关于推动洛阳市第三代半导体产业发展的调研报告

日期:2022-09-29 阅读:680
核心提示:关于推动洛阳市第三代半导体产业发展的调研报告
   为推动洛阳市第三代半导体产业加快发展、尽快形成优势产业集群,洛阳市委财经办组织中硅高科、麦斯克电子、鸿泰半导体等企业进行了专题研究,并赴苏州、杭州、宁波三市开展了专题调研。在此基础上,就洛阳市第三代半导体产业发展提出了工作建议,现将有关情况报告如下:
 
  一、第三代半导体产业基本情况
 
  (一)半导体产业总体情况。半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,在集成电路、消费电子、通信系统、大功率电源转换等领域具有广泛应用。2021年,全球半导体市场规模达5560亿美元,同比增长26.2%。从应用领域来看,半导体在集成电路领域市场规模达4630亿美元,约占全球半导体市场规模的83.3%;其次分别为光电器件、分立器件、传感器领域,市场规模分别为434.2亿美元、303.4亿美元、191.5亿美元,占比分别为7.8%、5.5%、3.4%。从主要消费区域来看,亚太地区约占全球的70%,其中,中国约占全球的35%,是全球最大的半导体单个市场;其次分别为美国、欧洲市场,分别占全球的19%、10%。需要关注的是,中国市场仍在高速增长,2021年销售额突破1900亿美元,同比增长27.1%。从发展历程来看,半导体核心材料按照历史进程可以分为以硅、锗为代表的第一代半导体材料,重点应用在集成电路、电子信息等领域,目前约占总体规模的85%;以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料,重点应用在4G时代的大部分通信设备以及光电领域,目前约占总体规模的5%;以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石等为代表的第三代半导体材料,主要应用在新能源汽车、5G通信、光伏逆变器等领域,近年来呈现高速增长态势,目前约占总体规模的10%。

  (二)第三代半导体材料的优势。与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料的优势主要体现在4个方面:一是应用场景广阔,性能更强。第三代半导体采用宽禁带材料,关断时候的漏电电流更小,导通时候的导通阻抗更小,且寄生电容远小于硅工艺材料。在高温、大功率场景中,第三代半导体材料芯片的运行可靠性更强,待机时间更长。二是能量转换效率高,功率损耗小。以新能源汽车为例,相比用传统硅芯片(如IGBT)驱动的电动汽车,用第三代半导体材料芯片(如特斯拉Model 3使用的碳化硅芯片)驱动的新能源汽车的能量耗损低5倍左右,电机控制器的体积减少30%,续航里程能够增加5%至10%。三是可以承受更大的功率和更高的电压。第三代半导体材料能够大幅提高产品的功率密度,适应更高功率、更高电压、更大电流的未来电动车的需要。四是应用范围更加广阔。第三代半导体产业具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点,在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。总的来看,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,还能以较少的电能消耗获得更高的运行能力,能够满足现行5G及新能源汽车等最新应用的需求,正在成为全球半导体产业竞争的新的战略高地。
 
  (三)第三代半导体产业情况。从产业链条来看。第三代半导体产业链主要包括衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,主要用于物理支撑、导热、导电;外延是在衬底材料上生长出来的新半导体晶层,其中碳化硅基氮化镓,被视为第三代半导体未来主流;器件是通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的结构;下游应用市场主要是以新能源汽车、5G通讯、光伏发电、消费类电子产品等。从国际竞争态势来看。目前国外企业在第三代半导体材料端仍然占据显著优势。在碳化硅市场中,美国科锐(CREE)碳化硅衬底市场占有率达到45%,其次为日本的罗姆,国内龙头山东天岳、天科合达合计市场占有率不到10%。在氮化镓市场中,日本住友集团为全球第一大氮化镓衬底厂商,市场占有率为40%,美国科锐(CREE)和威讯联合半导体(Qorvo)紧随其后,市场占有率分别为24%和20%,中国企业在衬底领域仍处于起步阶段。从应用场景来看,目前碳化硅、氮化镓器件的前三大应用领域分别为消费类电源、商业电源和新能源汽车,占比分别为28%、26%和11%。未来相当长一段时间内,随着制备技术进步带来的碳化硅与氮化镓器件成本持续下降,以及800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等细分领域市场需求持续增加,预计第三代半导体产业将会保持高速增长。
 
  (四)国内第三代半导体产业情况。目前我国第三代半导体产业已经开始从“导入期”向“成长期”过渡,初步形成了从材料、器件到应用的全产业链,但在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性工程化应用领域与国际顶尖水平还存在较大差距,部分高端产品还是空白,高度依赖国际进口。然而,第三代半导体属于后摩尔定律概念,对制程和设备要求相对不高,能够避免前两代半导体发展过程中出现的发达国家通过限制光刻机、干法刻蚀机出口而产生的“卡脖子”局面。国内产业界和专家普遍认为在第三代半导体领域是我国摆脱集成电路被动局面,实现芯片技术赶超和超车的良机。从区域上来看,目前,国内多个省市出台政策支持第三代半导体产业发展,在京津冀、长三角、珠三角、成渝等区域已经形成了较为成熟的产业集群。中国半导体行业协会评选的2022年全国第三代半导体最具竞争力10大产业园区,长三角地区3家,分别为苏州工业园、上海临港新片区、无锡国家集成电路设计中心;泛珠三角地区2家,分别为深圳宝安区第三代半导体IDM产业园、厦门高新区;成渝地区2家,分别为重庆西永微电子产业园、成都高新区;京津冀地区2家,分别为北京顺义区、河北鹿泉经济开发区;中西部地区1家,即西安高新区。从龙头企业来看。目前,国内第三代半导体主要制造商共147家,主要分布在江苏、广东、北京。碳化硅产业链相关公司共104家,其中上市公司15家,全产业链企业(生产设备、衬底、外延、器件)有三安集成、中电科55所、中电科13所等。氮化镓产业链相关公司有43家,其中上市公司3家,全产业链公司仅有英诺赛科1家。从重大项目投资来看。近年来,国内龙头企业发展态势迅猛,在下游器件环节多个细分领域取得关键技术突破,已经具备了与国际龙头企业竞争的技术实力。比如,英诺赛科建成中国首条8英寸硅基氮化镓外延与芯片大规模量产生产线,截至目前已经实现超过1亿颗氮化镓芯片的出货量,有望在今年实现全球出货量第一;山东天岳在半导体绝缘型碳化硅衬底市场出货量国内第一、全球第三。
 
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  二、第三代半导体产业的发展趋势
 
  基于第三代半导体产业特点,结合调研情况,对第三代半导体产业未来发展趋势形成了4点判断:
 
  (一)第三代半导体产业发展呈现出明显的应用牵引的特点,国内市场将会在相当长一段时间内保持较高增速。主要原因有三个方面:一是第三代半导体产品在消费类电子产品、新能源汽车、5G移动通信、高效智能电网等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景,预计将形成近十万亿规模的应用市场。二是上游衬底产能持续释放且量产技术趋于稳定,器件的产线规格尺寸更大,推动成本大幅下降。三是目前半绝缘衬底、大尺寸碳化硅衬底、氮化镓同质衬底、4G通信基站用氮化镓射频器件、大功率碳化硅 MOSFET器件等市场主要由国外厂商占据,随着国产企业技术突围,进口替代空间广阔。
 
  (二)第三代半导体是我国在半导体领域实现弯道超车的关键赛道,将会获得国家大力支持。与前两代半导体产业相比,第三代半导体对下游制造环节对设备的要求相对较低,投资额相对较小,能够在一定程度上摆脱对高精度光刻机为代表的先进加工设备的依赖,是我国在半导体领域实现突围的关键赛道。《中国制造2025》中提出,到2025年,第三代半导体在5G通信、高效能源管理中的国产化率要达到50%,在新能源汽车、消费电子中要实现规模应用,在通用照明市场渗透率要达到80%以上。此外,“十四五”期间是我国产业升级与“双碳”政策推进的关键阶段,第三代半导体材料是支撑制造业转型升级的重要保证,国家先后出台了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》、《关于促进集成电路产业和软件产业高质量发展企业所得税政策的公告》,对于集成电路企业给予大力政策扶持。
 
  (三)第三代半导体产业竞争关键领域集中在上游材料端,龙头企业呈现加速扩张态势。第三代半导体在制程前端(材料取得、衬底、外延)环节难度较高,以碳化硅为例,衬底和外延约占总价值的60%。近年来国内主流半导体企业已经取得一系列技术突破,正处在调整产业布局,扩大产能的关键阶段。比如,三安光电在湖南布局了总投资160亿元的碳化硅全产业链生产基地;山东天岳在上海临港投资25亿元建设导电型衬底产业化项目,以适应未来巨大的电动汽车、储能市场需求布局;英诺赛科苏州基地于2021年6月份实现量产,今年以来先后在美国硅谷、比利时鲁汶及韩国光明设立了销售和设计中心,订单需求量持续增加,拥有进一步扩大产能的需求和意愿;露笑科技在合肥投资100亿元建设第三代功率半导体产业园,主要建设碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长的研发生产。
 
  (四)第三代半导体呈现出器件材料一体化发展趋势,未来头部企业将以IDM(垂直整合制造)模式为主。IDM模式是半导体行业的一种解决方案,指由同一家公司从设计、制造、封装测试到销售自有品牌IC都一手包办的半导体垂直整合型经营模式。第三代半导体产业与硅基半导体产业相比具有生产设备相对便宜,芯片设计受益于成熟的半导体工艺,风口资本投资充足等特点,非常适宜采用IDM模式发展。以碳化硅为例,使IDM厂商能够有效把控碳化硅产业链各环节,快速依循路径定位器件端问题源头,进而能够加快交货和品质改善周期,同时能够有效控制整体成本和提供更好的产品一致性。目前国内龙头企业如三安光电、泰克天润、基本半导体、英诺赛科等企业都在向IDM模式发展。

  三、洛阳市第三代半导体产业发展情况
 
  洛阳市在半导体行业上游的高纯材料、高纯气体方面拥有一定产业基础,在电子多晶硅、硅晶片、电子特气等细分领域拥有一定的产业优势,依托中硅高科、洛单集团、昊华气体等行业龙头企业建设有国内唯一的硅基材料制备技术国家工程研究中心、河南省超高纯硅材料工程研究中心、含氟电子气体制备河南省工程实验室等一批研发平台,具备向第三代半导体产业—尤其是芯片前端领域转型发展的基础条件。总的来看,洛阳市发展第三代半导体产业具备一定优势,但也面临诸多挑战。
 
  (一)发展优势。洛阳市半导体产业链条偏上游材料端,在细分领域有着雄厚的研发实力。综合分析,发展第三代半导体产业主要具备三个方面的优势:一是龙头企业具备一定核心技术储备。中硅高科的电子级多晶硅已在中电科、河北同光、山东天岳、天科合达等国内第三代半导体龙头企业批量应用;麦斯克的硅基衬底少量已经被客户用于加工氮化镓外延片;昊华气体的电子特气产品可应用于碳化硅、氮化镓的衬底和外延工序;鸿泰半导体与金诺机械在碳化硅晶体沉积与抛光片机械加工方面有一定基础研究。二是洛阳市及周边区域内金刚石等超硬材料发展基础好,具备在第三代半导体材料领域应用的广阔前景。工业金刚石(CVD)能够被应用于制作功率半导体器件材料。河南是全球最大的金刚石生产基地,人造金刚石产量约占全球的70%,具备发展金刚石半导体材料的先发优势。国机精工研发的第三代半导体功率器件用超高导热金刚石材料已经通过了客户应用测试,产业化进程正在加速。三是近年招引落地的一些龙头项目具备第三代半导体产品的应用需求。一方面,洛阳市招引的宁德时代、银隆新能源等项目具备潜在的市场需求,可以通过组织产销对接的形式以商招商,吸引第三代半导体企业落地。另一方面,周边区域内郑州、西安等地近年来发力新能源汽车、集成电路等产业集群培育,拉动了区域内第三代半导体产品市场需求。
 
  (二)主要挑战。第三代半导体产业属于资金、技术密集型产业。与沿海发达地区相比,洛阳市除了缺少人才、资金之外,还面临一些现实问题,主要有三类:一是国家并未将我省纳入半导体产业发展的重点区域。为防止地方政府盲目投资半导体产业,降低集成电路重大项目投资风险,避免低水平重复建设,近年来,国家加强了半导体产业布局全国统筹,重点选择京津冀、长三角、珠三角、成渝等区域优先布局。由于洛阳市未被纳入重点发展区域,预计将成为未来制约洛阳市半导体产业发展的重要瓶颈。二是沿海发达地区靠近应用市场,已经形成了成熟的产业集聚和完整的产业链条。以长三角为例,其集成电路产业规模占据了全国的一半,各个门类和环节较为齐全,涵盖集成电路设计、制造、封装测试及设备材料等全产业链,并陆续创立了长三角第三代半导体产业技术创新联盟、长三角集成电路融合创新发展产业联盟,区域内已经形成了协同创新、利益捆绑的发展模式。相比之下,洛阳市对第三代半导体企业的吸引力不高,必须选准切入点,放大优势,走差异化发展道路。三是市场主体活力不足。龙头企业以国有企业为主,中硅高科隶属于中国五矿集团;洛单集团经过多次改制,目前归省国资委管理;昊华气体属于转制科研院所,隶属于中国中化。与民营企业相比,国有央、省企市场敏感性、主动性相对较弱,对政府扶持、产业政策依赖性较强。金诺机械、晶联光电、鸿泰半导体等民营企业规模较小,抵御市场波动的能力较差,市场影响力低,对未来发展第三代半导体产业的支撑不足。
 
  四、工作建议
 
  洛阳市半导体产业基础相对薄弱,在国家层面影响力较小,如果希望在第三代半导体领域有所突破,必须发挥在上游材料端的优势,强化与周边地市的产业协同,形成优势互补、具有竞争力的产业集群。建议抓好以下几个方面的工作:
 
  (一)强化与郑州、西安的产业协同,提升区域影响力。第三代半导体产业集群极度依赖下游终端客户,新能源汽车生产企业是最重要的客户之一。西安和郑州都是全国重要的新能源汽车生产基地,近年来谋划布局了一批新能源汽车生产项目,正处在产能加速释放的关键阶段。今年上半年,仅西安比亚迪新能源汽车产量就达到了34.4万辆,同比暴增543.1%,实现了对合肥的全面超越(安徽省今年上半年新能源汽车产量为21.4万辆)。郑州市拥有宇通、上汽、日产等6家整车制造企业,去年以来又签约落地了比亚迪新能源产业园项目,正在加速打造全国领先的新能源汽车产业基地。预计到2025年,仅西安和郑州两市新能源汽车产量将突破250万辆(西安150万辆,郑州100万辆),约占全国总量的四分之一,将形成对新能源汽车用第三代半导体功率器件的庞大需求,带动一大批配套企业落户到周边区域,洛阳市要提前谋划,积极承接。此外,西安市集成电路产业集群规模居全国前列,拥有三星、美光、威世半导体等龙头企业,但优势主要集中在设计、服务、封测和应用。洛阳要发展第三代半导体产业,要在锁定西安、郑州庞大的新能源汽车应用市场的基础上,发挥在上游材料端的优势,与郑州、西安两市形成紧密的产业链合作关系,打造国内具有重要影响力的第三代半导体产业集群。
 
  (二)选准关键环节大力开展招商引资。结合洛阳市产业基础,建议以第三代半导体材料端衬底、外延片等为重点领域开展招商。在目标企业上,紧盯两类企业:一是具备增资扩产意愿的全产业链龙头企业,比如华润微、杨杰科技、士兰微、华微电子等,研究推动其与中硅高科、麦斯克、宁德时代、银隆新能源等企业建立合作关系,加大项目落地的可能性。二是紧盯目前在第三代半导体产业具有技术储备,但尚未实质性建厂落地的科研院所和“隐形冠军”企业,发挥驻点招商作用,精准开展对接。在政策扶持上,第三代半导体产业对高端人才和技能人才的需求比较迫切,建议市商务局会同市工信局、市财政局、国宏集团组建工作专班,赴沿海发达地区开展专题调研,紧扣相关领域高管、人才的诉求,有针对性地制定高含金量的扶持政策。在承接区域上,要强化市级层面的统筹。比如,第三代半导体上游的关键——“长晶”环节能耗较高且对电力供应稳定性具有较高要求,对此类项目可考虑优先布局在伊川或新安等电力保障稳定区域。又如,一些第三代半导体产品涉及到出口贸易或者保税加工,可以发挥洛阳市自贸区、综保区优势,在高新区范围内有针对性地进行承接;一些涉及电子特气等项目涉及化工,可以考虑在孟津区进行承接。
 
  (三)争取省级层面整合资源支持洛阳市发展第三代半导体产业。山东、江苏、浙江、广东等省份均将第三代半导体产业列入“十四五”重点发展方向,举全省之力予以支持。建议市政府积极向省发改委、省工信厅沟通对接,重点争取三个方面的支持:一是争取在省级层面将洛阳作为全省发展半导体产业的核心区域,将一些重大招商引资项目向洛阳布局,鼓励省内的新能源汽车、5G通信等领域采购省内第三代半导体产品。二是争取将洛阳市洛单集团、中硅高科、昊华气体等企业纳入省制造业“头雁企业”行动计划、“三大改造”专项资金支持范围,支持企业做大做强。三是目前国内多个省市针对集成电路产业设立了规模庞大的产业投资基金,上海、福建、重庆等地基金规模达到500亿,北京、安徽、陕西、湖北等基金规模在300亿。建议积极争取省级各类产业基金、政策性金融工具支持,由政府及社会资金,设立项目专项基金,形成推动产业发展的合力。
 
  (四)抓好科技创新平台的建设。第三代半导体产业属于典型的技术密集型产业,能否提供协同创新的平台已经成为许多企业落地的关键考虑因素。比如,深圳、苏州均布局建设了第三代半导体产业研究院,宁波引进了复旦大学宽禁带半导体材料与器件研究所,这些创新平台已经成为区域内创新策源地。洛阳市中硅高科拥有硅基材料制备技术国家工程研究中心和市先进硅基材料产业研究院,昊华气体建设有电子化工材料产业研究院,鸿泰半导体建有河南省功率半导体材料工程技术研究中心。建议市科技局、工信局等部门加大对相关创新平台的指导和支持力度,将其打造成为推动基础研究、应用研究和科技成果转化的综合平台,为推动产业集聚提供有力支撑。
 
  (五)建议推动洛阳市产业链上下游企业形成更加紧密的合作关系。一是推动产销对接合作。建议全面梳理中国空空导弹研究院、中船725所、中航锂电、银隆新能源等企业的市场需求,出台专项扶持政策支持企业采购本地企业产品,吸引第三代半导体生产企业落户。二是鼓励企业和科研院所、高校组建产业联盟,与国家层面“第三代半导体产业技术创新战略联盟”、“集成电路材料产业技术创新联盟”、“中国电子化工新材料产业联盟”等联盟建立深度合作关系,积极组织承办具有影响力的活动,提升洛阳市在行业内知名度,同时做好招商推介。
 
  (六)研究推动洛阳单晶硅集团有限责任公司转型发展。洛单集团前身为洛阳单晶硅厂,始建于1966年,先后隶属第七机械工业部、冶金部、中国有色金属工业总公司、中国四佳半导体材料公司,2000年8月划归河南省,成为省国资委管理的省管大型国有企业,主导产品为4—8英寸集成电路级硅单晶及硅抛光片。洛单集团是洛阳市半导体产业龙头企业,抓好洛单集团转型发展意义重大。建议全力推动洛单集团子公司麦斯克电子重启上市。同时,在项目手续办理上为公司开辟绿色通道,加快上市步伐。(执笔:孔昭)
 
  来源 | 洛阳政研与改革
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