中国正加速代工厂及功率半导体布局

近年来，中国公布了多项推动国内半导体产业发展的重要举措，包括在代工、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等领域开展新的大规模晶圆厂扩建计划。

中国正在大力推动其所谓的“第三代半导体”。该术语实际上是指两种现有的常见功率半导体器件类型，即GaN和SiC功率半导体。无论名称如何，中国都在迎头赶上。虽然中国在领先的逻辑制程方面进一步落后，但另一方面，中国在其IC产业的其他部分继续取得快速进展。

中国是一个复杂多变的市场。一方面，中国是全球最大的半导体消费市场。IBS首席执行官Handel Jones表示，2020年，中国芯片销售额达到2394.5 亿美元，占全球总销售额53.7%。Handel Jones称，2020年全球半导体市场规模达到4461亿美元，同比增长8.34%。根据IBS 数据显示，预计2021年半导体市场将增长21.62%。

从中国的角度来看，仍面临着很大难题。多年来，中国一直从跨国供应商处进口大量半导体，造成了巨大的贸易逆差。根据IBS数据，2020年，跨国公司在华注册芯片总销售额为1997 亿美元。据该公司称，这占中国芯片总销售额的83.38%。而剩余份额归中国芯片供应商持有。中国也只生产一小部分自己的芯片。

多年来，为缩小国际差距，中国采取了大量举措，但这些努力都未能奏效。现在，中国正在向国内IC产业投入1500亿美元，希望在开发和制造各种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的依赖方面仍面临许多挑战。

尽管如此，中国仍在扩张。据SEMI称，全球芯片制造商将在2021年开始建设19座新晶圆厂，2022年还有10座正在规划中。SEMI表示，中国大陆和中国台湾在各有8座，在新晶圆厂建设方面处于领先地位。此外，中国大陆还有几家晶圆厂正在筹划建设中。

“我们目前了解到有17座中国本土企业的晶圆厂将在2021年至2023年开始建设。” SEMI分析师Christian Dieseldorff表示。总体而言，中国芯片制造商的装机容量将从2020年的每月296万片晶圆(wpm)增加到2021年的357.2万片。

中国半导体行业正在发生几件大事：

中国大陆最大的代工厂中芯国际已经流片了其类似7nm的技术，尽管目前还不清楚是否可以实现超越。

华虹、中芯国际、闻泰科技和其他中国芯片制造商正在建设新的晶圆厂。

中国正在建设几座GaN和SiC晶圆厂。

中国半导体产业规划

中国在半导体领域深耕多年。在1970年代，中国出现了几家国营芯片制造商，并开发了简单的晶体管，但这些企业尚不具有竞争力。直到1980年代，当中国政府开始对其半导体行业进行现代化改造时，这个国家才开始受到业界关注。在外国关注者的帮助下，中国在1980年代和1990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，但在技术上仍落后于西方。当时，西方对中国实行严格的出口管制。跨国设备供应商被禁止在中国运送其最先进的系统。

为了缩小差距，中国大陆在2000年成立了其最先进的代工供应商——中芯国际。随后，自 2000年代后期开始，英特尔、三星和SK海力士陆续在中国建立内存工厂，而中国台湾企业台积电和联电也陆续成立。

彼时，中国已成为大型电子产品制造基地。一夜之间，中国成为全球最大的芯片市场。那时，中国的集成电路产业已经很成熟，但其大部分芯片仍是从跨国供应商那里进口的。而中国也已经拥有小部分自己的芯片生产能力。

由此，在数十亿美元的资金支持下，中国政府于2014年公布了一项新计划，旨在加快中国在14nm工艺、存储器和封装方面的发展。

随后，中国于2015年发起了另一项名为“中国制造 2025”的倡议，旨在加速中国在信息技术、机器人、航空航天、航运、铁路、电动汽车、电力设备、材料、医药和机械等10个领域零部件的国产化进程。

在这些领域，中国逐渐取得进展。但一些举措从2018年开始脱离轨道，当时美国通过对中国制造的商品征收关税，与中国发动了贸易战。中国也进行了反击。

一年后，美国将华为及其内部芯片部门海思列入“实体清单”。美国阻止跨国公司和代工厂向华为和海思出售高端芯片。

中国半导体产业的紧张局势升级。这反过来又促使中国加快国产半导体的发展步伐，致力于能够实现自给自足。

与此同时，中国将目光投向了其他领域，例如纯电动汽车 (BEV)。根据TrendForce数据显示，特斯拉是全球最大的BEV供应商，但中国在BEV总体份额中占比最大。

2020年，中国提出了“道路2.0”，即2035年电动汽车产业发展规划。“到2025年，实现电池、动力系统、整车操作系统等关键技术突破；将新型纯电动汽车平均功耗降至12.0kWh/100km；并将NEV（新电动汽车）销量提高到新车总销量的20%。”据公共政策组织Covington分析师Phoebe Yin、Jake Levine和Ashwin Kaja介绍。

今年早些时候，中国公布了“十四五”规划。据IDC称，中国正在开发包括七个关键领域的多种技术：

人工智能（AI）

认知科学

遗传学/生物技术

医学/健康

量子计算

半导体

太空/极地探索

Covington表示，中国还希望进入或扩展到更多领域，包括设计工具、半导体设备和材料、先进存储以及GaN和SiC。

中国晶圆厂建设遭遇挫折

中国也在继续扩大其晶圆代工建设。代工厂使用不同节点的工艺技术为其他企业制造芯片。工艺技术是用于在晶圆厂制造给定芯片的配方。节点是指工艺制程的设计规则。

成熟工艺涉及28nm及以上的逻辑节点，其中关键构建模块是平面晶体管。在28nm以下，芯片需要使用finFET构建。

在中国大陆晶圆代工产业中，台积电正建设南京工厂，加快16nm finFET工艺，并计划扩展其28nm产能。在厦门，联电的晶圆厂正在扩展40nm/28nm工艺制程的芯片制造。

中国大陆代工厂包括ASMC（上海先进半导体）、华润微、华虹集团、三安集成电路和中芯国际。华虹集团包括三个供应商——华虹宏力、华虹半导体和上海华力。

中国想要拥有晶圆代工实力主要有几个原因。首先，制造出更多自己的芯片。其次，中国的代工厂不仅要为跨国厂商生产芯片，还希望服务于越来越多的国内正在开发前沿芯片的IC设计公司。第三，中国希望在国内代工厂制造先进工艺芯片。

“五年前，中国在做复杂芯片时确实遇到了麻烦，而华为和海思攻克了难题，实现了突破。”IBS的Jones表示。“现在，在中国可能有10或12家公司可以在5nm上进行设计，并在明年或之后转向3nm。”

中国代工厂已经取得不小的成功。根据TrendForce数据，两家供应商——中芯国际和华虹——分别是全球销售额第五和第六大代工厂。台积电仍然位居第一，其次是三星、联电和格芯。

图1：2021 年第二季度销售额排名前10的代工厂。中芯国际和华虹巩固了在代工竞争中的地位。图源：TrendForce

然而，中国可能短时间内无法实现其目标。据IC Insights称，其目标在2025年生产70%的芯片。根据IC Insights数据显示，2020年中国生产了15.9%的芯片，2025年预计能够生产19.4%。

中国大陆厂商在工艺技术方面也仍然落后。中芯国际最先进的技术涉及14nm工艺，其中 7nm处于研发阶段。相比之下，台积电和三星正在加速5nm，3nm也计划于2022年推出。

因此，对于领先的工艺，中国大陆的设计公司必须依赖外部代工厂。尽管如此，随着对成熟工艺芯片的巨大需求，中国的晶圆代工厂正在蓬勃发展。

“如今的半导体制造与过去只有领先晶圆厂才能赚钱的时代不同。”D2S首席产品官Leo Pang表示。“汽车行业和物联网应用都停留在成熟的节点上，比如28nm及以上节点。”

中国大陆已经在短时间内取得了长足的进步。2001年，中芯国际开始生产其第一座晶圆厂——一座200mm、0.25微米的工厂。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，该公司开发了国内当时最先进的技术，28 nm工艺。相比之下，台积电在2011年推出了28nm。随后，格芯、三星和联电也推出了28nm。

如今，28nm市场需求仍然旺盛，所有的代工厂都在继续扩大28nm晶圆厂产能。一些供应商正在加速22nm，这是28nm的延伸。联电联席总裁 Jason Wang 表示：“28nm 技术的收入持续增长，而 22nm 的业务参与导致越来越多的客户在无线、显示器和物联网市场进行流片。”

同时，几家代工厂继续追求领先优势，但也存在一些挑战。在28nm/22nm及以上，芯片仍然使用平面晶体管。而低于 20 nm，平面晶体管将失去动力。

这就是英特尔在 2011年转向22nm finFET的原因。2014 年，格芯、三星和台积电转向 16nm/14nm finFET。FinFET比平面晶体管更快，功耗更低，并且在16/14nm时，漏电流要低得多。但其制造难度和成本也更高。

为了迎头赶上，中芯国际于2015年开始研发14nm finFET工艺。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，中芯国际流片了所谓的7nm或“N+1”技术。“该过程尚未出现批量生产和良率改善。” Gartner分析师 Samuel Wang表示。“中芯国际的N+1不是7nm工艺。可以认为是8nm。”

此后，中芯国际陷入困境，无法处理超过N+1的芯片。最近，美国阻止中芯国际获得ASML 的极紫外 (EUV) 光刻机，从而阻碍中国开发领先工艺。该系统用于开发7nm及以上的芯片，如果没有EUV，就意味着中芯国际难以突破更先进的工艺制程。

去年，美国还将中芯国际列入“实体清单”，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，”Wang认为。“在N+1或8nm之后，中芯国际难以有新动作。（没有EUV）他们无法研发真正的7nm或6nm。在先进技术方面，将更加落后。可能会落后六年，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，”Wang表示。“在28nm及以上，需求量巨大。中芯的晶圆厂利用率超过100%。尽管在开发先进技术方面受到限制，但其营收率仍在增长。”

此外，在成熟工艺制程方面，中芯国际和其他中国芯片制造商仍继续建设晶圆厂。根据SEMI《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：

华润微—重庆（300mm，传统节点）

华虹 — 无锡（300mm，传统节点）

晶合集成 — 合肥（300mm，传统节点）

中芯国际—上海（300mm、14nm及以上）

中芯国际 — 北京（300mm、28 nm及以上）

闻泰科技 — 上海（300mm，传统节点）

华虹拥有三座 200mm晶圆厂，并正在扩建其第一座300mm工厂。专注于成熟工艺，华虹晶圆厂满负荷运行。“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，”华虹总裁唐均君表示。

上海华力有两座晶圆厂，已经满载。该公司具备28 nm能力，预计年底将推出14 nm。与此同时，华为计划建造一座晶圆厂，尽管其计划尚不确定。

“中国确实拿不到EUV光刻机，所以他们无法进入领先地位。但这对他们建造新晶圆厂来说不是问题，”D2S的Pang表示。“但首先，他们需要获得市场份额并根据当地需求培养人才。一旦两者兼而有之，他们就可以逐渐在国内市场之外扩张。”

推动功率半导体发展

中国也在大力推动功率半导体新领域的发展。功率半导体用于控制和转换系统中的电力，广泛应用于汽车、计算机和工业领域。

功率半导体由专门的晶体管组成，这些晶体管允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了效率并最大限度地减少了系统中的能量损失。经过几十年的发展，功率器件变得越来越重要。

“我们必须使用技术来保护环境。一种解决方案是混合动力汽车，其中电力电子是关键，”英飞凌大中华区车辆运动部门负责人Gary Zhong表示。“考虑到汽车电气化和数字化的大趋势，我们预计对功率半导体的需求将快速增长，例如IGBT和SiC MOSFET。”

当今的功率半导体市场由硅基器件主导，其中包括功率MOSFET、超级结功率MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

功率MOSFET用于低压、10V至500V应用，例如适配器和电源。超级结MOSFET用于 500V至900V应用。IGBT是领先的中档功率器件，用于1.2kV至6.6kV系统。

IGBT和MOSFET被广泛使用，但也已达到极限。这就是为什么越来越多的供应商正在开发基于两种宽禁带（GaN、SiC）功率器件的原因。GaN和SiC基功率器件都比硅更小、更高效，同时也更昂贵。

多家中国公司正在开发和制造各种类型的功率半导体。尽管如此，国内系统制造商仍然必须从跨国公司进口大部分这些设备。

一方面，像GaN这样的技术很难开发。“SiC更坚固，”IBS的Jones称。“所以中国汽车企业都在向外国公司采购。”

展望未来，中国希望发展并制造更多自己的功率半导体。根据SEMI数据，到2023年，中国有望成为全球功率和化合物半导体晶圆厂产能的领导者。

中国致力于推动所有领域共同发展，包括功率MOSFET等成熟产品。据Yole称，已经出现了几家国内MOSFET供应商，包括华润微、吉林华微和士兰微。Yole分析师Milan Rosina表示，“因此，中国企业在制造领域投资也就不足为奇了。”

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联营企业。2019年，中国电信公司闻泰控股控股分立器件和MOSFET供应商Nexperia（安世半导体），现在Nexperia是闻泰科技子公司，总部仍设在荷兰。

Nexperia在德国和英国设有晶圆厂。2021 年初，闻泰宣布计划在上海建设300mm功率半导体晶圆厂。这座耗资18.5亿美元的晶圆厂将于2022年投产。

在这些事件之后，Nexperia收购了英国的功率半导体代工厂供应商Newport Wafer Fab (NWF)。“Nexperia对Newport的兴趣在于批量生产8英寸分立功率MOSFET，”Nexperia 总法律顾问Charles Smit表示。“Newport还将提升公司的车规级产品供应能力。”

该交易受到英国政府的审查，但不太可能阻止这一举措。NWF已经接近破产。

与此同时，NWF也在开发SiC，这是一种中国非常感兴趣的技术。GaN也是如此。根据 TrendForce数据，2020年，中国在SiC和GaN领域投资了25个项目，成本为109亿美元。根据TrendForce数据，在这些数字中，中国有大约14条6英寸SiC晶圆生产线。华大半导体、三安集成电路、天科合达等在中国都有SiC生产线。

同时，三安集成电路为化合物半导体器件（GaN、SiC）、电力电子和光电子提供代工服务。最近，三安集成电路的长沙制造基地开设了中国第一家垂直整合的 SiC 工厂。

三安集成电路技术营销和销售总监Mrinal Das表示：“我们的长沙工厂前后端集成了完整的组装和测试设施，可大批量生产分立和功率模块封装。“我们在一年内开启了我们的长沙一期工程，目前正朝着每月15,000片150mm SiC晶圆的目标发展。”

与跨国供应商一样，中国本土的碳化硅供应商也将目光投向了多个市场。“中国和全球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表示。“电动汽车市场销量的显著增长正在推动 SiC 器件价格加速下降，从而增加其在光伏组串逆变器、储能、UPS 和电机驱动等其他增长市场的采用率。”

BEV市场广阔。在第一批BEV中，IGBT用于牵引逆变器，为电机提供牵引力以驱动车辆。BEV还集成了其他芯片。

这种情况在2017年开始发生变化，当时特斯拉开始在其Model 3 BEV中的牵引逆变器中使用意法半导体的SiC功率器件。SiC比IGBT更高效，但也更贵。

现在，所有汽车制造商都在其新BEV中为功率逆变器集成或评估SiC。SiC器件还用于BEV 中的DC-DC转换器和车载充电器。“随着快充和自动驾驶的要求不断提高，车辆需要高压平台。SiC MOSFET通过提供更大范围、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表示。

尽管如此，跨国公司也并没有停滞不前。许多公司已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最近签署了在中国设立合资公司的协议。该合资企业将开发碳化硅 (SiC) 功率模块。除此之外，罗姆还在中国结成了其他联盟。

“在太阳能发电系统、工业设备、服务器和基站等各种应用中，碳化硅功率器件的采用速度已经加快。预计未来将越来越广泛应用于电动汽车领域，”罗姆高级销售总监Travis Moench 表示。“新的合资企业还将为我们的客户提供更多选择。我们预计新公司的功率模块开发将推动 SiC 功率器件在中国发展势头良好的新能源汽车中安装使用，并将在其他应用研究中发挥重要作用。”

除了SiC，中国还对GaN感兴趣，GaN是一种用于LED、功率半导体和射频的III-V族材料。GaN功率半导体正在多个市场上蓬勃发展，例如快充。基于GaN器件的快充是一种小型适配器，可以比传统充电器更快地为智能手机和笔记本电脑充电。

“对于功率转换，GaN蓬勃发展的第一个市场是快充领域，”美国GaN功率半导体供应商 Navitas的企业营销副总裁 Stephen Oliver称。“充电器市场青睐小尺寸、轻便的产品。如果您正在考虑可用于笔记本电脑或手机的65W充电器（使用GaN），则GaN的BOM成本比硅高约15%。但它相比后者尺寸重量减少了三倍，相同尺寸的充电速度也提高了三倍。”

快充是中国智能手机厂商的流行配件。最近，小米推出了一款智能手机，以及一款基于Navitas GaN功率器件的独立55W快充。

跨国公司在GaN功率器件市场占据主导地位，但中国的Innoscience（英诺赛科）正在蓄势待发。几家中国公司也在建设新的GaN晶圆厂。“TrendForce数据显示，截至2021年上半年，中国已经安装了大约7条硅基GaN晶圆生产线，而目前至少有4条GaN功率器件生产线正在中国建设中。”

图2：GaN功率器件供应商的市场份额，中国企业Innoscience对跨国GaN供应商的追赶。资料来源：TrendForce

总结

中国还做出了其他一些努力。例如，中国存储器制造商一直在生产3D NAND和DRAM。

总而言之，中国正在全力推动半导体产业发展。虽然不会很快实现自给自足，但它将继续撼动市场。

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