汽車晶片缺貨的背後

作者 : 劉于葦,EE Times China

除了疫情等外力影響和供應鏈因素,車用晶片缺貨另一個原因是開發車規級晶片比消費級門檻高太多,短時間內其他廠商無法快速通過認證,以補上缺口…

2020年上半年席捲全球的新冠肺炎疫情,阻斷了多地區物流,不少OEM無法正常備貨,不得不把需求移到了下半年。在消費類終端和汽車產業全面復甦後,各大廠商因擔心禁運等地緣政治事件影響,普遍採用了激進的備貨方案。

晶片的生產週期通常在10~20週不等,難以靈活增加產量,車載晶片的產能更是要提前12個月做規劃。2020年初在疫情影響下,很多汽車企業對車載晶片需求判斷失誤,導致晶片訂貨不足,晶圓廠也將部分原本屬於車載晶片的產能轉成了消費類晶片。

產能受到排擠影響最顯著的有12英吋廠的車用微控制器(MCU)與CMOS影像感測器(CIS),其中28nm、45nm與65nm節點產能最為緊缺。8英吋廠集中在車用MEMS、離散元件、電源管理IC與顯示器驅動IC,0.18μm以上的節點產能也受到排擠。

2020年底至今,汽車晶片缺貨風波持續發酵,部分汽車工廠因為晶片短缺出現了停產。另一方面,汽車晶片供應商、晶圓代工廠出於原料成本上漲、產品生產週期變長等因素,集體漲價。這次缺貨漲價的汽車晶片,主要集中在哪幾類?為什麼車規級的晶片,就那麼難做呢?

缺了哪類汽車晶片?

汽車半導體元件主要包含MCU、功率半導體(IGBT、MOSFET等)、感測器和各類類比元件,自動駕駛車還會用到如ADAS輔助類晶片、CIS、AI處理器、光達(Lidar)、毫米波雷達和MEMS等一系列產品。未來汽車架構的變革趨勢,是將離散的電子控制單元(ECU)及軟體功能整合在一個黑盒子中,屆時網域控制站和自動駕駛運算平台用到的晶片會更多。

半導體產品的大量採用,能夠幫助汽車實現動力與傳動、車載網路、車身舒適性、車載資訊娛樂等功能。單一車輛中的車載晶片價值持續提升,也導致全球車用晶片的需求快於整車銷量增速,造成了晶片的供需失衡。

以多層陶瓷電容(MLCC)為例,據村田(Murata)預計,未來單一車輛MLCC用量可望從1,000~3,000顆增長到3,000~6,000顆;在影像感測器方面,據悉達到自動駕駛Level 4時,需要10個以上的影像感測器;再說MCU,一般燃油車平均每輛大約需要70顆,而一輛新能源汽車大約需要300多顆。

一家汽車零件製造商的負責人在接受媒體採訪時透露,2020年底爆發的汽車零部件短缺潮,就是由於車用MCU短缺,導致電子穩定程式系統(ESP)和ECU無法生產。這兩種元件是許多高階車型車載電腦模組的「標配」,一旦缺貨會影響整車製造。

半導體成為汽車產業「命門」

電子穩定程式系統的標準說法是ESC (Electronic Stability Control),ESP是博世(Robert Bosch GmbH)的專利。全球ESP供應商主要有7家,分別是Toyota旗下的Aisin Seiki,專供Nissan的日立(Hitachi),專供Handa的Nissin Kogyo,供韓系車型的萬Mando,這4家產品基本只供應本集團所需;另外三家,都是德國廠商,包括博世、Continental AG和ZF Friedrichshafen AG。

中國汽車廠商的ESP供貨主要來自博世和Continental AG。博世幾乎壟斷中國市場,特別自主品牌,此外在Mercedes-Benz、Audi、Cadillac、Buick中也比較常見;Continental主要供應Volkswagen、BMW、PSA、Mercedes-Benz,ZF Friedrichshafen主要供應美系車廠。

至於ECU,已經是汽車上最為常見的零件之一,依據功能的不同,最常見的有引擎管理系統(EMS)、自動變速箱控制單元(TCU)、車身控制模組(BCM)、電池管理系統(BMS),以及整車控制器(VCU)等幾種。

比較知名的ECU供應商包括博世、Continental、DENSO、中國聯合汽車電子(UAES)和中國聯創汽車電子(DIAS)等。傳統的汽車每一個功能都需要單一或者多個ECU模組進行控制,所以ECU廣泛存在於車輛的引擎、變速箱等底層零組件中,來實現整車資訊的轉化和處理。

ESP和ECU這類特定汽車電子元件越來越依賴晶片,Continental和博世都是透過採購晶片,再組裝成相關模組供應車廠。這次汽車晶片短缺問題主要出現在上游企業,由於疫情大流行打擊了全球晶片產能,使Continental和博世等廠商面臨生產難題。

以前的汽車以硬體為主導,整車智慧化程度很低,半導體(晶片、感測器等)佔不到整車成本的1%。近年隨著汽車智慧化速度加快,汽車已經由硬體主導變為硬體打基礎,軟體賦能。如今半導體元件越來越多地出現在汽車工業應用中,智慧汽車上甚至已經佔到了整車成本的35%左右,並且預計到2030年將增加到50%,晶片未來將代替引擎成為汽車產業的「生死命門」。

晶片通過車規認證有多難?

汽車電子產業鏈由三大部分組成:上游為汽車電子元件設計公司(Tier 2,如恩智浦和英飛凌)和晶圓製造/封測等後段廠商(Tier 3,如台積電和日月光),主要負責提供汽車電子的相關核心晶片及其他離散元件;中游則是汽車電子生產和製造商(Tier 1,如博世和Continental),主要進行汽車電子模組化功能的系統整合設計、生產及銷售;下游是傳統的整車廠(OEM,如特斯拉和Volkswagen)。

 

 

熟知的老牌汽車半導體廠商很多,包括恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)、意法半導體(STMicroelectronics)、瑞薩(Renesas)、安森美(On Semiconductor)、博通(Broadcom)、德州儀器(TI)等,其中前四位都是車用MCU大廠,但為什麼仍然擋不住缺貨潮?除了疫情外力影響和供應鏈因素,另一個原因是開發車規級晶片比消費級門檻高太多。

首先,汽車對晶片和元件的工作溫度要求更寬,根據不同的安裝位置等有不同的需求。比如引擎艙要求-40℃~150℃;車身控制要求-40℃~125℃,遠高於消費性產品對晶片和元件0℃~70℃的要求。

第二,汽車電子元件對運作穩定度要求極高。無論是在濕度、發黴、粉塵、鹽鹼自然環境、EMC,以及有害氣體侵蝕等環境下,還是在高低溫交變、震動風擊、高速移動等各類變化中,車規級半導體穩定性要求都高於消費類晶片。

第三,汽車對元件的抗干擾性能要求極高。包括抗ESD、EFT群脈衝、RS傳導輻射、EMC、EMI等,晶片在這些干擾下既不能失控的影響工作,也不能干擾車內的設備。

第四,一般汽車的設計壽命都在15年50萬公里左右,遠大於消費電子產品壽命要求,所以對應的汽車晶片使用壽命要更長,故障率更低。半導體是汽車廠商導致故障排名中的首要問題,因此車廠對故障率基本要求是個位數PPM (萬分之一)量級,大部分車廠要求到PPB (十億分之一)量級,相比之下,工業級晶片的故障率要求為小於百萬分之一,而消費類晶片的故障率要求僅為小於千分之三,可以說車規級半導體對故障率要求是零容忍。

第五,長期有效的供貨週期(Longevity)。汽車廠商對晶片的需求遠不及消費電子動輒上億顆晶片的量,在更新換代上,也是一顆料號用到十年以上,不像手機晶片一年一換。所以汽車OEM和Tier 1廠商,大多透過Tier 2的零組件供應商完成產品供應。從整個汽車產業來看,目前除了特斯拉(Telsa)採取自行研發晶片的方式外,大部分車企晶片主要還是購買自國際老牌半導體廠商。

第六,極高的產品一致性要求,導致不能隨便更換產線。汽車本身的組成極為複雜,一致性差的半導體元件容易導致整車出現安全隱患,因此需要嚴格的良品率控制,以及完整的產品追溯性系統管理,甚至需要實現對半導體產品封裝原材料的追溯。這也是為什麼車用晶片不輕易轉換產線,以往車用半導體廠商主要以IDM或Fab-lite模式自產自銷為主,直到近些年才將部分產能外包給晶圓代工代廠,還要進行產線認定(編按:產線認定是指為了實現「零不良率」, 汽車廠商在半導體工廠生產汽車晶片時,針對產線實行的檢查稽核。只有在半年乃至一年的時間內連續生產某種汽車晶片,並且可以穩定地生產出正常工作的產品時,汽車廠商才會對晶片產線進行「認定」。被認定的產線製程由固定工序組成,原則上不可以更改生產設備、製程條件)。

達到汽車標準需獲得可靠性標準AEC-Q系列、品質管制標準ISO/TS 16949認證其中之一,此外需要通過功能安全標準ISO 26262 ASILB (D),基本只有符合上述各種硬性條件的半導體元件,才能通過車規級認證。

 

 

ISO 26262安全是汽車電子元件穩定性優劣的評判依據之一,主要包括ASIL A/B/C/D四個等級,通過各等級代表其產品穩定性合格、耐用,但不代表運算力、能效比高。A級普遍用於天窗等,B級普遍用於儀錶板,C級普遍用於引擎等,D級則主要用於自動駕駛和電動助力轉向(EPS)等,認證等級越高的晶片可獲得整車廠越高的青睞度。

汽車缺芯 中國國產晶片機會來了?

嚴格的生產和認證要求,以及遠不及消費電子的用量,導致晶圓代工廠義無反顧地將產能分給了消費類晶片。雖然在汽車大國政府的遊說下,各家代工廠也承諾協調產能,但成本的提升,也讓一些車企開始把目光投向中國汽車晶片廠商。

2019年,全球汽車晶片的市場規模是475億美元,預計2020年將下降至460億美元。目前歐洲汽車半導體2019年產值達到150.88億美元,佔到全球汽車半導體總產值的36.79%,為全球第一。美國貢獻了全球第二大汽車晶片收入規模,達到133.87億美元,佔全球32.64%。日本汽車半導體2019年產值達到106.77億美元,佔26.03%。

 

2019年全球汽車晶片市場份額,60%以上的市場被前8大半導體廠商牢牢掌握。

(來源:ICVTank、前瞻產業研究院)

 

雖然全球汽車晶片30%的市場都在中國,但中國自主汽車晶片產業規模僅佔全球的4.5%,約20多億美元。根據Wind資料顯示,目前中國汽車產業中車用晶片自行研發率僅佔10%,90%的汽車晶片都必須依賴從國外進口。其中前裝晶片95%是進口的,後裝超過80%是進口,中國晶片企業在汽車產業鏈中缺失話語權。

雖然汽車零組件需要很長的產品研發和驗證週期,想要在短期內找到合適的替代供應商並不容易,但在晶片缺貨、價格上漲,以及代工產能均供不應求的背景下,一些汽車廠商或Tier 1供應商,已經開始挑選替代供應商,中國本土廠商可望迎來轉單。

傳統車企中,比亞迪和中車採用自研的方式,比亞迪自2005年便開始組建IGBT研發團隊,並且在加碼對第三代半導體材料碳化矽(SiC)的研究;而中國北汽、上汽、吉利等都採用與半導體廠商成立新公司的合作方式。

在非傳統車企中,華為是佈局汽車領域比較早的業者,其主要透過自研和外部投資兩條路。自研最早可以追溯到2009年對車載模組的開發,而華為投資的企業山東天嶽、深思考、鯤遊光電、好達電子,以及裕太車通等企業,也大多與汽車產業的晶片和材料有關。

此外,中國國產車規級半導體還包括安世半導體的汽車功率元件,兆易創新的車規級快閃記憶體,斯達半導體的車規級IGBT,全志科技的車規級前裝SoC,傑發和芯旺微的車規級MCU,加特蘭微電子的CMOS製程毫米波雷達晶片,韋爾的CMOS影像感測器,大疆子公司覽沃科技的雷射雷達感測器,地平線的智慧駕駛處理器等。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

 

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