功率半導體，日本押下重注

半導體行業(yè)觀察·2023-12-14

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回望1988年，日本在全球芯片生產(chǎn)中的份額超過50%，但如今已降至10%左右。

編者按：本文來自微信公眾號半導體行業(yè)觀察（ID：icbank），作者：L晨光，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權轉(zhuǎn)載。

回望1988年，日本在全球芯片生產(chǎn)中的份額超過50%，但如今已降至10%左右。

過去三十多年被視為日本半導體“失去的三十年”。

近年來，大國間科技競爭加劇，半導體供應鏈問題躍然紙上，日本將重振半導體行業(yè)提上日程，東山再起的意圖呼之欲出。

一方面，近年來日本聚焦芯片制造領域，快馬加鞭。

2021年6月，日本首次發(fā)布《半導體數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，旨在通過重金補貼的方式，吸引更多半導體巨頭在日本投資建廠。

在招攬外援的同時，日本也在內(nèi)部積極規(guī)劃。2022年8月，在日本政府的牽頭下，由豐田、Sony、NTT、NEC、軟銀、Denso、Kioxia、三菱UFJ等8家日企共同出資組建半導體“復仇者聯(lián)盟”，設立日本晶圓代工企業(yè)Rapidus，直接劍指“2nm技術”，希望復刻當年“日之丸半導體”的神話。

2023年8月，日本時隔兩年再次修訂《半導體數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，對振興半導體行業(yè)做了更加清晰的規(guī)劃：

強化半導體的制造基礎和生產(chǎn)組合
下一代先進半導體技術的確立
未來先驅(qū)性技術的研發(fā)

野心勃勃的Rapidus先后和IBM、IMEC達成合作，以全力支持Rapidus研發(fā)2nm制程技術，并強化日本半導體生態(tài)培育和人才培養(yǎng)。

另一邊，日本政府也已招攬臺積電、三星、美光、聯(lián)電等晶圓大廠赴日建廠。

日本聲稱，半導體技術正處于結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)折點，布局芯片制造是一個巨大的機遇，也是日本重返全球半導體市場霸主地位“最后機會”。

市占從巔峰期的超過50%，到如今的個位數(shù)，是日本半導體失落的寫照。然而，在設備、材料領域的壟斷，穩(wěn)固了日本在產(chǎn)業(yè)鏈中無可取代的地位，而站在風口浪尖的功率半導體，同樣是日本最后的堡壘。

前后受敵

雖然在整個半導體領域，日本企業(yè)被認為陷入低迷，但是放眼整個功率半導體領域，日本仍存在感十足。據(jù)Omdia 2021年數(shù)據(jù)顯示，全球功率芯片十強中有一半是日企，三菱電機（第4）、富士電機（第5）、東芝（第6）、瑞薩（第9）、ROHM（第10）。這五家企業(yè)合計占有全球20%以上的功率芯片市場份額。

雖然日本企業(yè)在功率半導體top10中位列5席，但其排名最靠前的三菱電機所占份額僅為6%左右。英飛凌近21%的市場份額，更是相當于日本前五大制造商的總和。

《金融時報》曾表示，日本廠商相對較小的規(guī)模，使其難以擴大生產(chǎn)和營銷規(guī)模。日本制造商也對進行大筆投資持謹慎態(tài)度，以免同行做同樣的事情并導致供過于求。

眾所周知，功率半導體與承擔“頭腦”職能的邏輯半導體和作為記憶媒介的存儲半導體不同，其主要功能是控制電路，以及電流的直流/交流轉(zhuǎn)換等。作為電子設備中不可缺少的控制零件，應用領域廣泛。

近年來，隨著電動汽車、新能源、5G通信、云計算等新興技術的加速普及，點燃了市場對功率半導體的新需求。可以說，未來數(shù)字時代的幾乎每一個具象場景都需要數(shù)量更多、價值量更高的功率半導體支撐。

據(jù)Omida數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年全球功率半導體市場規(guī)模為462億美元，預計至2024年，全球市場有望達到538億美元。

全球和中國功率半導體市場規(guī)模（圖源：Omdia）

應用端的龐大潛力，拉動了功率半導體市場成長。

在市場下行周期，當整個行業(yè)都在忙于去庫存時，功率半導體成為少數(shù)逆勢發(fā)展的賽道。安森美、英飛凌的車規(guī)MOSFET等產(chǎn)品價格持續(xù)高位，IGBT始終短缺，在前20家功率半導體廠商中，有14家計劃將在未來三年內(nèi)增加產(chǎn)能。此外，碳化硅（SiC）功率半導體也乘著新能源汽車的大風，一路“扶搖直上”。

良好勢頭下，英飛凌在規(guī)模競爭中處于突出地位。據(jù)悉，英飛凌目前有兩家大型300毫米晶圓制造廠，一家位于德累斯頓，另一家位于奧地利菲拉赫。

2022年2月，英飛凌宣布將斥資逾20億歐元在馬來西亞居林工廠建造第三個廠區(qū)，擴大寬禁帶（碳化硅和氮化鎵）半導體產(chǎn)能，進一步鞏固和增強其在功率半導體市場的領導地位。新廠區(qū)預計在2024年夏季進行設備安裝，首批晶圓將于2024年下半年開始出貨。

此外，英飛凌還將持續(xù)為其第三代半導體業(yè)務注資，計劃在未來幾年把奧地利菲拉赫的6英寸、8英寸硅基半導體生產(chǎn)線改造為第三代半導體生產(chǎn)線。據(jù)透露，英飛凌計劃到本世紀20年代中期，將碳化硅功率半導體的銷售額提升至10億美元。

安森美也正在韓國京畿道富川市建設全球最大的SiC生產(chǎn)設施，目標2024年完成設備安裝，使富川市成為全球SiC生產(chǎn)中心。到2025年，富川工廠的SiC半導體年產(chǎn)能預計將達到100萬片，將占據(jù)安森美總產(chǎn)量的35%至40%。

同時，安森美正在由傳統(tǒng)IDM模式向更加靈活的FabLite模式轉(zhuǎn)型，將采取更加靈活的制造路線和策略，逐漸拋棄6英寸晶圓廠，聚焦12英寸晶圓產(chǎn)能，并將提高通用封裝后端廠的靈活性。

意法半導體（ST）也在2021年支出約21億美元，其中14億美元將投入全球產(chǎn)能擴建，7億美元將用于戰(zhàn)略計劃，包括在建的意大利Agrate 12英寸晶圓新廠、意大利Catania的碳化硅工廠和法國Tours的氮化鎵工廠。據(jù)悉，ST將在未來4年內(nèi)大幅提高晶圓產(chǎn)能，計劃在2020年至2025年期間將歐洲工廠12英寸整體產(chǎn)能提高一倍。

今年6月，意法半導體還宣布將與三安光電在中國成立8英寸SiC器件制造合資企業(yè)，三安光電將配套建設一座8英寸襯底廠。合資公司預計2025年第四季度投產(chǎn)，將幫助意法半導體實現(xiàn)2030年SiC收入超過50億美元的目標。

Wolfspeed今年中旬也宣布獲得20億美元融資，資金將用于擴建公司在美國已有的兩個碳化硅晶圓生產(chǎn)設施，并為汽車廠商供應碳化硅芯片。

X-FAB則在今年5月份表示，將計劃擴大其在美國得克薩斯州的代工廠業(yè)務，以提高該廠區(qū)的碳化硅半導體產(chǎn)量。博世宣布收購美國芯片制造商TSI Semiconductor，以增強其在美洲的碳化硅供應鏈。

綜合來看，12英寸產(chǎn)線是歐美大廠接下來的布局重心，以此來進一步提升資源和產(chǎn)能效率。

而在第三代半導體方面，由于市場需求快速爆發(fā)，也有了上述以及更多的半導體公司積極布局和擴產(chǎn)行為，釋放出強化競爭優(yōu)勢以搶奪日漸增長的市場份額的信號。

除了突出的市場份額外，歐美大廠快速的擴產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)線轉(zhuǎn)移步伐，給日本功率半導體市場帶來了壓力。

另一方面，在歐美廠商的“壓迫”之外，日本功率半導體產(chǎn)業(yè)還面臨著來自中國企業(yè)的沖擊。

據(jù)此前報道，SEMI Japan對半導體設備企業(yè)調(diào)研了解，梳理出22家目前已發(fā)出采購訂單的大陸新增晶圓廠項目，其中12家將被用于功率半導體生產(chǎn)。眾多廠商的快速布局以及下游巨大市場加持，使得中國功率半導體廠商成為一股不可忽視的力量。

日經(jīng)表示，中國企業(yè)新建產(chǎn)能陸續(xù)開出后，將對功率半導體市場上的日本企業(yè)形成明顯沖擊，因后者仍采用更陳舊的8英寸產(chǎn)線，生產(chǎn)效率不及12英寸產(chǎn)線。

面對來自歐美以及中國廠商的多面競爭和壓力，日本功率半導體產(chǎn)業(yè)不得不開始思考，他們能否保住自己的利基市場。

窮追不舍

在功率半導體領域，日本廠商包括三菱電機、富士電機、東芝、瑞薩、羅姆等在全球都有著較強競爭力，近年來爭相在功率半導體領域布局。

三菱電機

三菱電機株式會社成立于1921年，于1997年率先量產(chǎn)混合動力汽車的功率半導體模塊，是日本IGBT領域的王者。2021年11月，三菱電機設立公司功率器件業(yè)務目標時表示，到2025年銷售額2400億日元以上、營業(yè)利潤率10%以上。為實現(xiàn)目標，三菱電機宣布將在未來五年內(nèi)向功率半導體業(yè)務投資1300億日元，計劃在福山工廠新建一條12英寸晶圓生產(chǎn)線，并計劃到2025年將其產(chǎn)能比2020年翻一番。

今年3月，三菱電機再次宣布將在截至2026年3月的時間內(nèi)將之前宣布的投資計劃翻一番，達到約2600億日元，主要用于建設新的晶圓廠，以增加SiC功率半導體的生產(chǎn)。7月，三菱電機宣布已入股Novel Crystal Technology。

日前，日本三菱電機宣布將于安世半導體聯(lián)合開發(fā)高效的SiC MOSFET分立產(chǎn)品功率半導體，將促進SiC寬禁帶半導體的能效和性能提升至新高度，同時滿足對高效分立式功率半導體快速增長的需求。

在以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體逐漸進入產(chǎn)業(yè)化并加速放量的階段，三菱電機為搶占技術先機按下了“快捷鍵”。

富士電機

富士電機成立于1923年，于1988年開始生產(chǎn)第一代IGBT，2010年開始開發(fā)SiC功率半導體模塊。

富士電機設備投資一覽

2021年8月，富士電機宣布計劃追加投資400億日元擴充功率半導體產(chǎn)能。其中，大約250億日元會投入公司在馬來西亞的晶圓廠，生產(chǎn)8英寸硅晶圓，改善生產(chǎn)效率。馬來西亞廠預定2023會計年度開始生產(chǎn)功率半導體。其余150億日元則會分配到包括日本松本廠在內(nèi)的其他地方。

此外，富士電機還表示，在電動汽車和可再生能源需求增加的背景下，決定將功率半導體的資本支出增加到1900億日元。富士電機表示，它不追逐市場份額，而是嚴格控制其資本投資。據(jù)日經(jīng)報道，富士電機正準備開發(fā)一個300mm的產(chǎn)線，但沒有詳細說明時間框架。

在碳化硅功率半導體方面，2022年度富士電機位于長野縣的松本工廠已開始生產(chǎn)EV用產(chǎn)品。還計劃2024年度開始在青森縣的津輕工廠量產(chǎn)，建立由兩個基地生產(chǎn)的體制。從2024年開始，富士電機將逐漸增加全球份額，爭取2025-2026年使全球份額達到約2成。

東芝

東芝于1939年由芝浦制作所和東京電機合并而成，前身為東京芝浦電機株式會社，1978年正式更名為東芝株式會社。2022年4月，東芝表示，將在其位于石川縣的主要分立半導體生產(chǎn)基地建造一個新的300mm晶圓制造廠，用于生產(chǎn)功率半導體。將分兩期建設，根據(jù)市場趨勢優(yōu)化投資節(jié)奏，第一期計劃于2024財年開始投產(chǎn)，第一期達到滿負荷時，預估產(chǎn)能將是2021財年的2.5倍。

在碳化硅方面，東芝透露，2025年將開始量產(chǎn)碳化硅材料的功率半導體。同時，東芝還在推進氮化鎵（GaN）功率半導體的研發(fā)。

瑞薩電子

瑞薩是日立、三菱和 NEC電子的半導體部門合并而來。2022年5月，瑞薩投資900億日元重啟甲府工廠作為功率半導體專用300mm晶圓廠，該工廠于2014年10月關閉，此前是150mm和200mm晶圓制造線。一旦甲府工廠實現(xiàn)量產(chǎn)，瑞薩的IGBT等功率半導體總產(chǎn)能將翻一番。為了提高產(chǎn)能，瑞薩決定利用工廠的剩余建筑，將其恢復為專用于功率半導體的300mm晶圓廠。

此外，瑞薩將于2025年開始生產(chǎn)使用SiC來降低損耗的下一代功率半導體產(chǎn)品，計劃在目前生產(chǎn)硅基功率半導體的群馬縣高崎工廠進行量產(chǎn)，但具體投資金額和生產(chǎn)規(guī)模尚未確定。

羅姆

羅姆于1958年在京都成立，最初是一家小型電子元件制造商。1967年生產(chǎn)擴大到包括晶體管和二極管，并在1969年將IC和其他半導體產(chǎn)品添加到產(chǎn)品陣容中。羅姆是日本最大的SiC功率半導體生產(chǎn)商，并通過其德國子公司SiCrystal生產(chǎn)SiC晶圓。羅姆擁有全球10%以上的SiC功率半導體市場以及15-20%的SiC晶圓市場。

據(jù)悉，羅姆計劃在2028年3月底前向SiC注入5100億日元發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。目標是到2030年SiC晶圓產(chǎn)能相比2021年提高35倍，據(jù)悉，到2025年羅姆SiC產(chǎn)能將提升6.5倍。

此外，日本還有電裝、富士通半導體、日立、京瓷、新日本無線電、菲尼泰克半導體、三墾電氣、三社電氣制造、精工NPC、新電元電氣制造、豐田工業(yè)等多家涉及功率半導體的企業(yè)。以及更上游的材料廠商，如生產(chǎn)SiC外延晶片的昭和電工，生產(chǎn)SiC晶圓的住友金屬礦山。

同時，DENSO、三菱電機、羅姆、東芝等企業(yè)也在大力布局碳化硅基板和上游材料領域。此舉是想在SiC需求爆發(fā)之前，鎖定關鍵原料產(chǎn)能，為后續(xù)自己的SiC功率器件的生產(chǎn)提供保障。

筆者此前在《日本功率半導體的“焦慮”》一文中提到，“從廠商經(jīng)營動向看，日本的確在加速對功率半導體領域的布局。但相較之下，英飛凌、意法半導體、安森美半導體等歐美功率半導體廠商擴產(chǎn)速度較快，且正快速向12英寸工藝遷移。日本廠商雖有動作，但無論是擴產(chǎn)幅度，還是從8英寸向12英寸的遷移速度均較為緩慢，時間上存在滯后?！?/p>

日本業(yè)人人士認為，這是一項冒險的事業(yè)，即使在人們普遍預計功率半導體需求會增長的時候?？偸谴嬖诠┻^于求的風險。日本制造商對進行大筆投資持謹慎態(tài)度，擔憂導致供過于求的現(xiàn)象發(fā)生。

長期以來，功率半導體是專為處理高壓設備而設計，通常是根據(jù)個別產(chǎn)品規(guī)格制造，而不是批量生產(chǎn)。

但富士通半導體業(yè)務前負責人Masao Taguchi表示，隨著電動汽車的大規(guī)模生產(chǎn)開始，該行業(yè)可能會發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，功率半導體可能會變得更加標準化，從而使能夠擴大生產(chǎn)規(guī)模的公司主導市場?！?/p>

這就是DRAM行業(yè)曾經(jīng)發(fā)生過的情況，日本芯片制造商在存儲芯片市場上輸給了韓國競爭對手。

政府發(fā)力

功率半導體作為日本的傳統(tǒng)優(yōu)勢領域，在被歐美大廠競爭和國內(nèi)功率半導體“崛起”態(tài)勢的雙重擠壓下，榮光漸褪，夾在處于突出地位的西方競爭對手和正在迅速追趕的中國競爭對手之間。

日本政府顯然已意識到了問題的嚴重性。

去年5月，日本政府發(fā)布關于發(fā)展半導體的增長戰(zhàn)略草案，旨在到2030年前將日本企業(yè)在全球功率半導體的市占由目前20%左右提高至40%。

鑒于這種形勢，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）也正在采取行動，旨在通過推出補貼政策來克服目前的情況。

近日，日本電子元器件大廠羅姆半導體、東芝發(fā)布聯(lián)合聲明稱，雙方將合作巨額投資3883億日元（約合27億美元），用于聯(lián)合生產(chǎn)功率芯片。

其中，羅姆計劃將大部分投資2892億日元用于其主導的SiC晶圓生產(chǎn)，其計劃在九州島南部宮崎縣建造一座新工廠。東芝則計劃出資991億日元，在日本中部石川縣建設一座尖端的300mm晶圓制造工廠。

據(jù)悉，雙方在功率半導體制造和增加批量生產(chǎn)方面的合作計劃已得到日本經(jīng)濟部的支持，雙方將共計獲得1294億日元（9.02億美元，相當于總投資的三分之一）的補貼，以支持其在日本國內(nèi)的功率半導體的生產(chǎn)。

圖源：東芝官網(wǎng)

日本經(jīng)濟大臣西村康稔在新聞發(fā)布會上表示，日本國內(nèi)功率半導體制造商相互合作，提高日本工業(yè)的國際競爭力，這是至關重要的。其表示，該部一直鼓勵日本的芯片制造商之間進行更多合作。

與國內(nèi)較為相似的是，中日兩個市場的功率半導體產(chǎn)能都比較碎片化。日本功率半導體企業(yè)此次強強聯(lián)合，通過利用政府補貼來新建功率半導體產(chǎn)能，兩方作為各自進入更細分的市場進行擴產(chǎn)布局，對方產(chǎn)品可以充分互補來提升客戶服務能力。這對提振羅姆和東芝的產(chǎn)線產(chǎn)能利用率，進一步提高兩家公司的成本、市場競爭力會起到較強的促進作用。

有業(yè)內(nèi)專家指出，這點也值得被國內(nèi)企業(yè)參考。近年來，國內(nèi)功率半導體市場進入了內(nèi)卷時代，價格戰(zhàn)、紅海競爭等字眼被頻繁提及。從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，國內(nèi)目前晶圓制造環(huán)節(jié)還較為薄弱，存在很多共性問題，需要通過政府政策引導和長期產(chǎn)業(yè)資金投入來持續(xù)推進研發(fā)和應用。

在功率半導體市場需求強力釋放趨勢下，未來的競爭是全球性的競爭。無論是對于日本還是中國功率半導體，企業(yè)間強強合作共同把功率半導體市場推向全球舞臺才是關鍵。

搶占未來

隨著全球芯片制造商將重點從硅片轉(zhuǎn)移到SiC晶圓片上，日本各大功率半導體企業(yè)紛紛在SiC領域大幅擴產(chǎn)，日本半導體行業(yè)正寄希望于SiC作為日本電子行業(yè)救星的潛力。

此外，圍繞GaN功率半導體，日本企業(yè)也在發(fā)力。

據(jù)日本專利廳統(tǒng)計，2000-2019年在世界上申請的相關專利，日本企業(yè)占4成。在GaN基板領域，三菱化學集團將與日本制鋼所合作，預計2023年初實現(xiàn)量產(chǎn)，住友化學最早2024年度實現(xiàn)量產(chǎn)。

日本諾貝爾物理學獎獲得者天野浩教授認為，日本的優(yōu)勢在于材料和器件等，應該積極開發(fā)GaN。

從最初的Si到SiC/GaN，功率器件已經(jīng)展現(xiàn)出了明顯的效率轉(zhuǎn)換提升優(yōu)勢。

與此同時，行業(yè)也正在不斷探索更多新型材料。尤其是氧化鎵和金剛石，這兩種材料正在受到越來越多的關注。

首先看氧化鎵，這或許將為日本增添新的動力。

氧化鎵，作為一種相對較新的半導體材料，相比碳化硅、氮化鎵具有更寬的禁帶寬度（約4.9eV禁帶寬度），以及具有8MV/cm的理論臨界擊穿場強。其高擊穿電場和較低的損耗顯示出巨大的潛力，但由于制造工藝相對不成熟，目前其應用仍處于探索階段。未來，氧化鎵有望在高壓和高效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中找到其位置。

根據(jù)日本Yano研究所市場報告預測，2025年氧化鎵晶圓襯底將部分替代SiC、GaN材料，市場規(guī)模可達到2600億日元，整個氧化鎵市場容量將隨著功率電子的發(fā)展呈現(xiàn)跨越式發(fā)展。

在氧化鎵的研發(fā)方面，日本走在時代前列。

日本東京國家信息通信技術研究所(NICT)的Masataka Higashiwaki是第一個認識到β-Ga2O3在電源開關中潛力的人。2012年，他的團隊報告了第一個單晶β-Ga2O3晶體管，令整個半導體器件界感到驚訝。

此后幾年，日本不少公司都在研發(fā)氧化鎵。其中日本一家公司Novel Crystal Technology（NCT）是世界上最早開發(fā)、制造和銷售功率半導體用氧化鎵晶圓的公司之一

據(jù)了解，早在2021年，NCT公司就已成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并開始供貨。去年該公司計劃投資約20億日元，為其工廠添加設備，計劃到2025年建成年產(chǎn)2萬片4英寸的氧化鎵晶圓生產(chǎn)線。

在2022年3月，NCT又使用HVPE方法在6英寸晶圓上成功外延沉積氧化鎵，NCT表示，此舉將有望將成本降到SiC的三分之一。

除了制造和加工氧化鎵單晶基板的設備和檢查設備外，NCT還將引進用于在晶圓上外延生長氧化鎵的成膜設備，并計劃開發(fā)一種可以同時沉積多個晶圓的新設備。

今年7月，三菱電機集團宣布投資NCT，希望將其長期積累的低功率損耗、高可靠性功率半導體產(chǎn)品設計和制造技術與NCT公司的氧化鎵晶圓制造技術相結(jié)合，加快開發(fā)卓越節(jié)能的氧化鎵功率半導體。

整體來看，在氧化鎵方面的研究，日本在襯底、外延和器件的研發(fā)方面處于全球突出地位。值得一提的是，研發(fā)氧化鎵功率元件的并不是大中型功率半導體企業(yè)，而是一些初創(chuàng)企業(yè)。最近幾年，在日本政府的大力支持下，依托于日本各大高校，分離出來了不少在氧化鎵領域的廠商，目前已取得了不少突破。

假以時日，當氧化鎵功率半導體潮頭來臨的時候，日本企業(yè)必將首先獲利。