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應材

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半導體大廠帶頭挺進 綠電需求擋不住

在蘋果(Apple)等參與Re100倡議的大型企業強力要求下,半導體產業採購綠電已成擋不住的趨勢。除了台積電先前與離岸風電開發商沃旭能源一口氣簽下長達20年的再生能源購電契約,宣示其使用綠電的決心外,全球最大封裝廠日月光、半導體設備龍頭美商應用材料(Applied Materials)也先後宣布,將擴大使用綠電。 日月光日前發表聲明表示,將參與蘋果的清潔能源計畫,支持並促進供應鏈中的清潔能源使用,以清潔再生能源生產環境永續產品,透過參與此計畫,日月光可藉由蘋果的領導力和資源擴展我們現行取得清潔能源之方式。在氣候變遷風險及全球能源結構的脫碳轉型下,日月光投控致力於創造與領導低碳經濟的永續解決方案,使經營績效立基於氣候友善、韌性以及具成本效益,帶領全球半導體產業持續成長。日月光視氣候變遷的挑戰為機會,並且轉化為營運成長之驅動力。 非碳能源的使用是溫室氣體管理的核心,日月光將致力於加強節能減碳,擴大綠色產業和促進可再生能源的決心。2019年再生電力總使用量為509,067 MWh,占總用電量的14.18%;相較2018年397,766 MWh,增加28%。日月光全球共計8個廠區已100%使用再生電力,和3個廠區已外購再生能源電力。 此外,日月光自2018年起,已投入為期3年智慧電網研究及推動試驗,整合電力使用需求與智慧化供應,透過用電即時性反應並結合再生能源與儲能系統,模擬電力發展可能情境,提供電力使用最佳化模式,達到環境與經濟成本雙贏之效益。 無獨有偶,應材也於近日宣布其再生能源導入計畫,預計2022年前該公司位在美國的廠區將100%採用再生能源,位於全球其他地區的工廠,則將在2030年前全面改用再生能源。此外,應材也宣布其環境與社會永續供應鏈認證計畫(SuCCESS2030),希望帶動半導體與顯示器產業鏈朝更永續的方向邁進。 為達成擴大採用再生能源的目標,應材也加入其他技術領導廠商的行列,承諾向Apex潔淨能源公司在德州克羅基特郡開發的White Mesa Wind風電專案購買500MW的能源。應材的能源採購協議(PPA)涵蓋這項專案10%的潔淨能源輸出,相當於13,000戶家庭所需的電力。 而在環境與社會永續供應鏈認證計畫方面,應材在評估供應商的績效和能力時,將開始要求恪遵以下共同承諾: •    改用複合運輸,減少產業對空運的依賴,藉此降低供應鏈的碳排放,並在 2024 年前達到排放量減少15%的過渡目標。 •    將供應鏈轉型為採用回收材料成分包裝,並在 2023 年底前達成 80% 採用率的目標。 •    在 2024 年前,100%淘汰利用磷酸鹽預處理金屬表面的技術。 •    發展多元包容策略,藉由關鍵指標和有意義的行動增加對女性和少數族群持有企業的支出比例,並在 2024 年前明顯提升女性和其他弱勢族群的地位。與商業協會合作,在...
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半導體設備/材料需求維持高檔 武漢肺炎將成短期變數

由於2019上半年全球半導體元件的庫存水位普遍偏高,直到下半年才調整至穩定狀態,因此2019年全球主要半導體廠的設備投資,大多集中在下半年,特別是在2019年11月與12月,更呈現大爆發狀態。也因為市場需求強拉尾盤,使得2019年全球半導體設備市場的表現不若預期悲觀,僅比2018年衰退8%。 全球最大半導體設備業者美商應材近日發表2020年第一財季的財報,截至2020年1月26日為止的第一季,公司營收41.6億美元,較2019年同期成長11%;每股盈餘亦達0.96美元,較去年同期成長20%,營運表現十分強勁。展望第二季,應材預估營收應落在43.4億美元上下,每股盈餘則可望達到0.98~1.10美元之間。 事實上,不僅應材在2019年底表現亮眼,整個半導體設備產業都在2019年最後兩個月強拉尾盤。除了一掃上半年的陰霾外,也使半導體設備市場的全年產值僅比2018年衰退8%,優於原先預期。 圖 全球半導體設備與材料市場規模 國際半導體產業協會(SEMI)產業研究總監曾瑞榆表示,對半導體設備產業而言,2019年可說是倒吃甘蔗的一年。在2019上半年,由於半導體元件庫存水位偏高,加上中美貿易戰的因素,使得半導體業者在設備投資上都相對保守。但到了下半年,特別是在11月跟12月,在台積電衝刺先進邏輯製程,以及英特爾(Intel)緊急擴增資本支出,以緩解CPU缺貨狀況的帶動下,全球半導體設備的單月出貨金額重新回到20億美元以上。 另一方面,記憶體庫存調整也已接近尾聲,目前NAND Flash業者已重啟設備投資計畫,預料DRAM業者的設備需求也會很快追上。 在邏輯製程需求持續維持高檔,加上記憶體設備需求回穩的情況下,整體來說,2020年全球半導體設備產業將有很不錯的表現,市場規模可望成長8%。 不過,目前仍在發展中的武漢肺炎疫情,可能會對半導體設備市場的短期表現造成衝擊。可以預期的是,中國武漢新芯、長江存儲與武漢弘芯由於位處重災區湖北省,因此短期內機台移入/裝機的作業程序勢必會受到延誤。其他電子零組件供應商及系統組裝廠的復工情況,也會受到疫情影響,使得產業鏈的運作出現問題。 但如果參考過去SARS時期的經驗,在疫情告一段落後,這些遞延的需求會很快回籠。故曾瑞榆認為,2020年半導體設備市場的狀況不必過度悲觀,很可能呈現先蹲後跳的局面。
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六大關鍵挑戰待克服 智慧折疊手機發展鴨子划水

早期的採用者樂於接受市場推出的這類令人振奮的新技術(圖1)。但從業界廣泛觀點來看,哪一種手機設計才會嬴得消費者的歡心,又必須克服哪些科技和技術性障礙才可實現量產? 圖1 折疊裝置類型 資料來源:Technobezz/itechfuture/mspoweruser/Forbes 折疊手機挑戰眾多 在開發折疊手機或其他裝置時,有很多問題需要解決,包括電池壽命、外形因素、製造成本和價格。當然,最明顯和最困難的問題是開發出可支援經常彎折的顯示螢幕,因為使用者將在好幾年的時間內經常開合他們的裝置,以下內文將深入探討。 電池壽命 折疊式設計可能是減少電池壽命的一個主要原因,因為這類手機要為兩個顯示螢幕提供電池電力。 智慧型手機的電池容量通常是4,380mAh,視使用頻率而定可能可以待機兩天,但支援大於7吋的迷你平板螢幕運作需要更多的電力,同時折疊螢幕的開合以及螢幕之間的切換,也會消耗電力。因此,留給消費者的是更短的電池壽命,或更厚重的手機。 外型因素 智慧型手機的趨勢是螢幕越來越大,手機整體越來越薄,並且隨著採用OLED和電池技術的進步而具備愈來愈好的性能。但當口袋中的手機厚度變為原來習慣的兩倍,消費者是否會感到滿意是未來業者重要的設計考量。 成本和價格 根據OLED顯示器成本模型來看,標準的7.3 QHD OLED顯示螢幕的成本是50~35美元,觸控組件的成本是15美元。相較之下,折疊式7.3 WQHD OLED折疊顯示螢幕的成本是100~70美元,觸控模組的成本是25美元,觸控層和封裝的特殊材料占增加成本中的大部分。 另外,製程不成熟造成生產良率低,也是使成本增加的原因。標準智慧型手機 OLED顯示螢幕的良率是60~70%,而折疊螢幕的良率卻低於30%;此外,現在仍難以衡量消費者對折疊式行動裝置的接受度以及普及的程度。雖然初步預測顯示消費者有很強烈的興趣(圖2),但初期銷售量卻很低,這顯示消費者對這類技術有高度的興趣,但從零售層面來看則抱持觀望態度。 圖2 折疊OLED出貨預測 資料來源:IHS Market 挑戰彎曲極限 在彎曲問題上,目前還未開發出明確解決方案,但半導體產業正針對該問題進行大規模的研究。可彎曲折疊裝置必須採用柔性OLED技術,因為現行的LCD薄膜電晶體(TFT)無法適用在重複彎曲的裝置,基於相同原因,基板必須是聚醯亞胺,而不是玻璃。 另外,組成顯示螢幕的整體層堆疊必須超薄和非常堅固,整體厚度(包括OLED裝置)要小於1.0mm。需要的膜層包括:折疊基板上的TFT、覆蓋TFT的隔離層、隔離層上的OLED、基板上的封裝層、與封裝層結合的柔性觸控式螢幕面板,以及一層保持顯示膜的光學性質的硬塗層窗膜,(可能)使顯示螢幕表層可以抗刮、耐磨損和撞擊,手機彎曲時,所有這些膜層必須保持正常功能。 彎曲這種堆疊的多層膜時,堆疊中有個位置稱為中性軸或(中性彎曲面),該處的應變力為零,找出中性面內的顯示模組位置可將應變和應力降到最小。這之所以這麼重要是因為在向內彎曲上的太多壓縮應力會導致屈曲和剝離,而過大的拉伸應力可能會導致破裂和剝離(圖3)。 圖3 彎曲測試失敗模式 資料來源:Yves Leterrier, in Handbook of Flexible Organic Electronics:Materials,  Manufacturing and Applications, Woodhead, 2015 雖然作為獨立的薄膜,顯示螢幕堆疊中的每個元件可以彎曲到相對較小的半徑(小於5mm),但當元件黏合後彎曲時,機械應力在結合層之間傳遞,在堆疊的多層膜中出現拉伸和壓縮力,導致結合層的剝離和屈曲。 因此,工程師對黏合的方式進行改善,使堆疊膜層作為單獨的元件起作用,而不受相鄰膜層的約束。這是為了在顯示螢幕堆疊彎曲(特別是彎曲半徑小於5mm)時,可以防止機層的剝離和屈曲。 彎曲測試 彎曲測試也是實現折疊螢幕的重要步驟。對此,半導體設備業者如應用材料公司顯示及柔性技術事業群(DFT)的研發部門,便測試了聚二甲酸乙二醇酯(PEN)膜的薄膜封裝,以評估薄膜的可靠度,以及是否能夠保留原有特性來作為防止空氣和水氣侵入OLED材料的屏障。 低於1%的整體臨界應變目標是楊氏模數的一個函數,或定義材料中的應力和應變之間的關係,以及基板整體厚度(圖4)的機械特性。DFT事業群測試了堆疊在 50μm PEN基板上的多層薄膜封裝膜,這項測試包括在專門的彎曲測試機器(圖5)上,將基板以半徑2.5mm彎曲200,000 次。 圖4 折疊基板的臨界應變公式 資料來源:Yves Leterrier, in Handbook...
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AI商機/挑戰並存 半導體材料突破將成重點

人工智慧(AI)大行其道,但若要執行相關演算法或模型,需要大量運算能力,因此對半導體產業而言,AI固然蘊含龐大商機,但同時也帶來許多挑戰。在摩爾定律(Moore's Law)逐漸失效,晶片業者不再只能倚靠電路微縮來實現效能更高、成本更低的晶片之際,AI運算需求所帶來的挑戰更形艱鉅。美商應用材料(應材)認為,為了回應這些AI帶來的挑戰,在產業生態面,半導體產業的風貌將從上下游關係分明的直線鏈條轉變成互相交錯的產業網路;在技術面,則必須在運算架構、設計結構、材料、微縮方法與先進封裝這五大領域提出新的對策,而材料工程將在這中間扮演最核心的角色。 美商應用材料副總裁暨台灣區總裁余定陸認為,對整個半導體產業來說,AI是一個完美風暴,但同時也是完美的商機。我們正面臨有史以來最大的AI大戰,不論是傳統科技領導大廠、新創公司或軟體公司,都投入大量的資源、押寶不同的技術領域、聚焦應用的客製化及最佳化,專注於硬體的設計以及投資發展。在電腦運算處理器部分,人工智慧需要大量、快速的記憶體存取及平行運算,才能提升巨量資料處理能力,這時繪圖處理器(GPU)及張量處理器(TPU)會比傳統運算架構更適合處理人工智慧的應用。 為了使人工智慧潛力完全開發,其效能/功耗比(Performance/Watt)需比目前方案提高1,000倍 ,已成為現階段技術層面亟需突破的關鍵。 另一方面,為了應對大量資料跟高速運算需求,儲存資料用的記憶體、用來傳輸資料的高速介面技術等,也有許多可以發揮跟探索的空間。過去幾年,NAND Flash已經率先從2D走向3D,接下來還有許多新興記憶體蓄勢待發。先進封裝技術的推陳出新,讓異質整合成為可能,不僅讓晶片業者可以在單一封裝內整合更多功能,同時也讓資料傳輸的速度大為提升。 而在整個半導體產業面臨如此重大變化之際,市場對半導體產品的需求其實沒有太大改變。對半導體使用者、客戶來說,最注重的還是晶片的效能(Performance)、功耗(Power)、面積成本(Area Cost, AC),也就是應材常說的PPAC這三大指標。為了滿足客戶對產品的需求,應材認為,材料科學的突破是最關鍵的。 隨著晶片的結構越來越複雜,半導體製程發展的挑戰變得更為艱鉅。但如果在材料科學方面能有新的突破,將可協助半導體製造商解決不少問題。例如在晶片內數量越來越多的矽穿孔(TSV),必須精準地打在正確的位置上,否則就會形成短路。但以現在的製程方法,要確保TSV的位置正確,是相當有挑戰性的課題。為此,應材已發展出可以自動對位的新材料跟對應製程方法,可協助半導體製造業者解決這項難題。 最後,為了應對未來的挑戰,半導體產業的運作模式也必須跟著改變。當今的半導體產業上下游都是以直線型的方式來運作,互連性十分薄弱,但未來必須以神經網路形態(Neuromorphic)的思維,進行平行發展與學習,運用互連加速創新。每家廠商不只要面對客戶,以後還要跟客戶的客戶、客戶的夥伴攜手合作,才能發展出符合客戶需求的產品跟解決方案。
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