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[導(dǎo)讀]“現(xiàn)在正處于從LDMOS轉(zhuǎn)到氮化鎵的時間窗口,但只有三年?!蹦苡嵃雽?dǎo)體總經(jīng)理任勉表示,在氮化鎵領(lǐng)域耕耘十二年,能訊半導(dǎo)體迎來關(guān)鍵時間節(jié)點,抓住5G基站建設(shè)機會,就可以在競爭中占據(jù)有利位置。

“現(xiàn)在正處于從LDMOS轉(zhuǎn)到氮化鎵的時間窗口,但只有三年?!蹦苡嵃雽?dǎo)體總經(jīng)理任勉表示,在氮化鎵領(lǐng)域耕耘十二年,能訊半導(dǎo)體迎來關(guān)鍵時間節(jié)點,抓住5G基站建設(shè)機會,就可以在競爭中占據(jù)有利位置。

當(dāng)前基站與無線回傳系統(tǒng)中使用的大功率射頻器件(功率大于3瓦),主要有基于三種材料生產(chǎn)的器件,即傳統(tǒng)的LDMOS(橫向擴散MOS)、砷化鎵(GaAs),以及新興的氮化鎵(GaN)。市場調(diào)研機構(gòu)Yole(Yole Developpement)的2017年7月的報告預(yù)測,未來5到10年,砷化鎵在大功率射頻器件市場上所占比例基本維持穩(wěn)定,但LDMOS與氮化鎵將呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系。2025年,LDMOS占比將由現(xiàn)在的40%左右下降到15%,而氮化鎵將超越LDMOS和砷化鎵,成為大功率射頻器件的主導(dǎo)工藝,占比到2025年可達(dá)45%左右。2019年至2021年為5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵期,也將是氮化鎵器件替換LDMOS的關(guān)鍵期。


GaN與LDMOS未來趨勢

數(shù)據(jù)來源:Yole



為何氮化鎵會取代LDMOS?


氮化鎵是寬禁帶工藝,其禁帶寬度(3.4eV)是普通硅(1.1eV)的3倍,擊穿電場是硅材料的10倍,功率密度高,可以提供更高的工作頻率、更大的帶寬、更高的效率,可工作環(huán)境溫度也更高。由于成本優(yōu)勢,LDMOS在低頻仍有生存空間,但氮化鎵已經(jīng)在向低頻滲透,例如在2.6GHz頻段,也開始出現(xiàn)氮化鎵方案。


“按照業(yè)界理解,3.5GHz是一個分水嶺,3.5GHz及以上頻率,氮化鎵工藝有全面的優(yōu)勢,無論是帶寬、線性度、增益還是效率,硅器件都無法與氮化鎵競爭,”任勉分析道,由于工藝輸出功率特性限制,LDMOS在3.5GHz及以上頻率不能提供足夠大的功率,所以從3.5GHz到未來的毫米波,高頻應(yīng)用中氮化鎵不是去替代LDMOS,而是開辟全新的市場空間,“往高頻走,氮化鎵是必然的選擇,因為需要更大的帶寬,更好的線性度,將來走M(jìn)IMO(多入多出)方案,一臺基站里面就要用幾百個PA(功率放大器),5G和高頻化應(yīng)用,讓氮化鎵大有用武之地。以前大家覺得射頻器件只是一 兩百億(美元)的市場,規(guī)模不大,但5G時代不是,5G有小基站,基站部署數(shù)量將呈指數(shù)形式增長,所以5G時代,射頻器件產(chǎn)業(yè)將比以往大得多?!比蚊阏J(rèn)為,近年來的氮化鎵投資熱潮,即來自于對這一趨勢的認(rèn)同。


成本曾是氮化鎵取代LDMOS的最大障礙,如今這一障礙正在逐漸消失。氮化鎵工藝常用襯底有兩種,一種是用硅材料,一種是用碳化硅材料。除了MACOM,主流氮化鎵器件公司都采用碳化硅襯底,基于碳化硅襯底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好,良率更高,更能體現(xiàn)氮化鎵材料優(yōu)勢,但碳化硅襯底成本更高。



能訊半導(dǎo)體生產(chǎn)的氮化鎵器件

及參考設(shè)計


不過襯底成本正在伴隨制造工藝的進(jìn)步而快速下降,大尺寸襯底均攤成本更低。據(jù)任勉介紹,采用6英寸碳化硅襯底制造出的器件,襯底成本占整個器件成本比例已經(jīng)不到10%?!暗壷饕媒饘偬沾煞庋b,封裝成本占到整個器件成本的三分之一到一半,這是很可怕的成本,所以業(yè)界在拼命努力開發(fā)各種降低成本的封裝方式,”任勉表示,封裝的成本更值得關(guān)注,業(yè)界已經(jīng)在嘗試純銅、塑封、空腔塑封等形式來替代金屬陶瓷封裝,但由于金屬陶瓷封裝在性能、散熱與可靠性上的優(yōu)勢,仍然是氮化鎵器件的首選封裝。


為何氮化鎵產(chǎn)業(yè)更適合IDM模式?


氮化鎵封裝成本高,建設(shè)封裝產(chǎn)線的投入也很大,據(jù)任勉估算,100萬支產(chǎn)能的金屬陶瓷封裝線,僅設(shè)備投入就要六七千萬元,但能訊還是自建了封裝線,這樣可以保證產(chǎn)品一致性,也符合通訊設(shè)備商對其關(guān)鍵元器件供應(yīng)商的在產(chǎn)品質(zhì)量方面的要求。


事實上,從材料襯底外延、芯片制造,到最終的封裝測試,三大制造環(huán)節(jié)能訊全部都做,即所謂的整合元件制造商(IDM)模式?!安牧辖Y(jié)構(gòu)與工藝密切相關(guān),而工藝又決定了產(chǎn)品最終的電學(xué)性能,材料、設(shè)計、制造與封測一體相關(guān),所以氮化鎵行業(yè)基本以IDM為主導(dǎo),設(shè)計公司暫時還不太有市場?!比蚊愀嬖VTechSugar,現(xiàn)階段只有IDM模式最適合氮化鎵產(chǎn)業(yè)。射頻與功率器件集成度不高,設(shè)計變化不多,設(shè)計環(huán)節(jié)附加值較低,再加上現(xiàn)在氮化鎵產(chǎn)業(yè)本身規(guī)模不大,因此設(shè)計業(yè)很難獨立生存。


不過任勉也表示,高頻率器件或毫米波等應(yīng)用普及以后,隨著市場規(guī)模增大,代工模式將有可生存的空間。


如前所述,因為材料、工藝與設(shè)計緊密結(jié)合是射頻或功率器件競爭的主導(dǎo)性因素,所以全球成功的射頻或功率器件公司,多數(shù)都采用IDM模式,IDM模式對產(chǎn)品全流程的管控能力更高,但所有產(chǎn)線都自己來建設(shè),進(jìn)入門檻很高。


能訊半導(dǎo)體廠房內(nèi)部


除此之外,能訊在氮化鎵電力電子領(lǐng)域進(jìn)行了技術(shù)儲備。能訊的“訊”代表通信,而“能”則代表能訊關(guān)注的另一個方向,即電力電子領(lǐng)域的功率應(yīng)用。相比硅器件,氮化鎵做功率器件也有諸多優(yōu)勢,但氮化鎵在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)路線現(xiàn)在尚未確定,所以在電力電子領(lǐng)域,能訊維持研發(fā)投入,目前尚無量產(chǎn)計劃。


能訊半導(dǎo)體從成立到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了三輪融資,總共投入約10億人民幣,其第一規(guī)模工廠(FAB1)位于蘇州昆山高新區(qū),工廠占地55畝,廠房面積為18000平方米,經(jīng)過第三輪5億元融資后,現(xiàn)有產(chǎn)線改造擴容結(jié)束將具備年處理4英寸氮化鎵晶圓5萬片(約折合2000萬支器件)的能力。如果氮化鎵器件能在5G市場部署時如期爆發(fā),能訊將會規(guī)劃建設(shè)第二個工廠,第二工廠必然會建6英寸產(chǎn)線,屆時投入將會是一廠的三倍以上。


為何現(xiàn)在進(jìn)入氮化鎵射頻市場機會已經(jīng)不大?


但在氮化鎵領(lǐng)域,即便資金不是問題,也不意味著就能勝出,時間窗口至關(guān)重要。即使完全不考慮資金限制,從無到有建設(shè)一條能量產(chǎn)出貨的氮化鎵產(chǎn)線也需要五年左右時間。“從拿地開始算,做完廠區(qū)設(shè)計及建設(shè),到可以進(jìn)設(shè)備至少需要兩年;從進(jìn)設(shè)備到工藝走通實現(xiàn)量產(chǎn),至少需要一年時間;產(chǎn)品可靠性穩(wěn)定,至少一年時間;客戶認(rèn)證,一年左右時間,加起來就是五年。而且各階段環(huán)環(huán)相扣,很難同步進(jìn)行,”談及產(chǎn)線建設(shè),任勉如數(shù)家珍,“工藝調(diào)不通無法做可靠性,可靠性不穩(wěn)定,不敢拿給客戶做認(rèn)證,這五年時間誰都省不掉。所以,能訊并不擔(dān)心其他企業(yè)一擁而上做氮化鎵,如果你現(xiàn)在剛開始做,等五年以后再談與我們競爭。后來者一定要想清楚,自己真正的優(yōu)勢在哪里?!?


能訊半導(dǎo)體廠貌

任勉強調(diào),就芯片產(chǎn)品而言,只有解決可制造性、可靠性與可應(yīng)用性,技術(shù)才能落地,在實驗室做得很好的產(chǎn)品,到最終大規(guī)模量產(chǎn)被客戶接受,要跨越的距離遠(yuǎn)超很多技術(shù)專家的想象。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展多見一窩蜂上的現(xiàn)象,但在半導(dǎo)體市場,不尊重行業(yè)規(guī)律盲目投資,很難獲得想要的收益。

即使不考慮后來者,當(dāng)前射頻氮化鎵市場廠商競爭也非常激烈,面對5G設(shè)備部署良機,住友、科銳、恩智浦、英飛凌、Qorvo等國外巨頭再加上國內(nèi)能訊、13所、55所等近十家廠商誰都不會退讓。大家都加大投入賭這次機會,氮化鎵排名前幾的廠商,性能指標(biāo)交替發(fā)展,“沒有哪一家永遠(yuǎn)第一,廠商各領(lǐng)風(fēng)騷一段時間,”任勉認(rèn)為,亂世之爭很可能在三年后結(jié)束,而且市場格局一旦建立,就很難打破。

任勉判斷,未來氮化鎵市場很有可能只有4-5家能生存下來,只有進(jìn)入前三,才能獲得較好的投資效益。拼到前三的方法,任勉總結(jié)為兩點:技術(shù)領(lǐng)先與快速上規(guī)模。經(jīng)過12年研發(fā)、產(chǎn)能建設(shè)與經(jīng)驗積累,能訊半導(dǎo)體已經(jīng)開始出貨給通信設(shè)備廠商,移動通信每一次更新?lián)Q代,都是一次洗牌的機會,5G設(shè)備換代將是能訊半導(dǎo)體沖擊世界品牌的最好機會,不容有失。

雖然多次強調(diào)危機感,但任勉對活下來顯然也很有信心,他說:“在射頻領(lǐng)域為中國半導(dǎo)體立一塊品牌,是能訊的理想。”

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