功率半導體
NXP美國RF GaN晶圓廠商轉 推促5G蜂巢技術大步進
恩智浦(NXP)日前宣布,該公司於美國亞利桑那州建造的150毫米射頻氮化鎵(RF GaN)晶圓廠已正式啟用。該晶圓廠為專門製造5G RF功率放大器的晶圓廠,可望支援工業、航太及國防等領域進一步擴展5G基地台及蜂巢式通訊基礎設施。NXP對此表示,該晶圓廠現已通過認證,且初期產品於市場中逐漸增加,該公司預計該晶圓廠於2020年底時產能將開到最大。
恩智浦執行長Kurt Sievers表示,隨著5G的發展,各個天線所需的射頻解決方案已出現指數級成長的趨勢,但伴隨而來的條件則是必須維持相同尺寸並盡可能將功耗降至最低。以GaN這類功率半導體(Power Transistor)來說,其已經符合新興產業標準,在功率密度及效率方面皆能大幅提升。而NXP透過專注於GaN技術的研發,希望可進一步驅動下一代5G基礎設施的發展。
NXP本次舉措是藉由建造自有的GaN晶圓廠,進一步以蜂巢式基礎架構設計實現量產並維持產品品質的穩定,同時也達到更高的性能表現。該公司表示,該晶圓廠將作為創新研發據點,促成晶圓廠及研發團隊之間的協同運作,可望藉由更快速開發、驗證及保障現今與未來GaN設備的發明,進而縮短GaN技術革新的時程,朝向下一代5G蜂巢式技術邁進。
功率/化合物半導體廠資本支出下半年可望復甦
國際半導體產業協會(SEMI)近日發布《功率暨化合物半導體晶圓廠展望報告》,該報告指出,在下半年終端產品需求逐漸回升的帶動下,全球功率暨化合物半導體元件之晶圓廠設備支出2020年下半年將有所復甦,2021年更將大幅躍升59%,創下69億美元的新紀錄。2020年下半年的回復力道有助減緩晶圓廠年度支出下跌的幅度,目前預估將跌8%;與此同時,預計在2021年,晶圓廠將隨著新冠肺炎後的經濟復甦浪潮,重拾成長動能。
功率暨化合物半導體元件用於計算、通訊、能源和汽車等眾多產業不同設備的電能管控之上。為了防止新冠肺炎疫情持續擴大,「居家辦公」的規定廣為普及,連帶伺服器、筆記型電腦和其他線上服務相關的主要電子產品需求也陡然增加。
《功率暨化合物半導體晶圓廠展望報告》列出超過800個功率及化合物半導體相關設施和生產線,涵蓋2013年到2024年12年中的投資和產能。2019年,報告共追蹤804個設施和生產線,整體裝機產能為每月800萬片晶圓(8吋約當產能,以下同)。預計到2024年,將有38個新設施和新產線開始運作,裝機產能累計增長幅度達20%,每月可產970萬片晶圓。
按地區別來看,2019年到2024年,中國的功率及化合物半導體晶圓廠產能將分別增加50%和87%,幅度為各區之最。同一時期,歐洲/中東和台灣在功率半導體晶圓廠產能提升方面處領先地位;化合物半導體晶圓廠產能提升則以美洲和歐洲/中東地區為主。
專訪達爾全球離散元件產品副總裁唐逸鵬 功率離散元件尤重基本功
有鑑於此,除了少數擁有特殊設計或製程know-how的業者外,許多國際大廠已漸漸從這個領域淡出,改推整合式產品,例如結合控制器跟MOSFET的電源管理晶片(PMIC)。但達爾(Diodes)全球離散元件產品副總裁唐逸鵬認為,只要掌握核心技術,而且基本功夠紮實的團隊,在這個紅海市場上還是大有可為。
電路抄襲沒用 離散元件差異化全靠基本功
出身類比晶片名門國家半導體(National Semiconductor; NS)的唐逸鵬回憶說,早年NS都會定期出版一份教科書等級的刊物,詳盡介紹自家產品的設計架構跟工作原理。NS之所以如此大方,是因為該公司根本不怕其他競爭同業抄襲。
他解釋,類比產品有一個特性:即便電路設計一模一樣,搭配不一樣的製程參數跟材料,就會有天差地遠的性能表現。所有的魔鬼都藏在細節裡,如果設計團隊沒有對製程、材料、物理學有很深的理解,就會掉入這些陷阱中。而這正是國家半導體之所以在類比元件市場得以成為一方之霸,最後被德州儀器(TI)高價收購的原因。
而在各式各樣的類比產品中,二極體跟MOSFET這類離散元件,又是最考驗研發團隊基本功的產品。因為這類元件的功能相對單純,不像其他類比產品還有很多花樣可以玩,因此,要把二極體跟MOSFET做好,除了把馬步紮穩,把材料、製程徹底摸熟之外,別無他途。當然,隨著技術進步,現在的二極體跟MOSFET產品也開始整合一些周邊,例如靜電放電(ESD)等保護功能,但核心的二極體或MOSFET本體,拚的還是基本功。
也因為如此,即便各家離散元件供應商的產品乍看之下都差不多,有些小廠甚至還有電路設計抄襲的疑慮,但領導廠牌的產品,就是會有一些特殊的功能或規格,是抄不來的。有些很特別的產品,甚至還有專為某些客戶族群的需求而設計,沒寫在規格書上的隱藏規格。
有核心技術的團隊,在紅海市場上還是能創造藍海。如果是連BCD製程特性都還沒完全掌握的業者,光靠抄襲電路設計,是沒辦法進入這類特殊市場的。
其實,這也是台灣電子工程教育的一個大問題,BCD製程是類比元件的核心,由Bipolar、CMOS與DMOS組成,台灣的IC工程師大多只熟悉CMOS,對Bipolar則是一知半解,有花心思去深入研究DMOS的,就更屈指可數了。但Bipolar是製造高性能類比元件不可或缺的製程,因為它的線性度非常優異,類比元件的輸入端跟輸出端都得靠Bipolar;至於DMOS,則是MOSFET這類離散元件的核心製程之一。
打造高C/P產品 敏銳商業嗅覺不可少
不過,除了技術實力之外,離散元件終究是個成熟市場,因此業者之間的競爭,除了技術力之外,商業經營的能力也很重要。唐逸鵬認為,有好的技術,搭配對市場跟客戶需求的預估,才能推出恰到好處的高性價比產品,進而讓客戶買單。如果只有好技術,固然能生產出規格優異的產品,但如果成本不符合客戶期待,客戶還是不會買單的。
換言之,在離散元件這個產業,好的團隊要做大,比小的團隊要做大來得容易。市場經營、研究客戶需求跟培養研發團隊,都有一定的規模門檻存在。達爾過去幾年就看到一些擁有潛力技術,但規模不夠的團隊。
達爾藉由購併、投資將這些團隊納入旗下,跨過規模門檻後,讓這些技術得以從實驗室走向量產,並不斷改進,以滿足未來的客戶需求。這對創業團隊跟達爾來說,是雙贏的局面,也是達爾近幾年能快速成長,躋身全球主要離散元件供應商的原因之一。
整體來說,功率離散元件是一個非常分散的市場,僅以二極體來說,達爾的市占率排名在全球前五,其他大廠分別為威世(Vishay)、羅姆(Rohm)、安森美半導體(On Semiconductor)、英飛凌(Infineon)。但排名第一的威世,也僅擁有一成左右的市占率。如果是以整個功率離散元件(包含二極體、MOSFET、IGBT等)來看,英飛凌是全球最大供應商,達爾排名約在十名上下。但就如同二極體市場,排名最高的英飛凌也僅有一成多市占率。這顯示功率離散元件是一個供應商林立,競爭相當激烈的市場。想在這個市場的競爭中脫穎而出,不僅要有紮實的技術,也要有正確的產品定位。
Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC讓系統供應商能更快速地邁入400G,並且維持支出與收益的平衡。
2021年12吋晶圓廠設備投資將突破600億美元
根據國際半導體產業協會(SEMI)的數據,在2019年經濟衰退後的2020年,12吋晶圓廠設備支出將在2020年緩慢恢復,並在2021年創下新的歷史高點,達到600億美元,僅在2022年再次小幅衰退並在2023年再創歷史最高點。
晶圓廠設備投資超過五年前景的主要增加將受記憶體(主要是NAND),代工/邏輯和功率半導體驅動。儘管歐洲/中東和東南亞預計在2019年至2023年之間也會出現健康的正向成長,但韓國將成為台灣和中國之後最主要的12吋晶圓廠設備市場。
預計運營中的半導體晶圓廠/產線數量將從2019年的136個增加到2023年的172個,成長超過30%,並且當加計包含較低概率的晶圓廠/產線時,其數量將攀升至接近200個。
半導體業購併不停歇 英飛凌將砸90億歐元買Cypress
半導體產業再掀購併風,繼恩智浦(NXP)日前以17.6億美元收購Marvell藍牙/WiFi業務後,英飛凌(Infineon)近日也宣布將以90億歐元買下賽普拉斯半導體(Cypress),藉此拓展在汽車、工業和物聯網等高速成長市場的市場潛力,進而強化並加速其盈利性成長。據英飛凌透露,雙方整合後的營運目標為:營收成長9%以上,營業利潤率19%,投資銷售比13%。
英飛凌執行長Reinhard Ploss表示,計畫收購賽普拉斯是英飛凌戰略發展具里程碑意義的一步,將會強化並提升該公司盈利成長的速度,將業務擴展至更廣泛的層面。透過此交易,英飛凌將能為客戶提供更全面的產品組合,連接現實與數位世界,在汽車、工業和物聯網領域開拓新的成長潛力。
據悉,購併賽普拉斯之後,英飛凌將會強化推動結構性成長的核心,並將公司技術應用至更廣泛的領域。這將加速強化英飛凌近年盈利成長的基礎。賽普拉斯擁有包括微控制器、軟體和連接元件等具差異化的產品組合,可與該公司旗下功率半導體、感測器和安全解決方案互補,結合雙方的技術優勢將能為電動馬達、電池供電裝置和電源供應器等高成長應用領域提供更全面先進的解決方案。
同時,英飛凌也計畫將其安全專長結合賽普拉斯的連接技術,以便更快速的進入工業、消費市場等全新物聯網應用領域;而在汽車半導體方面,則可將微控制器和NOR快閃記憶體的擴大組合,滿足先進駕駛輔助系統、汽車電子架構上等應用。
英飛凌指出,透過賽普拉斯強大的研發能力和在美國市場的據點,英飛凌不僅能加強為北美當地重要客戶提供的服務和產品,同時也能提升在其他重要區域的實力,該公司將在矽谷取得研發部門,並在戰略重點市場日本擴大布局和市場份額。
賽普拉斯總裁兼執行長Hassane El-Khoury認為,雙方結合將能提供更安全、無縫的連接,以及更完整的硬體和軟體解決方案和產品,加強客戶的產品和技術,為終端市場提供更好的服務。
英飛凌展望2019擴大電源領先優勢 搶占車用鰲頭
德國半導體大廠英飛淩(Infineon)科技在功率半導體領域市占全球第一、車用半導體領域全球第二。2018年全球營收達76億歐元,而本於讓人們的生活更加便利、安全和環保的目標之下;2019年,也將在汽車電子、工業電源控制、電源管理與多元電子、數位安全解決方案等四大事業持續推動與發展。
德國本來就是全球汽車產業最發達的國家之一,因此英飛淩投入汽車電子領域甚早,該公司大中華區總裁蘇華表示,英飛凌是為數不多的能全面涵蓋汽車領域重要應用的汽車半導體製造商之一,產品組合包括微控制器、智慧感測器、射頻收發IC、雷達以及分立式和整合式功率半導體,適用于動力總成、底盤、舒適性電子設備以及駕駛安全應用。
根據市調機構Strategy Analytics報告指出,英飛凌2017年汽車半導體市場市占率為10.8%,居業界第二,僅落後於恩智浦(NXP)的12.5%。蘇華指出,在汽車潔淨、安全、智慧的大趨勢下,電動車、ADAS、車聯網等技術與應用為來幾年將持續發展,2018會計年度,英飛凌汽車電子事業處營收為32.84億歐元,營收占比達43%,該公司有信心汽車電子業務將持續發展並更上一層樓。
而在工業電源控制部分,該領域對於高效發電和輸電而言至關重要,相關應用包括風力發電機、高壓直流輸電系統、儲能系統、電動車充電基礎設施以及家用電器等。為了進一步強化此領域業務,英飛凌致力發展碳化矽(SiC)技術,並應用於整合控制器、驅動器與功率開關的智慧功率模組(IPM)。根據IHS Markit的報告,英飛凌在分立式功率半導體與模組市場中,以18.6%的市占率,連續15年居業界第一,蘇華說明,2018年,英飛凌工業電源控制部門營收13.23億歐元,占公司營收17%。
而在電源管理與多元電子方面,專注於打造用於能源管理的功率半導體以及用於無線基礎設施與行動裝置的元件,尤其是MOSFET產品。採用氮化鎵(GaN)製程的驅動器與控制器,近年產業潛力十足;在高頻與感測器領域,矽製程的MEMS麥克風、飛時測距(Time of Flight, ToF)解決方案都是熱門的產品,根據IHS Markit研究,英飛凌於2017年MOSFET功率半導體市場,市占率達26.3%,2018年度,該部門營收達23.18億歐元,占該公司整體營收31%。
而面對5G、物聯網、自駕車、AI等趨勢,蘇華強調英飛凌會採用靈活開放的策略,包括發展5G前端晶片解決方案、mmWave雷達應用、導入AI人工智慧與深度學習於其軟硬體產品中;製造部分該公司除了在德國擁有全球唯一量產的12吋功率半導體廠之外,也要在奧地利興建第二個12吋功率半導體廠,並且擴大委外代工,包括持續與台灣或中國的後段封裝廠的合作關係。
英飛凌鞏固功率半導體市場地位
全球能源需求持續成長,推動因素包括工業、交通運輸及民用的電氣化,以及用電設備數量的增長,因此也提升了對於高效率功率半導體的需求。這些半導體用於發電、輸電及用電的所有環境,能夠有效率地管理設備、機器與系統。產業分析機構IHS Markit的報告指出英飛凌科技股份有限公司為2017年全球功率半導體市場的領導廠商。
在包括功率IC的整體市場中,英飛凌不僅保持領先地位,並實現業界最大的自然成長(Organic Growth)。在分離式元件與模組的子市場中,英飛凌已連續15年蟬聯市場龍頭殊榮,不但市占率再獲提升,其規模超越第二名廠商的一倍以上。在分離式IGBT市場中,英飛凌則是第二名廠商規模的三倍之多。英飛凌在IPM領域獲得大幅成長:英飛凌的市占率增加1.4%,優於所有競爭廠商。此外,英飛凌高達39.2%的成長速度比市場成長率(20.1%)高出近兩倍。
功率半導體可協助風力發電與光電系統有效率地發電及轉換電力,也讓家電、筆電、資料中心及其他應用的用電效率大幅提升。如此可節省能源,也確保能源供應的永續性。
滿足高功率轉換/小體積電源設計需求 晶片商啟動SiC軍備競賽
碳化矽(SiC)市場發展持續增溫。根據市調機構Yole Développement調查指出,全球SiC功率半導體市場將從2017年的3.02億美元,快速成長至2023年的13.99億美元,2017~2023年的市場規模年複合成長率(CAGR)為29%。其中,隨著汽車製造商未來5~10年內於主逆變器、車載充電器(OBC),以及直流-直流(DC-DC)轉換器等裝置皆陸續採用SiC功率半導體,汽車產業將成SiC市場加速成長的關鍵推手,特別是電動車款的應用。
SiC市場加速攀升 電動車成主要推手
電動車(EV)市場持續蓬勃發展,根據Frost&Sullivan研究顯示,全球EV銷售量將從2017年的120萬輛增加到2018年的160萬輛,並可望在2019年進一步上升至約200萬輛;特別是中國大陸地區,未來5至7年內將成為EV最大市場。為提升電動車整體效能,達到更好的電源轉換效率,在矽(Si)元件已被認為逐漸逼近性能上限之刻,車商、半導體業者開始轉往發展寬能隙半導體,而SiC具備高切換速度、高耐壓與低損耗特性,因而備受汽車產業青睞。
Yole化合物半導體技術和市場分析師Hong Lin表示,SiC功率半導體的普及率,取決於汽車製造商的導入;目前已有汽車業者在主逆變器、車載充電器和DC-DC轉換器中,採用SiC功率半導體。像是特斯拉(Tesla)便已在旗下Model 3電動車中使用SiC金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件,來降低導通和開關損耗。
同時,Yole預估2018年全球將會有超過20家的汽車業者,在OBC中使用SiC肖特基二極體(Schottky Diodes)或SiC MOSFET;未來SiC功率半導體在OBC市場中有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。另外,Yole預估將有愈來愈多的汽車製造商會在主逆變器中採用SiC功率半導體,特別是中國車商,近幾年更是紛紛考慮使用SiC功率元件,因此,2017~2023年,SiC功率元件在主逆變器市場的CAGR,更可能高達108%。
羅姆(ROHM)半導體台灣設計中心主任工程師蘇建榮(圖1)指出,SiC剛開發時,容易遇上兩個挑戰,分別是Body Diode的信賴性問題,因為當Body Diode通電時,會造成MOS RDS(on)上升;另一個是在SiC的MOS Gate加上偏壓時,會造成Vth偏移。目前這兩個技術挑戰已獲得解決,因而降低SiC的應用難度,普及率也開始提高,像是上述提到電動車中的肖特基二極體、OBC、PFC,或者是壁掛/直立式的電動車充電樁,都已開始導入SiC。
圖1 羅姆半導體台灣設計中心主任工程師蘇建榮指出,SiC普及率開始提升,電動車更是SiC主要應用市場。
擴增產能/攜手VENTURI車隊 羅姆力拓SiC市場版圖
如上提到,汽車產業成為SiC市場攀升的關鍵推手,為此,各半導體廠也開始積極布局。例如羅姆便與FIA Formula E電動方程式賽車的VENTURI車隊合作,提供該公司旗下SiC功率模組,搭載於驅動車輛的核心裝置-變流器中,提升車輛性能。
據悉,羅姆於2017~2018第3季FIA Formula E電動方程式賽事中,已提供了二極體(SiC-SBD)於VENTURI車隊,而從第4季開始,將改為提供整合電晶體和二極體的全SiC功率元件。此一元件與尚未搭載SiC的變流器相比較,體積減少了43%、重量減少了6公斤,讓VENTURI車隊的車輛體積更小,重量更輕。
另一方面,因應SiC需求逐步攀升,該公司也決定在日本福岡縣的筑後工廠增建新廠房,以滿足日漸升高的SiC功率元件生產需求。據悉,該新廠房為地上3層建築,總建築面積約11,000㎡。目前正在進行相關細部設計,預計於2019年動工,並於2020年竣工完成。
科銳SiC MOSFET助陣 電動車傳動效率大增
另一方面,為提升電動汽車動力傳動系統性能,科銳(CREE)旗下公司Wolfspeed近日也宣布推出新款1200V SiC MOSFET系列,可實現高電壓功率轉換,提高電動汽車動力傳動系統效率,讓電動車行駛距離更長,同時能夠降低系統成本,為消費者提供更好的綜合性能。
Wolfspeed總經理Cengiz Balkas表示,該公司開發的SiC產品組合,能實現尺寸更小、重量更輕的系統,進而提高每次充電後的行駛里程,這將有效減少電動汽車和汽油車在成本和性能方面的差距,並使汽車供應商和生產商更容易打造電動汽車生態系統。
據悉,新推出的C3M 1200V SiC MOSFET可承受大電流,能在1200V電壓條件下實現目前較低的漏源電阻RDS(on)及開關損耗,並提供更高的品質因數,使得消費者在單次充電之後,能夠行駛更遠的距離。
科銳首席執行長Gregg Lowe指出,全球對於電動汽車的需求日益成長,幾乎所有汽車生產商都宣布在其產品家族中推出新型電動汽車平台,而該公司透過採用新型技術,例如Wolfspeed新型SiC MOSFET產品組合,加快電動汽車的普及。
搶攻電動車市場 英飛凌SiC肖特基二極體發功
除上述所提的羅姆和科銳之外,另一電源晶片大廠英飛凌(Infineon)也瞄準電動車市場,於近期發布首款車用SiC系列CoolSiC肖特基二極體,可用於目前和未來油電混合車和電動車中的OBC。
英飛凌車用高功率部門副總裁暨總經理Stephan...