第三类半导体当红炸子鸡,前瞻布局携手产、官、研积极投入

针对近期半导体产业中最关注的第三类半导体发展状况,日前一场结合产、官、研的研讨会,以“第三类半导体前瞻布局──材料、应用、供应链”为题就吸引了满场的业界人士前来参加,显示第三类半导体受当前受到重视的程度。其中,最先引题演说的TrendForce分析师曾冠玮就表示,第三类半导体目前最具发展潜力的材料即为具备高功率及高频率特性的宽能隙(Wide Band Gap,WBG)半导体,包含碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN),主要应用大宗为电动汽车、快充市场。据TrendForce研究推测估计,第三类功率半导体产值将从2021年的9.8亿美元,至2025年将增长至47.1亿美元,年复合增长率达48%。

曾冠玮指出,SiC适合高功率应用,如储能、风电、太阳能、电动汽车、新能源车等对电池系统具高度要求的产业。其中,电动汽车备受市场关注,不过目前市售电动汽车所搭载的功率半导体多数为硅基材料(Si base),如Si IGBT、Si MOSFET,但由于电动汽车电池动力系统逐步往800V以上的高电压发展,相较于Si,SiC在高压的系统中有更好的性能体现,有望逐步替代部分Si base设计,大幅提高汽车性能并优化整车架构,预估SiC功率半导体至2025年可达33.9亿美元。

TrendForce分析师曾冠玮。

另外,GaN适合高频率应用,包括通信设备,以及用于手机、平板、笔记本的快充。相较于传统快充,GaN快充拥有更大的功率密度,故充电速度更快,且体积更小便于携带,吸引不少OEM、ODM企业加入而开始高速发展,预估GaN功率半导体至2025年可达13.2亿美元。

整体来说,相较传统硅基半导体,第三类功率半导体基板制造难度较高且成本较为昂贵,目前在各大基板供应商的开发下,包括Wolfspeed、II-VI、Qromis等企业陆续扩张产能,并将在2022下半年量产8英寸基板,预期第三类功率半导体未来几年产值仍有增长的空间。

而呼应TrendForce的说法,工研院光系统所组长方彦翔则指出,以化合物半导体为主的第三类半导体应用几乎无所不在,从通信、车用芯片、智能感知再到能源管理,这其中都可以普遍见到化合物半导体的身影。近来更是在创新应用中,例如车用电子、绿色能源电子、高频通信上占有一席之地。在其中,又以车用电子在功率转换控制器上的应用,含括逆变器,直流转换器、车载充电器与直流快速充电器最为多数。而且在电动汽车市场持续增长之下,预估增长将能达到6~12倍。

工研院光系统所组长方彦翔。

方彦翔强调,随着化合物半导体的创新应用越来越多的情况下,GaN on X-Substrate在其性能相较GaN on Si有更优秀性能,而且具备低成本量产基板与磊晶技术的带领下,未来将成为斥场发展重点项目。因此,工研院也在此设立化合物半导体集成开发设计验证平台,借由产业链合作并发展最适化应用,构建材料开发/组件设计/测试验证能量等支持产业发展,再搭配专利布局,创建化合物半导体的整体发展环境。

发展第三类半导体,其中的关键在于材料。能否借由适当的材料搭配应用,最终达到第三类半导体筹本最佳应用效果,过程中检测程序就成为重要关键。目前着力在半导体检测业务上的闳康科技研发中心项目管理处副处长王世杰就表示,闳康科技主要业务包括公司主要业务可分为材料分析(Materials Analysis,MA)、故障分析(Failure Analysis,FA) 及可靠度分析(Reliability Analysis,RA) 三种。借此能确认新产品的开发后,是否合乎市场所需规格。而若不合规格,就要进行失效分析,了解为何不合规格,失效位置在哪里。这就像人的身体必须通过医院检查,将身体内的隐藏病因寻找出来是一样的意思。

闳康科技研发中心项目管理处副处长王世杰。

王世杰强调,闳康科技集成了RA、FA、MA、SA、CA各领域完整解决方案。而以仪器来区分,其所提供的服务内容有非破坏性结构观察(3D x-ray, SAT, Thermal EMMI)、微结构与成分分析(样品制备, 高解析TEM, SEM, FIB, EDS, EBSD, EELS, NBD, SAD)、杂质浓度检测(SIMS, SRP, SCM, XPS, Auger)、污染与微量检测(TOF-SIMS, XPS, FTIR, XRF)、液态TEM分析(K-kit)、组件级电性测量与缺陷定位(C-AFM, Nano-probing, EBIC/EBAC, PEM, OBIRCH, Thermal EMMI)、ESD (HBM, MM, CDM, Latch-up, TLP, EOS)、可靠度测试(HTOL, HAST, TCT, BLT, TS, Vibration, Shock, H2S corrosion,AMR/AMI, HRTB等) 物理化学分析(ICP-MS, TGA, LC-MS等)等。而借由这些设备仪器,闳康科技能提供第三类半导体产品各种不同面向的检测服务,借以为客户确认产品的各项功能表现。

当前,闳康科技的服务对象包括了上游的组件设计、组件制造商、印刷电路板(PCB)、板级(Board Level)测试,至下游的系统产品可靠度验证等,并包含了电测、环测、机械应力测试等。除此之外,王世杰还指出,目前厂商对于知识产权的布局也越来越重视。所以,针对竞争厂商的产品进行逆向工程的分析,使得相关侵权的问题能够一一获得答案,并且对于相关的内容进行绝对保密,这方面闳康科技也能进一步提供服务。事实上,闳康科技再最广办的分析服务,搭配最强大技术投资情况下,得以满足广大市场分析需求情况下,以借此为相关台湾第三类半导体的发展尽心力。

而除了检测之外,设备提供也将是发展第三类半导体不可或缺的重要环节。目前专注在半导体设备发展的的北方华创台湾区总监许智尧就指出,目前公司以Etch (蚀刻)、PVD (物理气相沉积)、LPCVD (低压化学气相沉积)、APCVD (化学气相沉积)、PECVD( 电浆辅助化学气相沉积)、氧化炉、扩散炉、清洗机、热处理装备、液晶面板制造装备、气体品质流量控制器等系列化半导体关键制造装备及核心零部件为主,以应用在半导体制造领域、辐射先进封装、半导体照明、微机电系统、功率器件、化合物半导体、平板显示、新能源光伏等诸多核心领域上。

北方华创台湾区总监许智尧。

许智尧强调,就当前第三类半导体来说,目前在材料上多数以集成为发展趋势,市场应用则以电信、资料、通信、通信为主,再加上电动汽车的应用为一大关键,再加上消费性电子市场的充电应用。这些应用不管在哪一方面,市场发展都呈现增长的持续态势。而在这其中,先不谈论芯片设计的部分,在相关的制造方面就会是一个关键性的发展,包括研发与优化,这些对于相关设备市场都会是未来的助力。尤其,相较当前的硅基半导体,第三类半导体因为长晶的速度相对慢了许多,还为未来面对新的8英寸芯片生产态势下,设备的需求更是其中的重点。

许智尧指出,目前正积极走出中国市场的北方华创,公司在深圳上市之后,是直一度超过2,000亿人民币,除了员工达到6,000位之外,还包括专利布局已经超过4,900项,显示其对知识产权的重视。至于,其所关注的海外市场,目前是以北美、东北亚、还有东南亚为主,这些都是积极抢攻的地区。未来,在第三类半导体市场持续发酵的情况下,北方华创友都准备好了,可以会客户提供完整的解决方案。

至于,在第三类半导体的解决方案中,德州仪器的是指出,因为GaN其具有题收密度并减少系统运行成本、最小化干扰情况且降低设计程序、延长电池效力以保障系统运行、能承受高电压用、以及降低噪音与提高应用程度等优点的情况下也进一步开发出了相关的创新应用。德州仪器半导体营销及应用模拟IC经理萧进皇就指出,德州仪器自2010年开始发展相关产品.至今有许多新的创新产品在各领域应用的出现。其包括900伏的产品与相关20万及40万小时的成功测试,都是要协助客户发展出新一代的产品。

德州仪器半导体营销及应用模拟IC经理萧进皇。

萧进皇强调,事实上因为德州仪器具备相关GaN可靠性产品,以及相关GaN设计时的解决方案,使得客户在进行相关产品的工作时可以减少许多的程序与成本风险。尤其,借由相关技术文章的辅助,提供第三类半导体的性能与优势分析,使其能够在工业,甚至是汽车领域中达到完善产品设计的情况。

最后,因为市场都看到第三类半导体未来在车用市场,尤其是在电动汽车市场的发展潜力。SiC大厂Wolfspeed也提出了其产品发展与市场观察。Wolfspeed亚太区资深工程技术经理刘仁义就指出,目前SiC在电动汽车上的应用,除了一般单向或双向的充电器之外,还有快速充电器的开发、以及车载充电器的设计等。这些基于成本、尺寸、重量、输出功率限制的设计,是未来发展的关键项目。

亚太区资深工程技术经理刘仁义。

在相较硅基半导体有更高功率转换效率,更快充电速度,加上更成熟的生产技术下,刘仁义指出,市场都看好SiC在电动汽车上的应用。基于此,Wolfspeed也提出了灵活度与成本兼顾小功率离散是解决方案,到可扩展,并提高可靠性与吴户性的大功率模块解决方案等以满足不同市场的需求,并且进一步协助客户在电动汽车市场的布局。

(首图来源:科技新报摄)

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