半导体产业的缩影与鸿沟:比亚迪自研芯片历史

日期:2022-09-30 阅读:524
核心提示:  近年来,汽车产业除了原材量价格上涨之外,听到最多的就是缺芯,一颗小小的芯片身价甚至翻了上百倍,即便如此仍然是一芯难求
   近年来,汽车产业除了原材量价格上涨之外,听到最多的就是“缺芯”,一颗小小的芯片身价甚至翻了上百倍,即便如此仍然是“一芯难求”,这也导致全球各大车企都曾因为缺少芯片进而选择减产甚至停产。但就是在这样的大环境下,有一家车企却能独善其身,它就是那个连芯片都要自己造的比亚迪。
 
  一、目前国内芯片产业现状
 
  半导体号称是科技界的“原油”,没有半导体产品,任何科技产品都没法生产。但是,国内目前的芯片产业依然重度依赖进口,不论是汽车领域还是其他高新技术产业都受到波及。
 
  在2021年,芯片成为我国第一大进口商品,是石油的两倍还多,进口额近4400亿美元,约2.8万亿人民币。芯片进口额占GDP比例接近2.45%,中国每年进口集成电路的金额占中国所有进口金额的16%,也就是说每进口6块钱的商品中,就有1块钱是芯片,而这个数据还是在被美国制裁之后的数据。
 
  我们确实应该感谢美国的“当头一棒“,让我们意识到芯片对于国家科技发展的重要性。从2019年5月华为芯片被制裁开始,中美贸易战已经过去整整3年多的时间,国家也在近些年开始大力发展半导体产业,到2021年中国的芯片产能已达到日产10亿颗,但这其中还包括了在中国设厂的境外企业,如台积电,三星,海力士等。所以刨除掉境外企业,目前国内芯片生产依然十分落后。
 
  其实国家早就注意到了这一状况,并且制定了一系列方案来应对,但到目前为止,并没有达到预期的效果。2015年《中国制造2025》计划出炉,半导体自制,成为该计划的重点核心产业。2025计划中设定:到2020年,半导体自给率达到40%,2025年要达到70%。
 
  如今已经2022年,如果将所有国内生产的芯片都算上(很多都是低端芯片),自给率也只有36%,而2019年我国芯片自给率为30%左右,也就是说两年的时间自给率增加了6%,平均每年增加仅3%,如果按照这个增速,到2025年我国芯片自给率也仅仅达到48%,与70%自给率这个目标相去甚远。要达到2025年70%自给率这个目标,国产芯片仍然还有很远的路要走。所以说,目前中国的芯片生产能力不足,很容易被卡脖子,尤其是高端芯片的生产以及汽车芯片。
 
  根据2021年中汽协数据,我国汽车芯片自给率只有5%左右,这也是为何上海疫情爆发之后,许多汽车主机厂因为缺少芯片而停产的原因所在,就是因为太过于依赖进口芯片。
 
  二、一段芯事:比亚迪自研芯片历史
 
  提起比亚迪,很多人的第一印象是个汽车品牌。其实,在半导体领域,比亚迪也堪称国产芯片“先行者”。比亚迪在2002年成立IC(集成电路)设计部,与造车和电池计划几乎同时起步。目前,比亚迪芯片已经在多个领域实现应用甚至是盈利。比亚迪拥有已授权专利1167 项,建立起了完整的自主知识产权体系,在芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试、系统级应用测试等环节均有一定建树。特别是在功率半导体、车规级芯片IGBT、SiC的研发方面,比亚迪有着5年打破外企垄断,13年追平国际一流的辉煌业绩。
 
  IGBT,又称“绝缘栅双极型晶体管”,它像是一种承担“开关”功能的半导体器件,通过在电子设备中的高效快速开关,完成电流类型的转换和放电规模掌控。IGBT器件类型有很多,比如应用于高铁领域的、航天领域的、汽车领域的,乃至工程设备领域的等等,而比亚迪聚焦的就是车规级IGBT芯片。
 
  2009年成功研发出第一代IGBT芯片,一举打破了国外的技术垄断,并且在2018年,比亚迪还推出了IGBT4.0芯片。截止2020年底,比亚迪IGBT芯片累计装车已超100万辆,单车行驶里程超100万公里。
 
  目前,比亚迪已经研发成功IGBT6.0,采用了90纳米工艺制程,在所有车用芯片中是最小的。与几纳米的手机芯片不同,车载芯片的技术核心是工艺的成熟度,由于其特殊的使用环境,车载芯片也不需要做到那么小,车载芯片更重视的是可靠性、耐用性以及制造成本。并且从比亚迪的招股书中可以看到,比亚迪IGBT采用IDM模式,能够自行设计、制造与封装。
 
  比亚迪IGBT已经连续三年拿下车规级IGBT模块全球第二、国内厂商第一的成绩,但与排名第一的英飞凌相比,差距还是相当悬殊的。目前,英飞凌依然占据国内份额的60%-70%之间,而比亚迪则稳定在15%左右。当然,这与比亚迪长期奉行“自用优先”的发展路线也有关联。不过,随着比亚迪半导体的拆分上市,未来几年比亚迪IGBT的市场表现将有巨大的上升空间。
 
  但随着市场对电动车型的电池容量、电机功率、充电效率和损耗的要求提高,IGBT器件受制于材料特性,性能明显出现瓶颈,器件和车厂纷纷转向SiC(碳化硅技术)。据研究数据显示,在750V高压状态下,碳化硅(SiC)部件比相同的硅基IGBT部件能效增加8-12%,传导损耗减少14%。此外,碳化硅可以在高频状态下稳定工作,得益于此,以该材料制作的控制芯片不仅可以实现更快的开关频次(约为IGBT的5-10倍),同时开关损耗比前者下降了75%,这就为相应的软件管理策略预留了更大的空间。  而在SiC模块领域,比亚迪目前已经推出1200V 1040A SiC功率模块,突破了高温封装材料、高寿命互连设计、高散热设计及车规级验证等技术难题。在2020年7月推出的比亚迪汉EV(参数|询价),通过配备自研的碳化硅电机驱动控制器,达成了3.9秒的0-100km/h加速时间和更亮眼的续航里程。
 
  虽然比亚迪在SiC领域有了比较大的突破,但从全球碳化硅市场占比看,比亚迪还排不上名次。目前科锐(CREE)占据了全球45%的市场份额,日本罗姆(Rohm)的子公司SiCrystal占据20%,II-VI占13%;中国企业方面,天科合达占到5.3%,山东天岳为2.6%,目前主要的市场份额仍掌握在以美欧日为首的国家手中。  来源: 爱卡汽车网
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