导体市场冲高回落，IDM模式赋能三代半一枝独秀

导语

9月，消费类需求缩减，砍单频繁，部分IC设计公司甚至削减了晶圆代工订单量或下调产能，但欧美模拟芯片IDM（垂直整合制造）同步企业德州仪器、NXP、ST、ADI均表示汽车和工业需求依然强劲。

最近，Omdia《半导体市场竞争格局追踪（Competitive Landscape Tracker）》报告显示，2022年第二季度半导体市场收入首次下滑，增长进一步疲软。2022年第二季度半导体市场收入为1581亿美元，相比2022年第一季度的1612亿美元下降1.9%。在此之前，半导体行业已接连增长8个季度，出现了有史以来持续时间最长的连续增长。

图1：半导体总收入连续增长

Omdia高级研究分析师Cliff Leimbach表示：“ 2022年第二季度半导体市场收入下降，使其成为Omdia跟踪该市场20年来二季度表现中的倒数第三。出现季度营收下滑之前，居家工作和网课等"宅经济"使需求出现了前所未有的增长。考虑到半导体市场的周期性，我们预计，经过2022年剩余时间以及2023年上半年调整，半导体市场将回归正常。”

2020年1月，Future Horizons公司的首席执行官和创始人Malcolm Penn曾说：“对于那些神经很强的人来说，芯片看起来是一个不错的长期选择。”但是，9月他预测，2022年全球芯片市场增长率降低至4%，2023年将出现22%的萎缩。

目前，在缺芯严重的汽车赛道，2021年中国芯片自给率只有5%。SEMI预计，到2028年，全球汽车电子市场规模将突破4000亿美元，这对受困于消费电子市场下滑正在进军全球汽车电子市场的芯片厂商来说是机遇也是挑战。

特别是不能忽略一个高速增长的赛道——电动汽车带来的功率半导体增长，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体正在的逆势而上。恰恰是需求殷切，今年以来，各路厂商竞相投资扩大产能。

投资扩产龙头效应显现

10月初，欧洲建第一家碳化硅外延衬底制造工厂落户西西里，IDM模式继续深化。这家欧洲首次大规模生产6英寸制造设施由ST公司（意法半导体）建设，与ST现有的碳化硅器件制造设施位于一地，集成了生产流程中的所有步骤，未来将开发8英寸晶圆生产。卡塔尼亚工厂预计将于2023年开始生产，实现内部和商业供应之间碳化硅衬底的平衡供应。

图2：ST卡塔尼亚创新基地

卡塔尼亚长期以来一直是ST的重要创新基地，也是最大的碳化硅研发和制造运营基地，为开发新的解决方案、生产更多更好的碳化硅器件做出了贡献。

得益于欧盟的高瞻远瞩，这项投资将完善ST乃至欧洲功率电子方面的生态系统，包括ST与不同利益相关者（大学、意大利国家研究委员会、设备和产品制造公司）之间的长期成功合作，以及庞大的供应商网络，将加强卡塔尼亚作为碳化硅技术和进一步增长机会全球竞争力中心的作用。

作为碳化硅业务垂直整合战略的关键一步，ST碳化硅衬底制造工厂将支持其客户在汽车和工业应用中对碳化硅器件日益增长的需求，为正在向电气化过渡提供更高的效率。该项目也是推动ST的碳化硅业务垂直整合战略的关键一步。据悉，五年内的7.3亿欧元投资将由意大利国家复苏和恢复计划框架提供财政支持。

ST总裁兼首席执行官Jean Marc Chery说：“我们正在改变全球制造业务，增加3亿美元的制造能力，并大力关注宽禁带半导体，以支持其20多亿美元的收入雄心。我们正在卡塔尼亚扩大业务，卡塔尼亚是我们的功率半导体专业知识的中心，我们已经在那里集成了碳化硅的研究、开发和制造，包括强大合作意大利研究实体、大学和供应商，”他补充说：“这一新设施将是我们在碳化硅垂直整合的关键，随着我们进一步提高产量，支持汽车和工业客户转向电气化和更高效率，这将加强我们的碳化硅衬底供应。”

而在2022年3月，8英寸碳化硅制造龙头企业Wolfspeed购买AIXTRON外延设备，旨在推进8英寸碳化硅产能爬坡。Wolfspeed将在其生产设施中采用AIXTRON的8英寸行星式反应器（Planetary Reactor）技术，用于制造基于碳化硅的MOSFET和肖特基二极管功率器件。

图3：AIXTRON的8英寸行星式反应器

Aixtron的下一代8英寸碳化硅外延系统名为G10-SiC，其目标是量产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。这款高温CVD系统最近刚刚在瑞士达沃斯国际碳化硅及相关材料会议（ICSCRM）上发布。

G10-SiC系统建立在成熟的G5 WW C 6英寸平台之上，并提供9×150和6×8英寸的灵活双晶圆尺寸配置。这一特性有助于碳化硅行业从6英寸直径晶圆过渡到8英寸直径。

新平台围绕Aixtron的自动晶圆盒到盒装载解决方案构建，能够实现高温晶圆转移。结合高增长率工艺能力，G10-SiC可提供一流的晶圆产量和每平方米良率，有效利用半导体工厂中有限的洁净室空间。

Aixtron G10-SiC支持多种器件结构，包括单漂移层结构和双漂移层结构，满足严格的6英寸均匀性要求，即掺杂和厚度sigma值小于2%。自动晶圆装载可将颗粒缺陷的风险降至最低，典型缺陷数＜0.02/cm2。

Aixtron碳化硅副总裁Frank Wischmeyer博士说：“这是真正的新一代高性能系统。新的双晶圆尺寸配置完全支持从今天的6英寸晶圆技术过渡，并保障了客户对未来的投资。凭借迄今为止在这种外形尺寸下的最高吞吐量，它最大限度地提高了晶圆厂的生产力和性能，使之更快地提升。”

对此，Wolfspeed首席执行官Gregg Lowe说：“对于碳化硅解决方案的需求持续加速增长，主要是由汽车、工业和能源应用从硅技术转向碳化硅技术所推动。我们的继续投资是为了提高产能并利用碳化硅的优势，为市场提供更大的供应量。”

据了解，Wolfspeed目前正在推进其位于美国纽约州莫霍克谷（Mohawk Valley）的自动化8英寸碳化硅晶圆厂的建设与产能提升。

2022年4月，Wolfspeed莫霍克谷的全球首座8英寸碳化硅工厂盛大开业，采用前沿技术助力推进诸多产业从硅基产品向碳化硅半导体转型。除了纽约州州长Kathy Hochul莅临现场，重要汽车客户Lucid Motors产品高级副总裁兼首席工程师Eric Bach也应邀出席。两家公司已签订多年碳化硅器件供应协议。

Wolfspeed总裁兼首席执行官Gregg Lowe表示：“莫霍克谷工厂的开业将不仅仅在2022年为客户带来更多供应，更将会支持我们长期的竞争力。”

图4：Wolfspeed总裁兼首席执行官Gregg Lowe

据介绍，这座全自动新工厂是全球首座且最大的8英寸碳化硅工厂，具有毫不妥协的高品质晶圆和更高良率，对于满足Wolfspeed 200亿美元销售管道和全球半导体产业需求至关重要。其首批碳化硅器件已在4月开始制造。

图5：Wolfspeed的碳化硅器件

Gregg Lowe指出，碳化硅已经成为许多最为快速增长市场满足“绿色复苏”的重要催化剂，并助力雄心壮志的企业更好地达到雄心勃勃的碳排放要求。数据中心、电动汽车、5G基础设施、可再生能源和储能系统、工业电机、暖通空调、以及所有其他需要采用半导体芯片的应用，它们的能源效率都可以通过采用碳化硅来实现优化。

他表示，碳化硅的需求正在快速增长，并且远超预期。这很大一部分原因是由于电动汽车市场爆发式增长所带动的。采用碳化硅的电动汽车可以支持更高电压工作，提高功率密度，提升效率。这些优势，帮助汽车制造商们可以在更低成本的条件下实现更轻量和更宽敞的车型设计，与此同时还为消费者带来更长的续航里程和更快的充电时间。电动汽车只是碳化硅的应用之一，但电动汽车的全球年度销售总量预计将会很快达到1000万辆。这是一个巨大的市场，并且是碳化硅器件需求的风向标。

Wolfspeed承诺投资10亿美元用于扩大运营，在纽约州这座晶圆工厂建设的同时，Wolfspeed在北卡罗来纳州达勒姆的材料工厂也在推进之中，这将在美国东海岸打造碳化硅走廊。“我们对于业务的投入是友商们的近四倍，可以更好地满足快速提升的客户需求。”他说。

投资10亿美元，莫霍克谷制造工厂占地面积达到了674,000平方英尺，并拥有150,000平方英尺的洁净室。再加上达勒姆的运营扩张，到2024年，碳化硅晶圆和器件产能将从2020年的水平提高30倍。

达勒姆工厂主要制造8英寸碳化硅晶圆，单片晶圆可制造芯片数量更多，有助于降低器件成本。该工厂一期建设预计将于2024年完成，成本预计13亿美元。2024年后，公司还将根据需求扩大额外产能，预计最终占地面积445英亩，建成超过100万平方英尺的工厂。

左手剥离右手买入

2022年3月，安森美（onsemi）CEO Hassane El-Khoury在接受采访时表示：“未来汽车、工业等领域对半导体基础设施的需求越来越大，智能电源和智能感知技术是重要的赋能技术，汽车一直是安森美的重点战略市场之一，这在2021年第4季度收入中的占比达35%，未来将加大投入以满足需求。”

同时，安森美与Diodes Incorporated签署一份最终协议，剥离在美国缅因州南波特兰的8英寸模拟芯片晶圆厂。该工厂拥有85,000平方英尺的洁净室，采用0.18μm至1.5μm工艺生产模拟CMOS、BCDMOS、双极、SiC外延片。

此前的2月，安森美将比利时Oudenaarde的晶圆制造厂出售给BelGaN。后者计划将原有6英寸晶圆厂改造成6英寸和8英寸的氮化镓（GaN）代工厂，目标市场包括汽车、移动、工业和可再生能源市场。Oudenaarde工厂是2008年安森美从AMI收购的，面积为44000平方米，工厂通过了车规级认证，每月可生产19000片6英寸晶圆。工厂有4300平米的洁净室空间，拥有大约250种前端制造设备，其中80%可转换为8英寸线，基于0.35μm-2μm的低压、中压和高压模拟CMOS和BCD技术。

之所以剥离一些“落后”产能，是因为安森美希望将主攻方向放在全球制造网络中更高效的晶圆厂，通过消除与已出售晶圆厂相关的固定成本和降低公司的制造单位成本来改善成本结构。

2022年5月，安森美公布破纪录的2022年第1季度业绩，Hassane El-Khoury表示：“我们的重点战略为利润率和增长带来了持续的成果，汽车和工业终端市场现在占我们收入的65%。我们的第1季度业绩创历史新高，收入同比增长31%，毛利率增长1,420个基点至破纪录的49.4%，突显了我们持续脱胎换骨的业务实力和产品价值。”

安森美自诩为目前世界上唯一提供从衬底到模块的“端到端”碳化硅方案供应商，包括碳化硅晶球生长、衬底、外延、晶圆制造、同类最佳的集成模块和分立封装解决方案。

图6：安森美的端到端碳化硅生产

安森美在碳化硅领域的领先地位基于生态系统的五大支柱。在2021年11月收购GT Advanced Technologies（GTAT）之后，安森美成为了全整合碳化硅制造商——制造碳化硅晶锭，然后切割成晶圆，并在每个晶圆顶部添加外延层，使每个器件具有适合应用的击穿电压和优化的电阻特性。然后是使用碳化硅平面技术加工外延晶圆，随后将裸芯封装成标准的碳化硅分立器件或碳化硅模块。安森美目前正从6英寸晶圆向8英寸晶圆迁移，对碳化硅生态系统的全面控制确保了对供应链的控制，同时也提高了终端产品的可靠性和性能。

图7：安森美碳化硅发展史

2022年8月，安森美位于新罕布什尔州哈德逊的碳化硅工厂的落成。该基地将使安森美到2022年底的碳化硅晶圆产能同比增加五倍。此扩张使安森美完全控制了碳化硅制造供应链，从粉末和石墨原料采购到封装好的碳化硅器件的交付。

安森美电源方案部执行副总裁兼总经理Simon Keeton说：“我们的端到端垂直整合方案在供应紧张的环境中是个引人注目的差异化竞争优势。为实现衬底产能的增长，我们已扩展到第二座大楼，并计划继续提升，使我们自己的前沿尖端的碳化硅晶圆能为客户产品所用。”

2022年9月，安森美在捷克共和国Roznov扩建的碳化硅工厂落成。事实上，从2019年开始，安森美就在原有硅抛光和外延晶圆及芯片生产基础上，增加了碳化硅抛光晶圆和碳化硅外延晶圆生产。由于原来的场地满足不了需求，去年开始再建新厂房，以进一步扩大晶圆和碳化硅外延晶圆生产。据介绍，未来两年，这一扩建将使该基地的碳化硅产能提高16倍。到目前为止，安森美在该基地的投资已超过1.5亿美元，并计划在2023年前追加投资3亿美元。

垂直整合生产体系的先驱

事实上，垂直整合制造早就是日企的经营模式，罗姆是这方面的典型代表，它叫“垂直统合型生产体系”。作为碳化硅领域的深耕者，罗姆从2000年就开始相关研发工作，2009年收购碳化硅衬底供应商SiCrystal，2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET，目前产品涵盖碳化硅SBD、碳化硅MOSFET和全碳化硅模组，其中碳化硅SBD、碳化硅MOSFET可以裸芯片形式供货。

2022年5月，罗姆集团旗下SiCrystal迎来了成立25周年纪念日。该公司总部位于德国纽伦堡，通过25年的发展，目前已将业务范围扩大到全世界，关键技术产品已广泛应用于世界各地的电动汽车中。

早在1997年，基于90年代初期埃尔朗根-纽伦堡大学的研究，成立了SiCrystal AG，并开始生产碳化硅晶圆。罗姆自2000年发现碳化硅半导体所带来的巨大优势以来，一直在推动SiC元器件的基础研究。

虽然业内对碳化硅半导体的优异特性已有普遍认知，但性能发挥和量产稳定性一度成为瓶颈。2009年罗姆收购SiCrystal，作为全资子公司将其迁至纽伦堡，罗姆也可以利用自有的生产体系完成从晶圆到元器件设计和封装的所有工序，确保进一步开发和生产体系所需的空间。正因为这一重要决定，使SiCrystal得以大规模生产功率电子领域用的晶圆。

图8：罗姆的垂直统合型生产体系

2022年7月，已经和罗姆开展了十多年的合作的德国公司赛米控将罗姆的第4代碳化硅MOSFET用于赛米控的车规级功率模块eMPack，开启了双方合作的新征程。第4代碳化硅MOSFET不仅短路耐受时间比以往产品更长，还实现了业界超低导通电阻，将其安装在车载主机逆变器中，有助于电动汽车延长续航里程和减小电池尺寸。

罗姆的先进碳化硅技术利用垂直统合型生产体系，能够为客户稳定供应高品质的节能产品。为满足不断增长的需求，SiCrystal也在计划大幅提高产能。

扩大应用端朋友圈，买买买

还有一类公司是以应用端为主，开发碳化硅功率器件和模块，提供给最终客户使用。英飞凌就是这样的公司，它自1992开始研究碳化硅，不断地进行技术打磨和沉淀，帮助新材料在新应用中快速成长。1998年，英飞凌在大批量硅功率生产线上进行2英寸硅片技术整合；2001年全球首家推出碳化硅二极管，开启碳化硅器件商用；2015年实现了碳化硅从4英寸转6英寸晶圆的生产；2017年，发布1200V碳化硅MOSFET；2018年收购Siltectra获得碳化硅晶圆冷切割技术；2019年发布1200V的车规级碳化硅MOSFET；2020年面向汽车行业公开发售碳化硅HybridPACK™ Drive模块和1200V IPM碳化硅模块；2022年投资超过20亿欧元（约144亿人民币）扩大碳化硅和氮化镓产能。

值得一提的是，为了解决碳化硅晶体材料价格高、切割损耗大的问题，2018年英飞凌收购的德国初创公司Siltectra带来了创新的冷切割技术（Cold Split），可有效处理晶体材料，并大幅减少材料损耗。

图9：碳化硅晶圆冷切割工艺

英飞凌将采用该技术切割碳化硅晶圆，使晶圆产出双倍的芯片数量，将有助于确保碳化硅产品的供应，特别是长期供应。随着时间的推移，冷切割技术可望进一步应用，例如晶锭分裂或用于碳化硅以外的材料。

为迎接碳化硅逆变器市将大爆发，近日，英飞凌与高意集团（II-VI）签署了一份多年期碳化硅（SiC）晶圆供应协议。英飞凌称，将以此进一步拓宽碳化硅这一战略性半导体材料的供应渠道，并满足该领域强劲增长的客户需求。该协议还将支持英飞凌的多源采购战略并提高公司的供应链弹性。目前首批货物已经交付。能这么快交付当然是当前市场主流的6英寸碳化硅产品。双方也将共同开发过渡至8英寸产品。

事实上，近年来英飞凌一直在实施多源采购战略，差不多一年签一家上游供应商，节奏之快令他咋舌。目前，英飞凌的CoolSiC™ 品牌已经成为目前业内最大的工业功率半导体应用产品组合。英飞凌预计，在本世纪二十年代前期，该公司的碳化硅半导体销售额将以超过60%的复合年增长率增长，到本世纪二十年代中期将达到约10亿美元。

图10：II-VI碳化硅衬底和外延晶圆

高意集团新风险投资和宽禁带电子技术部执行副总裁Sohail Khan表示：“英飞凌作为功率半导体市场的领导者是我们重要的合作伙伴。高意集团高度专业化的产品正在帮助英飞凌为全球主要客户提供创新的电子元器件。高意集团的碳化硅材料符合工业和汽车应用的高质量标准，有助于英飞凌开发适合各种应用的碳化硅器件。”

多重采购战略增加了供应链弹性，行业分析表明，英飞凌与美国高意集团签署的多年供应协议协议有助于支持英飞凌的多重采购战略，并增加其供应链的弹性。除了光伏转换器和工业电源之外，碳化硅的优势在电动车领域也特别明显，已被用于电动汽车传动系统的主要逆变器、车载电池充电装置和充电基础设施。作为战略合作伙伴，II-VI和英飞凌还将合作向8英寸碳化硅晶圆过渡。

早在2018年2月，英飞凌就与碳化硅巨头科锐公司（Cree，2021年10月更名为Wolfspeed）签署了一份碳化硅晶圆长期供货战略协议，以此拓展其碳化硅产品范围，满足诸如光伏逆变器和电动汽车等快速增长市场的需求。

由于英飞凌已将其所有碳化硅晶圆生产线转换为6英寸生产线，与科锐公司签署的这份协议仅涉及这个尺寸的晶圆。换句话说，6英寸碳化硅晶圆还是有点小，难以满足未来市场的需求。问题还在于，Wolfspeed也是碳化硅半导体器件市场的强有力竞争者，满足自己的材料需求是第一要务。

还有2020年11月，英飞凌与GT Advanced Technologies（GTAT）签署的五年碳化硅晶锭供货协议也是一个疑问，当时英飞凌工业功率控制事业部总裁Peter Wawer表示：“凭借我们现在签订的供应协议，我们保证能够以多样化的供应商基础满足客户快速增长的需求。GTAT的优质碳化硅晶锭将成为当前和未来满足一流标准的有竞争力的碳化硅晶圆提供额外来源。”

但是，还不到一年，这家大幅亏损并破产的GTAT就被安森美收购了。收购后的GTAT到目前都没有更多成功扩产的消息，英飞凌手中的长期供货协议能不能拿到之前说的产品也是个未知数。

图11：GTAT碳化硅长晶设备已在安森美名下

2021年5月，英飞凌与日本材料集团昭和电工（Showa Denko）就碳化硅晶圆供应达成为期两年的供应协议。英飞凌对年度最低购买量作出了承诺，这使得昭和电工能够对未来需求有更清晰的图景，从而制定相应的投资计划，而英飞凌也通过确保供应量解决了采购方面可能面临的问题。

写在最后

未来几年，随着汽车碳化硅用量的增加，除了供应链上游的整合，还有供货方面的竞争将愈演愈烈。反观国内三代半行业，真正在一家内形成完整产业链的公司仍然是凤毛麟角，是不是应该引起行业的足够重视呢？

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