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。
受多重因素叠加影响，连日来，全球范围内多家半导体巨头股价集体跳水，此情此景让人不禁要问，市场转冷趋势显现，半导体产业的“寒冬”是否已经来临，未来还将何去何从，国内企业又该如何应对？多家企业股价下跌，半导体市场转冷半导体巨头英伟达自10月2日创下每股292.76美元的历史高点以来，已经下跌了近一半。截至11月19日收盘，该股交易价格为144.7美元。在过去的2016至2017年，英伟达堪称科技股中的“妖股”，2016年股价累计上涨224%，2017年上涨81%，而今年三季度营收不及预期，盘后跌逾16%。美国股市其他芯片公司也呈现下跌态势，AMD跌3.6%，美光科技跌1.7%，英特尔跌1.0%，苹果跌0.5%。除美国外，其他国家和地区芯片公司股票也呈现下跌态势，如台积电与联发科遭证券分析机构调低评价等级及目标价，反映了法人对半导体产业最担心的两大不利因素，包括整体经济变动影响半导体产业环境，以及由于太过依赖智能手机，导致如今手机市场增长趋缓对半导体产生的反作用力。资深行业观察家莫大康对中国电子报记者坦言，产业转冷趋势的确已十分明显，特别是今年第四季度。这一现象符合规律，无论是存储器制造行业还是整个半导体产业，都是靠“量大”来驱动的，因此一些细微的复杂因素被放大，国内企业应做好充分准备加以应对。Gartner半导体和电子研究副总裁盛陵海告诉《中国电子报》记者，产业趋冷现象真实存在，它是由半导体行业的特性决定的，与投资和供给的平衡有关。多重原因叠加，促使市场转冷2017年半导体市场因存储器的带动作用走向历史新高，2018年至今，从材料、设备、设计等多个领域内相关企业的现状来看，产业转冷现象渐显。“此次市场转冷，总结来说可分为三点原因。”莫大康说。莫大康认为，第一点原因，半导体产业深受存储器价格影响，2017年的辉煌靠的是存储器价格拉动，2018年的下滑同样是拜其所赐，可谓涨也存储器，落也存储器。目前我们看到的“下滑”和“转冷”，也符合半导体产业和存储器行业的周期性发展规律，因此，这一趋势似乎是客观存在，不可避免。除了存储器价格下滑，智能终端产品市场缩水也对半导体产业转冷造成一些影响。“过去几年智能手机等移动终端设备的大幅增长，使得存储器需求旺盛一时，然而现在智能手机等终端设备市场已经接近饱和，市场逐渐缩水，半导体产业也受到一些影响。”莫大康说。物联网、汽车电子、AI、AR/VR等市场对产业的带动呼声很高，但是莫大康认为，目前新兴市场都只是在培育和成长的过程之中，市场空间还尚未开发。“AI、AR/VR、汽车电子、物联网等市场对半导体产业的带动作用毋庸置疑，但是目前来看，这些市场刚刚起步。尤其在传输方面，5G还尚未成熟，这些市场的带动作用还没得以发挥。”莫大康说。他认为，不仅如此，全球半导体产业的发展同样深受国际大环境的影响。国际和区域经贸关系不但影响到关税和相关产业链，更主要的是对心理方面的影响。提振信心应对转冷期产业转冷是否会带动起紧张氛围？盛陵海表示，半导体周期往复是产业正常现象，半导体本身发展会有很多不确定的因素，国际环境、技术升级等各方面因素都会影响半导体产业的走势。“但是有一点能够肯定的是，在产业周期性变化的过程中，企业应该努力延长高峰期，缩短低谷期。低谷期并不可怕，可怕的是企业没有创新，越是具有创新的企业，在低谷期，越有可能找到新的爆发点。”盛陵海说。在危机中寻找契机，在契机中化解危机，在行业转冷时期做足准备，走过寒冬便是春。莫大康告诉记者，面对半导体产业转冷，中国企业首先要做的应该是提升自身信心。我国半导体产业目前距离国际水平还有一定的差距，但是差距并不是无法追赶的，中国企业需要先树立自身信心，才能有所突破。在我国政策的积极扶持下，目前半导体企业在国内遍地开花。莫大康表示，在层出不穷的企业中培养骨干十分重要。
半导体工业是电子工业的一个分支，本质上仍然是制造业。与网路产业不同的是，半导体产业仍然需要制造设备和工厂，有特定的产品要生产，并且需要设计、生产、包装、测试和销售。简单来说，整个产业链分为三大环节：上游公司定义与设计 芯片 、中流晶片制造芯片、下游厂商将芯片应用于个人电脑、手机等领域。
产业链的上游是电子自动化设计(EDA)软件供应商和集成电路设计公司。EDA主要有三家Synopsys、Cadence和Mentor，公司在不同领域的专业知识，但业务也是交叉的，国内厂商有华达九天。设计公司有英特尔、高通、联发科技、博通等，国内设计公司有华为海斯、紫光占瑞和惠定科技等。
图1半导体产业链上游企业
产业链的中间环节是由许多以晶圆制造商为核心的企业组成的。知名的晶片制造商包括英特尔、三星、台积电、格罗芬德和中芯国际，它们需要从设备制造商那里购买设备。此外，亦有需要向其他原料制造商购买制造晶片所需的消耗品。所购设备主要包括光刻机、蚀刻设备和沉积设备；采购的原材料主要包括单晶硅、光刻胶、湿式电子化学品、特种气体等。芯片生产完成后，将交给封装测试制造商对芯片进行测试和封装。包装企业是具有代表性的月光、安全和国内长期动力技术，通福微动力和天水华天。
图二：产业链中游企业
下游企业是联系最广泛的公司，包括移动电话制造商苹果、三星、华为、特斯拉和比亚迪在汽车领域，联想和惠普在个人电脑领域。此外，还有物联网、医疗电子等应用。
图3：下游企业、芯片应用和具有代表性的公司
半导体行业设备的头等大事，芯片节电的速度取决于工艺，工艺取决于设备。
一、摩尔定律接近极限，集成电路技术成熟，产业成熟，成本和服务将决定成熟产业的核心竞争力。
迈克尔·波特指出，在产业成熟的过程中，成本和服务将成为产业的核心竞争力。
英特尔(Intel)联合创始人戈登·摩尔(GordonMoore)在1965年提出，当价格保持不变时，集成电路类的元件数量将每18至24个月翻一番，性能将翻一番。简单地说，在大约两年的时间里，消费者将能够以同样的价格购买性能是现在的两倍的芯片。在过去的40年里，集成电路工业的发展一直遵循摩尔定律，但它不可能永远持续下去。近年来，技术更新周期有所放缓。
图4摩尔定律预测了每个集成电路的晶体管数目。
可以观察到，台积电2011年生产28 nm、2015年生产16 nm、2018年量产7 nm、20 nm和12 nm 10 nm以及其他升级的过度生产工艺。先进的工艺更新周期已经从最初的18个月减缓到2年，现在已经放缓到3年左右，未来5 nm甚至3 nm的更新周期可能会更长。
直到2000年，在光刻市场上有三家供应商，即尼康、佳能和阿斯梅尔。目前，ASMAI家族是唯一留在20 nm的公司，另外两家由于研发和利润压力而放弃最新光刻技术的开发。其余的Asmae占光刻市场的80%。
图5：半导体工艺已慢慢接近物理极限
这些迹象表明，集成电路制造工艺的进步越来越困难，集成电路产业正在从成长性向成熟性转变。在成熟的产业过程中，成本和服务将成为产业的核心竞争力。
以成熟的传统汽车工业为例。2004年，该波导从南汽集团撤出。一年前，该公司获得了超过1亿元人民币的58股股份，以控制南汽集团无锡汽车车身有限公司。前后一年左右的对比如此之大，正是由于产业竞争策略的制定错误。不可否认，在2004年左右，中国的汽车工业仍然是一个积极的行业，而且这个行业已经以惊人的速度发展。我国庞大的人口和潜在的巨大需求一直是支撑着工业发展的巨大推动力，在一个快速增长的工业中。一个企业只需要伴随着工业的进步就行了，不需要太多的努力。这也许是《波导》进入汽车行业的原因，但随着汽车行业竞争的升温，无论是美国汽车巨头通用汽车和福特，还是德国大众和奔驰，以及日本的丰田和本田汽车，他们关注成本优势，同时也关注本土汽车企业，他们在中国市场上的竞争加剧，这减少了中国汽车行业巨大利润的泡沫。对于当时的汽车工业企业来说，汽车工业增长缓慢，客户多年来积累的知识和经验，以及更为成熟的技术，带来的结果是，竞争趋势变得更加注重成本和服务。这一发展改变了市场对企业在该行业取得成功的需求。
这与过去三四十年来集成电路的发展非常相似，芯片的性能主要取决于设计技术和制造技术。在过去的二十年里，芯片随着制造技术的进步而不断进步，而设计技术并没有得到很大的更新。PC芯片仍然是以Intel公司为主导的X86体系结构，而复杂计算机指令集的CISC迁移则是由ARM体系结构主导的。采用精简的计算机指令集(RISC)。制造技术依赖于制造设备的技术进步，现在设备的进步已经接近半导体的物理极限。据专家预测，半导体芯片制造工艺的物理极限为2~3 nm。摩尔定律似乎是十年来唯一可以再做的事情&现状；生存与现状；。
缓慢的增长、更多的知识客户和更先进的技术已经导致了竞争趋势变得更加以成本为导向和服务为导向。随着产品标准化、成本和技术成熟度的日益重视，产业转型往往出现明显的国际竞争。
在国际竞争中，国内企业的劣势在于起步较晚，但从后来的分析中我们可以看出，企业之间的差距正在逐年缩小。现在差距大约是2 - 3年。优点是（1）低。研发成本，制造成本和技术支持成本（2）所有研发人员和技术支持人员均在中国，可以提供更及时，更低成本的现场技术支持。 （3）研发人员更贴近国内市场，了解客户需求，并提供定制服务
1。成本优势：国内企业在研发成本和原材料成本方面具有绝对的竞争优势。
所有国际设备制造商都在中国设有办事处。他们主要负责各种生产线的设备销售和技术支持工作。它们不涉及研发和制造。众所周知，信息和通信技术行业的硕士学位毕业生每年在家领取20万至40万元人民币。在美国等发达国家，这一数字将增至80,000美元至100,000美元，是国内水平的两倍以上。设备巨头asml每年的营收占总收入的10%至15%。近年来，由于进程日益先进，这一数字有所增加。生产中原材料的成本占经营成本的50<垃圾>-60<垃圾>lt垃圾>想到未来在设备更新缓慢，我们在人为研发成本上的绝对成本优势，和原材料价格，当国内半导体设备会发光。
2。服务优势：国内企业可提供更完善、更方便的现场技术支持，增加客户粘性。
外资企业的高服务成本已成为国内企业的共识。在这方面，国内企业可以依靠本地优势，提供更及时、更低的售后服务费用，以改善下游客户对公司的粘度和满意度。今后，公司应在不断拓展市场的基础上，努力构建和完善大客户的服务体系。具体措施包括为特定重点客户量身定制服务方案，在国内集成电路产业集中的地区建立综合工艺和技术支持中心，以及人员和技术的快速反应。为客户提供更完善、更方便、更及时的增值服务等。
在行业竞争需要密集的本地化营销服务或密集的客户交易的市场中，全球公司将难以在综合的全球基础上与本地竞争者竞争。虽然全球公司在分散的单位中为客户提供服务，但在实施过程中，管理任务非常庞大，但本地公司对客户服务请求的响应能力更强。
3.市场优势：研发人员更贴近国内市场，了解客户需求，提供定制化服务。
先进的工艺不能由设备制造商单独完成，而是设备和制造商联合研发的结果。国内设备的研发人员在国内，国际制造商不能这样做。除了提供技术支持外，国际制造商的技术支持人员还需要将遇到的问题发送给公司的研发人员进行改进。优化设备.所以我们往往更贴近国内的客户，更了解国内生产线的客户需求。
二、新型合作竞争关系
值得注意的是，传统的企业竞争模型只提到了企业与五种力量之间的竞争，而没有考虑到企业与五种力量之间的合作。在某些环境中，这些企业既有竞争关系，也有合作关系。如果一种产品或服务能使另一种产品或服务更具吸引力，那么就可以称之为互补产品或服务，两个企业之间的关系已经从竞争转变为合作。如何区分两个企业是否形成了合作与竞争的关系？一般来说，如果顾客同时拥有两家公司的产品比同时拥有一家公司的产品获得更多的价值或更少的成本，那么这两家公司就是互补的。
成功的例子包括：汽车在上个世纪是一种昂贵的产品，而消费者想要购买汽车时却没有足够的现金。目前，银行信贷机构已成为企业公司的补充，后者向消费者提供贷款，并为他们购买汽车提供资金。但是汽车贷款并不容易获得，因此通用汽车公司在1919年创立了通用汽车公司，福特公司在1959年成立了福特银行，以使消费者更容易获得贷款。这样做的好处是显而易见的：方便的贷款是人们可以购买更多的汽车，而对汽车的需求的增长促进了福特和通用汽车的贷款业务。
即使处于互补竞争关系的两家公司技术落后，它们也会获得一定的优势。没有合作伙伴的人如果拥有技术优势，就不一定会成功。例如，索尼于1975年推出了Betamax格式录像机。它曾经是电视录制领域的主导者。在美国多久，日本JVC开发了VHS格式录像机。尽管Betamax在技术的某些方面比VHS更强大，但Betamax格式录像机可以租用的电影数量太少，最终丢失，市场份额占JVC的60％。
国产设备+中鑫国际华润设备与中国合作，为进一步赢得国际市场打下基础
amat通过与台积电、英特尔和其他晶圆工厂的合作取得了技术突破。国内企业可以与中芯国际紧密合作，共同促进国内设备的发展。例如，中芯国际和北方的中国创都是国内公司。要在国际市场上发挥更大的作用，就必须相互支持、相互帮助。北芳华可以为中心提供低成本的设备和更好的服务。反过来，中芯国际稳定的制造过程可以给Beifanghua带来产品验证支持和广告效果（高品质客户的身份也可能带来广告效果，使公司销售设备，这对半导体设备来说应该是昂贵的。因此，晶圆制造商倾向于选择那些在扩大生产线方面已经得到国际制造商验证的设备公司。
目前，一些设备制造商与中芯国际的合作并不局限于设备的验证阶段。为了加快半导体生产线的国产化和替代进程，上下游厂商开始在早期研发过程中进行合作。正是在中芯国际等晶圆厂的大力帮助下，国产设备才能在短期内实现多项技术突破，进入国内先进晶圆厂乃至国际制造商的供应链系统。加快设备国产化和更新换代进程。
三是以历史为镜，把握产业转移的大趋势，规划新的市场。
应用材料（AMAT）
回顾AMAT增长的历史，从1972年纳斯达克上市开始，收入为630万美元，市值仅为300万美元，而52年后，今天的收入为170亿美元，市值超过410亿。 AMAT在此过程中经历了四个主要阶段：启动期，增长期，并购调整期和研发领导期。其中，确定其生存，生存和大发展的时期是前两个时期。
（1）在最初阶段，从1967年到1979年，Amat的主要业务是向半导体制造商提供他们所需的原材料。然而，由于产品种类繁多，Amat一度濒临破产。1977年，新上任的首席执行官Morga进行了一系列激烈的改革，精简了生产线，关闭或出售了一些部门，并集中精力生产半导体设备。这些措施效果明显，企业在危机中幸免于难。
（2）增长时期：1979-1996年，1970年代，全球半导体工业开始向美国以外的市场转移，首先是日本，然后是韩国和台湾。1977年，Morga决定搭乘参加日本半导体设备展览会后返回的飞机进入日本市场。此后，分别于1985年和1989年在韩国和台湾设立了办事处。该公司过去20年的全球布局使其在1996年实现了41.15亿美元的收入。
泛林集团(Lrcx)也有前瞻性的眼光，全球新兴市场的布局。
大卫·K·林，一位工程师，成立于1980年，由英特尔的鲍勃·诺伊斯资助。第一台设备于1982年售出，该公司于1984年在纳斯达克首次公开募股(IPO)。目前，总市值接近300亿美元，2018年的收入为48亿美元。
它没有经历与代工半导体市场相同的竞争。在其创立的第一年，它吸引了80万美元的投资。在第三年，它有稳定的现金流。它诞生于20世纪80年代，正处于将半导体市场从美国转移到海外的阶段。除了LAM当时在半导体设备行业中具有很强的竞争力之外，其成功还归功于20世纪80年代日本半导体行业对设备的巨大需求。当时，除个人电脑外，还使用半导体产品，以及移动电话，立体声系统（功率放大器），汽车和电话。
事情并不总是顺利的。在80年代中后期，林正处于一个艰难的时期，尽管半导体设备的市场需求持续增长，但日本企业从技术引进、消化吸收等方面逐渐增强。日本从70年代末的零开始，到80年代中期已经占到全球设备销售额的50%。后来，美国半导体设备公司进行了业务重组等改革，提高了生产效率，并更加注重大容量设备的开发，更注重研究专利技术的发展。
当时，前瞻性的林氏管理层注意到新兴小市场的销售增长。从1980年代末到1990年代初，它开始了更广泛的全球布局。这一时期的重点是环太平洋和欧洲市场。海外收入占50%以上。日本住友金属工业有限公司。。。（smi）联合开发蚀刻机器，建立了一个完整的子公司：lam技术中心；1980年代中期，在台湾和韩国建立了客户支持中心；直到1990年代初，lam在中国、马来西亚和以色列也看到了增长的机会。并考虑建立研发中心。
值得借鉴的经验有：
1。战略遵循产业转移进行全球布局
巨人的成长离不开两种产业转移。上世纪七、八十年代，日本在工业DRAM产品的高可靠性和美国的技术支持下取得了飞速发展，占DRAM市场的近80%，占半导体市场的近50%。另一次是在上世纪八九十年代，韩国通过引进技术成为个人电脑DRAM的主要供应商，而台湾则在垂直分工领域的晶片合约制造和芯片封闭测试方面处于领先地位。
2.与新兴市场的当地企业和大学建立合作伙伴关系
Amat在日本、韩国、台湾、东南亚和欧洲建立了广泛的公司和机构，抢占市场第一。在大学方面，我们与新加坡科技局投资了多个研发实验室，并与亚利桑那州立大学联合开发了用于柔性显示器的薄膜晶体管技术。在企业方面，2001年，我们共同研究了使用黑钻石方案来突出0.1um晶体管，并推动了0.13um芯片的技术节点。2003年，ARM与台积电共同开发了90nm低功耗芯片设计技术，使总功耗降低了40%。
林书豪与清华大学合作设立了泛森林小组清华大学微电子论文奖，捐赠了实验室设备，并提供了就业机会。
iv。政府、财政支援及税务宽减，三管齐下
落后是要克服的，现在的理解是，在电子信息技术领域，落后受到技术封锁和国家安全的威胁。如果一个国家想被喉咙挡住，它就必须发展关键技术，而不是被其他国家控制。近年来，我国在应用领域取得了巨大的成就。20多年来，以BAT为代表的企业引领了科学技术的发展趋势，但在基础科学领域，我们还没有实现核心芯片技术的自我完善。包括设计和制造领域，而制造领域的成功取决于设备。
政策支持反映了该行业的重要性，国家必须以坚定的决心发展半导体产业
政府对半导体工业的政策支持正在增加。今年3月，在第十三届全国人民代表大会第一次会议上，李总理根据“02专项”、“国家集成电路产业发展促进计划”等重大政策，在讨论实体经济发展问题时，把集成电路产业放在实体经济第一位。在政府工作报告中。3月底，财政部发布了《关于IC厂商企业所得税政策的通知》，给予IC企业税收优惠，表明了政府对半导体产业发展的坚定态度。
图5：政府对半导体行业的支持政策
二期大型基金即将募集，全国产业基金总额突破万亿元。计划一期，大型基金募集资金1000亿元，实际募集资金1387亿元，实际投资超过1000亿元。此外，这只大型基金还投资了3600亿多家地方工业基金。总计5000亿元的半导体产业基金，以较高的资本投入，为半导体产业的发展提供了有力的支持。目前，第二阶段的大型基金正在设立，并将在年底前完成。预计将筹集1，500亿至2，000亿美元(一些外国媒体也透露，筹资额可能达到3，000亿美元)。按1：3的比例计算，二期大型基金还将举债4500亿至6000亿元地方产业基金，国家半导体产业基金总额突破万亿元。作为中国最有希望承担替代中国制造半导体设备任务的企业，微电子、上海微电子、北方华昌等企业必将充分受益于政府对该行业的支持红利。
财政部、国家税务总局、科技部联合在财政部网站上出台新政策，扣除研发费用，研发费用税前扣除比例由50%提高到75%。同时，将原科技企业的扣除范围扩大到所有企业。利润增幅最大的企业主要集中在机械、计算机、电子元器件等行业。事实上，在一些行业，特别是集成电路行业，每年的研发成本、研发开支甚至占营运收入的一半以上，而增加研发开支的税前扣减比例，无疑会释放减税的红利。
5.设备行业继续强劲增长，晶圆厂建设高峰期导致设备需求增加。
设备制造商位于半导体产业链上游，为生产线提供晶圆制造设备。2017年，全球半导体设备市场销售额达到492.4亿美元，年均增长率稳定在10%以上。从2016年到2020年，全球共建成62家晶圆厂。此外，中国正在建设和规划26家12英寸晶圆厂，占世界的42%。因此，近年来，我国工厂建设出现了小高峰，设备需求巨大，国际企业设备产量有限，这是扩大市场份额的好时机。
全球半导体市场销售额
2017年全球半导体设备市场销售额达到492.4亿美元。2016年至2020年，陆续建成62座晶圆工厂。设备销售年均增长率超过100亿。近年来对设备的需求将达到一个小高峰。
图六：全球半导体市场销售及其增长率
从国内实际市场看，从2018年到2020年，国产设备企业每年仍有500亿至70亿美元的潜在市场份额。
从国内市场来看，国内市场销售额从2013年开始持续增长，年增长率保持在20％以上，远远超过国际市场10％以上的增速。 2016年至2020年，中国将有26家晶圆厂，将建成并投入生产，占全球在建晶圆厂数量的42％，成为全球新晶圆厂最活跃的地区。另外，从国内市场的设备销售比例可以看出，这个数字正在缓慢而稳步上升。 2016年，中国半导体设备市场规模为64.6亿美元，2017年销售额为82.3亿美元。据SEMI称，2018年将达到113亿。在过去三年中，每年的增长率接近30％。
购买新晶圆厂设备的费用将占生产线的70%，其余为基础设施费用。从2016年到2018年，8至12个12英寸晶圆厂正在建设中。根据Semi对2018年100亿美元设备市场的预测，晶圆制造工艺占80%，光刻机占制造工艺的30%。剩余的市场是国内潜在的国产设备总市场，100-80%(1-30%)=56亿。据推测，从2018年到2020年，每年仍有50亿至70亿美元的潜在市场份额。
图七：半导体设备在国内市场的销售和增长情况
近几年国内装备技术进步与市场对装备的强劲需求
国内设备凭借深厚的技术积累填补了国内半导体设备领域的一些技术空白，产品已能够满足12英寸、90~28 nm工艺生产线的生产要求，部分设备批量进入中芯国际等国内主流集成电路生产线进行批量生产。展望未来2-3年，设备需求将迎来2019年90/65/55/40 nm工艺生产线设备采购高峰。而国内仓储企业将在2020年前后扩大生产设备采购高峰。
图8：国内建造/正在建造的晶圆生产线
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）