Närbild på halvledare
Foto: piqsels.com

Innovationer möter efterfrågan på halvledare

Dagens datorer, telefoner och bilar kräver halvledare. Men bristen på halvledare är stor. I patentlandskapet ser man hur innovation pågår för att möta efterfrågan.

Halvledare är ett material, till exempel kisel, och är grundstommen i integrerade kretsar (IC-kretsar eller chip) som finns i all elektronik. Halvledarmaterialet har egenskaper som kan ändras och används för att styra strömmar i de ingående komponenter i en krets som transistorer och dioder.

En kvadratcentimeterstor IC-krets kan innehålla upp till en miljard transistorer. IC-kretsarna är relativt billiga att tillverka, men att starta upp en ny fabrik kräver mycket höga investeringskostnader. Dessutom tar det flera år. Tidigare var efterfrågan på halvledare mer cyklisk, men den senaste femårsperioden har behovet ökat stadigt.

Efterfrågan ökar

Halvledare är en viktig del i elektronisk utrustning som datorer, telefoner, köksmaskiner och bilar. Ett amerikanskt hushåll har idag omkring tio uppkopplade enheter innehållande halvledare. Ett europeiskt hem ligger inte långt efter. Antalet uppkopplingar kommer att stiga ytterligare med 5G och övergången till sakernas internet (Internet of Things).

Stor brist

Idag finns en stor brist på halvledare och orsakerna brukar anges som geopolitik, oligopol och en superkonjunktur till följd av pandemin. Hemarbete och lock-down har lett till ökad efterfrågan av bland annat datorer, mobiler, spelkonsoler och pulsarmband. Pandemin har också gjort att fordonsindustrin valt att avbeställa inneliggande order enligt just-in-time principen för lagerhållning. När sedan efterfrågan på bilar och lastbilar vänt upp finns det inga halvledare att köpa. Halvledartillverkarnas orderböcker är fulla och kunderna från den kapitalstarka mobilsektorn står först i kön.

Mobilfabrikanterna önskar också mindre och mer avancerade chip jämfört med bilindustrin som vill ha större och mer beprövade integrerade kretsar. Eftersom det både är dyrt och tar tid att ställa om halvledarfabrikernas produktionslinor har fordonsindustrin blivit lidande.

Utmaningar med produktion

Idag har mobiltillverkarna 49 procent av marknaden, medan bilindustrin delar på mellan 5-10 procent. Halvledarbristen har gjort att fordonsindustrin tvingats att dra ned eller till och med stoppa produktionen under vissa perioder. Först under 2023/24 beräknas tillverkningen vara i fas med nuvarande behov. Det finns idag ungefär 200–300 halvledarfabriker i världen, de flesta i Asien och USA, men också några i Europa.

Trots detta står Taiwan ensamt för cirka 70 procent av den kontraktstillverkade världsproduktionen av integrerade kretsar. För att komplicera bilden ytterligare finns det bara ett företag, holländska ASML, som tillverkar de maskiner som gör litografin till de mest avancerade elektronikkretsarna. ASML tillverkar bara 55 maskiner per år. Det är en rejäl flaskhals som hindrar uppskalning av halvledarproduktionen för att matcha behoven.

Behov av europeisk tillverkning

Dessutom har bränder, torka, jordbävningar, bristande containerlogistik och pandemi visat på svagheten av att ha så stora delar av halvledarproduktionen koncentrerad till ett begränsat antal asiatiska fabriker. Ursula von der Leyen lyfte därför också frågan i sitt linjetal till det europeiska parlamentet den 15 september 2021. I talet tryckte von der Leyen på vikten av att Europa satsar på egen avancerad halvledartillverkning för att på sikt stärka europeisk konkurrenskraft och teknisk suveränitet. Idag finns redan ett European Processor Initiative, EPI, på plats, men finansieringsfrågan är olöst och vissa medlemsstater ställer sig dessutom skeptiska till en egen produktionsanläggning. Framtiden för en ny europeisk fabrik är därför långt ifrån klar.

Antalet uppfinningar (i tusental) inom halvledarteknik år 2000 - 2019. Källa: Orbit.

figur 1 nyast.png

Figuren ovan visar att antalet uppfinningar inom halvledare ökat över tid från cirka 45 000 år 2000 till drygt 76 000 stycken år 2019.


Företagen med flest uppfinningar och den legala statusen för dessa.

Turkos = ej beslutat, blå = beviljat och röd = utgånget, förfallet eller avslaget. Källa: Orbit

figur 2 ny.png

Samsung är i topp följt av Panasonic och det sydkoreanska företaget Hynix Semiconductors (Hyundai). Intel som ligger i topp vad gäller omsättning (enligt Investopedia pub. 30 juli 2020) återkommer här först på 19 plats. Taiwan Semiconductors manufacturing (TSM), här på 5 plats, har halva omsättningen mot Intel men har betydligt fler uppfinningar. Det verkar alltså som att antalet uppfinningar inte måste vara kopplat till ett företags omsättning. Det svenska företaget Silex Microsystem har 25 uppfinningar.

Vid analys av samarbeten ser man att de flesta företagen jobbar med andra medan kinesiska aktörer verkar arbeta mer isolerat (data ej visat).

Företagen med flest uppfinningar och när de har ansökt om patent. Källa: Orbit

Halvledare fig 3.jpg

Den största aktören Samsung var mest aktiv i första halvan av 2000-talet, med som mest ca 5200 uppfinningar. Trots en senare nedgång i antal ligger Samsung kvar i topp. Det koreanska företaget Hynix Semiconductors bytte 2012 namn till SK Hynix, som man hittar längst ner i tabellen. Detta kan förklara den kraftiga minskningen av antalet uppfinningar från Hynix Semiconducturs redan 2010.  Det kinesiska företaget Boe Technology har kommit starkt i slutet av 2010-talet. Taiwan Semiconductors som är den största leverantören i världen på halvledare har även de ökat kraftigt under denna period.

Kartbilden visar var i världen forskning och utveckling sker. En högre aktivitet indikeras av mörkare blå färg.

Halvledare fig 4.jpg

Forskningen på halvledare sker i framför allt Japan, Kina, Taiwan, Sydkorea och USA som kan ses i figuren ovan.

Topografisk karta där varje prick är en Europeisk registrerad uppfinning för året 2019.

Röda prickar är Samsung, gula prickar är CEA, gröna prickar är Intel, svarta prickar är LG och orange prickar är Boe Technology. Topografisk karta fig 5.jpg

Figuren visar att Samsung är fokuserade på teknikområdet displayer och printing. Intel är inriktade på kretsar och minnen medan Boe Technology jobbar med elektriska paneler. CEA och LG täcker flera teknikområden.