汽車半導體產業的發展趨勢與策略

汽車半導體產業的發展趨勢與策略

2021-11-11 09:00:10 0
2020年半導體零件在汽車製造成本的佔比約30%,預計2030、2040年分別將達50%、70%。法新社

作者:林育中

汽車產業因為電動車、自駕車趨勢一路向半導體傾斜。2020年半導體零件在汽車製造成本的佔比約30%,預計2030、2040分別將達50%、70%。雖然進展的速度和詳細數目容或可議,但是汽車半導體化的趨勢已然啟動,而且沛然莫之能禦。

汽車市場對於半導體產業是什麼概念?以下的數據以2019年的來比較,避免2020因疫情各產業營業額起伏的影響而失準。半導體本身是4,123億美元,過去10年支持半導體成長最力的智慧型手機是4,046億、PC是2,336億、雲端運算是1,362億、電信服務是1.4兆,而汽車產業是2.2兆!也就是說汽車市場的潛力與半導體前幾名市場的總合約略相當,是死生之地、國之大事。

但這是半導體產業的看法,汽車產業又怎麼看這件事?廠商要能掌握產品主要的增值環節,這是產業競爭的不二法門。如果半導體佔汽車製造成本從30%一路成長到70%而汽車公司無所作為,淪落為裝配廠也是遲早的事,所以汽車公司伸手入半導體產業似乎是勢在必行。

早在5年前Tesla就有內部的晶片設計團隊,原先的焦點比較注重於MCU,之後的車廠將晶片設計轉到功率模組上。譬如9月4日才宣布建立晶片設計團隊的現代汽車(Hyundai Motor),而中車、比亞迪更直接將晶圓廠也納入垂直整合範圍。

是什麼誘因讓汽車廠垂直整合至晶片設計、晶圓廠甚至後段的封裝、模組廠?除了前述汽車產業核心增值區塊正在向半導體移動的原因外,還有以下幾個理由。

首先是次系統設計整合的效率問題。半導體零件佔比在逐步提升之中,但是在那些部分、用什麼規格的零件、如何整合成次系統是汽車廠的獨門工藝,目前沒有統一的規格。而半導體線路設計必須配合汽車廠的系統設計需求。垂直整合有助於快速的訊息交換,滿足應用需求。在這一層面的意義上,手機和雲端廠商早已邁開這一步。

垂直整合至晶圓製造乃至於後段的封裝、模組廠,在可靠性測試此一環節可以節省不少資源,大幅縮短產品引入週期。汽車零件由於安全與法規的要求,可靠性測試異常嚴苛,現在的趨勢更逐漸走向實境測試,外來供應零組件的驗證時間會拉得很長。垂直整合到半導體零件和模組的製造,有助於大幅改善可靠性驗證流程。

由於電力驅動的趨勢先行於自動駕駛,汽車廠涉足半導體會先從功率元件開始。功率元件的製造主力還是在8吋廠-雖然有些功率元件已慢慢往12吋廠遷移。如若考慮到第三代半導體,特別是碳化矽(SiC),8吋廠是不二選擇。8吋廠沒有太先進的製程,產品和製程的遷移較緩慢,投資金額較小,是汽車產業延伸到半導體製造的入門款。

最後一點促使垂直整合的是短期因素:疫情期間的晶片短缺。雖然只是短期因素,感覺卻有如牙痛,幾乎所有的產業評論和顧問都敦促汽車業該上手半導體了。

所以第一個趨勢是汽車廠垂直整合晶片設計、製造乃至於封測與模組。顧客自己要做產品,這對於半導體產業聽來有些不妙。


碳化矽晶圓由於長晶速度慢、缺陷率髙,晶圓供應遠遠無法滿足需求。取得碳化矽晶圓是現在進入汽車功率元件市場的起碼門票。

面對汽車市場這個龐然巨物,半導體產業的反應與汽車產業截然不同,沒有人想向上垂直整合去製造汽車,但是思維和考量方式有驚人的相似性。

前述功率元件,特別是第三代半導體,會由新能源車率先踏入汽車產業。但是汽車產業由於儲存電能和能源效率的問題,傳統的功率元件以及電池目前遠遠無法滿足應用需求,引入新材料的發展成為解決方案。在功率元件上,第三代半導體具代表性的碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)被積極引入。

雖然第三代半導體元件也是半導體元件,但是要利用它們有別於矽元件的電、熱特性來產生優異性能,也必須承受發展新材料的艱難過程。

目前碳化矽的長晶是用異於長矽錠的昇華法,速度慢而且良率低,主要原因是原始材料之一的碳離子太輕,在2,000多度的高溫下會四處亂竄,造成碳化矽錠的晶格缺陷。碳化矽主流晶圓尺寸目前為6吋(氮化鎵4吋),已經慢慢走向8吋,晶圓價格昂貴異常。

一個碳化矽功率元件的成本表中,晶圓成本佔近50%。即使產業努力嘗試降低晶圓價格2~3倍,預計到2025年晶圓仍佔元件成本20%左右。一個對照的數據是先進製程的矽基元件,晶圓成本佔晶圓售價不到1%。顯然第三代半導體的晶圓製造中長晶是產品主要增值環節。

在此一思維下,幾乎所有的功率元件大廠都已經向原材料上游整合,培養或購併長碳化矽晶圓能力。譬如意法半導體(STM)的Norstel、英飛凌(Infineon)的Siltectra、羅姆(Rohm)的SiCrystal、SK海力士(SK Hynix)與SK Siltron等。有趣的是碳化矽晶圓供應龍頭Cree也加入了功率元件製造的行列,目前市佔率暫居第三。

除了加入核心增值環節的競爭考慮外,長晶圓與元件製造的垂直整合還有其他好處。首先,這二者的挑戰都是關於新材料的發展及控制應用,用於長晶的許多材料知識以及材料研發新方法如機器學習、第一原理計算等在此二環節都有用處,整合後可以充分發揮綜效。

生產SiC晶圓雖然目前是知識及經驗密集的產業,但是其生產設備並不昂貴。如果有足夠的know-how,1億美元已足以支持一家有足夠規模經濟的新創公司。Affordable investment是半導體廠願意向上整合至原物料供應環節的原因之一。

另一個誘因也是短期因素,卻對此時發展碳化矽功率元件是生死交關的事。碳化矽晶圓由於長晶速度慢、缺陷率高,晶圓供應遠遠無法滿足需求。取得碳化矽晶圓是現在進入汽車功率元件市場的起碼門票。

所以在半導體產業內,由功率元件的晶圓製造整合進碳化矽晶圓製造(原物料)也是汽車半導體的另外一個趨勢,這個趨勢以前在半導體產業未有先例。這也意味著藉由奈米科技的製程演進、異構整合之外,材料科學將逐漸變成半導體另外一個主要的增值環節。

汽車產業向上垂直整合至晶圓廠、封裝模組廠,以及功率元件整合元件廠(IDM)向上垂直整合至第三代半導體的長晶廠,此二趨勢對台灣半導體產業都有負面影響,不管是代工或IDM公司。前者是顧客自己做產品了,雖然它們的產品也賣不到其他汽車公司,但是市場總是減少了;後者是台灣尚無進入量產的第三代半導體長晶公司,在生產功率元件上因為缺原物料貨源,台灣功率元件公司相對吃虧。應對此二趨勢造成的負面影響要有戰術,更要有總覽全局的戰略。

材料科學在半導體產業中已經開始成為主要的增值手段之一,譬如深奈米元件中的二維材料應用。碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)自然也是利用新材料的寛帶隙性質來創造元件新價值。未來的寛帶隙材料可能還有氧化鋁、鑽石、氮化硼、二氧化矽等,而這些高功率元件的封裝也需要運用新材料。

美國和中國都有國家級的全面材料資料庫(MGI;Material Genome Initiative)以供企業使用,台灣沒有辦法做到這麼廣泛周全,但是起碼建立半導體相關材料(矽、化合物半導體、寛帶隙半導體、二維材料、髙介電值材料、連線材料等)的能帶圖、電性、熱性、傳導性質、介面性質等的材料資料庫以利材料應用及製程開發,這聚焦於有限材料的資料庫應該做得到的。

這是制高點的戰略部署,產業基礎共同設施的建設可以長期嘉惠整個產業鍊。資料庫再加上現代的材料開發工具如第一原理計算、機器學習等可以讓台灣快速拉近與過去發展彌久的第三代半導體長晶圓公司的距離。

如果認為現在半導體水平分工的現狀有利於台灣半導體產業的存活與發展,那麼對於新興的汽車半導體零件、模組應該開始努力推動零組件產業公定規格,像JEDEC之於DRAM,而且不一定要處於主導地位。

想想台灣的電腦業及零組件業怎麼發家的?關鍵字是「IBM compatible」以及「公板」。有了產業公定規格,系統與零組件的溝通就算完成,垂直整合的優勢不再,零件IDM廠商就可以繼續發揮零組件製造及硏發的規模優勢。這是台灣過去電子產業及半導體產業興起的生態環境,存在產業公訂規格就能造就有利的生態環境。

故技仍可重施,但是時間窗口有限。等到汽車廠整合晶圓廠成為業界常模,這就是一個長久的殊死搏鬥了。另外,缺晶片的這2、3年也是講話可以大聲的時刻。這只是戰術,但是有效的機率頗高。

最後談談不是突發奇想的另類思考。如果汽車整合晶圓廠終須發生呢?台灣汽車廠極少,照抄的機會也不大,但是如果是由大型的電子系統公司來主導,輔以台灣強大的半導體及汽車零組件能力,未必沒有機會與之一搏。畢竟要處理的是越來越多的半導體元組件,而這我們在行。雖說有大汽車公司放話說汽車產業不是高科技產業闖進來的小屁孩能搞定的,但是讓汽車公司經營經營晶圓廠?聽起來也沒簡單到哪裡去。

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