第三代半導體逐漸迎來爆發(fā)期,這就給相關代工帶來了需求。雖然臺積電方面認為,第三代半導體是個小市場。但這不影響臺積電對碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等化合物半導體市場潛力的興趣。尤其看好GaN,稱其逐漸被市場接受,預期未來十年將有延展更多應用。下面,我們來看一下臺積電在這些方面的布局。
01、特殊進程加大馬力
無論是SiC還是GaN都屬于特殊制程(專業(yè)技術)。臺積電目前正在加速先進制造工藝的開發(fā)和量產(chǎn),但臺積電今年的目標是將其專業(yè)技術占成熟工藝的份額提高到60%,首次超過50%,這是一個新的高度。三年前,專業(yè)技術僅占臺積電成熟工藝的45%。隨著臺積電今年同時擴大成熟節(jié)點的產(chǎn)能,預計特種技術產(chǎn)能,特別是從28nm到16nm的產(chǎn)能,也將增長12%。
據(jù)了解,臺積電今年的資本出將達250-280億美元,年增45-62%;其中80%將用于3nm、5nm及7nm等先進制程,10%用于先進封裝技術量產(chǎn)需求,10%用于特殊制程。據(jù)悉,臺積電竹科12廠與中科15廠都有對應優(yōu)化制程設計,南科廠方面,南科晶圓14廠第八期也規(guī)劃為特殊制程應用生產(chǎn)。
先前《日刊工業(yè)新聞》曾報導,在日本政府經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的主導下,臺積電與索尼可能會在日本合資設廠,該工廠瞄準的也是特殊制程,將生產(chǎn)40nm至20nm的制程為主,主要用于汽車、家用電子與機械產(chǎn)業(yè)等類別。
臺積電研發(fā)資深處長段孝勤此前在論壇中提到,臺積電一直投入資源在功率相關的制程工藝技術上,朝降低能耗的目標前進,包括使用在電源管理芯片上的 BCD 工藝。
臺積電是第一家采用300mm晶圓生產(chǎn)Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)電源管理工藝的代工廠。2020年臺積電針對各種快速增長的移動電源管理IC的不同集成級別的應用擴展了90nm、55nm和22nm的12英寸雙極Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技術組合。其中,90nm BCD技術覆蓋了從5V到35V的廣泛應用,并將在2021年繼續(xù)擴展。臺積電專門優(yōu)化了5V電源開關,它是用來處理由鋰離子電池驅(qū)動的不斷增長的電力需求。此外,其0.18微米第三代BCD制程技術于2020年完成AEC-Q100驗證。
02、重點發(fā)力GaN
臺積電看到未來十年復合半導體的增長機會,尤其是在五個領域的應用:快充、數(shù)據(jù)中心、太陽能電力轉(zhuǎn)換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉(zhuǎn)換器?春肎aN充電特性更快、更輕薄以及更有效率,效率大于過往三倍,同時在數(shù)據(jù)中心設計上也是如此。
早在2014年,臺積電就開始在其6英寸晶圓廠制造GaN組件,并于2015年開始生產(chǎn)用于低壓和高壓應用的GaN組件。憑借其在硅基半導體制造領域的領先地位,臺積電于2017年開始量產(chǎn)GaN-on-Si組件。
在此需要科普一下,氮化鎵半導體器件主要可分為GaN-on-Si(硅基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵),GaN-on-sapphire(藍寶石基氮化鎵)等幾種晶圓。不同的廠商對這幾種方式也有不同的看法,由于價格的因素,硅基氮化鎵成為了目前半導體市場主流,而也有人士認為GaN-on-SiC在未來大有可為。我們看到,臺積電也是采用的GaN-on-Si(硅基氮化鎵)技術。英特爾最近在IEDM 2021上發(fā)布關于GaNg新的突破,英特爾在300毫米的硅晶圓上首次集成氮化鎵基(GaN-based)功率器件,此研究驗證了300毫米工藝兼容可行性,更適配高電壓應用,增加了功能,提升了大規(guī)模制造可能性。不知道此舉是否也意味著,英特爾將代工GaN。
2020年臺積電開始量產(chǎn)第一代650V和100V增強GaN高電子遷移率晶體管(E-HEMT),該晶體管在2020年迅速達到滿負荷生產(chǎn)。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%,預計2021年投入生產(chǎn)。此外,其100伏空乏型高電子移動率晶體管(D-HEMT)已完成元件開發(fā),具備優(yōu)異的性能,且通過多家5G基地臺模塊設計公司的工程驗證,預計于2011年進入試產(chǎn)。
臺積電研發(fā)資深處長段孝勤在今年9月的SEMICON 臺灣在線論壇提到,GaN on Si的挑戰(zhàn)主要是表面的不平整程度考驗,臺積電開發(fā)了GaN-on-Silicon技術來滿足功率和RF組件要求,而外延代工也開發(fā)了6英寸GaN-on-Silicon晶圓制造技術等。
臺積電在GaN代工領域的客戶主要是意法半導體和納微半導體。2020年,臺積電和意法半導體也開始在GaN產(chǎn)品上進行合作,將為ST提供分立產(chǎn)品供應GaN IC,已促成累計超過1 ,300萬顆氮化鎵芯片出貨。除此之外,納微半導體專有的 GaN 工藝設計套件 (PDK) 也是基于臺積電的 GaN-on-Si 平臺開發(fā)的。此前納微半導體首席運營官/首席技術官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Dan Kinzer說。“臺積電的交付和質(zhì)量結(jié)果不言而喻,每月出貨量超過 100 萬個 GaNFast 電源 IC,總出貨量超過 1300 萬個,現(xiàn)場故障為零。”
據(jù)科技產(chǎn)業(yè)咨詢室的報道,目前,臺積電擁有三到四個能夠生產(chǎn)6英寸Epi GaN晶片的MOCVD單元,生產(chǎn)能力為1.5-2Kwpm。而且今年初,業(yè)界也傳出了臺積電開始采購氮化鎵機臺設備,數(shù)量達十多臺,預估增加產(chǎn)能上萬片,業(yè)界推測是有重要客戶顯著增加下單量。
03、SiC代工模式漸起
碳化硅代工業(yè)務比硅代工業(yè)務更困難。目前也很少有專門的SiC代工廠。但是隨著SiC的需求越來越大,根據(jù)Yole的預測,到2026年整個碳化硅功率器件的市場規(guī)模有望達到50億美元,市場空間巨大,其中60%以上用于新能源汽車領域。因此不少代工企業(yè)開始加碼布局SiC代工。
德國的X-Fab將其位于美國的晶圓廠的 SiC 代工產(chǎn)能翻了一番,X-FAB 被認為是第一家在 6 英寸晶圓上提供 SiC 技術的代工廠。英國的Clas-SiC、臺灣的Episil(臺灣)、大陸的三安和韓國YPT最近進入了SiC代工業(yè)務。此外一些 IDM 和硅代工廠也在探索這個市場。
臺積電也開始了SiC的相關研究,此前據(jù)鉅亨網(wǎng)的報道,臺積電董事長劉德音透露,臺積電已經(jīng)做了很多與SiC相關的高壓產(chǎn)品,正在與國研院合作,而且臺廠的SiC產(chǎn)能最大。SiC也屬于Spectialy(特殊工藝)技術,據(jù)臺積電稱,其目前成熟工藝節(jié)點的產(chǎn)能將升級為特殊工藝,以支持化合物半導體在臺積電生產(chǎn)計劃中不斷增長的份額。
關于臺積電、Sony的新晶圓廠,三菱電機社長衫山武史在接受FujiSankei Business采訪時表示,新建的晶圓廠和三菱電機的工廠、研發(fā)據(jù)點距離很近,在SiC功率半導體代工上進行合作是十分有可能的。
現(xiàn)在,SiC代工業(yè)務體量還是很小,SiC代工業(yè)務才剛剛起步。但碳化硅代工廠希望復制成功的硅代工廠模式。雖然在SiC領域,IDM將繼續(xù)占據(jù)主導地位,但Fabless和代工廠也有空間。
04、結(jié)語
無論是SiC還是GaN,對于國內(nèi)一眾Fabless企業(yè)來說,代工都是必需品。這也將成為我國第三代半導體發(fā)展的產(chǎn)能和良率的保證。如臺積電這樣的大的代工廠的重視,將是第三代半導體蓬勃起飛的關鍵性因素。
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