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全球汽车半导体产业现状及对我国该产业发展的建议

半导体行业观察 ·2020-06-23 08:42·半导体行业观察
阅读:909
来源:内容转载自公众号「 CIC集成电路 」,作者:朱晶,谢谢。

作者简介: 朱晶,北京半导体行业协会 副秘书长;北京国际工程咨询有限公司,高级经济师。

全球汽车半导体产业基本情况


(1)汽车半导体的定义和基本要求

汽车半导体是指用于车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的半导体产品。按照功能种类划分,汽车半导体大致可以分为主控/计算类芯片、功率半导体(含模拟和混合信号IC)、传感器、无线通信及车载接口类芯片、车用存储器以及其他芯片(如专用ASSP等)几大类型,而且随着电气化以及智能化应用的增多,汽车半导体无论是安装的数量还是价值仍在不断增长之中。

大部分汽车半导体需要满足车规级要求,例如:

一是环境上的要求。其中一个重要要求是温度要求,汽车对芯片和元器件的工作温度要求比较宽,根据不同的安装位置等有不同的需求,但一般都要高于民用产品的要求,比如发动机舱要求-40℃-150℃;车身控制要求-40℃-125℃。而常规消费类芯片和元器件只需要达到0℃-70℃。另外其它环境要求,比如湿度,发霉,粉尘,盐碱自然环境(海边,雪水,雨水等),EMC,以及有害气体侵蚀等,都高于消费类芯片的要求。

二是运行稳定要求。汽车在行进过程中会遭遇更多的振动和冲击,车规级半导体必须满足在高低温交变、震动风击、防水防晒、高速移动等各类变化中持续保证稳定工作。另外汽车对器件的抗干扰性能要求极高,包括抗ESD静电,EFT群脉冲,RS传导辐射、EMC,EMI等分析,芯片在这些干扰下既不能不可控的影响工作,也不能干扰车内别的设备(控制总线,MCU,传感器,音响,等等)等。

三是可靠性与一致性要求。一是车规级半导体产品寿命周期的要求。一般的汽车设计寿命都在15年20万公里左右,远大于消费电子产品寿命要求。二是故障率要求。零公里故障率是汽车厂商最重视的指标之一,而要保证整车达到相当的可靠性,对系统组成的每一个部分要求是非常高的。由于半导体是汽车厂商故障排列中的首要问题,因此车厂对故障率基本要求是个位数PPM(百万分之一)量级,大部分车厂要求到PPB(十亿分之一)量级,可以说对车规级半导体的故障率要求经常是,“Zero Defect”故障零忍受。相比之下,工业级芯片的故障率要求为<百万分之一,而消费类芯片的故障率要求仅为<千分之三。三是一致性方面,车规级半导体在实现大规模量产的时候还要保证极高的产品一致性,对于组成复杂的汽车来说,一致性差的半导体元器件导致整车出现安全隐患是肯定不能接受的,因此需要严格的良品率控制以及完整的产品追溯性系统管理,甚至需要实现对半导体产品封装原材料的追溯。

四是供货周期要求。汽车半导体产品生命周期通常会要求15年以上(即整车生命周期均能正常工作),而供货周期,则可能长达30年。因此对汽车半导体企业在供应链配置及管理方面提出了很高的要求,即供应链要可靠且稳定,能全生命周期支持整车厂处理任何突发危机。

(2)进入汽车半导体产业的高标准和高壁垒

由于车规级半导体极其严苛的可靠性一致性、安全稳定性和产品长效性等要求,大大提高了进入这个行业的标准与门槛。主要体现在:
车规标准多。为满足车规级半导体对可靠性、一致性、安全性的高要求,企业要通过一系列车规标准和规范。最常见的包括可靠性标准AEC-Q100、质量管理标准ISO/TS 16949、功能安全标准ISO 26262等。AEC-Q100主要用于集成电路(离散部件为AEC -Q101/AQG324,无源部件为AEC- Q200)。而ISO 26262则是用于汽车半导体汽车开发过程中功能性安全的指导标准。近期,国际标准化组织还更新了ISO 26262:2018。在这一版本中,新增了半导体在汽车功能安全环境中的设计和使用指南。此外,还有针对车规级半导体制造相关的VDA6.3等标准。

研发周期长。一家从未涉足过汽车行业的半导体厂商,如果想进入车规级市场,至少要花两年左右时间自行完成相关的测试并提交测试文件给车厂,并通过相关车规级标准规范的认证和审核,只有通过严格考核的企业才能进入汽车前装供应链。此外,车规级半导体厂商需要在产品研发初始阶段就开展有效的DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis的缩写,即设计失效模式及后果分析)与PFMEA设计(Process Failure Mode and Effects Analysis,即制程失效模式及后果分析),无形中增加了车规级半导体产品的研发周期。

隐形成本高。可靠性是车规产品最关键的指标,为提高可靠性而增加的质量管理投入也是车规产品成本高的原因之一,一般汽车行业的百万产品失效率(DPPM)为个位数,需要非常有效的各级质量管理工具和方法才能实现,这些都是极其隐形但不可省略的投入和成本。

配套要求高。由于可靠性要求,对车规级半导体生产和封装的规范测试比消费级半导体的同类产品要严格得多。比如,安全功能件的配套要求必须要有一条经过ISO 26262 ASIL认证的专用车规级生产线。因此对于汽车半导体厂商而言,只掌握设计部分符合车规级标准还远远不够,还需要找到符合车规级认证,具备车规级半导体产品生产经验以及长周期稳定供货的制造及封装产线,无形中提高了进入车规级市场的难度。因此在汽车半导体行业,IDM(垂直整合)模式是厂商主要的发展模式,2019年全行业 IDM企业贡献的收入为364.71亿美元,占比达到88.9%。

连带责任大。如果由于汽车半导体导致出现安全问题,模块供应商甚至半导体厂商将承担责任,支付包含产品更换、赔偿、罚款等等各类支出,对于资金实力相对较弱的中小企业而言,很可能因此而陷入困境,以致于再也不能进入汽车供应链。汽车半导体关于安全和可靠性的连带责任问题,也会使众多厂商对做出进入车规级市场的选择慎之又慎。

由于上述汽车半导体产业的高标准和高门槛,把大量缺乏资金实力,缺乏产业配套资源,并且想要快速做出芯片投放市场取得效益的半导体厂商拒之门外。缺乏新玩家的进入,也使得现有汽车半导体企业(Tier2)、零部件供应商(Tier1)、整车厂商(OEM)已形成强绑定的供应链关系,对新进企业构成坚实的行业壁垒。

汽车半导体全球市场规模和格局


上世纪五十年代,汽车制造中所采用的半导体产品还不到制造总成本的1%。如今,其成本已经可以多达总成本的35%,并且预计到2030年将增加到50%。除了常见的多媒体娱乐系统、智能钥匙和自动泊车系统外,汽车半导体还广泛应用在汽车发动机和变速箱控制系统、安全气囊、驾驶辅助系统、电动助力转向、ABS、电子稳定性系统(ESP)、行人保护、胎压控制、电动车窗、灯光控制、空调系统、座椅调节系统中。汽车半导体产品的大量应用也造就了汽车半导体全球市场的快速增长。

从产业规模上看,来自市场研究机构Gartner的数据显示,全球汽车半导体市场2019年销售规模达410.13亿美元,预计2022年有望达到651亿美元,占全球半导体市场规模的比例有望达到12%,并成为半导体细分领域中增速最快的部分。其中,欧洲汽车半导体2019年产值达到150.88亿美元,占到全球汽车半导体总产值的36.79%,为全球第一。美国贡献了全球第二大汽车芯片收入规模,达到133.87亿美元,占全球32.64%。日本汽车半导体2019年产值达到106.77亿美元,占比在26.03%。而中国大陆2019年汽车半导体实现销售收入仅为10亿美元左右,占比不到3%,和欧美日相比,差距很大。

表1:汽车半导体产业主要国家/区域市场份额占比及主要汽车半导体领域
(数据来源:Gartner、北京半导体行业协会)

从产品结构来看,汽车功率半导体以及计算、控制类芯片市场规模最大,两者合计规模达到229亿美元,占到了全部汽车半导体市场的55%以上。需求规模位于第三位的是车用传感器,规模为76.7亿美元。而通信及存储器的市场份额相对较小,但随着未来汽车安全、互联、智能、节能的发展趋势,以及无人驾驶、ADAS、车联网(V2X)等层出不穷的新产品和新功能逐渐提升渗透率,对通信芯片及车用存储器的需求将迎来快速增长。此外狂飙的新能源车市场使得汽车电动化对执行层中动力、制动、转向、变速等系统的影响更为直接,其对功率半导体的需求相比传统燃油车增长明显。

表2:汽车半导体产品结构及市场份额
(数据来源:Gartner、北京半导体行业协会)

从产业格局来看,目前全球汽车半导体市场由欧美日等国的巨头企业占据垄断地位,在全球前20大汽车半导体厂商中,美国企业数量达到9家,接近一半,欧洲日本企业数量各为5家,但欧洲汽车半导体企业综合竞争力更强,5家企业中有3家进入全球ToP5。虽然目前全球头部汽车半导体厂商对于芯片的布局基本涉及全部的汽车模块分类,但是由于汽车半导体较长的开发周期和较高的技术壁垒,恩智浦,英飞凌,瑞萨,德州仪器,意法半导体等高端市场供应商能够相对地专注于不同的产品和细分市场。例如排名第一的恩智浦,近一半的汽车半导体销售是针对特定应用的,均匀分布在分立处理器(计算和控制类芯片),功率半导体和射频收发器等通信类芯片上。英飞凌的汽车业务销售目前主要由动力总成和安全领域推动,最大的优势产品是功率半导体,在其完成对Cypress赛普拉斯的收购后,将超越恩智浦,成为全球规模最大、产品品类最全的汽车半导体厂商。而排名第三的日企瑞萨电子,其汽车半导体收入主要包含车用MCU和车用系统单芯片SoC等计算和控制类芯片、以及车用模拟和电源控制芯片。目前瑞萨在汽车半导体市场的营收占比已经超过整体营收占比的50%。

进入全球前20大汽车半导体厂商排名的最后一家企业来自中国大陆的安世半导体,是由中国大陆企业收购原恩智浦标准件业务而设立的汽车半导体企业,也是目前中国规模最大、水平最高的车规级半导体厂商。全球汽车半导体产业格局非常稳定,并且由于供应链和产品验证周期形成的高壁垒,造成整个产业具有规模量级的新玩家并不多,目前全球超过2亿美元销售规模的企业也仅有35家。

表3:全球前20大汽车半导体企业列表
(数据来源:Gartner、北京半导体行业协会)

我国汽车半导体产业基本情况


1.我国汽车半导体发展情况和主要企业

我国作为全球最大的汽车生产和消费市场,汽车半导体市场也获得快速发展的机遇。2019年全球汽车半导体产业规模超过400亿美元,而我国汽车半导体产业总收入规模仅为10亿美元左右,全球占比不到3%,也低于我国整体半导体行业的自主率水平,凸显我国汽车半导体领域国产化替代空间巨大。无论从自主汽车品牌的供应安全性,还是基于汽车半导体快速增长的市场需求,实现车规级芯片的国产化,都具有十分重要的现实意义及经济效益。

近年来,我国企业通过收购,将海外优质汽车半导体资产进行整合,为国产替代打开成长空间,成为我国汽车半导体产业快速发展的主要驱动力。而部分在消费级半导体领域做强做大的成熟企业,也在逐步开拓车规级市场的业务。同时部分国内传统汽车厂商也开始注重产业链上下游延拓,积极布局汽车半导体产业。另外在ADAS、智能网联这些汽车半导体新兴领域,国内汽车半导体初创企业不断涌现。外部收购、成熟企业布局车规半导体业务、以及新兴领域创业,成为目前支撑我国汽车半导体发展的主要路径。

2、我国汽车半导体发展面临的主要问题

我国汽车半导体产业发展的问题主要表现在以下几方面:

一是基础环节的差距巨大。在很多通用和基础产品领域,国外巨头企业长期占据垄断优势,这种差距也延伸到车规级半导体产业。例如芯片设计无核心架构,半导体制造技术差距明显,核心高端非车规级半导体严重依赖进口,例如处理器、存储器、高端模拟及功率半导体、传感器、FPGA、高速接口等芯片,这些非车规级的基础差距就十分巨大。

二是标准和验证体系缺乏。国内目前还没有适用的车规标准,国外虽有AEC-Q和AQG324等标准,但不能完全支持中国的新能源汽车技术发展对半导体性能和可靠性的要求。在车规测试平台方面,国内虽有部分测试机构和资源,但是大多不具备完整的车规测试能力,且极少做过车规测试。例如,整个行业内没有能进行碳化硅器件AEC-Q101间歇寿命(IOL)测试的设备。

三是缺乏车规产品验证机会。国内的半导体企业大多是做消费类电子和工业电子,对汽车行业的技术要求和质量控制要求不清楚,对于汽车行业的通用要求和规范比较陌生,且少于企业通过IATF16949认证。在质量控制,特别是一致性保证能力方面较为薄弱。因此国内半导体企业的产品很难得到上车验证的机会和试错机会,且缺乏对错误的承担能力。

四是产业配套环节能力薄弱。目前国内代工制造和封装企业布局专用车规线的推进较为缓慢,此外在车规级芯片质量管控体系、可靠性验证测试环境、专业车规级芯片人才培育等车规级半导体产业链配套环节建设方面都相对滞后。

表4:我国汽车半导体企业列表
(数据来源:由北京半导体行业协会根据网络资料整理)

表5:我国汽车半导体在各领域的差距和自主率情况
(数据来源:由北京半导体行业协会根据Gartner数据和网络资料测算和整理)

我国汽车半导体产业发展有关建议


(1)聚焦重点方向,实现国产车规级半导体产品的突破

一是聚焦功率半导体、车用传感器、车用计算/控制类芯片等领域,集聚产业链上下游资源,以国产品牌大车厂和国内领先Tier1厂商带动,大平台支撑、大企业攻关、大工程示范为主要发展思路,加强车用半导体特色制造工艺和新型产品的开发,建议对车规级芯片设计、工艺开发及IP购置实施专项支持,集聚最强创新资源,实现国产车规级半导体产品的核心突破和高端化升级。

二是以增加品种、提高质量和经济效益为主要目标,加强车企、Tier1与车用半导体厂商的互动,加速国产车规级半导体进入国产汽车供应链。

(2)加强平台建设,解决车规半导体“上车”的共性需求

一是整合国内半导体优势资源,打造专业的车规半导体测试平台,解决共性关键产品技术和测试技术,推进半导体上车前的车规测试,并与国外产品进行对标测试,以发现自主半导体在技术、可靠性和质量控制能力上的差距。

二是挑选国内具有代表性的企业和产品,通过选定标准、设定检测和技术路线,来尽快开展器件/模块测试、系统搭载及整车平台验证的工作,以尝试打通车规半导体测试和上车的路径。

三是建立统一的车用半导体检测、认证平台,以实现汽车级产品、系统设计和认证体系的高可靠性保障。

(3)加强标准布局,构筑中国自主的车规半导体标准体系

一是建议成立中国车规半导体技术委员会,让整车、零部件、半导体、科研院所等广泛参与,持续推进构筑中国车规半导体标准体系,全面用于中国的车规半导体检测认证工作,标准中包含测试方法、测试条件及判定标准,补足标准的缺失。

二是推动半导体企业按照汽车行业的要求建设质量体系,并帮助其提升一致性保证能力。推进基于产品测试和质量审核双重要求的车规半导体产品认证,为汽车行业做质量背书。

(4)注重协同联动,助推国产汽车半导体验证和规模商用

一是依托国家级新能源汽车技术创新平台,吸纳整合国内新能源汽车产业链各环节上的优势企业,成立跨行业的车规级半导体创新应用联盟,支持联盟内设计、制造、封装测试和应用等各个环节的企业开展针对汽车半导体特殊性要求的研发和产业化。

二是实施新能源汽车半导体产业化重大协同联动创新示范工程,积极搭建产业链上下游合作平台,加强国内车规级存储器设计企业与后端国产代工、封装的全面协作,确保从设计到芯片流片全程的高质量发展。帮助现有国内车规级半导体领军龙头企业加强与Tier1、整车厂的合作,以实现市场竞争力的进一步提升。



感谢矽成半导体ISSI全球副总裁李鹤先生,以及国家新能源汽车技术创新中心对本文的指导和建议。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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