導體市場沖高回落，IDM模式賦能三代半一枝獨秀
導體市場沖高回落，IDM模式賦能三代半一枝獨秀
導語
9月，消費類需求縮減，砍單頻繁，部分IC設計公司甚至削減了晶圓代工訂單量或下調產能，但歐美模擬芯片IDM（垂直整合制造）同步企業德州儀器、NXP、ST、ADI均表示汽車和工業需求依然強勁。
最近，Omdia《半導體市場競爭格局追蹤（Competitive Landscape Tracker）》報告顯示，2022年第二季度半導體市場收入首次下滑，增長進一步疲軟。2022年第二季度半導體市場收入為1581億美元，相比2022年第一季度的1612億美元下降1.9%。在此之前，半導體行業已接連增長8個季度，出現了有史以來持續時間最長的連續增長。
圖1：半導體總收入連續增長
Omdia高級研究分析師Cliff Leimbach表示：“ 2022年第二季度半導體市場收入下降，使其成為Omdia跟蹤該市場20年來二季度表現中的倒數第三。出現季度營收下滑之前，居家工作和網課等"宅經濟"使需求出現了前所未有的增長。考慮到半導體市場的周期性，我們預計，經過2022年剩余時間以及2023年上半年調整，半導體市場將回歸正常。”
2020年1月，Future Horizons公司的首席執行官和創始人Malcolm Penn曾說：“對于那些神經很強的人來說，芯片看起來是一個不錯的長期選擇。”但是，9月他預測，2022年全球芯片市場增長率降低至4%，2023年將出現22%的萎縮。
目前，在缺芯嚴重的汽車賽道，2021年中國芯片自給率只有5%。SEMI預計，到2028年，全球汽車電子市場規模將突破4000億美元，這對受困于消費電子市場下滑正在進軍全球汽車電子市場的芯片廠商來說是機遇也是挑戰。
特別是不能忽略一個高速增長的賽道——電動汽車帶來的功率半導體增長，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體正在的逆勢而上。恰恰是需求殷切，今年以來，各路廠商競相投資擴大產能。
投資擴產龍頭效應顯現
10月初，歐洲建第一家碳化硅外延襯底制造工廠落戶西西里，IDM模式繼續深化。這家歐洲首次大規模生產6英寸制造設施由ST公司（意法半導體）建設，與ST現有的碳化硅器件制造設施位于一地，集成了生產流程中的所有步驟，未來將開發8英寸晶圓生產。卡塔尼亞工廠預計將于2023年開始生產，實現內部和商業供應之間碳化硅襯底的平衡供應。
圖2：ST卡塔尼亞創新基地
卡塔尼亞長期以來一直是ST的重要創新基地，也是最大的碳化硅研發和制造運營基地，為開發新的解決方案、生產更多更好的碳化硅器件做出了貢獻。
得益于歐盟的高瞻遠矚，這項投資將完善ST乃至歐洲功率電子方面的生態系統，包括ST與不同利益相關者（大學、意大利國家研究委員會、設備和產品制造公司）之間的長期成功合作，以及龐大的供應商網絡，將加強卡塔尼亞作為碳化硅技術和進一步增長機會全球競爭力中心的作用。
作為碳化硅業務垂直整合戰略的關鍵一步，ST碳化硅襯底制造工廠將支持其客戶在汽車和工業應用中對碳化硅器件日益增長的需求，為正在向電氣化過渡提供更高的效率。該項目也是推動ST的碳化硅業務垂直整合戰略的關鍵一步。據悉，五年內的7.3億歐元投資將由意大利國家復蘇和恢復計劃框架提供財政支持。
ST總裁兼首席執行官Jean Marc Chery說：“我們正在改變全球制造業務，增加3億美元的制造能力，并大力關注寬禁帶半導體，以支持其20多億美元的收入雄心。我們正在卡塔尼亞擴大業務，卡塔尼亞是我們的功率半導體專業知識的中心，我們已經在那里集成了碳化硅的研究、開發和制造，包括強大合作意大利研究實體、大學和供應商，”他補充說：“這一新設施將是我們在碳化硅垂直整合的關鍵，隨著我們進一步提高產量，支持汽車和工業客戶轉向電氣化和更高效率，這將加強我們的碳化硅襯底供應。”
而在2022年3月，8英寸碳化硅制造龍頭企業Wolfspeed購買AIXTRON外延設備，旨在推進8英寸碳化硅產能爬坡。Wolfspeed將在其生產設施中采用AIXTRON的8英寸行星式反應器（Planetary Reactor）技術，用于制造基于碳化硅的MOSFET和肖特基二極管功率器件。
圖3：AIXTRON的8英寸行星式反應器
Aixtron的下一代8英寸碳化硅外延系統名為G10-SiC，其目標是量產最新一代的碳化硅功率器件，也兼容6英寸碳化硅功率器件。這款高溫CVD系統最近剛剛在瑞士達沃斯國際碳化硅及相關材料會議（ICSCRM）上發布。
G10-SiC系統建立在成熟的G5 WW C 6英寸平臺之上，并提供9×150和6×8英寸的靈活雙晶圓尺寸配置。這一特性有助于碳化硅行業從6英寸直徑晶圓過渡到8英寸直徑。
新平臺圍繞Aixtron的自動晶圓盒到盒裝載解決方案構建，能夠實現高溫晶圓轉移。結合高增長率工藝能力，G10-SiC可提供一流的晶圓產量和每平方米良率，有效利用半導體工廠中有限的潔凈室空間。
Aixtron G10-SiC支持多種器件結構，包括單漂移層結構和雙漂移層結構，滿足嚴格的6英寸均勻性要求，即摻雜和厚度sigma值小于2%。自動晶圓裝載可將顆粒缺陷的風險降至最低，典型缺陷數＜0.02/cm2。
Aixtron碳化硅副總裁Frank Wischmeyer博士說：“這是真正的新一代高性能系統。新的雙晶圓尺寸配置完全支持從今天的6英寸晶圓技術過渡，并保障了客戶對未來的投資。憑借迄今為止在這種外形尺寸下的最高吞吐量，它最大限度地提高了晶圓廠的生產力和性能，使之更快地提升。”
對此，Wolfspeed首席執行官Gregg Lowe說：“對于碳化硅解決方案的需求持續加速增長，主要是由汽車、工業和能源應用從硅技術轉向碳化硅技術所推動。我們的繼續投資是為了提高產能并利用碳化硅的優勢，為市場提供更大的供應量。”
據了解，Wolfspeed目前正在推進其位于美國紐約州莫霍克谷（Mohawk Valley）的自動化8英寸碳化硅晶圓廠的建設與產能提升。
2022年4月，Wolfspeed莫霍克谷的全球首座8英寸碳化硅工廠盛大開業，采用前沿技術助力推進諸多產業從硅基產品向碳化硅半導體轉型。除了紐約州州長Kathy Hochul蒞臨現場，重要汽車客戶Lucid Motors產品高級副總裁兼首席工程師Eric Bach也應邀出席。兩家公司已簽訂多年碳化硅器件供應協議。
Wolfspeed總裁兼首席執行官Gregg Lowe表示：“莫霍克谷工廠的開業將不僅僅在2022年為客戶帶來更多供應，更將會支持我們長期的競爭力。”
圖4：Wolfspeed總裁兼首席執行官Gregg Lowe
據介紹，這座全自動新工廠是全球首座且最大的8英寸碳化硅工廠，具有毫不妥協的高品質晶圓和更高良率，對于滿足Wolfspeed 200億美元銷售管道和全球半導體產業需求至關重要。其首批碳化硅器件已在4月開始制造。
圖5：Wolfspeed的碳化硅器件
Gregg Lowe指出，碳化硅已經成為許多最為快速增長市場滿足“綠色復蘇”的重要催化劑，并助力雄心壯志的企業更好地達到雄心勃勃的碳排放要求。數據中心、電動汽車、5G基礎設施、可再生能源和儲能系統、工業電機、暖通空調、以及所有其他需要采用半導體芯片的應用，它們的能源效率都可以通過采用碳化硅來實現優化。
他表示，碳化硅的需求正在快速增長，并且遠超預期。這很大一部分原因是由于電動汽車市場爆發式增長所帶動的。采用碳化硅的電動汽車可以支持更高電壓工作，提高功率密度，提升效率。這些優勢，幫助汽車制造商們可以在更低成本的條件下實現更輕量和更寬敞的車型設計，與此同時還為消費者帶來更長的續航里程和更快的充電時間。電動汽車只是碳化硅的應用之一，但電動汽車的全球年度銷售總量預計將會很快達到1000萬輛。這是一個巨大的市場，并且是碳化硅器件需求的風向標。
Wolfspeed承諾投資10億美元用于擴大運營，在紐約州這座晶圓工廠建設的同時，Wolfspeed在北卡羅來納州達勒姆的材料工廠也在推進之中，這將在美國東海岸打造碳化硅走廊。“我們對于業務的投入是友商們的近四倍，可以更好地滿足快速提升的客戶需求。”他說。
投資10億美元，莫霍克谷制造工廠占地面積達到了674,000平方英尺，并擁有150,000平方英尺的潔凈室。再加上達勒姆的運營擴張，到2024年，碳化硅晶圓和器件產能將從2020年的水平提高30倍。
達勒姆工廠主要制造8英寸碳化硅晶圓，單片晶圓可制造芯片數量更多，有助于降低器件成本。該工廠一期建設預計將于2024年完成，成本預計13億美元。2024年后，公司還將根據需求擴大額外產能，預計最終占地面積445英畝，建成超過100萬平方英尺的工廠。
左手剝離右手買入
2022年3月，安森美（onsemi）CEO Hassane El-Khoury在接受采訪時表示：“未來汽車、工業等領域對半導體基礎設施的需求越來越大，智能電源和智能感知技術是重要的賦能技術，汽車一直是安森美的重點戰略市場之一，這在2021年第4季度收入中的占比達35%，未來將加大投入以滿足需求。”
同時，安森美與Diodes Incorporated簽署一份最終協議，剝離在美國緬因州南波特蘭的8英寸模擬芯片晶圓廠。該工廠擁有85,000平方英尺的潔凈室，采用0.18μm至1.5μm工藝生產模擬CMOS、BCDMOS、雙極、SiC外延片。
此前的2月，安森美將比利時Oudenaarde的晶圓制造廠出售給BelGaN。后者計劃將原有6英寸晶圓廠改造成6英寸和8英寸的氮化鎵（GaN）代工廠，目標市場包括汽車、移動、工業和可再生能源市場。Oudenaarde工廠是2008年安森美從AMI收購的，面積為44000平方米，工廠通過了車規級認證，每月可生產19000片6英寸晶圓。工廠有4300平米的潔凈室空間，擁有大約250種前端制造設備，其中80%可轉換為8英寸線，基于0.35μm-2μm的低壓、中壓和高壓模擬CMOS和BCD技術。
之所以剝離一些“落后”產能，是因為安森美希望將主攻方向放在全球制造網絡中更高效的晶圓廠，通過消除與已出售晶圓廠相關的固定成本和降低公司的制造單位成本來改善成本結構。
2022年5月，安森美公布破紀錄的2022年第1季度業績，Hassane El-Khoury表示：“我們的重點戰略為利潤率和增長帶來了持續的成果，汽車和工業終端市場現在占我們收入的65%。我們的第1季度業績創歷史新高，收入同比增長31%，毛利率增長1,420個基點至破紀錄的49.4%，突顯了我們持續脫胎換骨的業務實力和產品價值。”
安森美自詡為目前世界上唯一提供從襯底到模塊的“端到端”碳化硅方案供應商，包括碳化硅晶球生長、襯底、外延、晶圓制造、同類最佳的集成模塊和分立封裝解決方案。
圖6：安森美的端到端碳化硅生產
安森美在碳化硅領域的領先地位基于生態系統的五大支柱。在2021年11月收購GT Advanced Technologies（GTAT）之后，安森美成為了全整合碳化硅制造商——制造碳化硅晶錠，然后切割成晶圓，并在每個晶圓頂部添加外延層，使每個器件具有適合應用的擊穿電壓和優化的電阻特性。然后是使用碳化硅平面技術加工外延晶圓，隨后將裸芯封裝成標準的碳化硅分立器件或碳化硅模塊。安森美目前正從6英寸晶圓向8英寸晶圓遷移，對碳化硅生態系統的全面控制確保了對供應鏈的控制，同時也提高了終端產品的可靠性和性能。
圖7：安森美碳化硅發展史
2022年8月，安森美位于新罕布什爾州哈德遜的碳化硅工廠的落成。該基地將使安森美到2022年底的碳化硅晶圓產能同比增加五倍。此擴張使安森美完全控制了碳化硅制造供應鏈，從粉末和石墨原料采購到封裝好的碳化硅器件的交付。
安森美電源方案部執行副總裁兼總經理Simon Keeton說：“我們的端到端垂直整合方案在供應緊張的環境中是個引人注目的差異化競爭優勢。為實現襯底產能的增長，我們已擴展到第二座大樓，并計劃繼續提升，使我們自己的前沿尖端的碳化硅晶圓能為客戶產品所用。”
2022年9月，安森美在捷克共和國Roznov擴建的碳化硅工廠落成。事實上，從2019年開始，安森美就在原有硅拋光和外延晶圓及芯片生產基礎上，增加了碳化硅拋光晶圓和碳化硅外延晶圓生產。由于原來的場地滿足不了需求，去年開始再建新廠房，以進一步擴大晶圓和碳化硅外延晶圓生產。據介紹，未來兩年，這一擴建將使該基地的碳化硅產能提高16倍。到目前為止，安森美在該基地的投資已超過1.5億美元，并計劃在2023年前追加投資3億美元。
垂直整合生產體系的先驅
事實上，垂直整合制造早就是日企的經營模式，羅姆是這方面的典型代表，它叫“垂直統合型生產體系”。作為碳化硅領域的深耕者，羅姆從2000年就開始相關研發工作，2009年收購碳化硅襯底供應商SiCrystal，2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET，目前產品涵蓋碳化硅SBD、碳化硅MOSFET和全碳化硅模組，其中碳化硅SBD、碳化硅MOSFET可以裸芯片形式供貨。
2022年5月，羅姆集團旗下SiCrystal迎來了成立25周年紀念日。該公司總部位于德國紐倫堡，通過25年的發展，目前已將業務范圍擴大到全世界，關鍵技術產品已廣泛應用于世界各地的電動汽車中。
早在1997年，基于90年代初期埃爾朗根-紐倫堡大學的研究，成立了SiCrystal AG，并開始生產碳化硅晶圓。羅姆自2000年發現碳化硅半導體所帶來的巨大優勢以來，一直在推動SiC元器件的基礎研究。
雖然業內對碳化硅半導體的優異特性已有普遍認知，但性能發揮和量產穩定性一度成為瓶頸。2009年羅姆收購SiCrystal，作為全資子公司將其遷至紐倫堡，羅姆也可以利用自有的生產體系完成從晶圓到元器件設計和封裝的所有工序，確保進一步開發和生產體系所需的空間。正因為這一重要決定，使SiCrystal得以大規模生產功率電子領域用的晶圓。
圖8：羅姆的垂直統合型生產體系
2022年7月，已經和羅姆開展了十多年的合作的德國公司賽米控將羅姆的第4代碳化硅MOSFET用于賽米控的車規級功率模塊eMPack，開啟了雙方合作的新征程。第4代碳化硅MOSFET不僅短路耐受時間比以往產品更長，還實現了業界超低導通電阻，將其安裝在車載主機逆變器中，有助于電動汽車延長續航里程和減小電池尺寸。
羅姆的先進碳化硅技術利用垂直統合型生產體系，能夠為客戶穩定供應高品質的節能產品。為滿足不斷增長的需求，SiCrystal也在計劃大幅提高產能。
擴大應用端朋友圈，買買買
還有一類公司是以應用端為主，開發碳化硅功率器件和模塊，提供給最終客戶使用。英飛凌就是這樣的公司，它自1992開始研究碳化硅，不斷地進行技術打磨和沉淀，幫助新材料在新應用中快速成長。1998年，英飛凌在大批量硅功率生產線上進行2英寸硅片技術整合；2001年全球首家推出碳化硅二極管，開啟碳化硅器件商用；2015年實現了碳化硅從4英寸轉6英寸晶圓的生產；2017年，發布1200V碳化硅MOSFET；2018年收購Siltectra獲得碳化硅晶圓冷切割技術；2019年發布1200V的車規級碳化硅MOSFET；2020年面向汽車行業公開發售碳化硅HybridPACK? Drive模塊和1200V IPM碳化硅模塊；2022年投資超過20億歐元（約144億人民幣）擴大碳化硅和氮化鎵產能。
值得一提的是，為了解決碳化硅晶體材料價格高、切割損耗大的問題，2018年英飛凌收購的德國初創公司Siltectra帶來了創新的冷切割技術（Cold Split），可有效處理晶體材料，并大幅減少材料損耗。
圖9：碳化硅晶圓冷切割工藝
英飛凌將采用該技術切割碳化硅晶圓，使晶圓產出雙倍的芯片數量，將有助于確保碳化硅產品的供應，特別是長期供應。隨著時間的推移，冷切割技術可望進一步應用，例如晶錠分裂或用于碳化硅以外的材料。
為迎接碳化硅逆變器市將大爆發，近日，英飛凌與高意集團（II-VI）簽署了一份多年期碳化硅（SiC）晶圓供應協議。英飛凌稱，將以此進一步拓寬碳化硅這一戰略性半導體材料的供應渠道，并滿足該領域強勁增長的客戶需求。該協議還將支持英飛凌的多源采購戰略并提高公司的供應鏈彈性。目前首批貨物已經交付。能這么快交付當然是當前市場主流的6英寸碳化硅產品。雙方也將共同開發過渡至8英寸產品。
事實上，近年來英飛凌一直在實施多源采購戰略，差不多一年簽一家上游供應商，節奏之快令他咋舌。目前，英飛凌的CoolSiC? 品牌已經成為目前業內最大的工業功率半導體應用產品組合。英飛凌預計，在本世紀二十年代前期，該公司的碳化硅半導體銷售額將以超過60%的復合年增長率增長，到本世紀二十年代中期將達到約10億美元。
圖10：II-VI碳化硅襯底和外延晶圓
高意集團新風險投資和寬禁帶電子技術部執行副總裁Sohail Khan表示：“英飛凌作為功率半導體市場的領導者是我們重要的合作伙伴。高意集團高度專業化的產品正在幫助英飛凌為全球主要客戶提供創新的電子元器件。高意集團的碳化硅材料符合工業和汽車應用的高質量標準，有助于英飛凌開發適合各種應用的碳化硅器件。”
多重采購戰略增加了供應鏈彈性，行業分析表明，英飛凌與美國高意集團簽署的多年供應協議協議有助于支持英飛凌的多重采購戰略，并增加其供應鏈的彈性。除了光伏轉換器和工業電源之外，碳化硅的優勢在電動車領域也特別明顯，已被用于電動汽車傳動系統的主要逆變器、車載電池充電裝置和充電基礎設施。作為戰略合作伙伴，II-VI和英飛凌還將合作向8英寸碳化硅晶圓過渡。
早在2018年2月，英飛凌就與碳化硅巨頭科銳公司（Cree，2021年10月更名為Wolfspeed）簽署了一份碳化硅晶圓長期供貨戰略協議，以此拓展其碳化硅產品范圍，滿足諸如光伏逆變器和電動汽車等快速增長市場的需求。
由于英飛凌已將其所有碳化硅晶圓生產線轉換為6英寸生產線，與科銳公司簽署的這份協議僅涉及這個尺寸的晶圓。換句話說，6英寸碳化硅晶圓還是有點小，難以滿足未來市場的需求。問題還在于，Wolfspeed也是碳化硅半導體器件市場的強有力競爭者，滿足自己的材料需求是第一要務。
還有2020年11月，英飛凌與GT Advanced Technologies（GTAT）簽署的五年碳化硅晶錠供貨協議也是一個疑問，當時英飛凌工業功率控制事業部總裁Peter Wawer表示：“憑借我們現在簽訂的供應協議，我們保證能夠以多樣化的供應商基礎滿足客戶快速增長的需求。GTAT的優質碳化硅晶錠將成為當前和未來滿足一流標準的有競爭力的碳化硅晶圓提供額外來源。”
但是，還不到一年，這家大幅虧損并破產的GTAT就被安森美收購了。收購后的GTAT到目前都沒有更多成功擴產的消息，英飛凌手中的長期供貨協議能不能拿到之前說的產品也是個未知數。
圖11：GTAT碳化硅長晶設備已在安森美名下
2021年5月，英飛凌與日本材料集團昭和電工（Showa Denko）就碳化硅晶圓供應達成為期兩年的供應協議。英飛凌對年度最低購買量作出了承諾，這使得昭和電工能夠對未來需求有更清晰的圖景，從而制定相應的投資計劃，而英飛凌也通過確保供應量解決了采購方面可能面臨的問題。
寫在最后
未來幾年，隨著汽車碳化硅用量的增加，除了供應鏈上游的整合，還有供貨方面的競爭將愈演愈烈。反觀國內三代半行業，真正在一家內形成完整產業鏈的公司仍然是鳳毛麟角，是不是應該引起行業的足夠重視呢？
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