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三个视角下的汽车芯片热 国产替代正在加速

浏览量:147 作者:科闻社 日期:2022-03-04

  2014年起,我国汽车新四化带动国内汽车行业从传统燃油车向新能源汽车加速转型。2014年开始大量传统车企进入新能源汽车行业,造车新势力开始兴起;2017年,新能源量产车陆续进入大众视野,小鹏、蔚来、威马等形成第一波交付热潮;2019年至今,新能源车企加速优胜劣汰,近50家造车新势力大洗牌,互联网巨头、小米、华为等纷纷下场造车,新能源汽车行业进入高速发展期,车企对芯片的依赖和需求不断攀升。2020年“缺芯”催化了汽车芯片产业持续升温。

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  汽车芯片横跨汽车产业和芯片产业两个产业。一方面,新四化过程中,汽车芯片升级带动汽车电子电气架构不断升级,汽车产业链面临重塑;另一方面,在美国遏制我国半导体发展的新形势下,国产汽车芯片也迎来“国产替代”的新机遇。

  为实现“碳中和”的重要领域,新能源汽车将迎来快速放量,据《中国2035新能源汽车发展规划》,2025年其渗透率将达20%。同时,美国对我国芯片的“卡脖子”行为,也推动芯片国产替代势在必行,汽车领域更是在“缺芯”催化下加速国产化。

  接近500亿美元市场规模,“缺芯”危机不断发酵,冲击全球车企,因此,汽车芯片持续升温。

  那么汽车芯片为什么这么热?为什么变得这么重要?

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  01  汽车芯片的范围广和品类多

  首先,我们从汽车芯片在汽车系统中的功能角度了解一下汽车芯片。汽车芯片,广泛存在于汽车各子系统内,包括动力系统、底盘系统、安全舒适系统、驾驶辅助系统等。从智能辅助驾驶系统角度,又可分为3层:感知层、决策层、执行层,分别涉及传感器、SoC、MCU等。主要分五大品类:功率半导体、SoC、MCU、传感器芯片存储芯片等五类:

  功率半导体:主要包括PM ICs、LDO、DC/DC、MOSFET、IGBT、Diodes(Fast Recovery,Schottky,High Voltage)。功率半导体是汽车半导体最主要构成,大约占汽车半导体市场的40%以上。

  除MCU外的ASSP、ASIC、模拟、混合IC、FPGA、DSP与GPU,约占汽车半导体市场的20%。

  MCU:大约占汽车半导体市场的20%。

  传感器:主要包括图像传感器、MEMS传感器、霍尔传感器。约占汽车半导体市场接近10%。

  存储器:包括各种嵌入式内存,SRAM、DRAM、FLASH,约占10%左右的市场。

  在汽车芯片的细分领域,MCU在车身域增量上国产替代空间大,底盘域、动力域是高级别角逐赛;SoC领域,智能驾舱、自动驾驶等高级别芯片可能国产替代并进入国际市场;功率半导体方向,IGBT、SiC MOSFET是市场主流;传感器领域,车载摄像头、雷达领域未来有较大的市场空间。

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  02 汽车芯片产业周期长且复杂

  从供应链角度看一下汽车芯片产业,汽车产业链周期较长、复杂的特点同样适用汽车芯片产业。

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  汽车芯片来自于Foundry,一种是IDM(也就是整合元件制造商)的工厂Foundry,IDM自己完成芯片设计、生产、封测三个主要环节。一种是晶圆纯代工制造芯片的Foundry。有些IC设计公司即Fabless,自己没有晶圆厂,委托晶圆代工厂生产芯片。而IDM也会将部分自己做起来成本效益不经济或产能不足的时候,将部分芯片委托晶圆代工厂生产。

  晶圆代工厂生产芯片后进入封测厂,封测完成出货给IDM/Fabless,也有一些封测完成后先出货给晶圆代工厂,然后再转交给IDM/Fabless,这样IDM/Fabless就只需要和晶圆代工厂打交道即可。IDM/Fabless拿到芯片后大部分都出货给大型Tier1即一级供应商,也有少量给分销网络,有些需求量比较低的厂家,IDM/Fabless有些时候直销成本高,就通过分销商给这些需求量比较低的厂家,通常小微型的一级供应商,供应小微车厂。

  除了比亚迪这样很多元件都内部完成的车厂是不会直接采购芯片的,因此如果说因为芯片短缺而车厂减产,那肯定是错误的,车厂直接面对的不是芯片厂家而是Tier1,只能说某个零部件短缺。至于是否是芯片短缺还是Tier1产能不足,只有Tier1才最清楚,车厂听到的信息是二手信息。也有极少数芯片如特斯拉的FSD,由三星代工,从三星拿货。

  还有一些电子制造服务(EMS)如伟创力、广达、和硕之类的,直接从IDM/Fabless采购芯片,广达为特斯拉采购并制造特斯拉车机和智能驾驶系统,伟创力为福特制造车机和车灯。除此之外,很少有汽车产品委托EMS厂家制造。

  汽车芯片从Tier1下单到拿到产品通常需要100-120天,大约3-4个月时间,以恩智浦为例,其典型库存周期就是110天。从Tier1拿到芯片,制造出产品再交货给整车厂,大约需要1个月时间,整车厂拿到Tier1提供的零组件到上组装线再到出货给4S店,大约需要1-2个月时间。也就是说汽车芯片厂家会滞后整车厂的需求5-6个月。

  各领域的典型代表厂家见下表。

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  03  汽车芯片需满足汽车本身苛刻的安全要求

  既然是汽车行业的芯片,那么汽车行业苛刻的安全、恶劣环境要求等车规自然就需要汽车芯片厂商也要满足,所以我们从车规角度来看一下汽车芯片问题。绝大部分汽车芯片需要满足车规级要求,例如:

  环境要求。其中比较重要的是温度要求,汽车对芯片和元器件的工作温度范围比较宽,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。

  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,车规级芯片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。汽车对器件抗ESD静电,EFT群脉冲,RS传导辐射、EMC,EMI等抗干扰性能要求极高,,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。

  可靠性与一致性要求。一般的汽车设计寿命都在15年20万公里左右,车规级半导体产品寿命周期的要求远大于消费电子产品寿命要求。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。而一致性方面,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,一致性差的半导体元器件将会导致整车出现安全隐患,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。

  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。

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  所以,进入汽车半导体产业有非常高的标准和高壁垒, 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。

  也正是因为汽车芯片范围广且品类多、供应链体系复杂、且安全性要求最为苛刻,故此,随着新能源车的加速,各方力量涌进汽车产业领域,汽车芯片的需求供应增量巨大的背景下,汽车芯片是越来越热!

来源:科闻社

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