用电器等产业优势，结合不同产业发展趋势及产品需求，形成显示驱动、图像传感、微控制器、电源管理（“显 像 微 电”）四大特色工艺的产品线。

结语

依托台湾技术团队及合肥的国有资本等，晶合集成成立仅五年就成为了全球重要的显示面板驱动芯片代工厂商，并且剑指显示器驱动芯片代工市占率第一桂冠。

这样的成就对国内半导体企业来说，实属难能可贵。但长年押宝在“一根稻草”上，晶合集成的经营发展无疑潜在较多重大风险。同时，行业的激烈竞争及国际形势变化等外部压力也越来越大。

晶合集成董事长蔡国智，2020年上任，曾在宏碁股份、力晶 科技 和力积电等公司任职。

对此，晶合集成近年来正致力于推动企业转型，并制定了详细的三年发展计划。2020年7月，晶合集成董事长蔡国智接受问芯Voice采访时，曾透露了公司的具体战略规划：

2021年：目标是营收要倍增至30亿，公司必须开始获利赚钱，同时要完成N2建厂、产品多元化以及科创板IPO上市；

2022年：目标是N2厂正式进入量产阶段，公司营收突破50亿元大关，并维持稳定获利；

2023年：目标是单月产能要达到7.5万片，公司营收达70亿，并且开始规划N3和N4厂房的建设。

但在清晰的目标背后，晶合集成不可避免的面临一系列挑战。

比如现阶段半导体代工行业“马太效应”愈发明显，晶合集成要如何扭转劣势或突围？在现有企业规模及相关储备下，其多元化战略是否还能顺利推进并攻下市场？

此外，由于客户主要在境外，公司要如何真正提高关键国产芯片的自给率？

基于此，即便科创板上市成功，晶合集成还需要克服诸多问题及困难，其中包括改善盈利、升级工艺、募集资本、招揽人才、推进多元化及应对行业竞争等等。

至于本次募资的12英寸晶圆代工项目是否能达到预期业绩，以及相关战略未来是否能卓有成效落地，从而改善当前的系列问题，促使晶合集成进一步壮大乃至真正崛起，且拭目以待！

就像人的心脏一样，处理器是智能手机身上最核心部件，重要性可想而知。以前只有那些芯片大厂或国际顶级手机品牌拥有自研芯片的实力，但如今国产品牌也已经逐渐拥有了这方面的魄力跟实力。近日，国产手机品牌OPPO就被曝光了两项专利号分别为CN112242375A和CN112242368A的“芯片和电子设备”专利。

根据其中一条专利显示，“本申请公开了一种芯片和电子设备，其中芯片包括金属层，所述金属层包括第一金属层，所述第一金属层包括信号网络布线和第一电源网络布线，所述信号网络布线与所述第一电源网络布线不相交。本申请可以优化封装布线。”通过这次OPPO爆出的专利来看，能让人感受到OPPO在自研芯片这条道路上已经走得非常稳健，距离最终的量产或许只是时间问题。

事实上手机厂商自研半导体早就已经不新鲜，这对于厂商构筑专利“护城河”，提升品牌竞争力是一个非常重要的环节。继苹果、三星等国际大厂之后，OPPO也早就已经门生开启了自研芯片之路，并进行了相当大力度的投入。说起来OPPO自研芯片开始于2017年，2019年末就传出申请OPPO M1的商标，官方表示OPPO M1是UI个协调处理器，自研芯片稳步进行中。

前段时间OPPO又被爆出投资瀚巍微电子，这是一家UWB芯片设计公司，能让人明显感受到OPPO在自研芯片领域的激进。另外UWB芯片和OPPO的IoT领域也有关联，很多人认为OPPO在IoT芯片研发上也在大力跟进当中。

而在去年，OPPO就曾爆出了设计三大领域的计划布局，其中就有自研芯片领域的马利纳计划。既然用世界上最深的海沟“马利纳”命名，看来OPPO也是深知这次的自研芯片之路的难度有多大。尽管如此，通过前前后后这一系列动作和爆出的成果，能够明显感受得到OPPO在这方面的重视。

众所周知，一直以来OPPO对于产品和技术的创新都非常积极，取得的成果也非常丰硕。数据显示截至2020年12月31日，OPPO在全球专利申请量已经突破57000件，全球授权数量突破24000件。其中发明专利申请数量在51000件以上，在所有专利申请中占比高达89%。在世界知识产权组织发布的2019年国际专利条约申请数量排行榜中，OPPO已经跻身全球TOP5行列。

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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