押注第三代半导体，汽车半导体大厂拥抱电气化大潮

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现在，越来越多的汽车制造商正在押注押注 SiC 和 GaN，碳化硅和氮化镓等宽带隙功率半导体，这些物质可减小组件尺寸、提高效率并改善混合动力和全电动汽车的性能。所以向上传导之后，芯片制造商正在转变他们的业务，以便赶上电动汽车市场的爆炸式增长。

在最近举行的先进汽车技术论坛的电动汽车宽带隙半导体小组会议上，行业专家纷纷讨论了解决 GaN 和 SiC 当前挑战和未来机遇的努力，其中有一些趋势变化值得我们留意。

车辆电气化已是大势所趋

在清洁能源领域，电动汽车市场是迄今为止最具活力的。2012 年全球售出了大约 130,000 辆电动汽车。而到了今天，这仅是一周内售出的电动汽车数量。

2020年以来，新冠大流行严重影响了传统汽车市场，但并未抑制电动汽车的销售。国际能源署(IEA) 的最新数据显示，2019 年电动汽车销量为 220 万辆，2020 年为 300 万辆，而电动汽车销量在 2021 年翻了一番多，达到 660 万辆，占全球汽车市场的近 9%。2021年全球汽车销量的净增长均来自于电动汽车。

根据 IEA 的数据，在政府补贴和其他激励措施的推动下，中国在 2021 年引领了全球电动汽车市场的增长，销量几乎翻了三倍，达到 340 万辆。特别是中国，其政府的官方目标是到 2025 年，电动汽车的市场份额要占到 20%。

作为欧洲绿色协议的一部分，欧盟为自己设定了到 2050 年实现中立的雄心勃勃的目标，并决定在 2035 年后禁止销售新的化石燃料汽车。事实上，欧盟的电动汽车销量增长近 70%，销售额达230 万。而这一切仅仅只是开始。

从产业链来看，不仅汽车制造商急需适应并跟上电动汽车的普及率，电源芯片供应商也正在争先恐后地进入，来满足对车载充电器、牵引逆变器和 DC/DC 转换器等 EV 动力总成组件的需求。

但随之而来的问题是，面对半导体短缺，电气化是否为一条可持续的出路？

“如果想让产品车辆电气化，这不能在一年内做到，而是需要五到十年，”Onsemi表示。“原始设备制造商正在签订长期协议——不仅是商业协议，还有技术协议。客户想知道制造商的发展路线图，了解从现在起三年后比电阻的品质指数会达到什么程度。因为一旦今天客户购买了某种性能的芯片，未来就肯定需要更新他们产品的电源模块。”

而从战略来看，Onsemi 的生产布局也验证了这点，其 SiC MOSFET 和 SiC 二极管目前用于电动汽车，并且与世界各地的汽车 OEM 都有合作项目。

“毫无疑问，碳化硅晶圆短缺阻碍了新能源车市场的增长，”意法半导体 (ST) 功率晶体管宏部门战略营销经理也表达了类似的观点。为解决全球产能限制并实现基板设计和内部生产，ST 在 2019 年底以 1.375 亿美元收购了瑞典 SiC 晶圆制造商 Norstel。

当然，建立大批量基板产能仍需要时间，DiGiovanni 表示 ST 已经与合作伙伴签署了“价值数亿美元的大型战略供应合同，以获得连续性和获得基板的机会。”目标是到 2025 年“至少有 40% 的基板需求在内部生产”。

在目前这个充斥多重不确定因素的时期，建立制造和供应链的弹性是当务之急。显然，全球对汽车半导体的需求，主要集中在两个地区，对此ST表示：“我们的产能增长非常快，在非常靠近中国的新加坡设有第二家生产工厂……并在非常靠近欧洲的地方引进了第二条装配线，即摩洛哥的卡萨布兰卡。”

类似的，汽车半导体大厂Nexperia还倾向于采用双重采购方法来降低供应链风险。“在汽车行业，一般客户都需要双重采购来确保货源，这就是我们同时在欧洲和远东驻扎的原因，”Nexperia 的功率 GaN 技术战略营销总监表示。

制造商向8英寸晶圆过渡

下一代电动汽车将需要满足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等严格要求的技术。SiC 和 GaN 功率半导体为汽车制造商提供了颇有前景的解决方案，从技术上来说，这也促使了技术上的升级，即从 150 毫米（6 英寸）到 200 毫米（8 英寸）晶圆生产过渡。

尽管扩大晶圆的制造尺寸能明显降低组件的单位成本，但它在消除生产缺陷和提高所交付半导体的良率方面，也提出了重大挑战。

去年7 月，意法半导体宣布已在其位于瑞典诺尔雪平的工厂制造了第一批 8 英寸 SiC 体晶片，用于下一代功率器件的原型设计。该公司声称，首批投产的晶圆拥有“高质量，对产量的影响和晶体位错缺陷最小”等优势。

ST 目前在其位于卡塔尼亚和宏茂桥（新加坡）的工厂的两条 6 英寸晶圆线上生产 STPOWER SiC MOSFET，并在其位于深圳和 Bouskour的后端工厂进行组装和测试。“我们现有的处理 6 英寸晶圆的设备，也可以处理 8 英寸晶圆，”ST相关高管表示，“（产线）切换到8 英寸会很顺利，而这并不意味着要购买全新的设备。”

同样地，Onsemi 目前主要生产 6 英寸晶圆，因为“这是市场标准”。但公司也在2021 年 11 月收购了 GT AdvancedTechnologies (GTAT)，用来扩大 GTAT 的制造设施，支持研发工作以推进 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶体生长技术。“GTAT 正在研究 8 英寸晶圆的生产，我们已经在测试材料，”Onsemi表示，“这不是一次轻松的调整，但这是必要的，我们都需要 8 英寸晶圆。”

而GaN晶圆生产也正在转向8英寸。

“GaN晶圆目前多采用 6 英寸，但我们计划将其转换为 8 英寸，我们相信产量的增加和我们的 8 英寸过渡将与我们在市场上看到的时间表兼容，”Nexperia相关高管说。

另一方面，英飞凌和松下最近宣布，它们正在开发第二代 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆，将于 2023 年推出。

同样，总部位于中国苏州的Innoscience 有两个晶圆厂专门用于制造 8 英寸 GaN-on-Si 器件，并生产适用于各种应用和电压的常关（e 模式）GaN 器件——低电压（低至 30 V ) 和高电压（高达 650 V）。Innoscience 表示，目前的产量为每月 10,000 片，但到今年年底将达到每月 14,000 片，到 2025 年将达到每月 70,000 片。

总结

根据英国研究公司IDTechEx 的数据，每辆电动汽车对半导体的需求约为内燃机汽车的 2.3 倍。到 2022 年，按照目前的发展趋势，并假设如果没有供应方面的限制，IDTechEx 预测，与没有电气化的情况相比，汽车行业的电气化（BEV、PHEV、FCEV、HEV、48 V）将需要额外价值 74 亿美元的半导体材料。

“市场正在经历一场革命，市场第一梯队的角色被完全重新定义，”onsemi 汽车牵引解决方案总监的观点正适合作为本文的总结，“半导体厂商正面临一个很好的机会，来强化自身并抢占优势领域，因为这一切都与半导体所制造的车辆系统有关。”

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