华虹宏力,电动智慧汽车核“芯”机遇

在日前深圳举行的第八届年度中国电子ICT媒体论坛暨2019产业核技术展望研讨会上,来自华虹宏力战略、市场与发展部的李健,和大家探讨了电动智慧汽车所孕育的新机遇,同时详细讲述了相关工艺及未来布局。

汽车电动化后带来哪些新机遇?

纵观全球半导体历史,整个产业是震荡向上的走势。基于1985到2018年间的全球半导体销售额,叠加不同的参数,看看引领每个时间段的明星产品到底是什么?

从台式电脑到智慧汽车

1992年到2000年,是网络经济和计算机的爆发年代,这个年代的明星产品就是台式电脑。

2000年以后,遭遇互联网经济泡沫破灭,隔年又有911袭击,拖累经济快速下滑,半导体也不能幸免地进入第一次相对比较大的衰退期。在这个时候美国政府做了两个事情,一个是货币宽松,另一个就是反恐战争,希望借此刺激经济复苏。货币宽松政策使得热钱流向新兴市场,经济持续上升,半导体产业也受惠于此,在复苏之后不断地上扬。2000年到2008年这个时间段里,最有代表性的半导体应用市场是功能手机。

2008年前后,碰上金融危机,经济再次下滑,半导体依然不能幸免。随后,奥巴马一上台就搞了四轮量化宽松,同期,中国有四万亿的基建刺激,因此,这一轮的经济危机只持续了一年,就快速恢复,半导体产业也再次进入繁荣期,震荡向上。这个时期,即2008年到2016年期间,最有代表性的明星产品就是人手一部的智能手机。

特朗普,一上台就搞了大规模的减税,同时中国也在搞供给侧改革淘汰落后产能,这对半导体产业形成史无前例的支持。细看数据,2016到2018年,整个半导体产业的增长率是空前的,20%以上的增长。在这个年代,以及往后再推十年,大量的新技术出现,5G、人工智能、互联网、大数据、云计算等等这些技术不会单一存在,它们需要一个实际的产品作为载体来展示这些技术。

2017年开始,智能手机已显疲态,能够担任多技术融合载体、拉动半导体快速上扬重任的就是未来的智慧汽车。为什么?首先汽车电子化是大势所趋。从汽车的成本结构来看,未来芯片成本有望占汽车总成本的50%以上,这会给整个半导体带来巨大的市场需求。其次,汽车虽然是个传统的制造业,但却是能让人热血沸腾的制造业。只有汽车与这些令人热血沸腾的词语最搭,因为汽车产业承载了人类的梦想。最早从马背上开始,人就希望跑得更快,去更遥远的地方去探索。汽车,经久不衰,除了承载人类梦想,还承载了我们的创造力,同时也极具美学价值和工匠精神。

当传统的汽车制造业遇到当今的半导体,就像千里马插上翅膀,会变成下一个引领浪潮的“才子”。半导体为智慧汽车带来冷静的头脑,如自动驾驶处理器、ADAS芯片等,同时也带来更强壮的肌肉、让千里马跑得更快,即大量的功率器件,比如MOSFET。这也就是电动汽车里面所蕴含的新机遇。

2020年,国内新能源车的销售目标是200万台,全球是700万台,是一个非常大的市场。有别于传统车,新能源车里面有电机、电池、车载充电机、电机逆变器和空调压缩机,这些都需要大量的功率器件芯片。电动化除了车辆本身的变化之外,还给后装的零部件市场也带来新的需求,同时配套用电设施,比如充电桩,也带来大量的功率器件需求。

电动汽车中功率芯片的用途非常广泛,启停系统,DC/DC变压器,DC/AC主逆变器+DC/DC升压,包括发电机,还有车载充电机等。以时下很热的IGBT来说,电动汽车前后双电机各需要18颗IGBT,车载充电机需要4颗,电动空调8颗,总共一台电动车需要48颗IGBT芯片。如果2020年国内电动汽车销量将达到200万台,后装维修零配件市场按1:1配套计的话,粗略估算国内市场大概需要10万片/月的8英寸车规级IGBT晶圆产能(按120颗IGBT芯片/枚折算)。基于国内电动车市场占全球市场的1/3,2020年全球汽车市场可能需要30万片/月的8英寸IGBT晶圆产能!除了汽车市场,IGBT在其它应用市场中也广受欢迎,业内有看法认为还需要新建十座IGBT晶圆厂,我觉得此言也不虚。

华虹宏力的核“芯”工艺技术

在功率器件方面,华虹宏力主要聚焦以下4个方面。一是Trench MOS/SGT,即低压段200伏以下的应用,如汽车辅助系统应用12V/24V/48V等。二是超级结MOSFET工艺(DT-SJ),涵盖300V到800V,在汽车应用中主要是汽车动力电池电压转12V低电压,以及直流充电桩功率模块。三是IGBT。IGBT在电动汽车里面是核心中的核心,主要是在600V到3300V甚至高达6500V的高压上的应用,如汽车主逆变、车载充电机等。四是GaN/SiC新材料,这是华虹宏力一直关注的方向。未来五到十年,SiC类功率器件会成为汽车市场的主力,主要是在电动汽车的主逆变器,和大功率直流快速充电的充电桩上。
    华虹宏力从2002年开始自主创“芯”路,是全球第一家关注功率器件的8英寸纯晶圆厂。2002年到2010年,陆续完成先进的沟槽型中低压MOSFET/SGT/TBO等功率器件技术开发并量产;2010年,高压600V到700V沟槽型、平面型MOSFET工艺开发完成,并进入量产阶段;2011年第一代深沟槽超级结工艺进入量产阶段,同年,1200V沟槽型NPT IGBT工艺也完成研发进入量产阶段;2013年,第2代深沟槽超级结工艺推向市场,同时600V到1200V沟槽场截止型IGBT(FDB工艺)也成功量产……经过多年研发创新和持续积累,华虹宏力得以有节奏地逐步推进自主创芯进程。截至2018年第4季度,作为全球最大的功率芯片纯晶圆代工厂,华虹宏力8英寸MOSFET晶圆出货已超过700万片。

在华虹宏力,硅基MOSFET是功率器件工艺的基础,后续工艺都是基于这个工艺平台不断升级、完善。沟槽型MOS/SGT适合小于300V电压的应用,华虹宏力致力于不断地减少其pitch size,提升元胞密度,降低导通电阻,用持续领先的优异品质、稳定的良率赢得客户的赞誉。在对可靠性要求极为严格的汽车领域,华虹宏力的MOSFET产品已通过车规认证,并配合客户完成相对核心关键部件如汽车油泵、转向助力系统等的应用。
    相比基础的硅基MOSFET,超级结MOSFET(DT-SJ)则是华虹宏力功率器件工艺的中流砥柱。超级结MOSFET最显著特征为P柱结构,华虹宏力采用拥有自主知识产权的深沟槽型P柱,可大幅降低导通电阻,同时,在生产制造过程中可大幅降低生产成本和加工周期。超级结MOSFET适用于500V到900V电压段,它的电阻更小,效率更高,散热相对低,所以在要求严苛的开关电源里有大量的应用。
    华虹宏力在超级结MOSFET已探索多年。2011年,第一代超级结MOSFET工艺开始量产;2013年,通过技术创新,减小pitch size,降低结电阻,推出第二代超级结MOSFET工艺; 2015年,进一步优化,推出2.5代超级结MOSFET工艺;2017年,第三代超级结MOSFET工艺试生产。相比前代的平面型栅极,第三代在结构上有了创新,采用的是沟槽栅的新型结构,有效降低结电阻,进一步缩小pitch,技术参数达业界一流水平,可提供导通电阻更低、芯片面积更小、开关速度更快和开关损耗更低的产品解决方案。总体来看,华虹宏力的超级结MOSFET工艺每两年就会推出新一代技术,用单位面积导通电阻来衡量的话,每一代新技术都会优化25%以上,持续为客户创造更多价值。值得强调的是,深沟槽型超级结MOSFET是华虹宏力自主独立开发、拥有完全知识产权的创“芯”技术。
    硅基IGBT芯片在华虹宏力的定位是功率器件的未来。硅基IGBT在电动汽车里是核“芯”中的核心,非常考验晶圆制造的能力和经验。目前,基本上车用IGBT是在600V到1200V电压范围。从器件结构来看,IGBT芯片正面类似普通的MOSFET,难点和性能优势在于背面加工工艺。国内能加工IGBT的产线,不管6英寸还是8英寸,都比较少,能为IC设计公司提供代工服务的产线就更少了。华虹宏力是国内为数不多可用8英寸晶圆产线为客户代工的厂商之一。
    IGBT晶圆的背面加工需要很多特殊的工艺制程。以最简单的薄片工艺来说,一般正常的8英寸晶圆厚700多微米,减薄后需要达到60微米甚至更薄,就像纸一样,不采用特殊设备会弯曲而无法进行后续加工。华虹宏力拥有背面薄片、背面高能离子注入、背面激光退火以及背面金属化等一整套完整的FS IGBT的背面加工处理能力,使得客户产品能够比肩业界主流的国际IDM产品。
    简单来说,华虹宏力IGBT相关工艺的量产状态为,早期以1200V LPT、1700V NPT/FS为主;目前集中在场截止型工艺上,以600伏和1200伏电压段为主;未来方向的3300V到6500V高压段工艺的技术开发已经完成,正与客户在做具体的产品验证。
    再介绍下宽禁带材料方面,尤其是GaN和SiC。未来10到15年,宽禁带材料的市场空间非常巨大。宽禁带材料本身优势非常明显,但目前来讲,可靠性上还有待进一步的观察。简单地将宽禁带两个材料按照不同维度列表对比可见,从市场应用需求来讲,SiC的市场应用和硅基IGBT完全重合,应用场景明确;GaN则瞄准创新型领域,如现在流行的无线充电和未来无人驾驶LiDAR,应用场景存在一定的变数。从技术成熟度来讲,SiC二级管技术已成熟,MOS管也已小批量供货;而SiC基GaN虽然相对成熟,但成本高,Si基GaN则仍不成熟。从性价比来讲,SiC的比较明确,未来大量量产后有望快速拉低成本;而GaN的则有待观察,如果新型应用不能如期上量,成本下降会比较缓慢。

华虹宏力的创“芯”未来

华虹宏力是一家专业的功率器件代工厂,也是中国大陆第一家提供沟槽型功率器件(包括MOS/DT-SJ和IGBT)的。华虹宏力功率器件的年销售额超过3亿美元,共有4座晶圆厂,其中无锡项目是12英寸。
    作为全球领先的特色工艺纯晶圆代工企业,华虹宏力专注于嵌入式非易失性存储器(eNVM)、功率器件、模拟及电源管理和逻辑及射频等差异化工艺平台,目前月产能可以达到17.4万片(以200mm晶圆计,下同)。具体来说,华虹一厂、二厂和三厂都在上海,其中一厂月产能6.5万片,先进节点为95纳米;二厂月产能5.9万片,是功率器件主要生产基地,先进节点为0.18微米;三厂的月产能为5万片,先进节点为90纳米;七厂是在建的华虹无锡12英寸晶圆厂,预计今年投产,最先进的技术节点是65/55纳米,这也标志着华虹宏力踏上12英寸新征程。

回顾全球半导体产业发展趋势图可见,半导体产业的发展和整个世界经济发展相对一致。世界经济发展是有一定的周期性的,从经济的繁荣到泡沫出现而后破灭,再到衰退,出现刺激政策,获得复苏,再进入下一轮的繁荣,周而复始。也就是说,在一个完整的经济周期里,一定是宽松和紧缩如影随形,即宽松之后会有紧缩,紧缩之后必有宽松。宽松还是紧缩是通过货币利率来调节的。因此,我们叠加了国际主流货币美元的利率,看看能否找寻到一些规律,对预判整个产业走势有一定的参考。
在90年代初,美联储最高利率达到9.1,然后快速降息,在克林顿上台的时候就降到3%左右,回看这个阶段,可说是经济长期增长的缓慢起步阶段。从90年代到2000年的时候,美联储逐步加息,在2000年时快速加息到6.5%,以图抑制经济过热的现象但这一收,经济热度应声而降,半导体也在2000年遭遇第一次大幅回撤。为了刺激经济,美联储不得不把利率由6.5%快速降到1%,世界经济又开始触底反弹回升。同样的故事不断循环,过热又要开始加息,抑制到4.75%时,时间点到了2008年,第二次大规模衰退开始。没办法就走老路子,转而降息,同时叠加量化宽松,拉动全球半导体继续上扬。2015年美联储开始加息,到现在已经从0%加到2.5%。

前面的周期性加息行为都拖累半导体遭遇比较大的衰退,这次的加息会不会造成同样后果呢?直观来看,从第一个利息高点9.1%到第一次衰退爆发时候的6.5%,下降了28%;从6.5%到4.75%造成第二次衰退的时候,下降了27%。简单推算的话,第三次衰退降息达到比上一个高点低26%的时候,也就是美联储利息加到3.5%的时候,有可能会面临再一次的衰退。如果美联储2019年不加息的表态可信,单次加息幅度和间隔也沿袭惯例,预估需要一到两年的时间可达到3.5%,即可能到2021年会有一轮新的较大的衰退。这是需求端的趋势,那供给端呢?从对中国大陆6英寸、8英寸、12英寸现有产能和计划增长的统计来看, 2018年可用于功率器件的产能为55万片/月(等效于8英寸,下同),而2023年将增长到120万片/月,增长率达到惊人的118%,翻倍不止。当需求端有比较大的下滑时,供给端却有很大幅的增长这时候就容易产生危机。

华虹宏力对这样的未来,有何应对之策?公司的整体战略依然是坚持走特色工艺之路,也就是坚持“8+12”的战略布局。8英寸的战略定位是“广积粮”,重点是在“积”这个字上。华虹宏力有超过20年的特色工艺技术积累,包括功率器件、Flash技术等等;同时这20余年来积累了很多战略客户合作的情谊;连续超过32个季度盈利的赫赫成绩,也为华虹宏力积累了大量的资本。正因为有这些积累,华虹宏力可以开始布局12英寸先进工艺。12英寸的战略定位是“高筑墙”,重点是在“高”字上。华虹宏力将通过12英寸先进技术,延伸8英寸特色工艺优势,拓宽护城河,提高技术壁垒,拉开与身后竞争者的差距。

目前,华虹宏力正通过技术研发,将特色工艺从8英寸逐步推进到12英寸,技术节点也进一步推进到90纳米以下,比如65/55纳米,以便给客户提供更大的产能和先进工艺支持,携手再上新台阶。总结来说,只有积累了雄厚的底蕴,才能够在更高的舞台上走得更稳,即使当时会有一些危机发生。

回顾两个衰退期可见, 2000年第一次衰退时,仅一年半的时间就到了低谷,花了两年时间就已经回到了前期高点,加在一起才三年半;2008年第二次衰退的时候,衰退期两年,恢复更快,一年就恢复了,一起也就是三年左右。借此表达一个观点:整个半导体产业仍然是非常健康的震荡上行,即使以后碰到危机,没有什么关系,跌倒了爬起来就是了。



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生产日期:2019/4/17
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