中美博弈长期性和复杂性深刻改变了中国半导体行业未来的走向。政府对供应链安全的考虑以及通过国产替代来实现中国制造的技术迭代升级，并进一步推动经济转型，自上而下地引导国内资本对半导体行业的竞争格局进行重塑。
在这个时代背景下，如何选择这个细分领域的优质企业标的？我首先整理了国内外一些主要功率半导体企业的资料，然后通过横向对比观察得到一些定性上的判断。
1.1.1 控股股东背景
公司大股东华润集团是多元化央企资管平台，公司前身追溯到1983年，原四机部、七机部、外经贸部和华润集团联合在香港设立的香港华科电子公司，并建立国内首条4英寸晶圆线，而后经过多年的发展及一系列整合，当前已成为中国本土具有重要影响力的综合性IDM半导体企业。
从公司的发展历程看，华润微今天的功率半导体的领先地位是大股东持续投资的资本运作的结果。未来华润微仍将在大股东的支持下实现快速外延扩张。
1.1.2 华润微的产品和技术：
1）公司一共拥有5条晶圆片生产线。 在无锡，拥有3条6英寸生产线，年产能约为247万片；一条8英寸生产线，年产能73万片。在重庆，拥有一条8英寸生产线，年产能约为60万片，重庆的8英寸主要服务于公司的自有产品。两条8寸线都是2011年建成，现已折旧完成。
2）公司功率半导体可分为功率器件与功率IC ，其中，功率器件产品主要有MOSFET、IGBT、SBD及FRD；功率IC产品主要为各系列电源管理芯片。其中MOSFET2018年营收规模为16亿，落后于英飞凌的52亿，安森美的31亿，市占率9%。
3）华润微IGBT产品主要应用为感应加热、UPS、逆变器、变频器、电机驱动、工业电源等。 参考英飞凌的标准，公司目前量产的IGBT产品技术类似于英飞凌IGBT第四代产品。公司第五代IGBT产品在研发中，预期2020年下半年会有成果，并在此基础上陆续开发不同应用频率的产品。另外公司的IGBT产品规划路线是：在发展单管系列化产品的同时发展模块产品。
4）第三代半导体材料
公司已储备硅基GaN功率器件设计、加工和封装测试技术、SiC功率器件设计、加工和封装测试技术。目前公司在碳化硅二极管正处于产业化的前夕，目前已经建立一条中试生产线，并完成第一阶段建设目标，1200V、650V碳化硅二极管在考核中，预计在2020有望实现销售收入，目标应用领域为太阳能逆变器、通讯电源、服务器、储能设备等，碳化硅MOSFET在积极研发中。另外，公司氮化镓目前处于研发阶段，600V硅基氮化镓HEMT器件动态、静态参数基本达标。
注1：MOSFET和IGBT是目前最常用的两种功率半导体器件。
为了改善MOSFET的电压耐受性，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在MOSFET的基础上增加一层P+层，与n基极层形成了一个pn二极管。在关断情况下，形成的pn结承受了绝大股份电压，而结构中的MOSFET不需要承受高压，因此提高了元件的耐压性能。因此IGBT一般用在高压功率产品上，电压范围一般600V-6500V；MOSFET应用电压相对较低，从十几伏到1000V。但是IGBT的延迟时间要大于MOSFET，因此IGBT应用在切换频率低于25kHz的场景，而MOSFET可以应用于切换频率大于100kHz的场景。
注2：氮化镓GaN适用高频、高功率且电压小于600V的场景。
由于在高效率及小型化领域的优异性能，氮化镓在射频、充电等多方面的优势明显。GaN市场具有较高增速，在射频、电力电子领域有广泛的潜在需求。从现在5G基站的加速建设角度来看，GaN由于性能的优越，以及5G基站对于频射爆发式增长的需求，GaN有望实现快速渗透，且随着规模化效应，成本有望进一步下降，再次助力全下游领域的渗透率提高。
注3：碳化硅，SiC在电压600V及以上的高功率领域具有优势。目前已被用于新能源 汽车 风力等行业。根据Yole，2018年SiC电力电子器件市场规模约4亿美元，2023年成长至14亿美元。SiC目前在新能源 汽车 主要用于充电桩，预计未来在 汽车 器件上将有更广阔的潜在用途。
1.1.3 对标国际头部企业的市占率和技术差距
士兰微前身是由陈向东等七位自然人1997年发起创立 杭州士兰电子有限公司 ，2003年上市，目前已经逐渐发展成为IDM模式综合型半导体产品公司。公司的经营策略是聚焦于特色工艺，进入多媒体产业，并利用自有技术积累进入白电、 汽车 等高门槛行业。
士兰微布局主要是四个领域：
1）LED照明驱动领域： 利用在控制芯片和功率器件的技术和成本上的优势，加快智能照明系统的芯片和应用方案开发。
2）MEMS领域： 目前已经推出三轴加速度计、三轴地磁传感器、六轴惯性单元，未来将陆续推出空气压力传感器、红外接近传感器等MEMS传感器产品，主要应用场景是移动智能终端、智能穿戴和 汽车 。
注2：MEMS即微机电控制系统（Micro-Electro-MechanicalSystems）是集微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。与普通传感器相比，MEMS具有普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势，同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度等优势。
注3：压力MEMS在 汽车 的应用场景是后装进气歧管压力传感器、 汽车 后装机油压力传感器模块和 汽车 燃油泵传感器模块等 汽车 及工业类压力传感器。
注4：惯性传感器在 汽车 领域的应用场景是帮助GPS系统导航对死角进行测量。在 汽车 领域，惯性传感器的快速反应可以提升 汽车 安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统的安全性能。
3）IGBT领域： 完善高压高功率产品线：在高压BCD工艺、高压半导体功率器件和模块的技术研发上加大投入，拓展和丰富以IGBT为代表的功率器件产品和智能功率模块产品，拓展在新能源、高效电机驱动、工业控制等领域的应用。
4）8英寸芯片项目： 在国家集成电路产业基金和地方政府支持下，8英寸集成电路芯片生产线建成和投产。士兰微拓展产能，在特殊工艺领域坚持走IDM模式。
闻泰 科技 2019年收购从恩智浦标准事业部独立出来的安世集团（Nexperia）。
安世集团是一家专注于分立器件、逻辑器件和MOSFET制造和销售的厂商，拥有超过50年的行业积累以及11000专业员工。安世制造模式是IDM，目前在全球拥有2条制造产线（英国曼彻斯特和德国汉堡）和3条封测产线（东莞、菲律宾和马来西亚），晶圆产能约6万片（折合成8寸），封测1000亿件。公司39%营收来源于双极性晶体管和二极管，全球排名第1；MOSFET占总营收达到25%，在 汽车 级小信号领域分别排第2和第3；剩余为逻辑器件和ESD保护器件。
安世在中国的市场份额很小，主要是技术低端。2018年，安世半导体分立器件出货量总计900亿颗。根据营收规模倒推价格显示，安世半导体产品的平均出货单价仅为0.12元，甚至低于国内同行华润微的0.15元。
1.4.1 英飞凌(Infineon)：
英飞凌最初是西门子集团的半导体部门，于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立，2000年上市，2002年后更名为英飞凌 科技 公司。
英飞凌是全球排名前十的半导体解决方案龙头，主要业务有 汽车 、工业电源控制、电源和传感器系统以及数字安全解决方案，主要产品有功率半导体、传感器、射频等。公司的IGBT产品在不同电压电流级别提供了全面的产品组合，包括裸芯片、分立器件和模块等，其中IGBT模块全球市场份额第一。
财务特征：1）营收增长放缓；2）毛利率持续提升（2019接近35%），净利率从2018年持续下滑（不到5%），研发费用/营收（15%）。
2019年6月，收购塞普拉斯(Cypress)，金额87亿美元
2020财年第三季度，我们对房地产、厂房和设备、无形资产和资本化开发成本的投资为2.66亿欧元。相比之下，上一季度为2.47亿欧元，当然上一季度没有赛普拉斯。折旧和摊销（包括非分部结果影响）共计3.81亿欧元，其中还包括之前提到的与赛普拉斯PPA中公允价值摊销相关的5200万欧元，以及赛普拉斯公司7800万欧元残留资产的持续折旧。
1.4.2 安森美
1999年从摩托罗拉的半导体部门分拆。
在过去的20年当中，该公司大力拓展产品阵容，从传统的标准半导体、分立器件，拓展到模拟半导体和信号产品、传感器，以及完整的系统单芯片(SoC)等。安森美半导体主要聚焦 汽车 、工业以及云电源应用，比如数据中心的服务器，通信基础设施以及物联网。在IGBT领域有着不可比拟的优势，提供同类最佳的IGBT技术和最宽广的IGBT产品阵容。
目前安森美半导体总收入约55亿美元。在功率半导体领域，安森美半导体仅次于英飞凌排名全球第二。
通过并购（从成立至今累计17次），安森美快速成长。尤其在收购Fairchild半导体后，是全球第二大功率分立器件半导体供应商。
2020年，公司将裁员475名员工。该裁员计划预计在上半年内完成，但安森美并未公开被裁员工的补贴方案。
观察上述面对英飞凌和安森美的资料整理，以及对欧美市场半导体产业的发展史，我们可以发现：
1. 并购对于半导体企业的成长来说是一个常态。 半导体行业并购动机和传统行业有重大差异。传统行业之间的并购往往发生在存量，并购可以缓解红海市场的价格战压力。而半导体行业的并购是在一个增量市场中进行，并购动机往往是未雨绸缪，提前布局，抢占未来竞争的行业主导权。比如 Intel 2016年收购初创公司Nervana，随后又收购Mobidius，之后英特尔在收购AI芯片公司的路上一发不可收，2017年收购Mobileye，2019年又收购了以色列的新星HabanaLabs。英伟达和Intel对Mellanox的争夺，和最近英伟达收购Arm。这些收购都是着眼于人工智能和边缘计算这些蓝海市场的主导权。
基于以上理解，我们可以发现，伴随着未来本土企业的技术向上迭代进程和国产替代进程，势必伴随着大量的企业并购，因此大股东是否有强大的资本运作实力将会成为这家本土企业能否具备行业领袖潜质的核心基因拼图。
2. 国际头部企业在研发费用上的持续提升和高比例投入是一个重要的财务特征，而国内企业费用开支用途上主要是产能扩张。
中国企业作为技术追赶者，技术研发能力是企业具有长期竞争优势，但是我们企业主要的发力点不在技术研发，而在于产能扩张。这意味着：
1）我们的功率半导体行业还是处于一个低水平的原始积累阶段；
2）这个领域研发技术升级迭代速度滞后，同时产能快速扩张，这意味着这个领域过度竞争风险不可忽略。
通常，我们分析一家公司的核心竞争力和长期竞争优势，会结合三张财务报表评估公司价值、评估管理层能力。但是在对功率半导体领域，这个分析模式并不适用。因为从竞争力来看，不论是士兰微还是华润微，乃至国内绝大多数功率半导体企业还处于技术追赶的阶段。市场尾部和重资产特征注定了他们的财务表现不会特别吸引人，那么，投资这些企业的底层逻辑是什么？那就是国产替代背景下的快速成长。国产替代是当前国内大循环对供应链安全需求的需要。
正是基于这个底层逻辑，要构建半导体公司分析框架重点在于：
1）行业景气周期特征；
2）企业是否具有快速成长禀赋 ，主要包括：技术积累（内生成长）、资本整合能力（外延成长）、产能规模（考虑到业绩释放和资本投入和折旧压力）和管理层能力。
资本整合能力主要看大股东背景，而管理层能力则可以通过对管理层履历，和企业的长期绩效来观察。技术积累则要看企业的产线规划和主要客户。
在我看来，最重要的是判定这个行业景气周期。在行业景气上升期间，国内本土企业在政府各种政策倾斜扶持下，是有希望迎来快速成长的阶段，因此，周期判定是投资这种高成长行业最重要的问题，也是在国产替代背景下，投资我国技术落后的高成长 科技 企业是否具有安全边际的基础。
参考以上图1-图3，可以看出以下重要特征观察：
观察1：国内半导体企业的成长景气和全球行业景气基本同步
观察2：在2015-2017年士兰微的成长速度显著弱于世界半导体行业因云计算和 汽车 电子推动的景气周期。
值得讨论的是，是什么原因导致观察2？
我自己的理解是在2015-2018年期间，士兰微的技术升级迭代遇到天花板，使得企业没有像前两次一样跟上全球半导体产业景气，一方面，士兰微因为产品处于低端，毛利率的资产收益率持续走起(参见图4)，另一方面，士兰微也在积极地加大技术升级的研发支出和产能扩充。
图4：云计算，大数据推动了半导体的技术升级
研发费用率的观察
资本价格和市场表现相关性的观察
通过对微观层面（士兰微）和宏观层面（申万半导体和费城半导体指数的 历史 估值）的对比，我们有以下两个重要发现：
1）复合增长特征来看（参见下表1），以士兰微为代表的国内半导体IDM企业是一种处于行业中低端的技术追赶者，产品议价能力较差。 结合士兰微的 历史 增长数据来看，因作为技术追随者的价值创造能力将会因为议价能力和折旧压力受到长期限制。
2）在当前国内政策倾斜，国内大循环对供应链安全高度重视背景下，国产功率半导体企业虽然作为追赶者，成长空间巨大，而这个领域的长期投资价值主要是取决于技术升级迭代预期的逐步兑现。 在这个背景下，技术升级迭代的长期性提升往往会滞后于市场的乐观预期。
来源作者 科投苑
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。
综合性
英特尔(Intel)公布2019财年第一季度财报。报告显示，英特尔第一季度营收为161亿美元，与去年同期的161亿美元相比持平；净利润为40亿美元，与去年同期的45亿美元相比下降11%。这是鲍勃-斯旺今年1月被任命为首席执行官以来的第一份业绩报告。
美光 科技 (Micron Technology)发布2019财年第二财季财报。在截至2月28日的这一财季，美光 科技 营收为58.35亿美元，去年同期为73.51亿美元；净利润为16.19亿美元，与去年同期的33.09亿美元相比下降51%。
记忆体芯片生产商韩国SK海力士(SK Hynix)公布2019年第一季度业绩。当季营收6.77万亿韩元(约56.8亿美元)，比上年同期减少了22%。季度营业利润1.37万亿韩元，比上年同期减少了69%。净利润1.10万亿韩元，比上年同期减少了65%。
德州仪器(Texas Instruments)第一财季收入下降5%，为连续第二个季度下降，同时半导体市场总体放缓。第一财季利润降至12.2亿美元，上年同期为13.7亿美元。收入从上年同期的37.9亿美元降至35.9亿美元。
英飞凌(Infineon Technologies)公布2019财年第二季度(截至3月31日)业绩。当季营收19.83亿欧元(约22.1亿美元)，上年同期为18.36亿欧元。当季净利润2.31亿欧元，上年同期为4.57亿欧元。
恩智浦半导体(NXP Semiconductors)发布截至2019年第一季度财务报道，营业收入为20.94亿美元，上年同期为22.69亿美元。当季营业利润5400万美元，上年同期为2.24亿美元。
意法半导体(STMicroelectronics)公布截至2019年3月30日的第一季度财报。第一季度实现净营收20.8亿美元，净利润1.78亿美元。
瑞萨电子(Renesas Electronics)公布2019财年第一季度业绩。当季营收1503亿日元(约13.8亿美元)，上年同期为1856亿日元。当季营业利润72亿日元，上年同期为301亿日元。
安森美半导体(ON Semiconductor)公布2019财年第一季度业绩。当季营收13.87亿美元，上年同期为13.78亿美元。当季净利润1.14亿美元，上年同期为1.40亿美元。
微芯 科技 (Microchip Technology Inc)公布2018财年第四季度和全年业绩(截至3月31日)。第四财季净销售额13.30亿美元，净利润1.75亿美元。财年营收53.59亿美元，净利润3.56亿美元。
IC设计
博通(Broadcom)公布2019财年第一季度(截至2019年2月3日)业绩。当季净营收57.89亿美元，上年同期为53.27亿美元。当季净利润4.71亿美元，上年同期为62.30亿美元。
高通(Qualcomm)发布2019财年第二财季财报。在截至3月31日的这一财季，高通净利润为7亿美元，比去年同期的3亿美元增长101%；营收为50亿美元，比去年同期的52亿美元下降5%。高通第二财季来自设备和服务的营收为37.53亿美元，来自授权的营收为12.29亿美元。
英伟达(NVIDIA)公布第一季度财报。第一季度营收为22.20亿美元，与上年同期的32.07亿美元相比下降31%；净利润为3.94亿美元，与上年同期的12.44亿美元相比下降68%。
手机芯片大厂联发科(MediaTek)公告2019年第一季财报，营收527.22亿元新台币(约16.7亿美元)，年增6.2%。税后纯益为34.16亿元新台币，年增34.8%。
亚德诺半导体(Analog Devices)公布2019财年第二季度(截至5月4日)业绩。当季营收15.27亿美元，上年同期为15.64亿美元。当季净利润3.68亿美元，上年同期为4亿美元。
美国芯片巨头AMD公布今年第一季度营业收入12.7亿美元，比上年同期的16.5亿美元下降23%，主要源于计算和图形业务收入下降。净利润为1600万美元，比上年同期的8100万美元下降80%。
赛灵思(Xilinx Inc)公布2018财年第四季度和全年业绩(截至3月30日)。第四财季净营收8.28亿美元，上年同期为6.38亿美元。当季净利润2.45亿美元，上年同期为1.45亿美元。财年营收30.59亿美元，上财年为24.67亿美元。财年净利润8.90亿美元，上财年为4.64亿美元。
美满电子 科技 (Marvell Technology Group)公布2019财年第一财季(截至5月4日)业绩。当季净营收6.62亿美元，上年同期为6.05亿美元。当季净亏损4845万美元，上年同期净利润12.86亿美元。
代工
台积电(TSMC)公布2019年第一季财务报告，合并营收约新台币2187亿元(71亿美元)，与2018年同期相较减少11.8%。税后纯益约新台币613.9亿元，与上年同期相比减少了31.6%。
联华电子(UMC)公布2019年第一季财务报告，合并营业收入为新台币325.8亿元(约10.3亿美元)，与去年同期的新台币375.0亿元相比减少13.1%。归属母公司净利为新台币12.0亿元。第一季，联华电子晶圆专工营收达到新台币325.6亿元，出货量为161万片约当八吋晶圆。
半导体代工制造商中芯国际公布截至2019年3月31日止三个月的综合经营业绩。第一季的销售额为6.689亿美元，2018年第一季为8.31亿美元。第一季度净利润1230万美元。
设备
应用材料公司(Applied Materials, Inc.)公布第二财季(截至2019年4月28日)业绩。当季净销售额35.39亿美元，上年同期为45.79亿美元。当季净利润6.66亿美元，上年同期为11.00亿美元。其中，半导体系统净销售额21.84亿美元，全球应用服务净销售额9.84亿美元。
东京电子(Tokyo Electron Limited)公布截至3月31日的2018财年业绩。财年净销售额1.28万亿日元(118亿美元)，上年同期为1.13万亿日元。财年营业利润3106亿日元，上财年为2812亿日元。财年净利润2482亿日元，上财年为2044亿日元。
阿斯麦(ASML Holding N.V.)发布2019年第一季度业绩。净销售额22.29亿欧元(24.9亿美元)，上年同期为22.85亿欧元。当季净利润3.55亿欧元，上年同期为5.40亿欧元。
芯片设备公司泛林集团(Lam Research Corp)公布2019年第三季度业绩(截至3月31日)。当季营收24.39亿美元，上年同期为25.23亿美元。当季净利润5.47亿美元，上年同期为5.69亿美元。
半导体公司科磊(KLA-Tencor Corp.)公布2019年第三季度业绩(截至3月31日)。当季营收10.97亿美元，上年同期为10.21亿美元。当季净利润1.93亿美元，上年同期为3.07亿美元。
其他
日月光投资控股(ASE Technology Holding Co., Ltd.)公布2019年第一季度业绩。当季营业收入净额新台币888.61亿元(约28.1亿美元)，上年同期为649.66亿元。营业净利22.93亿元，上年同期为43.16亿元。税后净利26.35亿元，上年同期为37.76亿元。归属于本公司业主净利20.43亿元，上年同期为20.96亿元。其中，半导体封装测试营收544亿元，电子代工服务营收350亿元。
安靠(Amkor Technology Inc)发布2019年第一季度业绩。净销售额8.95亿美元，上年同期为10.25亿美元。当季净亏损2300万美元，上年同期为净利润1000万美元。
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