中国加快铸造、功率半器件的发展

中国推出了几项促进国内半导体产业发展的举措，包括在代工、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)市场进行大规模的新工厂扩建活动。

这个国家正在大力推进所谓的“第三代半导体”，这是一个不恰当的称呼。该术语实际上指的是两种现有的和常见的功率半导体器件类型-氮化镓而且原文如此半决赛。不管名字是什么，中国在这方面正在奋起直追。此外，这个国家在前沿逻辑流程方面越来越落后。另一方面，中国在集成电路产业的其他领域继续取得快速进展。

中国是一个充满活力的复杂市场。首先，就消费而言，中国是全球最大的半导体市场。IBS首席执行官汉德尔·琼斯(Handel Jones)表示，2020年，中国占全球芯片销售额的53.7%，即2394.5亿美元。琼斯说，2020年，全球半导体市场规模达到4461亿美元，比2019年增长8.34%。据IBS称，2021年半导体市场预计将增长21.62%。

从中国的角度来看，这是个大问题。多年来，中国一直从跨国供应商进口很大比例的半导体，造成了巨大的贸易逆差。根据IBS的数据，2020年，跨国公司在中国注册的芯片销售总额为1997亿美元。据该公司称，这占中国芯片总销量的83.38%。中国的芯片供应商占了其余的份额。中国自己制造的芯片也只占很小的比例。

多年来，国家已经推出了一些措施来缩小差距，但这些努力都不够。现在，中国正在向国内集成电路产业投入1500亿美元，希望在开发和制造所有类型的芯片方面更加自给自足。即便如此，中国在寻求减少对外国供应商依赖的过程中仍面临着一系列挑战，而且可能永远无法实现其目标。

尽管如此，中国仍在扩张。据SEMI称，2021年，全球芯片制造商将开始建设19个新晶圆厂，2022年将再建设10个晶圆厂。据SEMI称，中国大陆和台湾在新晶圆厂建设项目方面处于领先地位，各有8个。中国还有几家晶圆厂正在建设中。

SEMI分析师克里斯蒂安·迪塞尔多夫(Christian Dieseldorff)表示:“我们目前有17家中资企业的晶圆厂，将于2021年至2023年开始建设。”迪塞尔多夫表示，中国芯片制造商的装机容量将从2020年的296万片/月增加到2021年的357.2万片/月。

中国半导体产业正在发生几件大事，包括:

• 中国最大的晶圆代工厂中芯国际(SMIC)推出了类似7纳米的技术，但尚不清楚该公司能否超越这一技术。
• 华虹、中芯国际、Wingtech和其他中国芯片制造商正在建设新的晶圆厂。
• 中国正在建设几家GaN和SiC晶圆厂。

然而，并非所有这些努力都是成功的。中国代工业的希望之星HSMC最近破产了。

中国的计划
中国在半导体领域有着悠久的历史。20世纪70年代，几家中国国有芯片制造商出现并开发了简单的晶体管，但它们没有竞争力。直到20世纪80年代，当政府开始对其半导体产业进行现代化改造时，这个国家才开始受到关注。在外国企业的帮助下，该国在20世纪80年代和90年代成立了几家芯片企业。

这些企业开发了逻辑和存储设备，但在技术上落后于西方。当时，西方对中国实施了严格的出口管制。跨国设备供应商被禁止向中国运送他们最先进的系统。

为了缩小差距，中国在2000年推出了其最先进的代工供应商——中芯国际。然后，从2000年代末开始，英特尔(Intel)、三星(Samsung)和SK海力士(SK Hynix)在中国建立了内存工厂，台积电(TSMC)和联华电子(UMC)也在中国建立了晶圆代工厂。

那时，中国已经成为一个大型电子产品制造基地。一夜之间，该国成为世界上最大的芯片市场。当时，中国的集成电路产业已经非常成熟，但中国的大部分芯片都是从跨国公司进口的。它自己生产的芯片比例也很小。

作为回应，中国政府在2014年拿出了数十亿美元的资金，推出了一项新计划。其目标是加快中国在14纳米工艺、存储器和封装方面的努力。

然后，在2015年，中国推出了另一项倡议，被称为“中国制造2025”。目标是在信息技术(IT)、机器人、航空航天、船舶、铁路、电动汽车、电力设备、材料、医药和机械等10个领域提高零部件的国产化。

中国在这些领域正在大步前进。但从2018年开始，一些倡议偏离了轨道，当时美国对中国制造的商品征收关税，发动了与中国的贸易战。中国作为报复。

一年后，美国将华为及其内部芯片部门海思半导体(HiSilicon)列入“实体名单”。美国禁止跨国公司和晶圆代工厂向华为和海思销售尖端芯片。

该地区的紧张局势已经升级。这反过来又促使中国加快了国内半导体的发展，希望能够更加自给自足。

与此同时，中国将目光投向了其他领域，比如纯电动汽车(bev)。根据TrendForce的数据，特斯拉是世界上最大的纯电动汽车供应商，但中国在纯电动汽车市场的份额最大。

2020年，中国公布了到2035年电动汽车产业的“道路2.0”计划。“到2025年，中国将在电动电池、传动系统和车辆操作系统方面实现关键技术突破;将新型纯电动汽车平均耗电量降至12.0千瓦时/100公里;并将新电动汽车销量提高到新车总销量的20%，”公共政策集团Covington的分析师菲比·尹、杰克·莱文和阿什温·卡贾表示。

今年早些时候，中国公布了第五个14年规划(2021年至2025年)。据IDC称，中国正在开发大量技术，包括七个关键领域:

• 人工智能
• 认知科学
• 遗传学/生物技术
• 医疗/健康
• 量子计算
• 半导体
• 空间/极地探索

科文顿表示，中国还希望进入或扩展到几个领域，包括设计工具、半导体设备和材料、先进内存以及GaN和SiC。

铸造挫折
中国也在继续扩大其铸造行业。晶圆代工厂在不同的节点上使用一种工艺技术为他人生产芯片。工艺技术是用于在晶圆厂制造特定芯片的配方。节点指的是流程的设计规则。

成熟的工艺包括28nm及以上的逻辑节点，其中的关键构件是平面晶体管。28纳米以下的芯片使用finfet。

与此同时，中国的铸造行业被分为两类——国内的和跨国的。在跨国公司方面，力晶、台积电和联华电子多年来一直在中国运营晶圆厂。

在其较新的南京晶圆厂，台积电正在加强16nm finFET工艺，并计划扩展其28nm技术。在厦门，联华电子的晶圆厂生产40nm/28nm。

中国国内的晶圆代工厂包括ASMC、华润微、华宏集团、三安集成电路和中芯国际。华虹集团包括三家供应商——华虹格雷斯、华虹半导体和上海华力。

中国想要成为代工企业有几个原因。首先，它想制造更多的芯片。其次，中国的晶圆代工厂不仅希望为跨国供应商生产芯片，还希望为越来越多正在开发前沿芯片的国内IC设计公司服务。第三，中国希望在国内代工厂制造领先的设计。

“五年前，中国在制造复杂芯片方面确实遇到了困难。华为或海思可以做到。VeriSilicon正在做一些有趣的事情。但他们是例外，”IBS的琼斯说。“现在，我们在中国可能有10到12家公司可以进行5纳米工艺的设计，并在明年或之后转向3纳米工艺。”

该国的晶圆代工厂已经取得了一些成功。根据TrendForce的数据，中芯国际和华宏这两家晶圆代工厂的销售额分别位居全球第五位和第六位。台积电仍然位居第一，三星、联华电子和GlobalFoundries紧随其后。

图1:截至2021年第二季度销售的前10家代工厂。中芯国际和华宏巩固了他们在代工竞争中的地位。来源:TrendForce

然而，中国很可能达不到自己的目标。根据IC Insights的数据，该公司希望到2025年自己生产70%的芯片。IC Insights的数据显示，2020年，中国的芯片产量占全球的15.9%，预计到2025年这一比例仅为19.4%。

在加工技术方面也落后。中芯国际最先进的技术包括14nm工艺和7nm的研发。相比之下，台积电和三星正在加速5nm工艺，3nm计划在2022年推出。

因此，在尖端工艺方面，中国的设计公司必须依赖跨国铸造厂，而这正是政府的痛处。尽管如此，由于对基于成熟工艺的芯片的巨大需求，该国的晶圆代工厂正在蓬勃发展。

“如今的半导体制造业不同于过去，那时只有领先的晶圆厂才能赚钱，”晶圆首席产品官彭志强(Leo Pang)表示d2。“汽车行业和物联网应用仍停留在28nm及更大的成熟节点上。”

尽管如此，中国在短时间内取得了长足的进步。2001年，中芯国际的第一家晶圆厂(200mm, 0.25微米)投入生产。随着时间的推移，中芯国际开发了几个新的晶圆厂和工艺。

到2014年，该公司开发出了国内最先进的28纳米工艺。相比之下，台积电在2011年推出了28nm芯片。后来，GlobalFoundries、三星和联华电子推出了28nm工艺。

今天，28nm仍然是一个很大的业务，所有代工厂都在继续扩大他们在这里的晶圆厂产能。几家厂商正在加紧开发22nm工艺，这是28nm工艺的延伸。Jason Wang表示:“来自28nm技术的收入持续增长，而22nm技术的业务参与导致无线、显示和物联网市场上越来越多的客户的磁带。”联华电子的联席总裁。

与此同时，几家代工厂继续追求领先优势，但也面临着一些挑战。在28nm/22nm及以上，平面晶体管仍然用于芯片。低于20nm时，平面晶体管将耗尽蒸汽。

这就是为什么英特尔在2011年转向22nm的finfet。2014年，GlobalFoundries、三星和台积电转向16nm/14nm的finfet。finfet比平面晶体管速度更快，功率更低，在16/14nm时，它们有更低的电流泄漏。但它们的制造难度和成本也更高。

为了迎头赶上，中芯国际于2015年开始开发14nm finFET工艺。该公司在2019年推出了这项技术，比竞争对手落后了几年。

不过，它并没有放弃。最近，中芯国际推出了其所谓的7nm，或“N+1”技术。高德纳(Gartner)分析师塞缪尔•王(Samuel Wang)表示:“该工艺尚未出现量产和产量改善。”“中芯国际的N+1工艺不是7nm工艺。它可以被认为是8nm。”

由此，中芯国际陷入困境，无法加工N+1以上的芯片。最近，美国阻止中芯国际获得ASML的极紫外(EUV)光刻扫描仪，该系统用于开发7纳米及以上的芯片。没有EUV，中芯国际就无法开发N+1以上的芯片，从而阻碍了中国开发前沿工艺的努力。

去年，美国还将中芯国际列入“实体名单”，使其难以获得其他先进设备。到目前为止，美国还没有放松对中芯国际的限制，这意味着该公司将进一步落后。

“差距正在扩大，”王说。“在他们所谓的N+1或8nm之后，中芯国际再也不能做任何事情了。他们不会有真正的7nm或6nm制程。在先进技术方面，他们将越来越落后。我认为是6年，甚至更长时间。”

不过，也有一线希望。“就收入而言，中芯国际做得很好，”王说。“在28纳米及以上，有足够的需求。中芯国际的晶圆厂利用率超过100%。尽管他们在开发先进技术方面受到限制，但他们仍在增长。”

此外，中芯国际和其他中国芯片制造商还在继续建设晶圆厂，不过是针对更成熟的工艺。根据SEMI的“世界晶圆厂预测报告”，以下是中国目前和未来的一些晶圆厂项目:

• CR Micro -重庆(300mm，遗留节点)
• 华虹-无锡(300mm，遗留节点)
• Nexchip -合肥(300mm，遗留节点)
• 中芯国际-上海(300mm, 14nm及以上)
• 中芯国际-北京(300mm, 28nm及以上)
• Wingtech -上海(300mm，遗留节点)

华鸿拥有三座200毫米晶圆厂，并正在扩建首个300毫米晶圆厂。华虹专注于成熟工艺，晶圆厂已满员。华宏总裁唐军军表示:“几乎所有细分市场都有强劲的需求，尤其是MCU、电源管理IC、IGBT、超级结、CIS、逻辑和RF。”

上海华立有两个晶圆厂，已经满员。该公司能够生产28纳米芯片，预计年底将生产14纳米芯片。与此同时，华为计划建造一家晶圆厂，尽管其计划尚不确定。并非所有的中国晶圆厂项目都会成功。此外，还有其他问题。

“中国确实无法获得EUV扫描仪，所以他们无法进入前沿。但这对他们建造新的晶圆厂来说不是问题，”D2S的Pang说。“但首先，他们需要获得市场份额，并根据当地需求培养人才。一旦两者都具备了，它们就可以逐渐在国内市场之外扩大业务。”

动力半推
中国还在一个新的领域大力推进——功率半导体。功率半导体用于控制和转换系统中的电力，在汽车、计算机和工业产品中都有应用。

功率半晶体管是一种专门的晶体管，它允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了系统的效率，最大限度地减少了能量损失。使用了几十年的电力设备正变得越来越重要。

“我们必须利用技术来保护环境。其中一个解决方案是混合动力汽车和电动汽车，其中电力电子是关键。英飞凌大中华区。“考虑到汽车电气化和数字化的大趋势，我们预计对igbt和SiC mosfet等功率半导体的需求将迅速增长。”

今天的功率半导体市场由硅基器件主导，包括功率mosfet、超结功率mosfet和绝缘栅双极晶体管(igbt)。

功率场效应管用于较低电压，10至500伏的应用，如适配器和电源。超结mosfet用于500至900伏的应用。igbt是领先的中端功率器件，用于1.2千伏至6.6千伏的系统。

igbt和mosfet被广泛使用，但它们也正在达到极限。这就是为什么越来越多的供应商正在开发基于两种宽频带隙技术——GaN和SiC的功率器件。基于GaN和sic的功率器件都比硅更小、更高效，但它们也更昂贵。

几家总部位于中国的公司正在开发和制造各种类型的动力半挂车。然而，国内系统公司仍然必须从跨国公司进口这些设备的很大一部分。

首先，像GaN这样的技术很难开发。“碳化硅更加坚硬，”IBS的Jones说。因此，中国汽车公司都在从外国公司购买汽车。”

展望未来，这个国家希望开发和制造更多自己的动力半发动机。据SEMI称，到2023年，中国预计将成为全球功率和化合物半导体晶圆厂产能的领导者。

中国希望在所有领域都取得重大进展，包括功率mosfet等成熟产品。据Yole Développement报道，几家国内MOSFET供应商已经出现，包括华润微、吉林Sino和思兰。Yole分析师米兰•罗西纳(Milan Rosina)表示:“因此，中国企业投资于制造能力并不令人意外。”

中国正在以其他方式扩张。2017年，恩智浦将其名为Nexperia的标准产品业务出售给了一家中国财团。2019年，中国电信公司Wingtech收购了分立器件和mosfet供应商Nexperia的控股权。Nexperia现在是Wingtech的子公司，总部仍设在荷兰。

Nexperia在德国和英国设有晶圆厂。2021年初，Wingtech宣布计划在上海建立一个300毫米功率半导体晶圆厂。这个耗资18.5亿美元的晶圆厂将于2022年投产。

在这些事件之后，Nexperia收购了Newport Wafer Fab (NWF)，一家总部位于英国的电力半晶圆代工厂供应商。“Nexperia对Newport的兴趣在于8英寸离散功率mosfet的量产，”Nexperia总法律顾问查尔斯•斯密特(Charles Smit)表示。“新港还将增强公司的汽车合格产品供应能力。”

该交易受到了英国政府的审查，不过英国政府不太可能阻止这笔交易。NWF濒临破产程序。

与此同时，NWF也在开发碳化硅，这是一项中国非常感兴趣的技术。GaN也是如此。根据TrendForce的数据，2020年，中国在SiC和GaN领域投资了25个项目，耗资109亿美元。根据TrendForce的数据，在这些数字中，中国有大约14条6英寸SiC晶圆生产线。HDSC、三安IC、坦克蓝等公司在中国有SiC生产线。不是所有的项目都会成功。

同时，Sanan IC提供复合半导体器件(GaN, SiC)，电力电子和光电子的代工服务。最近，三安IC的长沙制造基地开设了中国第一个垂直集成的SiC工厂。

Sanan IC技术营销和销售总监Mrinal Das表示:“我们的长沙工厂前端和后端集成了完整的组装和测试设施，可以生产大批量的离散模块和功率模块封装。我们在一年内开设了长沙第一阶段，目前正努力实现每月15K块150mm SiC晶圆。”

与跨国供应商一样，中国国内碳化硅供应商也将目光投向了几个市场。“中国和全世界蓬勃发展的电动汽车市场正在激励所有SiC供应商扩大制造能力，”Das说。“电动汽车市场销量的显著增长正在推动SiC器件价格的加速下降，从而增加了其在其他增长市场的采用，如光伏串逆变器、储能、UPS和电机驱动器。”

电动汽车是一个巨大的市场。在第一批bev中，igbt被用于牵引逆变器，为电机提供牵引以推动车辆。纯电动汽车还集成了其他芯片。

这种情况在2017年开始改变，当时特斯拉开始在其Model 3纯电动汽车中使用意法半导体的SiC功率器件作为牵引逆变器。SiC比igbt更高效，但也更昂贵。

现在，所有汽车制造商都在为其新型电动汽车的功率逆变器采用或评估SiC。SiC器件还用于纯电动汽车的dc - dc转换器和车载充电器。“随着快速充电和自动驾驶的要求越来越高，车辆需要高压平台。SiC mosfet通过提供更长的射程、更紧凑的尺寸和更好的整体系统成本，为该系统的未来做出了贡献，”英飞凌的Zhong说。

尽管如此，跨国公司并没有停滞不前。许多公司在中国开展业务，或与国内供应商成立合资企业。例如，中国的正海集团和日本的罗姆公司最近签署了一项协议，将在中国成立一家合资公司。该合资企业将开发碳化硅(SiC)电源模块。罗姆还在中国建立了其他联盟。

“在太阳能发电系统、工业设备、服务器和基站等各种应用中，SiC功率器件的采用已经在加速。预计未来它们将越来越多地用于电动汽车，”罗姆高级销售总监特拉维斯·门奇(Travis Moench)表示。“新的合资企业也将为我们的客户提供更多的选择。我们预计，新公司的功率模块开发将推动SiC功率器件在新能源汽车上的安装，这在中国正获得发展势头，并将在其他应用研究中发挥重要作用。”

除了碳化硅，中国还对氮化镓感兴趣，这是一种用于led、功率半片和射频的III-V材料。GaN功率半晶片在几个市场上正在起飞，比如快速充电器。基于GaN器件的快速充电器是一种小型适配器，可以比传统充电器更快地为智能手机和笔记本电脑充电。

“在电源转换方面，GaN的第一个蓬勃发展的市场是快速充电器部分，”美国GaN电源半组件供应商Navitas的企业营销副总裁Stephen Oliver说。“充电器市场喜欢小尺寸和轻量化的产品。如果你正在考虑一个65瓦的充电器(使用GaN)，它可以处理笔记本电脑或手机，那么GaN的BOM成本比硅高15%左右。但在同样大小的情况下，这款手机体积小了三倍，重量轻了三倍，充电速度快了三倍。”

快速充电器在中国智能手机厂商中很受欢迎。最近，小米推出了一款智能手机和一款基于Navitas GaN电源设备的独立55瓦快速充电器。

跨国公司主导着GaN功率器件市场，但中国的Innoscience正在获得动力。几家中国公司也在建设新的GaN晶圆厂。“TrendForce的数据显示，截至21年1月，中国已经安装了大约7条GaN-on- si晶圆生产线，而至少有4条GaN功率器件生产线目前也在中国建设中，”该研究公司称。不是所有的项目都会成功。

图2:GaN功率器件供应商市场份额，显示中国Innoscience正在赶超跨国GaN供应商。来源:TrendForce

结论
还有其他的努力。例如，中国的内存制造商一直在生产3D NAND和DRAM，成败参半。

总而言之，中国队在半决赛中全速前进。虽然中国短期内不会自给自足，但它将继续撼动市场。