“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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