以下文章來源于遠川科技評論 ，作者：丁建宇、陳禹、李鈺、常心悅
去年爆發的芯片供應鏈緊張，牽動著下游車商們的神經，并由此引發了聲勢浩蕩的國產替代浪潮。功率半導體發揮電能轉換的作用，是新能源車最重要的芯片部件之一，是國產替代要啃下的一塊硬骨頭，也是國產化的制高點。一年過去了，情況如何？
遠川科技評論長期關注國產功率半導體行業動態：
2020年10月發布的《“廉頗”華潤微》一文，回顧了國內功率IDM大廠華潤微前身742廠和華晶先后承擔六五工程、908工程并轉型的過程，尤其注意到了國營企業在行業人才培養中的奠基者與發源地作用。
2021年3月發布的《汽車芯片短缺，元兇是誰？》一文，將2021年開年以來的汽車芯片短缺問題，歸因于車商和設計廠把風險集中在了臺積電代工這一個籃子里。
經歷最近兩三年的狂飆突進，中國功率半導體業已取得不小的進步，本文主要分為三個部分進行復盤：
1.產能建設的多個維度；
2.汽車電子的機遇；
3.第三代半導體的兩大支柱。
01
產能建設的多個維度
說到產能，繞不過的一點就是8轉12英寸的趨勢。8英寸晶圓主要用于功率器件、模擬IC、顯示驅動和傳感器等產品，涵蓋汽車電子、工控/醫療、消費電子等領域。隨著芯片制造技術的進步，8英寸向更大尺寸的12英寸轉產成為趨勢，根據SEMI數據，2020至2022年12英寸晶圓廠的新建數量是8英寸的兩倍。
一方面，12英寸單位成本更低。一片12英寸晶圓產出晶粒數是8 英寸的2.25倍，成熟12英寸片工藝生產功率半導體產品整體來看單位成本僅為 8英寸的70%-80%，硅片直徑越大規模效應越顯著。
另一方面，12 英寸晶圓生產線已經基本實現了全自動化，需要人工參與的步驟很少，生產效率和良率都更高。
但是，建設12英寸面臨兩個難題：
一、投資成本高昂。相比8英寸，12英寸對代工廠的清潔室清潔度以及精密度要求更高，設備更昂貴，這也意味著需要支付更高的折舊費用。
二、轉向12英寸的收益仍待驗證。芯片產線需要高端技能工程師參與和大量資本投入，未來收益的不確定性會給項目帶來一定風險。
8英寸顯然是更穩妥的選擇。作為成熟制程，早年建的8英寸產線設備已經基本折舊完畢，運行成本極低；相比于轉向投資造價更高且需要大量人力、時間驗證的12英寸產線，守住8英寸是一個更好的選擇。
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尤其對于國內市場而言，功率半導體工廠應該綜合平衡好8英寸和12英寸，各發揮所長，實現技術和成本的平穩過渡。
在12英寸產線分布上，數家國內廠商都已實現投產，表現參差不齊，一些產線毛利率較低，遠低于成熟的8英寸產線。可見，國內玩家一開始要能hold住12英寸產線并非易事，夯實鞏固8英寸的優勢，是一個市場占優的策略。
華潤微在擴產上的動作就很具備代表性。
作為國內最大的功率半導體IDM公司，華潤微的募投計劃著眼于無錫和重慶兩地8英寸產線的技改，上市募集的30億元預計有一半投入8英寸BCD 工藝平臺技術水平提升和MEMS工藝平臺建設項目，每月可增加BCD和MEMS工藝產能約1.6萬片。
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而12英寸產線方面，華潤微在重慶投資建設的12英寸產線得到了大基金的鼎力支持，預計2022下半年開始貢獻產能，屆時將形成月產3萬片的晶圓生產能力，并配套建設12英寸外延及薄片工藝能力，未來將全部用于生產自有功率器件產品。華潤微的長期目標，是將自有產品的營收占比提升到60%及以上，而目前這一比重約在45%，功率器件將會成為公司拉動自有產品營收的主要功臣。
從華潤微的案例可知，“8英寸技改+12英寸擴產”是半導體行業未來發展的必經之路。
華潤微的8英寸產線已建成多年，運行良好，技改投入相對較小，擴產更為穩健，需要承擔的折舊攤銷成本也低，使得公司產品在市場上更具競爭力。
同時，合理的人員結構和龐大的生產、研發隊伍，保證能夠滿足12英寸產線建設所需，而不至于大干快上使得人力被稀釋，最后導致老產線良率下滑。
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此外，產能建設經常被人忽略的有兩點：
一點是構建較為完整的產業鏈，以充分降低成本，保證產能緊缺時的優勢，尤其是考慮到電動化革命下對于功率半導體的需求十分旺盛，倚賴外包不能救急。華潤微在這方面做了充分的考量，新產線投資于外延、封裝測試等其他產業鏈環節，能夠提高產業鏈的協同性、安全性和經濟性。
另外一點，是8轉12絕不只是晶圓尺寸大了，機器多了，而是研發實力隨之增加，對于技術的投入也成倍增長。
華潤微在12英寸產線上的擴產，就格外強調先進技術：
一個是薄片工藝，對于IGBT等核心功率半導體而言，薄片能做到多少是一個核心衡量指標，直接決定了功耗、散熱等核心能源效率指標；還有一個是先進封裝測試，隨著摩爾定律的發展漸趨緩慢，先進封裝成為提高PPA表現的一個主流技術方案，但如何高效、準確地測試先進封裝方案成為一個核心難題，華潤微對此的重視，在功率半導體廠商中是十分少見的。
所以，產能建設，不能只是8轉12，表面上的升級，如果沒有同時伴隨研發生產隊伍的建設、完整產業鏈的構建，與技術上的升維和追趕，便不能顯著提高產品毛利率和市場表現。
02
汽車電子的機遇
產能建設之后，功率半導體的第二個看點，就是汽車電子了。
自《巴黎協定》簽署以來，各國政府紛紛出臺“碳中和”計劃，并大力推動新能源相關產業的發展；此外，動力電池技術的突破，也為初迎曙光的新能源車企鋪平了道路。
政策扶持加上技術進步，猶如“好馬配好刀”，新能源車迎來井噴式上量：2021年，全球新能源汽車銷量達約675萬輛，同比增長108%，在汽車市場的滲透率達到8.3%。
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隨之而來的，是新能源車部件價值量和市場規模的快速提升。
Yole報告指出，汽車半導體的價值將從2020年的344億美元增長至2026年的785億美元，年復合增長率達14.75%；同時，預計到2026年，一輛汽車所擁有的半導體的平均價值將從現在的450美元增長至700美元，而功率半導體的平均價值，更是將增加5.5倍！這個增長幅度，是前所未有的。
2020-2035全球汽車C.A.S.E市場規模及預測
再往細看，作為電驅系統核心部件的IGBT，更是電氣化的關鍵：IGBT約占新能源汽車電控系統成本的37%，而電控系統占整車成本的15%~20%——由此可以算出，IGBT占到新能源汽車整車成本的5.6%~7.4%；同時，新能源汽車的動力性能越好，所需要的IGBT組件數量也就越多——從A00到B型車，其單車主驅IGBT價值從650元上升至2275元以上。
車規半導體領域，以IGBT為代表的功率半導體是兵家必爭之地，各公司競相布局。
做功率半導體的公司一抓一大把，但要進入汽車供應鏈，卻沒那么簡單。
車規半導體要求高可靠性，不僅要滿足高溫、低溫等復雜惡劣的工作環境，還要在至少15年的壽命中保持極低的失效率，因此驗證門檻高、周期長。技術積淀深厚、合作日久的國際大廠英飛凌等品牌深受整車廠信任。
但供應格局在2021年的缺芯潮中悄然改變。全球芯片產業鏈陷入短缺，英飛凌產能有限，擴產謹慎，而且價格高昂，于是國產公司一把被推上了臺面，技術好、價格低、定義準、迭代快的企業更受歡迎，國產替代加速。
那么，什么樣的功率半導體公司能滿足嗷嗷待哺的國產車廠呢？
IDM當仁不讓。
鑒于車規產品對性能指標、安全性、可靠性、一致性的要求之高，充分掌握產品know-how 的公司才能獲得車廠的青睞。
在這一點上，IDM相比Fabless具有天然的優勢。IDM模式下，廠商完成從設計、制造到封測的全流程，具備強大的垂直整合能力，know-how掌握在自己手中，避免哪一環節出問題還找不到原因、找到原因還解決不了的麻煩。
同時，IDM模式還能夠更好地整合上下游資源，降低成本，并加快產品技術迭代速度。
國外排得上號的功率半導體龍頭基本都是IDM，其優勢可見一斑。
而國內前十大功率半導體廠商中，成熟的IDM廠商只有華潤微一家。在國產替代加速的當下，華潤微憑借技術、成本、產能優勢，國內功率半導體行業罕有其匹。
首先是在其他領域中高端產品的經驗，為華潤微在汽車領域的表現奠定了基礎。
一般為人所忽略的是中高端MOSFET，其實國內市場仍是國外廠商占據主導。華潤微在這方面著力甚大，在高端電源（如基站電源）、逆變器、通信設備等要求嚴苛的產品場景中站穩了腳跟，實現穩定出貨。在這些領域表現優越，也就意味著有能力在汽車領域站穩腳跟。在新能源汽車行業，充電樁等汽車充電場景需求大量的中高端MOSFET，其中的增長空間巨大。
然后是IDM的三大優勢：成本、產能和工藝平臺。
在成本方面，華潤微產線折舊完畢，產品有更高性價比。2條8英寸生產線均于2011年規模生產，按折舊年限8年算，已經在2019年折舊完畢；剩余3條6英寸投產更早，也已折舊完畢。近四年來，華潤微折舊營收占比持續下降，產品性價比提升。
在產能方面，產能爬不上坡，規模效應不顯著，可變成本就降不下來。對比國內另外兩家主要的車規級IGBT廠商，截至2021年底，比亞迪半導體只有1條6英寸產線，時代電氣也只有2條，而華潤微有5條產線，其中包括了3條6英寸產線和2條8英寸產線，6英寸總月產能約23萬片，8英寸總月產能約12萬片，并且今年將有一條預計產能3萬片/月的12英寸產線投產，產能優勢明顯。
在工藝平臺方面，華潤微具有完備的 BCD 工藝技術平臺，電壓覆蓋范圍寬（5700V），擁有高密、高壓和SOI基三種類型的 BCD 技術，在工藝節點上與全球主流晶圓制造廠處于相當水平。2021年底，還成功推出了0.18微米中高壓車規級BCD工藝技術，進展迅速。
最后，華潤微在汽車電子上已經完成了三步走：快速布局、加強認證和爭取大主機廠客戶。
在布局方面，華潤微從外延并購與內部研發兩方向切入汽車電子領域。一方面，華潤微收購杰群電子70%股權，布局汽車級電子封裝，另一方面，華潤微引進了專業人才，在已有技術積累的基礎上繼續進行相關產品研發。兩相并舉，華潤微可以說將上市IDM平臺的優勢發揮到了極致。
在認證方面，車規認證是不容忽略的，啃下國際市場上最硬的骨頭，也就意味著真正撬動了市場的杠桿。華潤微的功率器件事業群以國際汽車大廠審核為契機，參照汽車業的項目流程，推進汽車電子體系建設，進行產品立項研發及AEC-Q101體系考核，完善車規級產品體系與供應能力。
車規認證的內功，在中國半導體業界往往被忽略。在缺芯的大背景下，一些工廠拿著消費級的芯片往車上裝，雖能賺一些快錢，但不能長久。華潤微在車規認證上的重視和大舉投入，是值得學習的。
在大的主機客戶方面，華潤微通過了數家車廠的驗證，部分產品已進入整車應用，比如獲得了比亞迪等頭部客戶的車規級IGBT訂單。
03
第三代半導體的兩大支柱
第三代半導體材料又稱寬禁帶半導體材料，和傳統硅材料相比，主要區別在于禁帶寬度。
禁帶寬度是判斷一種半導體材料擊穿電壓高低的重要指標，禁帶寬度越大，器件耐高壓能力越強。以SiC、GaN為代表的第三代半導體材料往往具備更寬的禁帶寬度，因此也被稱為寬禁帶半導體材料。
第三代半導體器件與普通的硅基、單晶材料器件相比，優勢體現在：
第一，阻抗更低，可以縮小產品體積，提高轉換效率；
第二，頻率更高，降低能量損耗，工作頻率達硅基器件10倍，提升工作效率；
第三，熱導更強，可以承受更高溫度，工作溫度達硅基器件4倍，拓展工作環境。
目前，第三代半導體已經成為高性能器件廠商的最佳選擇，且SiC、GaN作為第三代半導體的代表材料，已經在電動車高壓充電和基站功放場景中率先得到應用。
在SiC的實際應用場景上，電動車高壓充電應用已經走在前面。
里程焦慮是車主在新能源車與燃油車中做出選擇的關鍵因素。大部分新能源汽車的續航里程低于600公里，難以滿足城際間的長里程行駛需求。隨著技術的發展，更強動力性能和快充性能成為車企迫切的追求目標，超級快充和功率提升促使電動汽車更快地更新換代。而市面上提升快充效率的方向有兩個：一是高電流，電壓不變提高電流；二是高電壓，電流不變提高電壓。
高電壓模式是車廠普遍采用的模式，除減少能耗、提高續航里程外，還有減少重量、節省空間等優點。世界上各大車企都有著800V產品的規劃。如保時捷Taycan是第一臺量產的800V架構電動車，小鵬也推出800V平臺下的400kW快充等。
除此之外，高電壓可以滿足長時間快充，其滿足最大功率充電的SoC區間更廣，而高電流則無法滿足。因此相較于提高電流，高電壓是未來發展趨勢，車企最終將會走向800V高壓充電的技術路線。
高電壓從構想到落地，關鍵材料SiC站上舞臺。
相較于單晶Si器件，SiC器件擁有多項優勢：擊穿場強是硅的十倍，在更小的裸芯片面積上的阻斷電壓比硅更高，目前的SiC已可支持高達1700 V的MOFSET阻斷電壓，而硅基超級結MOSFET通常在900 V以下。
與單晶硅相比，SiC有著更低的導通電阻和斷態漏電流，因此有助于提高效率。此外，SiC具備三倍高的導熱率，并且能夠承受更高的芯片溫度，從而降低了散熱要求。
因此，SiC器件成為高電壓充電技術不可或缺的一環。
再說到GaN的應用場景，其與5G基站功放展開了完美的結合。
5G技術的普及，對與之配套的5G基站功率性能提出考驗，這一問題被GaN器件輕易化解。
GaN器件能夠提供更高的功率和帶寬，并且GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都有所進展，能比較好地適用于大規模MIMO技術。而運用該材料的GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經成為5G宏基站功率放大器的重要技術。目前在宏基站上GaN主要采用SiC襯底（GaN on SiC），由于SiC作為襯底材料和GaN的晶格失配率和熱失配率較小，同時熱導率高，更容易生長高質量的GaN外延層，能滿足宏基站高功率的應用。
正是由于GaN與MIMO技術的有機結合，使得功放效率有了質的提升。據了解，5G基站功率比4G基站高出4700W，增長約67%。由于5G基站需要采用Massive MIMO等技術，5G基站的AAU輸出功率由4G的40W~80W上升到200W甚至更高，同時由于處理的數據量大幅度增加，BBU的功率也大幅度提升。
第三代半導體器件雖然好用，但阻礙其大規模應用的最大的痛點就是價格太高，動輒達到發揮相同作用的硅基器件的數倍以上。出于成本考慮，第三代半導體產品上車率并不高。
具體來說，SiC之難主要難在襯底制備。
首先，高純度碳粉提純工藝要求高，合成配方技術需要長時間積累；
其次，單晶生長緩慢，仔晶繁殖速度慢，碳化硅襯底成本居高不下；
再次，碳化硅硬度高、脆性高，加工時間長且產品良率低；
最后，高精度數字仿真技術研發成本高，目前大部分廠商仿真水平低。
除了SiC成本高企之外，GaN也有不小的制備難度：
在匹配方面，在GaN上做外延層比在硅MOSFET上更復雜，并且外延層對器件的動靜態電性能的影響更明顯。不同的廠商使用不同的功率GaN器件，每種方案都有不同的柵極驅動器、電流崩塌效應和封裝，造成匹配問題。
在制造方面，因為氮化鎵和襯底材料硅的晶格匹配度差，生長時會出現崩塌而導致良品率低。在設計方面，氮化鎵晶體管的柵極需要驅動才能做到正常的開關，而氮化鎵的柵極電壓閾值和最大電壓都很小，所以非常容易誤開啟，在設計上有非常大的難度。
那么，在成本高企，制造困難的情況之下，國內應該采取什么樣的模式來發展第三代半導體？
就快速出貨而言，似乎是Fabless。由于國內在襯底外延等環節上都落后，所以采用Fabless模式的廠商反而更有優勢，因為可以找中國臺灣和國外的代工。
但是，就長期競爭力而言，還是IDM。
為什么？原因很簡單，舉個例子，大陸很多射頻PA領域公司都找臺灣代工，但是毛利率卻很低，比如唯捷創芯：唯捷創芯的主營業務——4G PA的毛利率只有20%。背后原因就是設計公司對代工端和封測端沒有議價權。作為Fabless公司，唯捷創芯產品的原料成本劣勢不可避免地被攥在了晶圓代工廠的手里，PA用GaAs（砷化鎵）工藝，晶圓主要從中國臺灣地區廠商穩懋采購，占了總采購成本的四分之一以上。
相較而言，IDM模式在自主性等方面就存在著超強的優越性了。
華潤微布局第三代化合物半導體的模式與硅基器件一脈相承，仍然采用IDM模式。
第三代半導體采用IDM的關鍵因素，主要是將對成本影響最顯著的襯底制備、代工端內化進公司的產線，吃透know-how，降低成本。器件成本越低，越接近替代硅基器件的甜蜜點，上車放量也就指日可待。
沿著這個思路，華潤微為中國功率半導體業界做出了IDM的一系列示范動作。
在碳化硅上，華潤微在專注于自身第三代半導體材料研發運用同時，積極布局SiC上下游產業鏈。公司出資設立的潤科基金圍繞產業鏈上下游進行投資，參股公司包括SiC晶片及設備公司，例如國內SiC襯底領先廠商天科合達和具備完整碳化硅外延晶片生產線的瀚天天成，以更好地保障SiC產品供應鏈。
有了產業鏈的保證，華潤微在碳化硅產品上對標科銳、多代并舉、多個場景發力。
在產品性能上，華潤微的SiC JBS產品性能略優于科銳最新6代產品水平，面積縮小了5%。
在產品迭代上，華潤微多款6英寸第一代650V、1200V SiC JBS產品實現量產，2021年銷售額達650萬元；第二代產品性能達到業界先進水平，多款產品實現量產；第四代產品實現技術突破，并完成了產品化。
在應用場景上，華潤微瞄準了充電樁、太陽能逆變器、通信電源等多個場景，均有出貨。
在氮化鎵方面，華潤微以6英寸產線為基礎，充分利用8英寸產線的技術優勢，采用自研工藝及封裝技術，從襯底材料、器件設計、制造工藝，封裝工藝全方位推進硅基GaN的研發工作。
同時，華潤微在今年5月收購了芯冠科技34.56%股份，后者專注于硅基氮化鎵外延材料及電力電子器件的研發、設計、生產與銷售，也是一個IDM的典型。
內外兩手抓，華潤微基于氮化鎵行業較為零散的結構，在市場開拓上采取了靈活的姿態：
一是采用簡單易用的驅動，設計高可靠的產品；
二是與業內下游廠商廣泛合作，在新能源汽車車載充電機、數據中心服務器電源和高端電機驅動等場景都有開發產品。華潤微2021年報顯示，其GaN產品面板級封裝技術研發已完成小批量量產，交貨量大于50K。
04
尾聲
對于中國功率半導體而言，人的因素永遠是最關鍵的。
在此前《“廉頗”華潤微》一文中，我們詳細敘述了華潤微前身華晶的發展歷史，指出其寶貴的歷史文化傳承和人才外溢，成就了長三角的功率半導體業。
現在，作為科創板首屈一指的功率IDM，華潤微在產能建設、汽車電子和第三代半導體三大領域都有著亮眼的表現，這與掌舵者和重視人才的企業文化密不可分。
今年3月，李虹接棒華潤微總裁。作為國內功率半導體業界少見的博士管理者，他投身半導體行業近30年，積累了豐富的產業經驗，推動了多項技術發展與產業化，有著豐富的研發管理經驗。
有深諳技術要領的掌舵者，更有一批勇攀高峰的精兵強將。
華潤微每年舉辦一屆科技大會，至今已辦四屆，表彰優秀科技工作者和優秀科技成果，對青年科研工作者設有專門獎項。正是一批批技術骨干和領軍人物的砥礪奮斗、代代相傳，才有技術的快速迭代和大踏步前進。
可以看出，在競爭激烈的半導體行業，國營企業是能夠發揮長足的領導作用的，這與互聯網等模式創新行業有著本質的不同。對于國營企業來說，只要經營管理層和技術人才梯隊建設得當，知道目標市場在哪，采取適當的策略，便能關關難過關關過，帶領中國半導體工業補齊技術與市場的差距，扛起行業沖鋒的大旗。
其實，不僅僅是華潤微在功率半導體業發揮了國有企業的帶頭沖鋒角色，長江存儲在NAND flash存儲領域、合肥長鑫在DRAM存儲領域，都發揮了類似的角色。
在中國半導體工業面臨極限施壓與巨大差距需要追趕的當下，這些國有企業之所以能夠奮起追趕，與華晶及華潤微一脈相承而來的歷史傳承和人才積淀關系很大。上個世紀末建設六五工程和“908工程”的國家工程敘事，仍然在深刻地影響著中國半導體人的歷史記憶；未曾斷過的人才譜系一代代接力，為中國半導體工業向前發展添進了新鮮的燃料。