|第三代半导体增产硅时代结束了吗

半导体的寒气袭人,谁知道暖和?芯片行业的锻造已经向众多企业传达了寒气,三星半导体部门负责人Kyung Kye-hyun预计芯片销售将大幅下降。野村证券最近也大幅将今年全球芯片出货增长率从当初预测的9.9%扩大到5.7%,从2023年经济衰退的0.5%扩大到经济衰退的6%。费城半导体指数(SOX)在最近6个月(截至9月21日)下跌了26.53%。

但是此时,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料面临着市长/市场的倍增和容量扩张。

安森美第二季度财报发布后,预计2022年碳化硅销售额将提高到“同比增长3倍”,此前的目标只有1倍。预计到2023年碳化硅事业收入将超过10亿美元。三倍只是开始,甚至不止十倍。安森美计划到2025年为止,将公司的碳化硅前向工艺能力扩大到目前的10倍以上。

意法半导体第二季度财报也预测,2022年意法半导体碳化硅事业将达到7亿美元,2023年达到10亿美元。意法半导体得益于特斯拉碳化硅电力模块的主要供应商——在汽车产业等领域对碳化硅的需求,意法半导体也计划增产。

Wolfspeed今年上半年还宣布将在北卡罗来纳州查塔姆查塔姆县建设新的碳化硅工厂,2030年建成后将成为世界上最大的碳化硅材料工厂,其碳化硅晶片制造能力增加了约13倍,目前Wolfspeed生产的碳化硅已占全球碳化硅的60%以上。新工厂的总投资将达到50亿美元,为此,Wolfspeed还将申请与《芯片和科学法案》相关的联邦政府支出。

有趣的是,Wolfspeed是全球LED照明巨头CREE(CREE)中专注于碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料的部门。克里原本计划将Wolfspeed出售给德国企业英飞凌,但由于美国国防部以国家安全为由反对,最终剥夺了Cree原本占三分之二的照明业务,之后于2021年10月正式公布Wolfspeed名称,成为专注于第三代半导体的企业。

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3倍,10倍,13倍.无论是短期还是中长期,这些海外第三代半导体企业都有非常高的预期增长率。这只是第三代半导体中碳化硅这种材料、氮化镓等其他材料,同样具有很高的增长期待,与芯片行业的短暂“冷清”形成了鲜明的对比。

为什么这种冰花以双层布出现?第三代半导体在当前中美高科技竞争形势下还有什么意义?

材料革命

硅基芯片的下行具有国际游戏、非理性囤积等引起的周期性波动的影响。碳化硅等第三代半导体正从这一混乱局面中崛起,但更多地源于技术成熟后其材料的优势。

据Wolfspeed首席技术官John Palmour称,一辆电动汽车使用碳化硅组件的价值约在250美元至500美元之间,具体取决于电力要求,但碳化硅组件可使汽车制造商在电池成本、电池和逆变器的体积和重量、冷却要求等诸多方面节省成本,每辆车的总成本最高可节省2000美元。

500美元交换2000美元的收益是非常经济高效的输入/输出比率。根据EV-Volumes的数据,2021年全球销售电动车为650万辆,其中纯电动车销量约为460万辆,混合动力车型销量约为190万辆。不管是纯电动还是混合动力,对碳化硅等零部件的需求仅计算为650万辆电动汽车,在电动汽车市场上碳化硅的规模也为3.25亿美元。

看来还是不够大?但是,碳化硅在电动汽车领域的大发展只是部分应用,在更多领域,第三代半导体有着广阔的市长/市场空间。

今年8月,氮化镓龙头企业共收购了近3亿美元、2021年销售额排在世界第八位的碳化硅企业GeneSiC。纳米半导体预测,到2026年,氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)电力技术的集成市长/市场机会将超过200亿美元。

所以纳米半导体决定了氮化镓和碳化硅两种材料的市场都要抓住。此外,纳米半导体也在汽车和其他领域开拓,为这场材料革命争取尽可能多的客户。

在电动汽车领域,娜美客户包括比亚迪、路虎、梅赛德斯AMG、吉利等数十家巨头。除电动汽车外,娜美在太阳能和储能、铁路、电网、工业电机等更广阔的工业市场拥有头部客户。

除了常见的汽车、消费电子速冲装置外,军舰的相控雷达、高速铁路的绝缘栅双极晶体管(IGBT)部件、氮化镓等材料都有广泛而不可或缺的应用、民用市场、

未来几年,有人对市场持乐观态度,也有人预测不那么激进。TrendForce集邦咨询公司预测,2025年第三代半导体碳化硅/氮化镓电力市长/市场规模总计为47.1亿美元,比2020年7.3亿美元CAGR高45%。虽然增长率很高,但娜美与2026年200亿美元以上的市长/市场预测相比,一年间预测值高出5倍以上。

根据不同的计算方法和各智囊团掌握数据,预测值不同也是正常的。但是没有异议的是对产业未来高增长趋势的判断。

高增长带来产业风云变幻

很多业内人士对第三代半导体产业的乐观判断与电动汽车产业等以电力为核心的产业吸引的需求有很大关系。

如果想让电动车的寿命更长,依靠开源,就需要增加电池容量。二项式节流,如使用低损耗、高温、耐高压的碳化硅电力元件。

因为硅碳化硅禁止宽度是硅的3倍,导热系数是硅的4-5倍,屈服电压是硅的8倍,电子饱和漂移率是硅的2倍,在高电压、高功率工作环境下性能更好,电流传导效率更高。电动汽车如果采用第三代半导体碳化硅电力模块,电动车的整体能耗可以节省5% ~ 10%。

天风证券估计,电动车使用碳化硅材料可以提高电机逆变器的效率4%,提高至少7%的续航能力。2018年特斯拉从model 3首次将IGBT模块更换为SiC模块的案例数据也表明,在相同功率水平下,硅模块封装尺寸比硅模块小得多,开关损耗减少了75%,系统效率可以提高约5%。这种更换成本每辆车增加了近1500韩元,但车辆效率提高后,同一续航时间内可以使用更小的动力电池,从而在电池末端降低成本。

但是,落差本身提高的100公里以上的续航里程不足以缓解人们的续航不安。与加油站密度相似的充电站网络也不是缓解续航不安的关键。

真正能缓解续航焦虑的还是快充速度,这也离不开第三代半导体。

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华为的研究表明,使用800V高压模式的快速充电支持30% ~ 80% SOC(反映电池余量的充电状态)最大功率充电,而低压大电流模式只能在10% ~ 20% SOC上进行最大功率充电,在其他区间充电能力下降得非常快。

但是,800V高压高速充电包括向车内外充电整个强电链路。硅基IGBT芯片具有难堪、抗压、高温、高频等优点,碳化硅组件是目前最好的替代产品。

除了电动车领域外,碳化硅期间高压电网损失最多可降低60%,轨道交通电力系统损失最多可减少20%以上。国家第三代半导体技术创新中心主任张鲁川最近表示,第三代半导体未来产业规模将达到数千亿元。

这个预测实际上不包括第三代半导体照明,而是包括对碳化硅和氮化镓迅速发展的乐观预测。

如果包括半导体照明,根据CASA数据,2020年我国第三代半导体总产值超过7100亿。其中半导体照明的总产值约为7013亿韩元,同比减少了7.1%。碳化硅、氮化镓电力电子产值规模为44.7亿元人民币,同比增长54%。氮化镓微波射频产值60.8亿元,同比增长80.3%。

在以电力为核心的众多产业中,中国已经在电池领域成为世界生产能力第一。中国在国际产业竞争中往往先获得生产能力和规模第一,然后利用生产能力的优势逐步提高技术制高点。(Northern Exposure光伏产业非常典型,第三代半导体产业能复制这条成功之路吗?

中企何为

美国当然不会坐视中国的产业逆袭。

在全球动力电池企业前10名中,中国企业已占据6席,宁德市上半年全球市长/市场份额从28.6%上升到34.8%。拜登总统今年8月签署的《2022年通胀削减法案》(Inflation REDUCTION ACT)规定,对于电力电池产业,从2024年开始,电池成分包括所有来自“特别关注国”列表的国家(中国列出),补贴将不再适用。

对此,商务部新闻发言人俊正9月22日表示,该法案相关措施涉嫌以补贴车辆、北美、当地组装等条件为前提,对其他进口商品进行歧视,违反了世界贸易组织的最惠国待遇、国民待遇等原则。

但是,如果自己的技术足够强硬,其实并不害怕相关法案的包围。

不久前,美国国防部宣布停止接收F-35隐形战斗机,是因为在配套的涡轮发动机中发现了中国制造的特殊磁铁。但是,由于世界上没有其他国家能够提供这种特殊磁铁,9月21日美国白宫表示,决定不限制从中国进口这种烧结磁铁。

在第三代半导体领域,国内碳化硅项目吸引了汽车巨头的参与,上海、北汽、广汽、吉利等大型汽车集团正在扩大对本土碳化硅产业链的投资。同时,中国已经在等待大量上市或上市企业的积极部署,上半年增长突飞猛进。

据北方华昌半年报显示,上半年营业收入获得54.44亿元人民币,同比增长50.87%。净利润为7.55亿韩元,同比增长143.16%。斯达半岛上半年实现营业收入11.54亿韩元,同比增长60.53%。净利润为3.47亿韩元,同比增长125.05%。

CCTV财经称,中国电科的碳化硅零部件装载量已达到100万台,子公司已经实现了6英寸碳化硅晶片的规模化生产,年产量达到15万张,处于国内领先地位。今年3月,新一代8英寸硅芯片产品也率先发表。

中国电气和第55研究所开发的以氮化镓功率放大器为主的多种产品也用于元田实验室发射任务,标志着氮化镓放大器芯片在航天器领域首次实现了大规模工程应用。

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图源:中国载人航天工程网

天乐先进最近也宣布成功开发了8英寸碳化硅衬底,结晶质量优良,可以在粉末合成、热场设计、工艺固化、过程控制、加工检查等全过程进行技术自主调节。

在氮化镓领域,国内企业在衬底、外延、设计、制造等领域都实现了布局(如衬底制造商苏州蝴蝶、东莞中镓)。外延制造商水晶真半导体、江苏能源中国;设计企业安步龙、海思半导体;制造企业三安一体化、海威华深等。非传统研究表明,第三代半导体的困难不是设备或逻辑电路设计,而是与工艺相比,逻辑芯片的难度下降。对设备的要求相对较低,投资额相对较小。

这些都是对中国有利的因素。第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲在接受采访时指出,与硅集成电路相比,第三代半导体材料对芯片性能具有决定性作用。芯片制造工艺门槛相对较低,投资较小,对尺寸线宽、设计复杂度的要求远低于硅集成电路。材料、设备、设计、芯片代理方面都发展势头良好的企业适合中国。

在国家政策和资金支持下,各地方政府掀起了第三代半导体投资热潮,目前初步形成了京津冀、长江三角洲、珠三角、民三角、中西部等五大重点发展地区。北京、深圳、济南、保定等几个城市正在进行深度布局,政府也在“亲自”做。

根据Yole数据,硅仍然是半导体材料的主流,占95%。随着第三代半导体渗透率逐年上升,预计2023年碳化硅的渗透率为3.75%,氮化镓渗透率为1.0%,共第三代半导体渗透率为4.75%。

虽然第三代半导体和第一代、第二代不是替代关系,而是互补关系。硅的时代不会结束,但如果第三代半导体逐渐提高渗透率,硅的渗透率将会占据。这也是中国企业反超国际巨头的机会。

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