不久前,Omdia发布了2021年全球功率半导体十强榜单。
从榜单看,全球功率半导体十强中有一半为日本企业,包括三菱电机(第4)、富士电机(第5)、东芝(第6)、瑞萨(第9)、ROHM(第10)。五家企业的营收在过去三年内大体保持在榜单总营收的三分之一左右。
可见,日本厂商在功率半导体行业的地位举足轻重。
作为电子装置中电能转换与电路控制的核心,功率半导体通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能,包括变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等。功率半导体分为功率分立器件和功率IC两大类,功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品,功率IC主要有AC/DC、DC/DC、电源管理IC、驱动IC等。
近年来,几大因素点燃了市场对功率半导体的需求,包括新冠疫情刺激的家用电子产品消费热潮,以及更具持续性的电动汽车、新能源、5G通信、乃至云计算的加速普及。可以说,未来数字时代的几乎每一个具象场景,都需要数量更多、价值量更高的功率半导体支撑。
Omida数据显示,2021年全球功率半导体市场规模为462亿美元,至2025年,全球市场空间有望达到548亿美元,年复合增速为5.92%。
全球和中国功率半导体市场规模
(图源:Omdia)
巨大的潜力背后,市场云诡波谲。面对来自欧美以及中国厂商的多面竞争和压力,日本功率半导体产业面临的问题是,他们能否保住自己的利基市场。
欧美大厂“重拳出击”
如同过去的十几年一样,全球功率半导体市场依旧被美日欧把控。前十名中,排名第一的德国英飞凌和第二名的美国安森美半导体地位十分稳固。英飞凌更是坐拥21%的全球市场份额,相当于日本前五名厂商的总和。
然而,除了领先的市场份额外,欧美大厂快速的扩产节奏和产线转移步伐更是给日本功率半导体市场带来了压力。
  • 英飞凌:12英寸晶圆制造领域新标杆
今年2月,英飞凌宣布将斥资逾20亿欧元,扩大宽禁带(碳化硅和氮化镓)半导体产能,进一步巩固和增强其在功率半导体市场的领导地位。英飞凌将在马来西亚居林工厂建造第三个厂区,新厂区预计在2024年夏季进行设备安装,首批晶圆将于2024年下半年开始出货。
英飞凌目前有2座300mm(12英寸)晶圆厂,一个在德国德累斯顿,一个在奥地利菲拉赫。其中菲拉赫是英飞凌的功率半导体专业中心,使英飞凌能够服务于电动汽车、数据中心以及太阳能和风能中不断增长的功率半导体市场,并将为英飞凌带来每年约 20 亿欧元的额外销售潜力。
英飞凌两个300mm晶圆厂都基于相同的标准化生产和数字化概念。凭借虚拟超级工厂,英飞凌在 300mm制造领域树立了新标杆。这使得进一步提高资源和能源效率成为可能。
此外,英飞凌还将持续为其第三代半导体业务注资,计划在未来几年把奥地利菲拉赫的6英寸、8英寸硅基半导体生产线改造为第三代半导体生产线。据透露,英飞凌计划到本世纪20年代中期,将碳化硅功率半导体的销售额提升至10亿美元。
  • 安森美:聚焦300mm晶圆产能
据财报信息,2022财年第一季度,安森美预计资本支出约为1.5-1.7亿美元,主要用于扩产12寸硅产线产能,以及用于在2022年将碳化硅产能扩充4倍。去年10月,安森美以约26.87亿人民币正式收购SiC衬底厂商GTAT。据安森美此前说法,2022年和2023年的SiC资本支出预计将占总收入的12%左右。
安森美在East Fishkill有一家12英寸晶圆厂,2019年安森美又收购了格芯位于纽约东菲什基尔的300mm晶圆厂Fab 10,2023年才能获得该工厂的全面运营控制权。安森美当前正在提高其East Fishkill的晶圆厂的产能。安森美表示,未来两年将加大投资力度,由6%增加到12%,其中就包括用于扩产300mm晶圆厂的产能。
2021年,安森美开始由传统IDM模式向更加灵活的Fab-Liter模式转型,将采取更加灵活的制造路线和策略,逐渐抛弃6英寸晶圆厂,聚焦300mm晶圆产能,并将提高通用封装后端厂的灵活性。
  • 意法半导体:投资扩产12英寸产能是主旋律
意法半导体(ST)表示,2021年资本支出达到约21亿美元,其中14亿美元将投入全球产能扩建,7亿美元将用于战略计划,包括在建的意大利Agrate 300mm晶圆新厂、意大利Catania的碳化硅工厂和法国Tours的氮化镓工厂。据悉,ST将在未来4年内大幅提高晶圆产能,计划在2020年至2025年期间将欧洲工厂300mm整体产能提高一倍。
ST还有一个300mm晶圆厂Crolles,主要负责投产28纳米传统CMOS制程和28纳米FD-SOI制程技术。
此外,ST也在继续投资扩建在意大利Catania和新加坡的SiC产能,以及投资供应链的垂直化整合。计划到 2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍,以支持众多汽车和工业客户的业务增长计划。
综合来看,12英寸产线是欧美大厂接下来的布局重心,以此来进一步提升资源和产能效率。在第三代半导体方面,由于市场需求的快速爆发,预计在未来一到两年碳化硅市场供应链仍会处于供需失衡的状态。因此,也有了上述以及更多的半导体公司积极布局第三代半导体研发、推广新产品以及扩产的行为,释放出强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额的信号。
日本功率半导体“日渐式微”?
面对欧美大厂的进击,日本功率半导体企业也正在迅速加大布局力度,试图挽救市场地位被逐渐压缩的现实窘境。
  • 三菱电机
2021年11月,三菱电机宣布将在未来五年内向功率半导体业务投资1300亿日元,计划在福山工厂新建一条 8 英寸(200mm)和 12英寸(300mm)晶圆生产线,并计划到2025年将其产能比2020年翻一番。8英寸生产线计划于2022年春季开始量产,12英寸线的量产目标是2024年。
值得一提的是,三菱电机已经在意大利米兰附近建成了一座专用于功率和模拟半导体的300mm晶圆工厂,预计将于2022年下半年投产。
三菱电机同时还在加强对SiC的布局,它具有从大型电动汽车扩展到中型电动汽车的潜力。除了将独特的制造工艺应用于沟槽MOSFET以进一步提高性能和生产力之外,还考虑制造8英寸Si晶圆。
三菱电机功率器件业务2025年销售额计划超过2400亿日元,营业利润率10%以上。为实现目标,三菱电机将重点关注增长预期较高的汽车领域和公司市场占有率较高的消费领域,两个领域按领域销售的比例将从2020年的50%提升到到2025年的65% 。
  • 富士电机
在产能方面,富士电机目前没有300mm晶圆厂的增产计划,专注于200mm的增产。2021年8月,富士电机宣布计划追加投资400亿日元(3.65亿美元)扩充功率半导体产能。其中,大约250亿日元会投入公司在马来西亚的晶圆厂,生产8英寸硅晶圆,改善生产效率。马来西亚厂预定2023会计年度开始生产功率半导体。其余150亿日元则会分配到包括日本松本厂在内的其他地方。
此外,富士电机还曾表示,在电动汽车和可再生能源需求增加的背景下,决定将功率半导体的资本支出(包括对SiC功率半导体的投资)增加到1900亿日元。富士电机表示,它不追逐市场份额,而是严格控制其资本投资。据日经报道,富士电机正准备开发一个300mm的产线,但没有详细说明时间框架。
2022年1月,富士电机表示将增产功率半导体生产基地富士电机津轻半导体(青森县五所川原市/以下简称津轻工厂)的SiC产能,计划在截至2025年3月的财政年度开始量产。
  • 东芝
今年2月,东芝宣布将在日本石川县的主要分立器件生产基地打造一座新的12英寸晶圆制造设施,该晶圆制造工厂的建造将分两个阶段进行,第一阶段生产计划将于2024财年内启动。当第一阶段产能满负荷时,东芝的功率半导体产能将达到2021年度的2.5倍。
截至目前,东芝通过提高8英寸芯片生产线产能并将12英寸芯片制造设施生产线投产时间自2023年度上半年提前至2022年度下半年,满足持续扩张需求。其产能扩张将不仅涵盖由硅片制成的功率器件,还包括以碳化硅和氮化镓为晶圆的下一代芯片。
  • 瑞萨电子
5月17日,瑞萨电子宣布将对其位于日本甲府市的甲府工厂进行价值 900 亿日元的投资。该工厂于2014年10月关闭,但瑞萨电子计划在2024年重新开放该工厂,该工厂此前经营150mm和200mm晶圆制造线。为了提高产能,瑞萨决定利用工厂的剩余建筑,将其恢复为专用于功率半导体的300mm晶圆厂。
  • 罗姆
2021年5月,罗姆提出要抢占全球30% SiC市场的目标。为了满足日益扩大的SiC产品需求,罗姆相继加大投资力度,在日本阿波罗筑后和宫崎新工厂将于2022年投入运营,计划器件产能提高5倍以上;此外,罗姆还将把在马来西亚的半导体工厂产能扩大到1.5倍,计划到2023年8月建成。
除此之外,罗姆于2022年1月开始着手建设新厂房,投资额为82亿日元,计划到2023年8月建成。罗姆将增产占全球份额过半的“绝缘栅驱动器”,这是用于驱动功率半导体的大规模集成电路(LSI),预计面向汽车和工业设备市场需求。
从厂商经营动向看,日本的确在加速对功率半导体领域的布局。但相较之下,英飞凌、意法半导体、安森美半导体等欧美功率半导体厂商扩产速度较快,且正快速向12英寸工艺迁移。相比之下,日本厂商虽也有动作,但无论是扩产幅度,还是从8英寸向12英寸的迁移速度均较为缓慢,时间上存在滞后。
另外,在传统功率厂商进展较慢的情况下,日本芯片制造商规模也相对较小,难以扩大生产和营销规模。日本制造商对进行大笔投资持谨慎态度,担忧导致供过于求的现象发生。
因此,为应对市场需求,产业链其他环节厂商加大布局力度。日本汽车零部件制造商电装(DENSO)计划与联电日本子公司USJC合作建立一个主要的功率芯片生产工厂,合作车用功率半导体制造,预计在2023年上半年达成IGBT制程在12英寸晶圆的量产。
一家日本投资公司Sangyo Sosei Advisory也正寻求自建晶圆代工产能,面向日本功率半导体厂商提供服务。该公司创始人Fumiaki Sato表示,晶圆厂投资巨大,日本厂商由于市场份额有限,因此对大笔资本支出态度谨慎,唯恐供给过剩,这也进一步拖累了日本厂商发展,而代工模式有望解决这一困局。Sato正在考虑从安森美半导体手中收购位于日本新泻县的一家晶圆厂,不过目前尚未实质性推进。
有观点表示,阻碍产能扩张的一个因素是功率半导体本身的性质,其通常是根据个别产品规格制造,而不是批量生产的。但富士通半导体业务前负责人Masao Taguchi表示,随着电动汽车的大规模起量,该行业可能会发生根本性转变,功率半导体可能会变得更加标准化,从而使能够扩大生产规模的公司主导市场。
这就是DRAM市场曾发生的情况,也是日本芯片制造商在存储芯片市场上输给了韩国竞争对手的重要原因。
国内企业“乘胜追击”
除了欧美厂商的“压迫”,日本功率半导体产业还面临着来自中国企业的冲击。
虽然在上文榜单中仅有安世半导体一家中国企业入选,但其他众多厂商的快速布局以及下游巨大的市场加持,使得中国功率半导体厂商成为一股不可忽视的力量。
安世半导体曾为荷兰企业,于2019年被闻泰科技收购。据了解,安世半导体是全球分立器件IDM龙头厂商之一,在中国功率分立器件公司中排名第一,其产品线中二极管晶体管产品居于全球排名第一,标准逻辑器件产品居于全球排名第二,小型号MOSFET居于全球排名第二,车规MOS全球市场排名第二,更是仅次于英飞凌。
目前,安世半导体建立了两个新的半导体全球研发中心,一个在马来西亚槟城,另一个位于上海,专注于功率MOSFET。可以说,安世半导体已成为我国在功率半导体产品布局最完善的厂商。
安世半导体之外,还有很多国内功率半导体厂商在加速布局之中。据日经中文网报道,SEMI Japan根据对半导体设备企业调研了解,梳理出22家目前已发出采购订单的大陆新增晶圆厂项目,其中12家将被用于功率半导体生产。
图源:日经中文网
如图所示,其中润西微电子、杭州富芯半导体将分别在重庆和杭州市建设300mm(12英寸)晶圆的功率半导体工厂。
润西微电子由华微控股、大基金二期和重庆西永共同发起设立。据公告披露,12英寸功率半导体晶圆生产线项目的计划投资总额为75.5亿元,建成后预计将形成月产3万片12英寸中高端功率半导体晶圆生产能力,并配套建设12英寸外延及薄片工艺能力,预计从2022年开始逐步贡献产能。
杭州富芯半导体为浙江省首条12英寸晶圆生产线,定位于高端模拟芯片IDM模式,致力于12英寸高端模拟芯片研发和制造,对标国际一流的模拟芯片公司。富芯项目总投资达400亿元,分两期进行。项目一期投资180亿元,建设12英寸高性能模拟芯片生产线,规划产能为5万片/月,主要产品是面向汽车电子、5G通信、云计算、人工智能的高性能模拟芯片。
今年4月,江苏捷捷微电子宣布6.5 亿元加码高端功率半导体,建设“高端功率半导体产业化建设项目(二期)”,项目将在“高端功率半导体产业化建设项目”的基础设施及配套的基础上,拟采用芯片线宽0.13 微米工艺制程。据悉,“高端功率半导体产业化建设项目”于2021 年3月在南通苏锡通园区正式开工,计划2022年二季度末或第三季度开始试生产,该项目将有助于推动高端功率半导体发展,满足下游市场需求,扩大市场占有率,缓解MOSFET产能紧张的问题。
近一年来,捷捷微电频频融资扩产。此前2021 年6 月公司累计募集11.95 亿元,主要用于功率半导体“ 车规级” 封测产业化项目。项目达产后,公司将新增车规级大功率器件和电源器件封测产能 16.28 亿只。
此外,为了尽快占有更多的市场,国内功率半导体厂商扩产动作频繁。
2020年12月,士兰微与厦门半导体投资集团共同投资的第一条12英寸生产线正式投产,预计今年Q4将实现月产3万片的目标;2021年2月,安世半导体位于上海临港的12英寸晶圆厂已于今年1月破土动工,将于2022年7月投产,预计达产后产能为 3 万片/月,主产功率半导体。
Fabless模式的公司也开始投资自有产线,如斯达半导就于去年3月发布非公开发行A股股票预案,募资中20亿元用于高压特色工艺功率芯片和SiC芯片研发及产业化项目,7亿元用于功率半导体模块生产线自动化改造项目;
鸿海集团近日也启动半导体大投资,将携手大马合作伙伴DNex在马来西亚合资兴建月产能4万片的12英寸晶圆厂,锁定28与40纳米成熟制程,目标生产功率元件、射频(RF)元件与COMS影像感测器(CIS)等产品。该公司去年还收购了芯片制造商 Macronix 在中国台湾北部城市新竹的芯片工厂,以开发用于汽车的碳化硅芯片。
甚至一些原本主营其他半导体品类的上市公司,去年也加大了在功率器件领域的投入,将之视为扩展业务线的潜力方向,如上海贝岭就选择切入工业控制用功率器件,已陆续进入功率电源、电机控制和锂电保护等市场。
可见,中国正在大幅增产控制电力和电压的功率半导体,厂商已纷纷开始布局 12 英寸晶圆产线,产能有望在 2022 年逐步开出, 进一步带动厂商营收增长和产品性能提升。日经表示,中国企业新建产能陆续开出后,将对功率半导体市场上的日本企业形成明显冲击,因后者仍采用更陈旧的8英寸产线,生产效率不及12英寸产线。
虽然日本功率半导体厂商仍有国际竞争力,但大多用200mm晶圆生产。简单计算,中国企业增产的主力300mm晶圆一张可以生产2.25倍的芯片。相较于小尺寸晶圆,大尺寸晶圆在代工成本、产品性能等方面更具备优势。
中国正在功率半导体领域构筑新的竞争力。
此外,在当前火热的第三代半导体领域,国内厂商也有前瞻布局。笔者在前面文章《SiC/GaN,海外巨头疯狂扩产!》中对国内厂商在第三代半导体布局的情况进行过梳理,在全球第三代半导体竞争趋于白热化的情况下,为了满足市场需求,抢滩市场份额,国内半导体公司纷纷加大资本投入,不断跑马圈地、投资扩产,持续完善第三代半导体产业链。
面对差距以及行业巨头的大举进攻,本土供应商需要以技术创新为驱动,注重推动第三代半导体功率器件的研发和应用,同时聚焦下游市场,通过绑定家电、新能源汽车企业等行业客户,加速科研成果转化和技术应用落地。
本土功率产业的双重驱动力
除了上述原因之外,中国市场的巨大需求和“国产替代”趋势也将是日本产业遭受冲击的重要因素。
东莞证券指出,我国是全球最大功率半导体消费国,行业产业规模增速快于全球,疫情的发展,居家办公带来的远程服务器的巨量需求,加之双碳政策推动下,国内应用市场的高速发展都在进一步刺激对功率半导体的需求。
但我国功率半导体器件自给率较低,国产化率不足30%,在器件的生产制造和自身消费之间存在巨大供需缺口。从产品品类看,TrandForce表示,目前二极管、三极管、晶闸管、低压MOSFET等大部分已实现国产化,而高压MOSFET、IGBT等由于技术工艺壁垒,仍被海外大厂高度垄断。
当前全球大功率器件需求快速上升,全球供给相对不足,而国产厂商技术快速跟进,客户认可度持续提升,当前时点是功率器件国产替代的重要窗口期,在行业快速发展、产业技术升级和国家产业政策扶持等多重利好加持下,国产厂商未来有望在大功率MOSFET、IGBT、SiC等器件获得更高的国产化率。
2016-2021年中国功率器件市场空间及国产化率(亿元,%)
资料来源:HIS Markit
同时,得益于下游白色家电、新能源汽车、充电桩、5G、光伏逆变器及工业控制等终端市场的快速发展,对于功率半导体,尤其是MOSFET 、IGBT 产品的需求持续提升。
中国作为最大的下游应用市场,是功率器件厂商竞争的核心战场。目前国内厂商凭借熟悉市场需求、更加靠近客户,能够快速响应等便利,正在加速多领域的产品研发和验证节奏,有望进一步带动厂商营收增速和利润率的提升。
从2022年一季度情况来看,海外龙头厂商先后发布涨价函,且货期环比普遍增加10-20周以上,最高货期达到52周,平均货期为疫情以来最高水平。从2022全年来看,国内新能源汽车、光伏等领域功率器件需求仍处于供不应求的状态,行业景气度仍有望维持高位。
可见,近期全球功率半导体产能紧缺,目前海外进口缺货涨价,市场供不应求,国内供需矛盾日益凸显。产业链下游相关行业客户进口替代意愿强烈,因此,具备核心技术实力、产品质量、性价比优势以及产能的国内龙头迎来绝佳的客户导入窗口期,产品导入进度加快,国产替代的进程有望加速。
综合多项因素不难看到,国内产业政策的支持提供了良好的政策环境,产业链转移为国产化提供了机遇,下游需求发展带来了直接支撑。本土功率器件厂商正在实实在在把握住这样的发展机遇。
写在最后
回顾产业发展历程,日本厂商之所以能够在功率半导体领域取得成功,一方面在于日本以产业用途少量多品种定制需求为主,没有卷入大尺寸晶圆演进带来的设备投资竞争,可以灵活利用现有工厂来满足需求。
另一方面也离不开下游庞大的市场需求支撑。早在1980年代,功率半导体初问世的时候,较多用于工厂和成套设备,后续随着混合动力车的增加,功率半导体开始不断应用于汽车市场,而日本作为当时世界最大的汽车生产国和出口国,功率半导体产业自然也加速发展。
而如今,时过境迁。固守原有模式的日本功率半导体产业,似乎正目睹着自身优势随市场和行业的变迁在一同远去,近期开始加快扩产增速的步伐。如笔者此前所言,面对市场和技术的更迭,优劣往往只在瞬息之间,取决于关键几步。谁能率先看清时代的趋势,谁就能走的更快,谁能持续看清时代的趋势,谁就能走的更远。
曾经在功率市场先下一城的日本企业,处在如今“不快不慢,不远不近”的节点,思索着未来命运的走向,脑子里或闪过DRAM市场曾经的荣光。
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