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汽车芯片缺货的背后:车规难过,国产崛起

时间:2021-04-07 作者:刘于苇 阅读:
2020年底至今,汽车芯片缺货风波持续发酵,部分汽车工厂因为芯片短缺出现了停产。另一边,则是汽车芯片供应商、晶圆代工厂出于原料成本上涨、产品生产周期变长等因素,集体涨价。除了疫情等外力影响和供应链因素,缺货另一个原因是造车规级芯片比民用级难太多,短时间内其他厂商无法快速通过认证,补上缺口……
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2020年上半年席卷全球的新冠肺炎疫情,阻断了多地区物流,不少OEM无法正常备货,不得不把需求移到了下半年。在消费类终端和汽车行业全面复苏后,各大厂商因担心禁运等地缘政治事件影响,普遍采用了激进的备货方案。

芯片的生产周期通常在10-20周不等,难以灵活增加产量,车载芯片的产能更是要提前12个月做规划。2020年初在疫情影响下,很多汽车企业对车载芯片需求判断失误,导致芯片订货不足,晶圆厂也将部分原本属于车载芯片的产能转成了消费类芯片。

产能受到排挤影响最显著的有12英寸厂的车用微控制器(MCU)与CMOS图像传感器(CIS),其中28nm、45nm与65nm节点产能最为紧缺。8英寸厂集中在车用MEMS、分立器件、电源管理IC与显示器驱动IC,0.18um以上的节点产能也受到排挤。

2020年底至今,汽车芯片缺货风波持续发酵,部分汽车工厂因为芯片短缺出现了停产。另一边,则是汽车芯片供应商、晶圆代工厂出于原料成本上涨、产品生产周期变长等因素,集体涨价。这次缺货涨价的汽车芯片,主要集中在哪几类上?为什么车规级的芯片,就那么难做呢?

了哪一类汽车芯片

汽车半导体器件主要包含MCU、功率半导体(IGBT、MOSFET等)、传感器和各类模拟器件,自动驾驶汽车还会用到如ADAS辅助类芯片、CIS、AI处理器、激光雷达、毫米波雷达和MEMS等一系列产品。未来汽车架构的变革趋势,是将离散的ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)及软件功能集成在一个黑匣子中,届时域控制器和自动驾驶计算平台用到的芯片会更多。

半导体产品的大量采用,能够帮助汽车实现动力与传动、车载网络、车身舒适性、车载信息娱乐等功能。单一车辆中的车载芯片价值持续提升,也导致全球车用芯片的需求快于整车销量增速,造成了芯片的供需失衡。

以MLCC(多层陶瓷电容)为例,据村田预计,未来单一车辆MLCC用量有望从1000~3000颗增长到3000~6000颗;在图像传感器方面,据悉达到自动驾驶级别L4级时,需要图像传感器10个以上;再说MCU,一般燃油车平均每辆大约需要70颗,而一辆新能源汽车大约需要300多颗。

一家汽车零件制造商的负责人在接受媒体采访时透露,2020年底爆发的汽车零部件短缺潮,就是由于车用MCU短缺,导致ESP(Electronic Stability Program,电子稳定程序系统)和ECU无法生产。这两种器件是许多高端车型车载电脑模块的“标配”,一旦缺货会影响整车制造。

半导体成为汽车产业“命门”

电子稳定程序系统的标准叫法其实是ESC(Electronic Stability Control),ESP是博世(Robert Bosch GmbH)的专利。全球ESP供应商主要有7家,分别是丰田旗下的爱信精机(Aisin Seiki),专供日产的日立(Hitachi),专供本田的日信(Nissin Kogyo),供韩系车型的万都(Mando)。这4家基本只供应本集团的。另外三家,都是德国厂家,包括博世、大陆集团(Continental AG)和采埃孚(ZF Friedrichshafen AG)。

国内汽车厂商的ESP供货主要来自博世和大陆集团。博世几乎垄断国内市场,特别自主品牌,此外在奔驰、奥迪、卡迪拉克、别克里也比较常见。大陆集团主要供应大众、宝马、PSA、奔驰,采埃孚主要供应美系车。

至于ECU,已经是汽车上最为常见的部件之一,依据功能的不同,最常见的有EMS(Engine Management System)发动机管理系统、TCU(Transmission Control Unit)自动变速箱控制单元、BCM(Body Control Module)车身控制模块、BMS(Battery Management System)电池管理系统以及VCU(Vehicle Control Unit)整车控制器等几种。

国内外比较知名的ECU供应商包括博世、大陆集团、电装(DENSO)、联合汽车电子(UAES)和联创汽车电子(DIAS)等。传统的汽车每一个功能都需要单一或者多个ECU模块进行控制,所以ECU广泛存在于车辆的发动机、变速箱等底层零部件之中,来实现整车信息的转化和处理。

ESP和ECU这类特定汽车电子元件越来越依赖于芯片,大陆集团和博世集团都是通过采购芯片,再组装成相关模块向车企供应。这次汽车芯片短缺问题主要出现在上游企业,由于疫情大流行打击了全球芯片产能,令大陆和博世等厂商面临生产难题。

以前的汽车以硬件为主导,整车智能化程度很低,半导体(芯片、传感器等等)占不到整车成本的1%。而近年随着汽车智能化速度加快,汽车已经由硬件主导变为了硬件打基础,软件来赋能。如今半导体器件越来越多地出现在汽车工业应用中,智能汽车上甚至已经占到了整车成本的35%左右,并且预计到2030年将增加到50%,芯片未来将代替发动机成为汽车产业的“生死命门”。

芯片要符合认证多难?

汽车电子产业链由三大部分组成:上游为汽车电子元器件设计公司(Tier2,如恩智浦和英飞凌)和晶圆制造/封测等后段厂商(Tier3,如台积电和日月光),主要负责提供汽车电子的相关核心芯片及其他分立器件;中游则是汽车电子生产和制造商(Tier1,如博世和大陆),主要进行汽车电子模块化功能的系统集成设计、生产及销售;下游是传统的整车厂(OEM,如特斯拉和大众汽车)。

我们熟知的老牌汽车半导体厂商很多,包括恩智浦(NXP)、英飞凌(Infineon)、意法半导体 (STMicroelectronics)、瑞萨(Renesas)、安森美 (On Semiconductor)、博通 (Broadcom)、德州仪器 (TI)等,其中前四位都是车用MCU大厂,但为什么仍然挡不住缺货潮?除了上面谈到的疫情外力影响和供应链因素,另一个原因是造车规级芯片比民用级难太多。

首先,汽车对芯片和元器件的工作温度要求更宽,根据不同的安装位置等有不同的需求。比如发动机舱要求-40℃-150℃;车身控制要求-40℃-125℃,远高于民用产品对消费类芯片和元器件0℃-70℃的要求。

第二,汽车电子元件对运行性稳定要求极高。无论是在湿度、发霉、粉尘、盐碱自然环境、EMC以及有害气体侵蚀等环境下,还是在高低温交变、震动风击、高速移动等各类变化中,车规级半导体稳定性要求都高于消费类芯片。

第三,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,芯片在这些干扰下既不能失控的影响工作,也不能干扰车内别的设备。

第四,一般汽车的设计寿命都在15年50万公里左右,远大于消费电子产品寿命要求,所以对应的汽车芯片使用寿命要更长,故障率更低。半导体是汽车厂商导致故障排名中的首要问题,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,相比之下,工业级芯片的故障率要求为小于百万分之一,而消费类芯片的故障率要求仅为小于千分之三。可以说车规级半导体对故障率要求是零容忍。

第五,长期有效的供货周期(Longevity)。汽车厂商对芯片的需求远不及消费电子动辄上亿颗芯片的量,在更新换代上,也是一颗料号用到十年以上,不像手机芯片一年一换。所以汽车OEM和Tier1厂商,大多通过Tier2的零部件供应商完成产品供应。从整个汽车行业来看,目前除了特斯拉采取了自研芯片的方式外,大部分车企的芯片主要还是购买自国际老牌半导体厂商。

第六,极高的产品一致性要求,导致不能随便换产线。汽车本身的组成极为复杂,一致性差的半导体元器件容易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。这也是为什么车用芯片不轻易转换产线,以往车用半导体厂商主要以IDM或Fab-lite模式自产自销为主,直到近些年才将部分产能外包给晶圆代工代厂,还要做产线认定。(EETC编按:“产线认定”是指为了实现“零不良率”, 汽车厂家在半导体工厂生产汽车芯片时,针对产线实行的检查稽核。只有在半年乃至一年的时间内连续生产某种汽车芯片,并且可以稳定地生产出正常工作的产品时,汽车企业才会对芯片产线进行“认定”。 被“认定”的产线工艺由固定工序组成,原则上不可以更改生产设备、工艺条件。)

达到汽车标准需获得可靠性标准AEC-Q系列、质量管理标准ISO/TS16949认证其中之一,此外需要通过功能安全标准ISO26262 ASILB(D),基本只有符合上述各种硬性条件的半导体器件,才能通过车规级认证。

ISO26262安全是汽车电子元件稳定性优劣的评判依据之一,主要包括ASIL A/B/C/D四个等级,通过各等级代表其产品稳定性合格、耐用,但不代表算力、能效比高。A级普遍用于天窗等,B级普遍用于仪表盘,C级普遍用于引擎等,D级则主要用于自动驾驶和EPS(电子助力转向)等,认证等级越高的芯片可获得整车厂越多的青睐度。

汽车缺芯,加速国产化进程

严格的生产和认证要求,以及远不及消费电子的用量,导致晶圆代工厂义无反顾地将产能分给了消费类芯片。虽然在汽车大国政府的游说下,“台积电们”后来也承诺协调产能,但成本的提升,也让一些车企开始把目光投向冉冉升起的国内汽车芯片厂商。

2019年,全球汽车芯片的市场规模是475亿美元,折合人民币约3080亿元,预计2020年将下降至460亿美元。目前欧洲汽车半导体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%。

2019年全球汽车芯片市场份额,60%以上的市场被前8大半导体厂商牢牢把控(资料来源:ICVTank、前瞻产业研究院)

虽然全球汽车芯片30%的市场都在中国,但我国自主汽车芯片产业规模仅占全球的4.5%,约20多亿美元。根据Wind数据显示,目前国内汽车行业中车用芯片自研率仅占10%,90%的汽车芯片都必须依赖从国外进口。其中前装芯片95%是进口的,后装超过80%是进口,国内芯片企业在汽车产业链中缺失话语权。

虽然汽车零部件需要很长的产品研发和验证周期,想要在短期内找到合适的替代供应商并不容易,但在芯片缺货、价格上涨以及代工产能均供不应求的背景下,一些汽车厂商或Tier 1供应商,已经开始挑选替代供应商,中国本土厂商有望迎来转单。

传统车企中,比亚迪和中车采用自研的方式,比亚迪自2005年便开始组建IGBT研发团队,并且在加码对第三代半导体材料碳化硅(SiC)的研究。而北汽、上汽、吉利等都采用与半导体厂商成立新公司的合作方式入局。

在非传统车企中,华为是布局汽车领域比较早的,其主要通过自研和外部投资两条腿走路。自研最早可以追溯到2009年对车载模块的开发,而华为投资的企业山东天岳、深思考、鲲游光电、好达电子以及裕太车通等企业,也大多与汽车行业的芯片和材料有关。 

此外,安世半导体的汽车功率器件,兆易创新的车规级闪存,斯达半导体的车规级IGBT,全志科技的车规级前装SoC,杰发和芯旺微的车规级MCU,加特兰微电子的CMOS工艺毫米波雷达芯片,韦尔股份的CMOS图像传感器,DJI大疆子公司览沃科技的激光雷达传感器,地平线的智能驾驶处理器等,也都是国产车规级半导体的代表作品。

责编:Luffy Liu

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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