第三類半導體當紅炸子雞,前瞻布局攜手產、官、研積極投入

作者 | 發布日期 2022 年 03 月 18 日 13:00 | 分類 IC 設計 , 封裝測試 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


針對近期半導體產業中最關注的第三類半導體發展狀況,日前一場結合產、官、研的研討會,以「第三類半導體前瞻布局──材料、應用、供應鏈」為題就吸引了滿場的業界人士前來參加,顯示第三類半導體受當前受到重視的程度。其中,最先引題演說的 TrendForce 分析師曾冠瑋就表示,第三類半導體目前最具發展潛力的材料即為具備高功率及高頻率特性的寬能隙(Wide Band Gap,WBG)半導體,包含碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),主要應用大宗為電動車、快充市場。據 TrendForce 研究推估,第三類功率半導體產值將從 2021 年的 9.8 億美元,至 2025 年將成長至 47.1 億美元,年複合成長率達 48%。

曾冠瑋指出,SiC 適合高功率應用,如儲能、風電、太陽能、電動車、新能源車等對電池系統具高度要求的產業。其中,電動車備受市場關注,不過目前市售電動車所搭載的功率半導體多數為矽基材料(Si base),如 Si IGBT、Si MOSFET,但由於電動車電池動力系統逐步往 800V 以上的高電壓發展,相較於 Si,SiC 在高壓的系統中有更好的性能體現,有望逐步替代部分 Si base 設計,大幅提高汽車性能並優化整車架構,預估 SiC 功率半導體至 2025 年可達 33.9 億美元。

▲ TrendForce 分析師曾冠瑋。

另外,GaN 適合高頻率應用,包括通訊裝置,以及用於手機、平板、筆電的快充。相較於傳統快充,GaN 快充擁有更大的功率密度,故充電速度更快,且體積更小便於攜帶,吸引不少 OEM、ODM 業者加入而開始高速發展,預估 GaN 功率半導體至 2025 年可達 13.2 億美元。

整體來說,相較傳統矽基半導體,第三類功率半導體基板製造難度較高且成本較為昂貴,目前在各大基板供應商的開發下,包括 Wolfspeed、II-VI、Qromis 等業者陸續擴增產能,並將在 2022 下半年量產 8 吋基板,預期第三類功率半導體未來幾年產值仍有成長的空間。

而呼應 TrendForce 的說法,工研院光系統所組長方彥翔則指出,以化合物半導體為主的第三類半導體應用幾乎無所不在,從通訊、車用晶片、智慧感知再到能源管理,這其中都可以普遍見到化合物半導體的身影。近來更是在創新應用中,例如車用電子、綠能電子、高頻通訊上占有一席之地。在當中,又以車用電子在功率轉換控制器上的應用,含括逆變器,直流轉換器、車載充電器與直流快速充電器最為多數。而且在電動汽車市場持續成長之下,預估成長將能達到 6~12 倍。

▲ 工研院光系統所組長方彥翔。

方彥翔強調,隨著化合物半導體的創新應用越來越多的情況下,GaN on X-Substrate 在其效能相較 GaN on Si 有更優秀性能,而且具備低成本量產基板與磊晶技術的帶領下,未來將成為斥場發展重點項目。因此,工研院也在此設立化合物半導體整合開發設計驗證平台,藉由產業鏈合作並發展最適化應用,建置材料開發/元件設計/測試驗證能量等支援產業發展,再搭配專利佈局,建立化合物半導體的整體發展環境。

發展第三類半導體,其中的關鍵在於材料。能否藉由適當的材料搭配應用,最終達到第三類半導體籌本最佳應用效果,過程中檢測程序就成為重要關鍵。目前著力在半導體檢測業務上的閎康科技研發中心專案管理處副處長王世杰就表示,閎康科技主要業務包括公司主要業務可分為材料分析 (Materials Analysis,MA)、故障分析 (Failure Analysis,FA) 及可靠度分析 (Reliability Analysis,RA) 三種。藉此能確認新產品的開發後,是否合乎市場所需規格。而若不合規格,就要進行失效分析,了解為何不合規格,失效位置在哪裡。這就像人的身體必須透過醫院檢查,將身體內的隱藏病因尋找出來是一樣的意思。

▲ 閎康科技研發中心專案管理處副處長王世杰。

王世杰強調,閎康科技整合了 RA、FA、MA、SA、CA 各領域完整解決方案。而以儀器來區分,其所提供的服務內容有非破壞性結構觀察 (3D x-ray, SAT, Thermal EMMI)、微結構與成份分析 (樣品製備, 高解析 TEM, SEM, FIB, EDS, EBSD, EELS, NBD, SAD)、雜質濃度檢測 (SIMS, SRP, SCM, XPS, Auger)、污染與微量檢測 (TOF-SIMS, XPS, FTIR, XRF)、液態 TEM 分析 (K-kit)、元件級電性量測與缺陷定位 (C-AFM, Nano-probing, EBIC/EBAC, PEM, OBIRCH, Thermal EMMI)、ESD (HBM, MM, CDM, Latch-up, TLP, EOS)、可靠度測試 (HTOL, HAST, TCT, BLT, TS, Vibration, Shock, H2S corrosion,AMR/AMI, HRTB 等) 物理化學分析 (ICP-MS, TGA, LC-MS 等 )等。而藉由這些設備儀器,閎康科技能提供第三類半導體產品各種不同面向的檢測服務,藉以為客戶確認產品的各項功能表現。

當前,閎康科技的服務對象包括了上游的元件設計、元件製造商、印刷電路板(PCB)、板級(Board Level)測試,至下游的系統產品可靠度驗證等,並包含了電測、環測、機械應力測試等。除此之外,王世杰還指出,目前廠商對於智財權的布局也越來越重視。所以,針對競爭廠商的產品進行逆向工程的分析,使得相關侵權的問題能夠一一獲得答案,並且對於相關的內容進行絕對保密,這方面閎康科技也能進一步提供服務。事實上,閎康科技再最廣辦的分析服務,搭配最強大技術投資情況下,得以滿足廣大市場分析需求情況下,以藉此為相關國內第三類半導體的發展盡心力。

而除了檢測之外,設備提供也將是發展第三類半導體不可或缺的重要環節。目前專注在半導體設備發展的的北方華創台灣區總監許智堯就指出,目前公司以 Etch (蝕刻)、PVD (物理氣相沉積)、LPCVD (低壓化學氣相沉積)、APCVD (化學氣相沉積)、PECVD( 電漿輔助化學氣相沉積)、氧化爐、擴散爐、清洗機、熱處理裝備、液晶面板製造裝備、氣體品質流量控制器等系列化半導體關鍵製造裝備及核心零部件為主,以應用在半導體製造領域、先進封裝、半導體照明、微機電系統、功率器件、化合物半導體、平板顯示、新能源光伏等諸多核心領域上。

▲ 北方華創台灣區總監許智堯。

許智堯強調,就當前第三類半導體來說,目前在材料上多數以整合為發展趨勢,市場應用則以電信、資料、通訊、資通訊為主,再加上電動車的應用為一大關鍵,再加上消費性電子市場的充電應用。這些應用不管在哪一方面,市場發展都呈現成長的持續態勢。而在這其中,先不談論晶片設計的部分,在相關的製造方面就會是一個關鍵性的發展,包括研發與優化,這些對於相關設備市場都會是未來的助力。尤其,相較當前的矽基半導體,第三類半導體因為長晶的速度相對慢了許多,還為未來面對新的 8 吋晶圓生產態勢下,設備的需求更是其中的重點。

許智堯指出,未來在第三類半導體市場持續發酵的情況下,北方華創也都準備好了,可以客戶提供完整的解決方案。

至於,在第三類半導體的解決方案中,德州儀器指出,因為 GaN 其具有題收密度並減少系統運作成本、最小化干擾情況且降低設計程序、延長電池效力以保障系統運作、能承受高電壓用、以及降低噪音與提高應用程度等優點的情況下也進一步開發出了相關的創新應用。德州儀器半導體行銷及應用類比 IC 經理蕭進皇就表示,德州儀器自 2010 年開始發展相關產品.至今有許多新的創新產品在各領域應用的出現。其包括 900 伏的產品與相關 20 萬及 40 萬小時的成功測試,都是要協助客戶發展出新一代的產品。

▲ 德州儀器半導體行銷及應用類比 IC 經理蕭進皇。

蕭進皇強調,事實上因為德州儀器具備相關 GaN 可靠性產品,以及相關 GaN 設計時的解決方案,使得客戶在進行相關產品的工作時可以減少許多的程序與成本風險。尤其,藉由相關技術文章的輔助,提供第三類半導體的性能與優勢分析,使其能夠在工業,甚至是汽車領域中達到完善產品設計的情況。

最後,因為市場都看到第三類半導體未來在車用市場,尤其是在電動車市場的發展潛力。SiC 大廠 Wolfspeed 也提出了其產品發展與市場觀察。Wolfspeed 亞太區資深工程技術經理劉仁義就指出,目前 SiC 在電動車上的應用,除了一般單向或雙向的充電器之外,還有快速充電器的開發、以及車載充電器的設計等。這些基於成本、尺寸、重量、輸出功率限制的設計,是未來發展的關鍵項目。

▲ 亞太區資深工程技術經理劉仁義。

在相較矽基半導體有更高功率轉換效率,更快充電速度,加上更成熟的生產技術下,劉仁義指出,市場都看好 SiC 在電動車上的應用。基於此,Wolfspeed 也提出了靈活度與成本兼顧小功率離散是解決方案,到可擴展,並提高可靠性與吳戶性的大功率模組解決方案等以滿足不同市場的需求,並且進一步協助客戶在電動車市場的布局。

(首圖來源:科技新報攝)