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一克只卖2块5的金属,凭什么成为半导体关键材料?

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发表于 2023-7-8 09:19:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

全球第三代半导体产业的命脉,拿捏住了。

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7月3日,商务部、海关总署发布公告,宣布中国将从8月1日起,对镓和锗2种金属的相关物项实施出口管制。

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所有相关产品的出口,都要向商务部提出申请,进行严格审查。


2 y5 Z. W& L+ B& `

这次限制出口,意义何在?


' `- S* W& T* j# ~& _$ i% T

98% vs 2%

+ v3 b1 E; \& J3 S7 e5 F

简单说,就是有能力在短期内影响整个产业,而以这个产业为支点的、人类社会最重要的一个万亿产业,未来也将被重重撼动。


* k2 L% n7 d; Q5 I2 Z

说“影响整个产业”,是因为中国在这方面有绝对的控制权。


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这里先说说具有代表性的镓。


+ `, I+ t3 [" l2 ^, u$ b  a8 ?, N

目前全球金属镓的储量约为27.93万吨,而中国的储量最多,达到19万吨,占全球储量的68%左右。


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当然,从储量上看,68%的占比虽然高,但依然有3成在外面,显然称不上能“绝对控制”。

7 c3 N" o3 X7 n% \+ t( p2 I, O

但是,储量只是储量,不是产量,落到实际生产上又不同。


# J2 u, d% l: ?8 R! V

根据美国地质勘探局数据,2021年,全球总共生产了430吨镓,我们一家就生产了420吨,第2名是俄罗斯,生产了……5吨。


  D, O9 Z; j. b% P4 P5 d  Z8 f

% X: {$ ]5 S& r! C: t

420:5:3:2,中国贡献了全世界98%的镓产量,这就是当前全球镓产业的基本格局。

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那么,有没有可能其他国家迅速推动那剩下32%的镓储量进入生产环节,替代中国的镓呢。


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基本没有可能。


  M+ m/ {, F  S! ]2 q, j

因为镓作为典型的稀散元素,并不会像大多数人认识的铁、铜、铅锌等金属一样,独立形成大规模矿藏,基本上都是在铝土矿和铅锌矿中形成伴生镓矿床。


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可以说,在现代金属生产链条上,镓其实是铝或锌的副产品。


# w5 x  G, \& S: v5 M* o3 E: A

根据公开资料,目前全球90%以上的原生镓都是在生产氧化铝的过程中提取的。

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国内金属镓生产的龙头企业——中国铝业公司、东方希望(三门峡)铝业有限公司,光看名字就知道他们主要业务。

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要大规模生产镓,就要大规模开张氧化铝生产线。

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然而,铝是一种早就被人类大规模生产和使用的金属,产业链上游环节成熟稳定,这意味着绝大部分氧化铝产品的生产不存在决定性的技术壁垒,不能带来很高的附加值,赚钱的就是靠扩大产业链规模和上下游整合带来的极致成本压缩。

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在这方面,“制造业规模连续13年全球第1”和“全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类”的中国显然具有优势。

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去年,中国生产了全球57%的氧化铝,这还是全球氧化铝处于产能过剩状态,国内全行业开工率80%的情况下。

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如果国外要大兴工程,再造一个氧化铝产业链,要付出的成本将是天价。


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不过,目前有一种说法是,日本等国正在大力推进回收再生镓,以后只要回收已有的镓产品,可以很大程度替代从中国进口的镓原料。


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但是根据USGC的《2023矿产商品概要》,只有纽约1家工厂会在生产砷化镓器件的过程中回收废料生产再生镓。而从旧产品中提取再生镓的数量,文件显示为“0”(none)。


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也就是说,至少在美国,所谓再生镓,其实也只是原料镓精细加工的产品,依然需要使用原料镓。


3 J, g9 o) L' b  R+ b! Y: Y

而在7月6日,在被问及这两种关键金属的战略储备情况时,美国的回复是“目前没有镓的库存储备”。


! \/ G. r1 Q" o$ u3 }

撬动万亿产业的支点

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尽管中国掌控着镓的生产,但如果镓是没什么用的东西,那这种掌控力也就毫无意义。


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但是事实是,镓的作用实在是太大了,大到影响国家乃至人类的未来。


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之所以这么说,是因为镓基本上绑定了3个字:


: C6 a6 n1 `$ g; a, y# ]3 C

半导体。

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砷化镓作为第二代半导体材料的代表,在高频、高速、高温及抗辐照等微电子器件研制中占有主要地位,尤其是许多高精尖军工产品不可或缺的部分。

0 c' T/ u0 W" a9 @, i7 A, M

而在风起云涌的第三代半导体大潮中,氮化镓和碳化硅一起,并列第三代半导体材料的“双子星”地位。


5 c1 C; V1 v! M3 O: I' m6 r& M

与传统材料相比,第三代半导体材料的核心优势在于更宽的禁带宽度,使得它们具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件。

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当然,单纯从第三代半导体市场本身来看,盘子并不大。


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2021年,综合Yole、IHS的数据显示,全球SiC和GaN的整体市场规模达24.16亿美元,较2019年增长了50.9%。经初步估计,2022年全球SiC和GaN的整体市场规模或达到31.22亿美元。


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% ]/ n0 O& t! ]1 p! o$ k

TrendForce集邦咨询研究预测,在主要应用领域——功率器件方面,碳化硅功率器件到2025年的全球市场规模将达到33.9亿美元,而氮化镓功率器件市场规模将达到8.5亿美元,合起来只不过40亿美元出头。


0 u. q% S# N: _& m2 [0 u

在可以预见的未来,整个半导体产业的主角还是第一代半导体构筑的集成电路产业。

0 x' ?, D  @) V% {8 Y" M

不过,直接产值不高,不代表不重要。相反,随着人类社会电气化程度的加深,高频大功率器件的重要性将日益凸显。

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第三代半导体就好像一个杠杆支点,撬动着多个重要产业的未来。

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其中影响最直接的,当属电动汽车产业。


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抛却社会对新技术的习惯性妖魔化,电动汽车要在消费者中推广,依然存在一个应用上的致命问题——续航焦虑。

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要破解续航焦虑,主要方法有二。一是增加电池,加强蓄能能力,但受制于成本和电池重量,电池增加存在经济性上限;第二个方向则是使用高功率充电桩,提高补能效率,让充电和加油一样快。


# d: _$ X5 F' G) N# N8 T* a4 e

根据P=UI的功率公式,要提高功率,要么加大电压,要么加大电流。


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如果要加大电流,那就必须面对电流热效应带来的损耗。根据Q = I^2Rt的公式,在同样的线路和充电时间中,如果电流增大,那么发热将以指数增长,不仅对汽车、充电桩的散热系统有严苛的要求,造成成本飙升,还让大量能量白白损耗。

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所以电动汽车上高压平台,成为行业公认的选择。

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当然不仅是充电,高压平台也会降低车内电路和器件运作的损耗,反过来也增加了续航。

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目前受制于硅基功率器件的性能,市面上绝大部分电动汽车还在使用400V平台。

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但是业内估计,今年以内,800V平台就会成为行业新的“内卷”领域。


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反过来说,与之相适应的第三代半导体新器件开发,也到了迫在眉睫的时候。

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这里说的第三代半导体新器件,主要还是碳化硅。

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因为到目前为止,氮化镓还不能承受太高工作电压,在800V电压平台上,碳化硅的高压工作特性会更具有应用优势。


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氮化镓则更侧重高频应用,主要在电动汽车OBC、DCDC、储能电源系统等环节,以及小容量、高端光伏逆变器中,或者是在智能手机、5G基站等通讯领域提供射频信号和天线之间的最后一级功率放大。

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但是在未来,随着氮化镓耐压能力进一步提升,其在性价比方面的优势将被放大,在新能源市场的应用优势将越发明显。


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如果氮化镓能应用于电动汽车动力系统的主逆变器,从而获得与碳化硅相当的惊人高容量,就将释放巨大的市场增量。


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前瞻根据EV volume和Statista的数据并结合近年来全球新能源汽车市场价格变化情况预测,2023年全球新能源汽车市场规模为4576亿美元,到2028年,这个市场规模就将突破万亿美元。

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中国手中每年“区区”400多吨产量的镓,以2022年均价2500元/公斤计算,市场规模不过10亿人民币,未来却有可能成为撬动这个万亿美元市场的关键因素。

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