博世再建晶圆工厂,汽车行业为何需要专属芯片供应?

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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。

半导体设备,即在芯片制造和封测流程中应用到的设备,广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中,会经过上千道加工工序,涉及到的设备种类大体有九大类,细分又可以划出百种不同的机台,占比较大市场份额的主要有:光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机等。

半导体行业周期性带来新动能

从全球半导体发展情况来看,受宏观经济变化及技术革新影响,半导体行业存在周期性。2017-2019年,全球半导体行业来到了下滑周期。2019年,全球固态存储及智能手机、PC需求增长放缓,全球贸易摩擦升温,导致全球半导体需求市场下滑,全年销售额为4121亿美元,同比下降12.1%。进入2020年,有5G商用化、数据中心、物联网、智慧城市、汽车电子等一系列新技术及市场需求做驱动,将给予半导体行业新的动能。

全球半导体设备市场规模约600亿美元

根据国际半导体产业协会SEMI统计数据显示,近年来全球半导体设备销售额呈波动态势,2019年为597.5亿美元,比2018年的645.3亿美元的历史高点下降了7.4%。2020年一季度,全球半导体设备销售额为155.7亿美元,比2019年第四季度减少13%,但与2019年一季度相比,增长了13%。半导体设备总市值虽仅几百亿美元,但其是半导体制造的基石,支撑着全球上万亿的电子软硬件大生态,设备对整个半导体行业有着放大和支撑作用,确立了整个半导体产业可达到的硬性尺寸标准边际值。

前道设备占据主要市场份额

从半导体的制造流程来看,前道流程较多,涉及的设备种类也较多。在一个新晶圆投资建设中,设备投资一般占70-80%。而按工艺流程分类,在新晶圆的设备投资中,晶圆加工的前道设备占据主要的市场份额,约80%封测设备占据约18%的比重。

市场主要集中在中国台湾及大陆地区

近些年,在全球半导体设备消费市场中,中国大陆,中国台湾,韩国这三大市场一直排在前三位。其中,中国大陆最具发展潜力,从前些年的第三,到最近一年的第二,一直处于上升态势。

具体来看,2019年,中国台湾是半导体设备的最大市场,销售额增长了68%,达到171.2亿美元,占全球市场的比重为28.65%。中国大陆则以134.5亿美元的销售额保持其第二大设备市场的地位,占比为22.51%。排名第三的是韩国,销售额为99.7亿美元,同比下降44%,占比为16.69%。

2020年一季度,排名前三的仍是中国台湾、中国大陆以及韩国,销售额占比分别为25.82%、22.48%、21.58%。

日美荷品牌占领前位

目前全球半导体设备市场集中度较高,以美国、荷兰、日本为代表的TOP10企业垄断了全球半导体设备市场90%以上的份额。美国著名设备公司应用材料、泛林半导体、泰瑞达、科天半导体合计占据整个设备市场40%以上份额,而且均处于薄膜、刻蚀、前后道检测三大细分领域的绝对龙头地位。技术领先和近半的市场占有率,任何半导体制造企业都很难完全脱离美国半导体设备供应体系。

未来规模预计超千亿

从整体来看,尽管受疫情的影响,半导体行业及半导体设备行业依然逆势增长。存储器支出回升、先进制程投资及中国大陆积极推动半导体投资的背景下,预计2020年全球半导体设备市场将持续保持增长,市场规模预计达到632亿美元,同比增长6%2021年预计达到700亿美元2025年将超千亿美元。

以上数据来源于前瞻产业研究院《中国半导体产业战略规划和企业战略咨询报告》。


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