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视点 | 投资人的视角解答,第三代半导体到底值不值得投?
旺材芯片 | 2021-07-15 07:12:59    阅读:106   发布文章

来源:第三代半导体产业,本篇第三代半导体投资洞见来自于:

周贞宏博士

福建省安芯投资管理有限责任公司管理合伙人、前高通全球副总裁


以下是近日举办的《第三代半导体交流会》的实录内容,以产业投资人的视角,解答了第三代半导体是否值得投资,未来的增量在哪?行业瓶颈是什么?如何判断项目是否靠谱等诸多问题。内容分享仅供参考。

  

⚫ 电动汽车带动第三代半导体行业景气度上升:

 

彭博有消息称国家要投入一千亿美元进入第三代半导体赛道,体现国家对第三代半导体行业的重视度。

 

碳中和是未来到2026 年的长期趋势,主要带动清洁发电、新能源汽车等领域快速增长,其中比较大的行业趋势是汽车电动化,是几百万亿级的投资市场。目前电动汽车行业刚刚起步,预计到 2045 年成长到饱和期。除了电动汽车,还有充电桩带动半导体行业景气度上升,主要原因是电池续航能力提升要求充电桩功率增大,充电大功率、大电流需求是第三代半导体的优势。

 

 芯片缺货、功率器件占比等因素催生第三代半导体投资机会:关于最近芯片缺货情况,政府最担心的是汽车芯片,去年芯片缺货造成多家厂商停工,影响全球万亿级汽车产业链,迫使欧洲、美国政府出面协调产能。这种背景下,未来车厂可能跳过 tier1 直接切入半导体,形成车厂与半导体厂商直接联系是确定性趋势。电动汽车迫使车厂颠覆核心的燃油发动机,转向电机,且需要碳化硅驱动。未来车厂会失去发电机的优势,必须形成自身半导体或电池优势。这些因素形成了半导体的投资机会,各国对半导体加大投入。

 

传统汽车功率器件只占 21%,电动汽车功率器件占比 55%。而未来碳化硅和氮化镓会在功率器件里市场占有率比较大。

 

⚫ 市场格局和市场空间:目前市场对第三代半导体已经有关注,但没有无人驾驶、AI、激光雷达等领域投入规模大。硅基功率器件主要是欧洲、美国、日本等海外公司主导且领先。英飞凌每年有 35 亿美元的收入,市场占有率第一。现在安森美、意法等公司也在做碳化硅的研究。目前十几家公司中只有一家并购的安世半导体是中国公司,其他都是国外公司。再往下,比亚迪分拆的微电子,上市公司斯达半导,中车等具备硅基 IGBT的产品和技术。但是目前硅基方面国内外差距巨大。未来考虑到电动汽车对半导体需求,会有远超 26%的复合增长率,仅 Cree 对碳化硅的需求在 2024 即达 50 亿美元。

 

⚫ 定义第三代半导体及追溯历史:第一代硅、锗,第二代砷化镓、磷化铟(应用于射频、通讯),第三代碳化硅、氮化镓、氧化锌,目前碳化硅和氮化镓比较成熟。第三代半导体是化合物半导体,由多种元素化合而成,通常在光电、射频、功率器件应用场景上具有绝对优势,其中光电和射频以第二代为主,功率器件以硅基为主,未来功率器件赛道上第三代半导体有最大的爆发空间。主要是因为随着功率的增加,碳化硅有绝对优势,碳化硅、氮化镓带宽够宽,能够承受更大的电压、电流,导热、散热也有优势,另外高频下提高能源密度以此减小减轻电源体机重量并且提高能效可以解决第三代半导体开关损耗略高的问题。


碳化硅已经有近三十年历史,英特尔 1992 年开始研发,但到 2017年,碳化硅产业也只是起步阶段,Cree 具有第三代半导体全产业链特别是材料的全球龙头和垄断地位,占据 62%的市场,但碳化硅器件只有 8 千万美元,英飞凌 35 亿功率器件中只有 5 千万属于碳化硅。碳化硅的真正爆发是到 2018 年,主要源于特斯拉的使用,自此 1/3 的车厂决定要用碳化硅,到目前 80-90%车厂要用碳化硅。Cree 因此决定投资 10 个亿建设纽约新生产线,并且扩产三十倍旧生产基地,以此解决产能不足问题。

 

⚫ 碳化硅爆发力来自电动汽车:2018 年全球碳化硅市场只有 4 亿美元,到 2024 年有望达到 50 亿美元,其中巨大爆发力来自于电动汽车。2017 年有车型用碳化硅,2018 年斯拉 Model 3 用上,19 年 Model X,后面 20 年比亚迪汉 EV 等电动汽车陆续使用碳化硅。全球每年生产 1 亿辆车,中国占据 30%,也是全球最大的汽车消费车厂。中国2015 年开始就大量生产电动汽车,在电池方面中国与日韩一起领先全球。电动汽车一半的产能和市场在国内,相比传统燃油汽车较领先。而欧洲在两年前才开始大量生产电动汽车,欧洲要到 2025 年才能追赶上中国的量。电动汽车催生出的许多功率器件需求中,碳化硅是很大的机会。碳化硅可以是实现快充需要高千瓦数的需求,产生竞争优势。

 

但目前碳化硅在功率器件占比较小,不到 5%,但后续会增长很快,到 23 年超过 10%。

 

 碳化硅应用及产业链机会:电动汽车是最大的应用机会,但应用不止于电动汽车,太阳能、风电、轨道交通,最近深圳和日本新干线开始大量使用碳化硅。目前已带来全产业链的投资机会,从粉末材料到碳化硅晶体,到工艺、外沿、外延、制造、模块、封装,类似硅基在 80 年代的情况。目前国内碳化硅量产只能做到 4 寸,在全球量产最大的是150mm 尺寸。

 

 工艺设备要求不高:碳化硅不需要先进设备,工艺上用二十年前的旧设备就可以完成产业需求,因此国内在第三代半导体上有超车机会,非常值得投入。

 

 材料成本是行业瓶颈:碳化硅材料生长难度大。硅基一个晶棒 12 寸可拉几米高,切除很多片,而碳化硅目前量产才 6 寸,一个多周才能长出 2~3 厘米,只能切出十几二十片。而且温度很高,在 2500℃下保持稳定性、均匀性、热场一周以上不变才能长出 3厘米,要求极高,因此成本很高。所以目前材料是行业瓶颈,材料领域有四家海外公司占据 90%市场,其中 Cree 占据 60-70%,其他还有Ⅱ-Ⅵ、Showa Denko、Dow 等。

 

 设计方面:目前以 IDM 为主,意法、英飞凌、安森美、罗姆占据主要市场。

 

⚫ 国内近年开始爆发:16 年以前没有人投资,在中国两三年突然爆发。海外 2018 年兴起,国内 2019 年开始火爆。2019 年 9 月份华为哈勃投资山东天岳 10 个亿,到去年估值已经超过 100 亿,现在超过 200 亿,已提交 IPO。所以第三代半导体未来发展空间很大。另外国内龙头还有天科合达,北京中科院物理所科学家创立。国内材料占全球5%-10%,值得扩大产能。国内 18 年 2 个项目,19 年 12 个,20 年 18 个,投资从50 亿到 200 亿到 465 亿,产业吸引巨大资金和资源,未来可能有公司成为世界级功率器件公司。

 

⚫ 碳化硅未来增量和存量市场上都会有爆发:目前市场占有率前五都是海外公司,如 ST、Cree、罗姆、安森美等。一方面电动汽车的高速增长催化碳化硅需求,另一方面降低碳化硅材料成本后,碳化硅会吞噬硅基市场,包括太阳能、风能、电网、高铁、数据中心、家电等领域应用。

 

 氮化镓:刚刚爆发,蛰伏多年依然是 10 亿以内的市场体量,但去年小米推出 65 瓦氮化镓快充带动氮化镓上量后,手机快充发展速度很快。氮化镓相对碳化硅价格更低,爆发力很大,在稍低功率中有可能性,未来无线充电、激光雷达供电都有可能应用。市场规模从 2020 年 4600 万美元,预测到 2026 年超过 11 个亿。目前的预测偏保守,因为半导体产业一旦爆发爆发力会非常大。

 

 投资建议:目前适合投资材料和设计初创公司。国内不缺钱和市场,需要技术和人才。对于半导体行业来说,拆解核心技术团队不合理,需要抱团取暖模式。之前安芯主要通过投资并购海外拥有多年技术沉淀积累但没有规模生产和市场能力的海外公司,将其落地嫁接到中国,去进行规模生产,发挥其价值,这是一个不错的投资途径。应对监管上,海外初创团队控股,中资引入,会符合监管要求。

 

Q&A 问答环节

 

Q:碳化硅虽然性能好,但普及的话最大的问题是成本吗?这样的话廉价大众型电动车是否使用有困难?

 

A:成本方面,单纯从单个器件来讲,碳化硅是 IGBT 3 倍的价钱。但是在系统层面,充电桩因为用了碳化硅,把体积缩小、能效提高,在散热的结构件、金属件、腔体等上面都省了很多钱。Cree 等公司做了评估,在系统层面用碳化硅是省钱的,同种条件下,用碳化硅可以使同一块电池增加 10-15%的续航能力,汽车性能得到提高,可以用小一点的电池提供同样大的动力。这种情况下,车企在碳化硅上多花的钱是少于节约的成本的。

 

Q:既然老设备可以实现,那良率低的原因是什么?主要是长晶的一些技术问题还是别的因素?(设备要求低但经验要求高?)

 

A:整个产业处在初期阶段,包括 Cree 在内的跨国公司,对碳化硅的设备、工艺等的knowhow 都非常严格地保密,因为这些是他们的核心竞争力,基本上都是“黑匣子”,技术人员的开发环境都非常封闭,不对外公开,这是比较难学习的一点。从材料到设备的控制,很多都是凭经验去摸索,我们在收购 Norstel 后也是经过两年时间的不断试错才让产出从 4寸长到 6 寸,同时提高材料的质量和成品率,没有捷径。Norstel 到现在已经做了 20 年,在这方面一直深耕。如果有国内公司很轻易地就说有 6 寸的晶片,可以问他你的种晶来源于哪里,如果用其他公司的种晶是涉及到知识产权问题的,别家种晶的固有缺陷在你这里也一定会体现出来。这也是为什么国内衬底材料方面两家做的比较大的公司,山东天岳和天科合达能做好的原因。天科合达是北京的,是中科院物理所出来做的,已经有 10 多年了。山东天岳是基于山东大学一个院士毕生的基础上做出来的。科学家们都经过了很多年的积累,熬过几十年才等到产业的爆发。在这个产业,无论是去挖人还是模仿,都是十分困难的。必须要不断地烧钱,要有足够好的想法和坚定的投资人才能做好。

 

Q:碳化硅量产的良率和成本还不是很理想,理想状态下拿 6 寸的碳化硅成品举例,成本大概能降到多少美元?

 

A:前几年还在 1000 美元以上,现在已经低于 1000 美元了,降本空间还比较大,几年后通过大规模量产可能降到 500 美元以下。包括 Cree 在内的公司做了很多投入在降本上,上次我通过 Cree CEO 的投资会议知道,之前他们扩产能的频率不稳定,每批次的数量不一样,每台机器都有各自的特性,用的器件都不一样。现在改进之后一次性扩了几百台设备,一致性做到了非常好,现在一台上做了改进,在其他机器上都可以很快应用,这也促进了成本的降低和良品率的提高。以前是像研发的做法,现在是通过大规模生产来推广。现在国内厂商也在快速地扩大产能,但这其实是机会和风险共存的,在没有定义有竞争力工艺的时候,拿LED 来举例,如果大规模上可能会很惨,因为新的东西出来了你就过时了,自己做可能还不如买的便宜,最后就只能停机。矛盾在于,如果不扩张,工艺很难大规模量产;如果扩得太快,技术工艺可能面临过时的风险。

 

Q:了解到行业里有种新工艺叫熔体法,生产速度可以快不少,也可以让质量和成品率提高,您如何看待它的前景?

 

A:任何一个好的想法都有试错的机会,目前全球主流的方法有三种,包括 PVP 粉末蒸发(可量产)、Norstel 的工艺 CVD 等,熔体法我看到有日本和国内的团队都在提出和使用,我认为非常值得去做,做成功了会有很大的价值。之前德国的一个团队提出了一个激光切割的想法,他们证明了可行性,申请了专利。在当时,离大规模生产还很远,我们没有投资,但现在被英飞凌收购了。我认为你只要把你的想法验证了,就有巨大的价值产生。

 

Q:三安把 Norstel 买过来,在 2019 年又把股份卖给了意法,想了解一下具体情况。

 

A:其实这个交易是我们做的,整个买卖都是安芯基金操作的,三安只是 LP,细节不多赘述了。实际情况是一开始卖了一部分留了一部分,在 19 年底全部卖给意法了,里面有一些故事,有时间可以私下里细说。从意法的角度看,他的核心诉求不是做材料,是做器件,他希望把整个碳化硅的市场做大,去快速抢夺硅基的市场。意法是特斯拉的一供,但 IGBT 在全球排第五,他们希望通过碳化硅弯道超车,跟 IGBT 业内的领头羊竞争,因此在这方面投资得非常激进。

 

Q:请问国内目前碳化硅项目投资较热,各厂商也都投了很大的 capex,我们应该如何去判断哪些项目能大概率成功,是看技术团队的来源,还是是否有对于长晶设备的 knowhow?以及未来是否只有一体化,打通衬底到器件设计的企业才能成功,仅有器件设计能力的企业什么时候会面临压力?

 

A:所有的创业团队背景从募资材料上来看都非常亮眼,看不出实际水平。我认为看项目有两个方面:一方面是怎么解决种晶的问题,回答种晶从哪来,就像种一棵树需要好的种子,非法获取种子来做肯定会存在很大的瑕疵;第二是实操层面,把长出的衬底产品给未来的客户,即国内的生产团队去用,看能不能做出产品,成本是不是有竞争力。如果只是你自己说行,那是无法判断的,必须你的直接客户愿意给你下订单,这是最终极的判断。

 

Q:请问您觉得观测到哪些指标,或者说看到什么信号可以确认汽车全面拥抱碳化硅的时代到来了。比如车载电压平台升至多少伏,碳化硅成本降到 IGBT 的多少等。以及汽车三电和其他零部件哪里会最先完成碳化硅的全面渗透,哪一块碳化硅渗透起来会比较困难?

 

A:碳化硅在高压方面有优势,现在只要车企用的是高压、650 伏以上的电池,电压越大,碳化硅的优势越明显;另一方面是车的续航能力,比如大巴,碳化硅有绝对优势。就家用车而言,续航在 300、500 公里以上,碳化硅就有优势。电池越大,碳化硅越有优势。爆发的话我认为会在 2024 年,这也是 Cree 的预测,目前美欧日还在大规模做研发,到 2023-2025年才会大规模上市。我认为碳化硅在电动车领域里存在绝对的优势,一定会成为主流。

 

Q:LED/射频/功率器件这种化合物半导体的工艺是不是都很相似,可以把 LED 和射频的技术积累用到碳化硅上呢,设备和机台是不是也不需要太多替换呢?因为三安基本上就是这个路径,想了解一下这几大业务的协同情况?

 

A:碳化硅、氮化镓和 LED 相比,是完全不一样的功率和挑战。三安在 2014 年就已经开始投入,聚集了很多精英投入了 7 年。做硅基氮化镓有一些 LED 的经验可以借鉴,但 LED 和碳化硅差的很远。做碳化硅最基本的是需要一条半导体的生产线,现在只有做硅基的公司才有生产的工艺和经验,比如中芯国际、华润微电子等,而这些经验做 LED 的公司则完全不具备。三安属于特殊情况,有 LED 的支撑,同时在孵化半导体,有大基金在支持,还有全球的团队经过六七年研发,到现在也才刚刚能进入量产。总而言之,从今天开始做,没有 5、6 年是无法赶上三安的水平的。

 

Q:碳化硅会大量取代硅基器件吗,未来硅基 IGBT 等的市场会大幅度萎缩吗?

 

A:碳化硅有增量,也有存量。碳化硅抢占汽车 IGBT 市场后,整个 IGBT 市场也在扩张。因为整个机器人、新能源等产业加上全球电动化的趋势,都需要更多的功率器件,整个市场还在快速增长。未来十年可能整体器件市场平均每年有几个点的复合增长率,但在功率器件整个市场至少有两位数的增长。功率器件包括开关、电机驱动等,只要有马达的都要用功率器件,在这方面碳化硅的增长速度超过硅基市场增速,而硅基市场可能会不增长或者保持个位数的增长,但真正碳化硅超过硅基市场至少需要 20 年。

 

Q:籽晶一般是怎么生产出来的呢,为什么成为一个门槛?

 

A:主要是时间问题。Cree 等公司都是 20 年前,把籽晶从 1 寸到 2 寸到 3 寸,一点点扩出来的。种碳化硅是一点点地扩,需要时间来慢慢量产,Norstel 的价值也是在于此。当然也有一些办法可以合成,但目前市面上的领导者都是经过时间积累慢慢扩的。

 

总结:

 

目前虽然第三代半导体投资还有一些风险,但整个产业发展不受太多的技术限制,没有设备的瓶颈。同时,对于大规模的硅基产线的投入需求还是比较小的,因此未来成长空间还是非常大的,上市公司和初创公司都是有机会的。半导体仍然是以量取胜,聚焦龙头还是最稳妥的投法。对风投来说,建议关注有较强研究基础和技术积累的团队。


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